CARS imaging through a multi-core fiber endoscope

This thesis lies within the field of deep tissue biomedical imaging and aims at developing a minimally invasive lensless endoscope for label-free multi-photon imaging. In particular, this work investigates the implementation of a Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) imaging using an ultra-thin (≈ 200µm diameter) periodic multicore-fiber platform. Laser focusing and point scanning at the distal end of the fiber is achieved through wavefront shaping at the proximal end, without any need of additional optics at the output of the fiber endoscope. The developed system successfully demonstrated simultaneous wavefront-shaping-based focusing and scanning of two different wavelengths, nonlinear fluorescence and CARS imaging in transmission through the fiber. An in-detail characterization of the performances of the system is given, with particular emphasis on the lack of spectral resolution of the current configuration and alternative solutions for future implementations. These results demonstrate the feasibility of CARS endoscopy based on multicore fibers. This thesis was carried out during an internship at the Institut Fresnel, CNRS, Aix-Marseille University, Marseille, France.

Questa tesi si colloca nel campo dell’imaging biomedico di tessuti profondi e mira allo sviluppo di un en doscopio minimamente invasivo per la realizzazione di imaging multiphoton senza marcatori (label-free). In particolare, questo lavoro indaga l’implementazione di un’imaging basato sulla diffusione Raman anti Stokes coerente (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS) utilizzando una piattaforma in fibra ottica multicore periodica ultra-sottile (diametro ≈ 200µm). La focalizzazione del laser e la scansione puntuale all’estremità distale della fibra sono ottenute mediante shaping del fronte d’onda all’estremità prossimale, senza la necessità di ulteriori elementi ottici all’uscita dell’endoscopio. Il sistema sviluppato ha dimostrato con successo la focalizzazione e la scansione basate sul wavefront shaping di due diverse lunghezze d’onda, nonché l’imaging di fluorescenza non lineare e CARS in trasmissione attraverso la fibra. In questo lavoro viene fornita una caratterizzazione dettagliata delle prestazioni del sistema, con parti colare attenzione alla mancanza di risoluzione spettrale dell’attuale configurazione e a possibili soluzioni alternative per implementazioni future. Questi risultati dimostrano la fattibilità dell’endoscopia CARS basata su fibre multicore. Questa tesi è stata svolta durante uno stage presso l’Institut Fresnel, CNRS, Aix-Marseille Université, Marsiglia, Francia.