La polarimétrie de Mueller est une technique optique qui mesure la réponse polarimétrique complète d’un milieu sous la forme d’une seule matrice de Mueller afin de remonter à ses propriétés optiques comme le dichroïsme, la biréfringence et la dépolarisation. Le couplage avec la microscopie non-linéaire (SHG par exemple) permet d’avoir accès à des informations précises sur un milieu biologique (structure, organisation, . . .). Cela impose de passer à une modalité d’imagerie à balayage laser, qui nécessite de mesurer la réponse polarimétrique du milieu pixel-par-pixel en des temps relativement courts (de l’ordre de la microseconde). Le but de cette thèse est de mettre en oeuvre un polarimètre de Mueller dont les cadences d’acquisition sont compatibles avec l’imagerie à balayage laser. Dans un premier temps, un polarimètre de Mueller inédit est proposé, basé sur le codage spectral de la polarisation dont toute l’information polarimétrique de l’échantillon est mesurée sous la forme d’un seul signal d’intensité en un temps record (10 μs). Ce dispositif est constitué d’une source à balayage rapide en longueur d’onde à 100 kHz (ou swept-source), de lames de phase d’ordre élevé et d’un détecteur monocanal. Les erreurs systématiques qui entachent la mesure sont évaluées et des méthodes de correction permettent de les prendre en compte dans une étape d’étalonnage qui utilise la réponse de deux milieux étalons.Ensuite, le polarimètre est implémenté dans un microscope commercial à balayage laser, utilisé initialement pour réaliser de l’imagerie non-linéaire (SHG). Cela requiert un redimensionnement du montage, ainsi que la synchronisation entre les deux systèmes. Par ailleurs, un protocole de calibration du dispositif est développé et permet de tenir compte de l’ensemble des erreurs systématiques du polarimètre indépendamment des anisotropies optiques engendrées par le microscope. Enfin, les premières images polarimétriques de Mueller en microscopie à balayage laser ont été acquises sur des échantillons inhomogènes spatialement (rubans adhésifs et cristaux de roches). La potentialité de la microscopie multimodale est démontrée sur des échantillons de fibroses de foie, en couplant l’imagerie polarimétrique de Mueller et la microscopie non-linéaire au sein d’un seul instrument. / Mueller polarimetry is an optical technique allowing the acquisition of the full polarimetric signature of a medium with a single Mueller matrix, and leading to its polarimetric parameters such as dichroism, birefringence and depolarization. Coupling Mueller polarimetry with nonlinear microscopy techniques (SHG for example), more precise information about the medium could be obtained (structure, organization . . .). This imaging technique uses a laser scanning system to measure the Mueller matrix of a medium point-to-point quickly (of the order of the microsecond). The aim of this thesis is to develop a Mueller polarimeter compatible with the laser scanning system. First, a new Mueller polarimeter is proposed using spectral encoding of the polarization and measuring the full polarimetric signature of a sample with a single channeled spectrum in a fast way (10 μs). This setup is composed of a 100 kHz swept-source laser, high order retarders and a single channel detector. Systematic errors on the Mueller matrix measurement are evaluated and correction methods take into account these errors in a calibration step that uses polarimetric signature of two references medium. Then, the polarimeter is implemented on a commercial laser scanning microscope that usually images non-linear contrasts (SHG). The update needs to reduce the dimension of the polarimeter and ensure an electronic synchronization between these two systems. However, a new calibration step is proposed and takes into account all the systematic errors of the polarimeter, independently of the optical anisotropy induced by the microscope. Finally, the images with the first Mueller scanning microscope are obtained with spatially inhomogeneous samples (cellophane tapes, rocks). The potentiality of the multimodal scanning microscopy Mueller/SHG on the same instrument is demonstrated in the case of hepatic fibrosis.

En fournissant des informations précieuses sur la structuration des tissus biologiques à l'échelle submicronique, les techniques d'imagerie polarimétrique optique peuvent aider au diagnostic précoce de diverses pathologies comme des fibroses ou certains cancers. Parmi ces techniques, la polarimétrie de Mueller est la plus complète puisqu'elle permet de déterminer toutes les caractéristiques polarimétriques d'une cible d'intérêt (retard de phase, diatténuation, dépolarisation). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent à coupler, pour la première fois, la polarimétrie de Mueller à un déport endoscopique de la lumière par fibre optique pour permettre de caractériser des tissus in vivo in situ et limiter ainsi le recours aux biopsies. Le défi à relever consiste à s'affranchir des perturbations incontrôlables que la fibre introduit sur les états de polarisation de la lumière guidée. Pour ce faire, on propose d'extraire les caractéristiques polarimétriques de l'échantillon d'intérêt à partir des mesures des matrices de Mueller de la fibre seule (longueur 2m) d'une part, de l'ensemble « fibre + échantillon » d'autre part, associées à un traitement mathématique spécifique. Pour la mise en oeuvre de cette solution, un polarimètre de Mueller à fibre, fonctionnant en réflexion, a été conçu spécialement. Deux déclinaisons, avec des mesures soit séquentielles soit simultanées, ont été explorées et comparées. Les mesures ponctuelles de composants polarimétriques calibrés, seuls ou combinés, sont en très bon accord avec les valeurs attendues : erreurs inférieures à 1,5° sur les retards de phase, à 1° sur les orientations relatives des axes de biréfringence, et à 0,02 sur les diatténuations linéaire et circulaire. Les premières images polarimétriques de Mueller d'échantillons manufacturés et biologiques (collagène de type I), réalisées à travers une fibre optique endoscopique, sont également présentées et commentées. / Optical polarimetric imaging techniques can be very attractive for early diagnosis of diseases such as fibrosis or some cancers as they can provide valuable information on the structure of biological tissues at the submicronic scale. Among them, Mueller polarimetry is the only one able to determine all the polarimetric characteristics of any sample (retardance, diattenuation, depolarization). This PhD thesis aims to achieve, for the first time, Mueller polarimetry through an optical fiber in order to allow in vivo in situ characterizations of biological tissues. The challenge is to overcome the uncontrollable perturbations induced by the optical fiber on the polarization states of the guided light. The investigated solution consists in deducing the polarimetric characteristics of the sample from the Mueller matrix of the fiber only (2 m long), and from that of the « fiber + sample » assembly, thanks to a specific mathematical processing. A fibered Mueller polarimeter, working in backscattering configuration has been specially designed. Two versions, based on either sequential or simultaneous measurements, were investigated and compared. Measurements of different sets of calibrated polarimetric components are in a very good agreement with the expected ones: discrepancies lower than 1.5°, 1° and 0.02 respectively have been found on retardance, relative orientations of birefringence eingenaxes and on linear and circular diattenuations. Very first Mueller polarimetric images of manufactured and biological samples (type I collagen) realized through an endoscopic optical fiber are also shown and discussed.

Cette thèse examine une nouvelle méthode de diagnostic, appelée Polarimètrie de Mueller, pour l’étude des interactions plasma-surface. Cette technique d’imagerie permet la caractérisation optique résolue en temps des cibles exposées au plasma. Les matrices de Mueller mesurées sont analysées en utilisant la décomposition logarithmique donnant des informations polarimétriques sur la diattenuation, la dépolarisation et la biréfringence. Cette dernière est exploitée en examinant des matériaux optiquement actifs afin d’identifier des aspects spécifiques de l’interaction avec le plasma, tels que les champs électriques ou la température de surface.Ce travail se concentre sur les cibles électro-optiques, qui permettent principalement la détection de champs électriques induits par la charge de surface déposée lors de l’interaction. La biréfringence est couplée analytiquement au champ électrique, en rapportant le retard de phase du faisceau sonde de lumière polarisée, à l’ellipsoïde d’index perturbé suivant l’effet Pockels. Grâce à cette approche analytique, les matériaux ayant des propriétés électrooptiques spécifiques peuvent être choisis de telle manière que toutes les composantes individuelles de champ électrique (axiales et radiales) induites à l’intérieur de l’échantillon soient imagées séparément. Pour la première fois les composantes du champ électriques peuvent être découplées permettant de mieux comprendre la dynamique du plasma proche d’une surface diélectrique.Cette technique est utilisée pour étudier l’impact d’ondes d’ionisation sur des surfaces. Ces décharges, générées par un jet de plasma à pression atmosphérique dans la gamme kHz, sont des plasmas froids filamentaires généralement utilisés pour des applications diverses telles que la fonctionnalisation de surface de polymères ou des traitements biomédicaux, mais les méthodes de diagnostic disponibles pour étudier les effets induits sur les surfaces sont limités. L’imagerie de polarimètrie Mueller appliquée aux cibles électro-optiques permet d’examiner les champs axiaux et radiaux en termes d’amplitude (3-6 kV/cm), d’échelles spatiales (<1mm axiales and <1cm radiales) et d’échelles temporelles (< 1μs pulsée and < 10μs CA) pour divers paramètres de fonctionnement du jet, e.g. amplitude de tension et gaz environnant.Simultanément à la biréfringence transitoire induite par le champ électrique, un signal de fond constant est également observé. Il est induit par la contrainte résultante du gradient de température induit à l’intérieur du matériau ciblé. Une relation analytique est obtenue en utilisant l’effet photo-élastique, permettant de développer une procédure de fitting pour retrouver la distribution de température. Cette procédure est utilisée, après calibration, pour montrer que la température de l’échantillon peut varier jusqu’`a 25 degrés par rapport aux conditions ambiantes – tandis que les changements dans le champ électrique sont également mesurés – et dépend de la fréquence de la tension d’alimentation AC du jet de plasma. La détermination précise de la température induite dans les cibles est importante car la plupart des applications visent des échantillons thermosensibles.Enfin, ce travail montre comment des échantillons complexes (aussi bien en terme d’état de surface que de composition chimique) peuvent être examinés lors d’une interaction plasma-surface, en les combinant avec une cible électrooptique. En raison de l’ajout d’un échantillon complexe, une composante de dépolarisation est ajoutée due à la diffusion du faisceau lumineux polarisé. Les changements de dépolarisation sont liés à l’évolution de l’échantillon complexe au cours du traitement par plasma. Ceux-ci, couplés aux champs électriques mesurés simultanément, fournissent un outil de diagnostic unique pour examiner les interactions plasma-surface. Cela a été appliqué à un cas test où une seule couche de cellules d’oignon est exposée aux ondes d’ionisation générées par le jet de plasma froid. / In this thesis, a new diagnostic method called Mueller Polarimetry is examined for the investigation of plasma-surface interactions. This imaging technique allows the time-resolved optical characterization of targets under plasma exposure. The measured Mueller matrices are analyzed by using the logarithmic decomposition providing polarimetric data on diattenuation, depolarization, and birefringence. The latter is used by examining materials that possess optically active behavior to identify specific aspects of the plasma interaction, e.g. electric fields or temperature.This work focusses on electro-optic targets, which primarily enables the detection of electric fields induced by surface charge deposited during the interaction. The birefringence is coupled to the externally induced electric field by analytically relating the phase retardance for the probing polarized light beam to the perturbed index ellipsoid, according to the Pockels effect. Through this analytical approach, materials with specific electro-optic properties can be chosen in such a way – together with the orientation of the Mueller polarimeter itself – that all the individual electric field components (axial and radial) induced inside the sample are imaged separately. This has never been done before and allows to better understand the plasma dynamics in the vicinity of a dielectric surface.It is used to investigate the surface impact by guided ionization waves generated by a kHz-driven atmospheric pressure plasma jet. These non-thermal filamentary discharges are generally applied to various samples for e.g. surface functionalization of polymers or biomedical treatment of organic tissues. However, available diagnostic tools are limited to study these interactions. Imaging Mueller polarimetry applied to electro-optic targets examines the axial and radial field patterns in terms of amplitude (3-6 kV/cm), spatial scales (< 1mm axial and <1cm radial), and timescales (<1μs pulsed and <10μs AC) for various operating parameters of the jet, for example voltage amplitude and surrounding gas.Simultaneous with the transient birefringence induced by the electric field, a constant background pattern is also observed. This results from strain induced by temperature gradients inside the targeted material. An analytical relation is obtained following the photo-elastic effect, which allowed a fitting procedure to be designed to retrieve the temperature pattern. This procedure is used after calibration to show that the temperature of the sample can vary up to 25 degrees relative to room conditions – while changes in the electric field are seen as well – depending on the operating frequency of the AC driven plasma jet. The accurate determination of the temperature is important since most applications involve temperature sensitive samples.Lastly, this work shows how complex samples (in terms of surface geometry and/or chemical composition) can be examined during a plasma-surface interaction. This is done by combining them with the electro-optic targets. Due to the addition of a (thin) complex sample, depolarization is added to the system through scattering of the polarized light beam. In-situ observed changes of depolarization relate to the evolution of the complex sample during the plasma treatment. This, coupled with the simultaneously monitored electric field patterns, provides a unique diagnostic tool to examine the plasma-surface interactions. This has been applied for a test case where a single layer of onion cells is exposed to the ionization waves generated by the non-thermal plasma jet.