Microscopie non-linéaire vibrationnelle CARS affranchie de bruit non-résonant aux interfaces

L'effet CARS (acronyme anglais de “coherent anti-Stokes Raman scattering”) est un analogue non-linéaire de l'effet Raman. A ce titre, il donne une information vibrationnelle sur l'échantillon étudié. Utilisé en microscopie, c'est une technique résolue chimiquement et qui permet de s'affranchir de marquage fluorescent. CARS est un processus de mélange à quatre ondes dans lequel deux faisceaux laser décalés en fréquence optique dénotés « pompe » et « Stokes » interagissent avec l'échantillon d'étude pour générer un signal dénoté « anti-Stokes » et décalé vers le bleu. Le signal anti-Stokes est la somme cohérente de deux composantes : une composante vibrationnelle, dite « résonante », générée lorsque la différence des fréquences optiques des lasers pompe et Stokes coïncide avec une fréquence de vibration intramoléculaire de l'échantillon, et une composante électronique, dite « non-résonante », plate spectralement, qui vient bruiter la composante résonante. Il existe de multiples techniques pour extraire la composante « résonante » du signal anti-Stokes et éliminer la composante « non-résonante », la plupart d'entre elles souffrant d'une complexité expérimentale accrue. Nous proposons et démontrons, théoriquement et expérimentalement, des techniques de microscopie CARS affranchies de bruit non-résonant pour mettre en évidence des interfaces « chimiques » entre un milieu « résonant » et un milieu « non-résonant » qui sont simples à mettre en œuvre. Pour ceci, nous tirons partie des propriétés de phase des signaux associés aux composantes résonante et non-résonante du signal anti-Stokes et nous revisitons des expériences d'interférométrie à deux ondes. Ainsi, lorsque l'interface entre les deux milieux non-résonant et résonant est perpendiculaire à l'axe optique (interface transverse), défini comme l'axe de propagation commun des lasers excitateurs pompe et Stokes, nous montrons que l'on obtient un signal anti-Stokes affranchi de bruit non-résonant après soustraction des deux signaux obtenus après renversement des rôles des milieux résonant et non-résonant. Lorsque cette interface est parallèle à l'axe optique (interface axiale), nous revisitons l'expérience des fentes d'Young et montrons que ce signal anti-Stokes affranchi de bruit non-résonant est obtenu après soustraction de deux signaux anti-Stokes générés dans deux directions symétriques. Nous démontrons ces propriétés sur des échantillons tests et des cellules fixées. Les techniques que nous développons sont simples et peuvent être mises en œuvre sur des microscopes CARS commerciaux. Par ailleurs, ces approches ne se limitent pas à l'effet CARS et peuvent être appliquées à tout effet linéaire ou non-linéaire dispersif et cohérent