Nonlinear modification of the laser noise power spectrum induced by a frequency-shifted optical feedback

In this article, we study the non-linear coupling between the stationary (i.e. the beating modulation signal) and transient (i.e. the laser quantum noise) dynamics of a laser subjected to frequency shifted optical feedback. We show how the noise power spectrum and more specifically the relaxation oscillation frequency of the laser are modified under different optical feedback condition. Specifically we study the influence of (i) the amount of light returning to the laser cavity and (ii) the initial detuning between the frequency shift and intrinsic relaxation frequency. The present work shows how the relaxation frequency is related to the strength of the beating signal and the shape of the noise power spectrum gives an image of the Transfer Modulation Function (i.e. of the amplification gain) of the nonlinear-laser dynamics.The theoretical predictions, confirmed by numerical resolutions, are in good agreements with the experimental data.Comment: in Physical Review, American Physical Society (APS), 201

Imagerie photo-acoustique à détection optique

In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic resolution. In particular, I use frequency photo-acoustics, which is inexpensive and space-saving, and can therefore be easily integrated in the hospital world compared to "traditional" photo-acoustic imaging. I validate this part on in-vivo experimental results on mouse ears. In chapter 2 I tried to detect the photo-acoustic signal in an optical way which has the advantage of being contactless and therefore without any problem of clutter between "optical excitation" and "acoustic detection". I develop the signal processing necessary to detect an acoustic wave, i.e. vibrations, using an interferometer. Then I present in chapter 3 a particular interferometer developed in the laboratory: the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). This interferometer allows to be limited to photon noise even with a low intensity thus it makes it possible to detect vibrations of small amplitudes even on surfaces with a low reflecting index like the skin in accordance with medical standards. In chapter 4 I validate the detection of the photo-acoustic signal with our optical detection. Finally in chapter 5 I show with simulations an innovative full field imaging technique that would allow faster detection of a spectrally rich photo-acoustic signal.Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement

Photo-acoustic Imaging with Optical Detection

Dans le contexte d’une population vieillissante il est primordial de développer des outils de diagnostic cliniques précis, fiables, peu coûteux et faciles à mettre en place. Durant cette thèse j’ai en particulier cherché à réaliser une cartographie dynamique des vaisseaux sanguins dans le but de permettre de détecter à la fois des cancers et des maladies cardiovasculaires, deux des maladies les plus mortelles. Pour avoir un diagnostic efficace on se doit d’imager en profondeur avec une résolution spatiale et temporelle la meilleure possible. Dans le chapitre 0 j’explique les enjeux de l’imagerie médicale sur la micro-vascularisation en analysant les avantages et inconvénients de plusieurs types d’imageries médicales. Dans le chapitre 1 je développe en détail l’imagerie photo-acoustique, qui s’est avérée être la plus appropriée à notre application. Elle a l’avantage d’avoir un contraste optique et une résolution acoustique. J’utilise en particulier la photo-acoustique fréquentielle qui est peu onéreuse et peu encombrante, donc facilement intégrable dans le monde hospitalier par rapport à une imagerie photo-acoustique « classique ». Je valide cette partie sur des résultats expérimentaux in-vivo sur des oreilles de souris. Dans le chapitre 2 j’ai cherché à détecter le signal photo-acoustique de façon optique qui a pour avantage d’être sans contact donc sans souci d’encombrement entre « excitation optique » et « détection acoustique ». Je développe le traitement du signal nécessaire pour détecter une onde acoustique, i.e. des vibrations, à l’aide d’un interféromètre. Puis je présente dans le chapitre 3 un interféromètre particulier développé au laboratoire : le Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). Il permet de s’affranchir du bruit du détecteur donc il permet de détecter des vibrations de petites amplitudes même sur des surfaces peu réfléchissantes comme la peau et cela même à faible puissance par respect des normes médicales. Dans le chapitre 4 je valide la détection du signal photo-acoustique avec notre détection optique. Enfin dans le chapitre 5 je montre à travers des simulations une technique d’imagerie innovante plein champ qui permettrait de détecter plus rapidement un signal photo-acoustique riche spectralement.In the context of an aging population, it is essential to develop clinical diagnostic tools that are accurate, reliable, inexpensive and easy to implement. During this thesis I particularly sought to perform a dynamic mapping of blood vessels in order to detect both cancers and cardiovascular diseases, two of the most deadly diseases. In order to have an effective diagnosis, it is necessary to image in depth with the best possible spatial and temporal resolution. In chapter 0 I explain the challenges of medical imaging on micro-vascularization by analyzing the advantages and disadvantages of several types of medical imaging. In chapter 1 I develop in detail the photo-acoustic imaging, which proved to be the most appropriate for our application. It has the advantage of optical contrast and acoustic resolution. In particular, I use frequency photo-acoustics, which is inexpensive and space-saving, and can therefore be easily integrated in the hospital world compared to "traditional" photo-acoustic imaging. I validate this part on in-vivo experimental results on mouse ears. In chapter 2 I tried to detect the photo-acoustic signal in an optical way which has the advantage of being contactless and therefore without any problem of clutter between "optical excitation" and "acoustic detection". I develop the signal processing necessary to detect an acoustic wave, i.e. vibrations, using an interferometer. Then I present in chapter 3 a particular interferometer developed in the laboratory: the Laser Optical Feedback Imaging (LOFI). This interferometer allows to be limited to photon noise even with a low intensity thus it makes it possible to detect vibrations of small amplitudes even on surfaces with a low reflecting index like the skin in accordance with medical standards. In chapter 4 I validate the detection of the photo-acoustic signal with our optical detection. Finally in chapter 5 I show with simulations an innovative full field imaging technique that would allow faster detection of a spectrally rich photo-acoustic signal

Vibromètre laser par réinjection optique

International audienceEn utilisant l'imagerie laser optique de rétroaction (LOFI), grâce à l'interférence à l'intérieur de la cavité laser, on peut extraire l'amplitude et la phase de l'onde électromagnétique rétrodiffusée par une cible. La technique LOFI peut être  plus sensibles de plusieurs ordres de grandeur en comparaison avec un interféromètre classique. Dans cet article, nous utilisons la technique  LOFI comme  vibromètre. Ce vibromètre LOFI permet de mesurer des vibrations de quelques centaines de Hz jusqu'à quelques centaines de kHz pour des amplitudes nanométriques ou subnanométrique, sur des cibles diffusantes. Nous expliquons les différences de tiatement du signal LOFI pour des vibrations de basses fréquences et pour des vibrations de fréquences plus élevés. Une vibration de 200 kHz avec une amplitude de quelques Angstrom a été mesurée sur une cible diffusante avec un microlaser émettant une puissance de sortie de quelques milliwatts.</p

Ultrasound vibration measurements based on laser optical feedback imaging

International audienc

Nonlinear laser dynamics induced by frequency shifted optical feedback: application to vibration measurements

International audienceIn this article, we study the nonlinear dynamics of a laser subjected to frequency shifted optical reinjection coming back from a vibrating target. More specifically, we study the nonlinear dynamical coupling between the carrier and the vibration signal. The present work shows how the nonlinear amplification of the vibration spectrum is related to the strength of the carrier and how it must be compensated to obtain accurate (i.e., without bias) vibration measurements. The theoretical predictions, confirmed by numerical simulations, are in good agreement with the experimental data. The main motivation of this study is the understanding of the nonlinear response of a laser optical feedback imaging sensor for quantitative phase measurements of small vibrations in the case of strong optical feedback

Photo-Acoustic Tomography (PAT) based on Laser Optical Feedback Imaging (LOFI) of surface displacements

International audienceWe present how a Laser Optical Feedback Imaging (LOFI) setup can be used for the optical detection of ultrasound in Photo-Acoustic Tomography (PAT). A PAT image is reconstructed by an inversion algorithm using surface displacement measurements made at several locations with our LOFI setup and following the optical irradiation with a pulsed Nd:YAG laser of a sample with absorbing inclusions. The width of the reconstructed inclusions and the SNR of the reconstructed images are firstly studied on the numerical model of a sample with 3 absorbing inclusions (i.e. with 3 acoustic punctual sources). Finally an experimental PAT image of a phantom composed of two polyamide tubes with an internal diameter of 800 µm filled with red ink and submerged at-3.5 mm depth in a tank filled with water is reconstructed. Experimentally, the water surface displacement measurements has been made with our LOFI vibrometer which provides an amplitude sensitivity of 1nm (for a single-shot measurement) in a detection bandwidth of roughly 1 MHz adapted to the detection of the polyamide tubes. Under our experimental conditions, the surface energy densities, of the LOFI focalized beam for the detection and of the pulsed Nd:YAG laser used for the irradiation, are compatible with the MPE (Maximum Permissive Exposure) for future biomedical measurements. The SNR and the resolution of the reconstructed PAT images are in good agreement with the theoretical predictions