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Extinction du signal photoacoustique par l’émission stimulée

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Un chromophore porté dans un état excité lorsqu’il absorbe de la lumière revient à l’équilibre de façon spontanée en réémettant de la lumière, des photons, on dit qu’il fluoresce. Mais lorsqu’il est en phase condensée sa désexcitation peut aussi se faire en engendrant des vibrations, des phonons, à l’origine d’un signal photoacoustique. La désexcitation peut aussi être stimulée par une autre source lumineuse, elle se fait au détriment de l’émission spontanée par déplétion de l’état excité, c’est le phénomène de Déplétion par Emission Stimulée (DEST, STED en Anglais).

Lorsque l’excitation est localisée par un laser focalisé la DEST peut améliorer la localisation en « effaçant » une partie de la zone excitée. C’est le balayage de cette zone super résolue qui conduit à la microscopie de Fluorescence super résolutive (microscopie F-DEST). La microscopie F-DEST est maintenant mature, des dispositifs commerciaux sont disponibles. Il était tentant d’essayer d’étendre la DEST au domaine photoacoustique, ce qui est envisageable puisque le signal photoacoustique résulte aussi de la relaxation spontanée de la population de l’état excité des chromophores. C’est en collaboration avec des chercheurs de l’université de PUSAN (Corée du sud) que des chercheurs du LIPhy ont validé l’effet DEST sur le signal photoacoustique, baptisé DEST-S pour Déplétion par Emission Stimulée du Son (S-STED en Anglais). Tout n’était pas gagné puisque pour être un générateur de phonon efficace il faut que le rendement quantique du chromophore soit faible, la désexcitation stimulée entre alors difficilement en compétition avec la désexcitation par phonons. Les chercheurs ont eu l’idée de choisir un chromophore à bon rendement quantique mais dont le niveau émetteur de phonon n’est atteint que par absorption à partir d’un état excité (ESA). De ce fait l’émission stimulée n’a à lutter que contre l’ESA ce qui est réalisée avec un laser de puissance modérée. Ils ont de plus montré que cet effet DEST-S particulier permettait de mesurer l’orientation moléculaire engendré par le laser de pompe, ce qu’il n’est pas possible de faire en photoacoustique conventionnelle. La voie est donc ouverte à une microscopie photoacoustique superrésolutive. Ce travail réalisé au laboratoire grâce au financement du programme du CNRS inter-instituts de la Mission pour l’Interdisciplinarité (SuperPAM grant 2016) et du programme « Basic Science Research through the National Research Foundation of Korea (NRF) » a donné lieu à une publication dans la revue Optics Express de Septembre 2019.

Voir en ligne : Stimulation Emission Depleted Photoacoustic, Seongho Park, Minju Kim, Jean-Claude Vial, and Kwangseuk Kyhm, Optics Express 2019