La tomographie par cohérence optique (OCT) est une technique d'imagerie basée sur la lumière actuellement utilisée dans le diagnostic clinique pour examiner les organes in vivo. La technique utilise l'interférométrie; dans lequel la lumière réfléchie par un objet examiné se combine avec la lumière de référence qui ne rencontre pas l'objet pour générer des motifs d'interférence qui forment des images OCT 2D et 3D. Il est possible d'utiliser des longueurs d'onde de lumière plus longues dans la technique d'imagerie pour une pénétration plus profonde dans les matériaux de diffusion de la lumière. De telles caractéristiques offrent des possibilités pour l'OCT dans les tests non destructifs (CND) d'échantillons, et l'amélioration de l'imagerie biomédicale non invasive. Dans une étude récente, Niels M. Israelsen et ses collègues de l'Université technique du Danemark, avec des collaborateurs en Autriche et au Royaume-Uni, a développé une nouvelle méthode pour surmonter les défis techniques de l'imagerie OCT.

Dans l'étude, ils ont obtenu des images en utilisant la lumière infrarouge moyen pour révéler des structures microscopiques non visibles sous la lumière proche infrarouge conventionnelle à plus courte longueur d'onde. Pour ça, l'équipe a combiné expérimentalement la lumière du supercontinuum à large bande et la conversion ascendante de fréquence pour l'acquisition d'images en temps réel à haute résolution. Les résultats sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications , avec un potentiel d'avancées cliniques prometteuses dans la détection des défauts et les mesures d'épaisseur in vivo. Le potentiel d'amélioration de la pénétration en profondeur de l'OCT en utilisant des longueurs d'onde plus longues est connu depuis sa création au début des années 1990. Le développement de l'OCT moyen infrarouge a longtemps été remis en cause par des composants optiques dans cette région spectrale, résultant en une acquisition lente, faible sensibilité et mauvaise résolution axiale.

Israelsen et al. a démontré le premier système OCT dans l'infrarouge moyen pratique dans la présente étude. Les chercheurs ont utilisé un système OCT à domaine spectral dans l'infrarouge moyen fonctionnant à une longueur d'onde centrale de 4 microns (µm) pour fournir une résolution axiale de 8,6 µm. Les images produites par le système infrarouge moyen ont été comparées à celles fournies à l'aide d'un système OCT proche infrarouge ultra-haute résolution de pointe fonctionnant à 1,3 µm. La configuration expérimentale a des applications immédiates dans les tests non destructifs en temps réel d'échantillons qui présentent une forte diffusion à des longueurs d'onde plus courtes.

En tant que technique optique, L'OCT est le mieux adapté à la biophotonique et à l'imagerie biomédicale clinique, avec des applications notables en ophtalmologie. La technique permet en temps réel, mesures non invasives et sans contact pour la visualisation d'échantillons en 3D. La configuration a rapidement évolué avec des sources lumineuses avancées, détecteurs et composants dans la région spectrale visible et proche infrarouge pour l'imagerie à haute vitesse et haute résolution in vivo. Le système OCT est une technologie prête pour l'industrie qui est robuste et facile à mettre en œuvre en utilisant une faible puissance optique. La principale limitation du système est la forte diffusion de la lumière aux longueurs d'onde du visible et du proche infrarouge qui limite la profondeur de pénétration dans les milieux troubles de quelques dizaines à quelques centaines de microns, selon l'échantillon.

Dans ce travail, Israelsen et al. fourni une configuration expérimentale du système OCT moyen infrarouge, avec cinq parties modulaires :

1. Une source de supercontinuum (SC) IR personnalisée pour l'éclairage, basé sur un laser de pompe à amplificateur de puissance maître-oscillateur (MOPA) et une fibre monomode au fluorure de zirconium.
2. Un développé en interne, système de conversion ascendante de fréquence à large bande pour la détection.
3. Un interféromètre de Michelson en espace libre
4. Un échantillon de numérisation X, Système d'étape de traduction en Y, et
5. Spectromètre à base de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire au silicium (CMOS).

Pour faciliter le couplage et l'alignement entre les sous-systèmes, les scientifiques ont connecté chaque système avec une fibre optique. Ils ont ensuite focalisé le faisceau généré sur l'échantillon à l'aide d'un fluorure de baryum (BaF 2 ) lentille, les images ont été acquises en déplaçant l'échantillon sur les platines de translation motorisées. Israelsen et al. ont collecté l'échantillon et les signaux de référence dans une fibre de fluorure d'indium monomode pour ensuite les relayer au module de conversion ascendante pour une conversion spectrale vers le proche IR. Après, ils ont démontré la superposition des spectres SC avant (rouge) et après (bleu foncé) upconversion, à côté d'un exemple du spectre d'interférence en bleu clair.

Intentionnellement, le module de conversion ascendante pourrait convertir une large bande passante de plus de 1 µm dans la région IR moyen (3576-4625 nm) en une bande étroite dans le proche IR (820-865 nm) sans réglage paramétrique. Le signal de fréquence somme dans le proche IR généré n'a perdu aucune information codée dans le mode spectral du signal IR moyen. Étant donné que les détecteurs mid-IR à la pointe de la technologie souffraient d'un bruit de fond thermique intrinsèque par rapport à leurs homologues proches de l'IR, la technologie de conversion ascendante de fréquence non linéaire à large bande a permis une détection plus rapide et à faible bruit dans l'étude.

Comme preuve de principe du système d'imagerie OCT développé dans l'étude, les scientifiques ont reproduit avec succès des expériences précédemment menées par Su et al. en céramique industrielle. Les travaux précédents avaient déterminé qu'un système OCT de longueur d'onde de 4 µm était capable d'imager à travers une plaque d'alumine broyée pour révéler sa structure interne. Pour tester cela, Israelsen et al. obtenu des échantillons de céramique similaires du même fournisseur ; où l'empilement céramique contenait trois couches de plaques (C1-C3; zirconium, alumine de 476 µm d'épaisseur et alumine de 300 µm d'épaisseur). L'échantillon a été scanné et imagé de la plaque de zirconium supérieure vers le bas, les résultats étaient cohérents avec les constatations précédentes. Pour étayer davantage les conclusions, les scientifiques ont effectué une série de simulations de Monte Carlo à l'aide du logiciel open source MCX, pour confirmer qualitativement la visualisation améliorée des interfaces en profondeur dans les images OCT de 4 µm.

Les scientifiques ont ensuite montré une diffusion réduite pour l'OCT de 4 µm par rapport à la configuration OCT de 1,3 µm utilisant un matériau en ruban d'alumine. Les résultats ont indiqué que la distorsion de l'image due à la dispersion était moins prononcée dans le système OCT de 4 µm. La fonctionnalité pourrait être utile pour caractériser les dispositifs à base de silicium, y compris les systèmes microélectromécaniques, cellules solaires et guides d'ondes.

Pour l'imagerie 3D des plus complexes, structures non uniformes, les scientifiques ont imagé un Europay, MasterCard, Une puce Visa (puce EMV) et une antenne de communication en champ proche intégrées dans une carte de crédit standard. Les cartes de crédit sont généralement fabriquées à partir de plusieurs couches de polymère stratifiées mélangées à une variété de colorants et d'additifs. En utilisant la configuration OCT de 4 µm, les scientifiques ont identifié trois couches de polymères hautement diffusants, qui n'a pas pu être pénétré par le système OCT de 1,3 µm en raison de ses propriétés de diffusion élevées dans la région du proche IR.

Dans certains cas, ils ont même détecté l'arrière de la carte à une épaisseur de 0,76 mm. Israelsen et al. observé qu'en dessous de la première couche de polymère diffusant, une couche d'encapsulation protégeait le microprocesseur en silicium embarqué. Ils ont également observé les fils et les circuits liés qui reliaient le microprocesseur à la plage de contact en or sous-jacente.

Les travaux de recherche d'Israelsen et al. ont indiqué que le système OCT 4 µm était supérieur au système OCT 1,3 µm. Étant donné que l'imagerie OCT à des longueurs d'onde plus longues augmentait l'absorption d'eau dans les échantillons, cela excluait naturellement les échantillons biologiques de la configuration. Cependant, le système était remarquablement dépourvu de résonances vibratoires (c'est-à-dire qu'il montrait un faible bruit et une diffusion réduite) et donc idéal pour les essais non destructifs (CND) de structures solides.

De cette façon, Israelsen et al. démontré rapidement, temps réel, imagerie OCT du domaine spectral dans la région de l'IR moyen. La résolution axiale résultante des échantillons imagés était aussi élevée que 8,6 µm, ainsi qu'une résolution latérale de 15 µm pour obtenir des détails microscopiques de structures intégrées dans des milieux hautement diffusants. Les résultats étaient supérieurs à ceux de la configuration OCT de longueur d'onde 1,3 µm plus conventionnelle. Les scientifiques ont méticuleusement validé les nouveaux résultats en reproduisant avec succès les rapports précédents. Le nouveau travail comble une lacune en réalisant la technologie OCT mid-IR en temps réel pour des applications pratiques en tant qu'outil prêt pour l'industrie pour les tests non destructifs.

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