Imagerie XUV et X en 3 dimensions
Le rayonnement XUV à X possède des caractéristiques qui le rend particulièrement attractif pour l’imagerie et en particulier l’imagerie en 3 dimensions. D’une part, la courte longueur d’onde (0.01 nm à 50 nm typiquement) permet d’améliorer la résolution spatiale par rapport à de l’imagerie visible en diminuant fortement la limite de diffraction. D’autre part, pour des longueurs d’onde inférieures à 1nm typiquement, la matière commence à devenir transparente, quel qu’en soit la nature. Il faut noter qu’il existe une gamme spectrale réduite, entre 2.2 et 4.4 nm, pour laquelle l’eau est transparente tandis que le carbone est encore absorbant. Cette fenêtre spectrale dit « de l’eau » permet de réaliser des images de cellules biologiques avec un fort contraste. La transparence de la matière ouvre la voie à l’imagerie non-destructive en 3 dimensions (3D). Enfin, d’une manière équivalent à la diminution de la limite de diffraction, le rayonnement XUV et X permet d’atteindre des durées d’impulsions plus courtes que dans le visible, typiquement attoseconde (1 as =10-18 s) et potentiellement zeptoseconde (1 zs =10-21 s). Dans ces perspectives, depuis plusieurs années, nous étudions de nouveaux schémas d’imageurs XUV et X en 3D et ultra-rapides.
Holographie XUV et diffraction XUV: Les harmoniques d’ordre élevé ainsi que les lasers XUV injectés sont des sources ayant de très hauts degrés de cohérence spatiale. Les harmoniques d’ordre élevé ont aussi démontré la possibilité de produire des impulsions attosecondes.
En 2006, nous avons réalisé une des premières démonstration d’holographie réalisée avec un faisceau d’harmoniques d’ordre élevé [A. S. Morlens et al., Optics Letters, 31, 21, pp. 3095-3097 (2006)]
En 2013, nous avons étudié l’impact de défauts de front d’onde de la source d’harmoniques d’ordre élevé sur la qualité d’une image de diffraction XUV. [X. Ge et al, Optics Express, 21, 9, pp.11441-11447 (2013)]
En 2015, nous avons réalisé la première expérience d’holographie avec un faisceau contenant un train d’impulsions attosecondes. [ G. Williams et al., Optics Letters 40, 13, 3205-3208 (2015)]
Tomographie X: La technique de référence en imagerie X en 3 dimensions reste aujourd’hui encore la tomographie X, plus communément connue sous le nom de scanner. Les algorithmes classiques de traitement des données bruts de tomographie ne permettent pas de séparer la partie réelle de la partie imaginaire de l’indice de réfraction. Or, chacune de ces parties contient des informations spécifiques sur la matière sondée. Il est donc intéressant de pouvoir les mesurer séparément
En 2018, nous avons réalisé des expériences de tomographie X afin d’estimer la distribution de nanoparticules radiosensibilisantes dans des tissues sains et tumoraux de souris. [E. Longo et al., Journal of Instrumentation, 13 (2018)] [X. Le Guevel, Nanoscale, 39, 18657-18664 (2018)]
A gauche : vue coronale d’un cerveau de souris ayant des tumeurs (gioblastome), encadré en jaune. A droite, image en 3D d’une tumeur de souris injectée par des nanoparticules contenant du gadolinium. Plus l’image est blanche, plus la densité de Gd est forte.
En 2020, nous avons commencé à étudier numériquement et expérimentalement la possibilité d’utiliser un senseur de front d’onde à rayons X pour mesurer en même temps mais indépendamment les parties réelle et imaginaire de l’indice optique des échantillons.
Plénoptique XUV et X : La tomographie X est une technique optique très performante pour réaliser des images en 3D sans avoir à sectionner l’échantillon. Cependant, une tomographie de bonne qualité nécessite plusieurs milliers d’expositions, c’est à dire la collection d’images en 2D acquises sous de très nombreux angles. Le prix à payer est une très forte dose de rayons X déposée dans l’échantillon vivant ou inerte ainsi qu’un temps de pose long. En 2016, nous avons reçu un financement européen de type FET-Open pour collaborer avec cinq autres laboratoires et une entreprise sur la transposition de la technique dite plénoptique du visible aux rayons X. LE plénoptique consiste à coupler un senseur de front d’onde (ici une matrice de lentilles) avec une optique d’imagerie afin de réaliser en une acquisition un très grands nombre d’imagettes du même objet. Par traitement numérique, on peut créer un ensemble d’images focalisées à différentes distances, comme on le fait physiquement en utilisant un zoom. De cet ensemble, on peut reconstruire l’objet en 3D.
En 2019, nous avons étudié la variation du contraste dans les images refocalisés numériquement car état un paramètre classique pour évaluer si un objet est mis au point ou hors champs. [C. Herzog et al, Optics Letters, 2019]. Nous avons aussi réalisé la première démonstration de caméra plénoptique X (à 11 keV). L’article est en cours de soumission.
En 2020, nous avons étudié la correspondance entre le plénoptique et la tomographie à angles de vue limités. [N. Vigano et al, J. Imaging, 6, 12 (2020)]. Nous avons aussi étudié numériquement la qualité des images formées par des lentilles de Fresnel X ayant très peu de traits. Ce sont des lentilles très particulières que l’on utilise dans la matrice de lentille X de la caméra plénoptique.