Biophotonique

Contact : pierre.bon@cnrs.fr
Dedicated website: https://www.quantitativeimaging.fr/home

We are interested in developing imaging & metrological methods, mainly label-free, to characterize any sample from a single virus to complex (meta)surface or living biological tissue. We are using both linear and non-linear processes.

We are focusing on 3 main pillars to do so:

Quantitative phase imaging

We are expert in using self-interference methods to extract not only the intensity of the light but also its phase. We are applying this approach to quantify the thickness of structures but also to weight biological samples and to characterize nano-particles.

We are designing and realizing our own interferometer thanks to the PLATINOM facility in the XLIM institute.

Super-resolution methods

We are developing new imaging platforms and we are specialist in super-resolution imaging. We perform measurements on both sparse sample (3D super-localization of nanoparticles or fluorescent molecules) and dense (label-free) sample using photon-reassignment.

Our label-free super-resolution approach has led to the creation of the company IotaMetrix (https://www.iotametrix.fr/home).

Numerical processing

We are using direct signal processing methods as well as dedicated machine learning tools to perform our metrological analysis.

Thank to the co-conception between optical and processing methods, we can extract from our complex label free data important features to identify objects and characterize our samples.

Feel free to contact us if you want to collaborate or join the adventure!

[1] Label‐Free Single Nanoparticle Identification and Characterization in Demanding Environment, Including Infectious Emergent Virus.
Nguyen, M., Bonnaud, P., Dibsy, R., Maucort, G., Lyonnais, S., Muriaux, D., Bon, P., 2024.  Small 20.
https://doi.org/10.1002/smll.202304564

[2] Nondestructive inspection of surface nanostructuring using label-free optical super-resolution imaging.
Aguilar, A., Khalil, A.A., Aldeiturriaga, D.P., Sedao, X., Mauclair, C., Bon, P., 2023. Sci Rep 13.
https://doi.org/10.1038/s41598-023-32735-w

[3] Quantitative phase microscopies: accuracy comparison.
Chaumet, P.C., Bon, P., Maire, G., Sentenac, A., Baffou, G., 2024.  Light Sci Appl 13.
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01619-7

Programmes de recherche

• Européen : ERC StG « SpeciPhic » (2020-2026)
• Nationaux : ANR PRC « DynaMitoPatho » (2023-2027)
• Projet Impulsion INSERM « MecaCell3D » (2023-2028)
• Prématuration CNRS « NanoInSitu » (2022-2023)
• Régionaux : Projet NAQ « MetabOptique » (2023-2027)

Partenariats

• Institutionnels : LP2N, IBGC, Institut La Vision, IRIM/CEMIPAI, Institut Fresnel, Institut Curie
• Industriels : Myriade, IotaMetrix

 Contact : benjamin.wetzel@xlim.fr

La thématique de recherche Smart Nonlinear Photonics est dédiée à l’étude et au contrôle des dynamiques non linéaires en optique guidée, avec pour ambition de concevoir des sources photoniques intelligentes pour des applications avancées.

Nous explorons des phénomènes complexes liés à la propagation non linéaire d’impulsions ultra-courtes (fs-ps) dans une grande variété de systèmes fibrés et intégrés. Nos travaux se concentrent sur les mécanismes d’élargissement spectral (supercontinuum, peignes de fréquences optiques) et sur les phénomènes physiques associés : émergence et collisions de solitons, instabilité de modulation, dynamiques de bruit, interactions intermodales, piégeage optique, etc.

À l’intersection de l’optique non linéaire, de la photonique ultrarapide et de l’intelligence artificielle, notre approche s’appuie sur des plateformes expérimentales de pointe et sur de solides collaborations internationales, dans une démarche résolument pluridisciplinaire.

Nous concevons et mettons en œuvre des méthodes avancées de contrôle optique hybride, alliant ingénierie spectro-temporelle, multiplexage spatial, dispositifs photoniques sur puce et mise en forme spectrale dans le domaine de Fourier.

Nous développons également des techniques de mesure innovantes, capables de capturer la structure multidimensionnelle fine des signaux optiques ultrarapides et à large bande spectrale : mesures spectro-temporelles (FROG, X-FROG asynchrone) et transformée de Fourier dispersive (DFT) pour l’analyse en temps réel de signaux incohérents.

Enfin, nous intégrons des approches d’optimisation et d’apprentissage automatique — réseaux de neurones, algorithmes évolutionnaires et bio-inspirés — pour modéliser, ajuster et piloter ces dynamiques complexes.

Au-delà des avancées fondamentales, nos recherches débouchent sur des applications transverses, explorées au sein du groupe ou à travers des collaborations, notamment en imagerie multiphotonique, métrologie de précision et optique quantique.

Plus d’infos : https://www.smartphotonics.net

—
[1] Modulation instability control via evolutionarily optimized optical seeding.
L. Sader, Y. Boussafa, V.T. Hoang, R. Haldar, M. Kues, B. Wetzel “” Nanophotonics, In Press (2025)

[2] Optimization methods for integrated and programmable photonics in next-generation classical and quantum smart communication and signal processing.
L. Di Lauro, S. Sciara, B. Fischer, J. Dong, I. Alamgir, B. Wetzel, G. Genty, M. Nichols, A. Eshaghi, D.J. Moss, R. Morandotti “” Advances in Optics and Photonics, In Press (2025)

[3] Single-Photon Level Dispersive Fourier Transform: Ultrasensitive Characterization of Noise-Driven Nonlinear Dynamics.
Sader, L., Bose, S., Kashi, A.K., Boussafa, Y., Haldar, R., Dauliat, R., Roy, P., Fabert, M., Tonello, A., Couderc, V., Kues, M., Wetzel, B., 2023.  ACS Photonics 10, 3915–3928.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c00711

[4] Quantum key distribution implemented with d-level time-bin entangled photons.
Yu, H., Sciara, S., Chemnitz, M., Montaut, N., Crockett, B., Fischer, B., Helsten, R., Wetzel, B., Goebel, T.A., Krämer, R.G., Little, B.E., Chu, S.T., Nolte, S., Wang, Z., Azaña, J., Munro, W.J., Moss, D.J., Morandotti, R., 2025.  Nat Commun 16.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55345-0

[5] Customizing supercontinuum generation via on-chip adaptive temporal pulse-splitting.
Wetzel, B., Kues, M., Roztocki, P., Reimer, C., Godin, P.-L., Rowley, M., Little, B.E., Chu, S.T., Viktorov, E.A., Moss, D.J., Pasquazi, A., Peccianti, M., Morandotti, R., 2018.  Nat Commun 9.
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07141-w

Programmes de recherche

• 2025-2029 : ANR (Agence Nationale de la Recherche) – Projet PRC 2024
  “Versatile Integrated optical Supercontinuum sources through nOnlinear PulsE Compression” – Projet VISOPEC (ANR-24-CE24-5082)
  > C2N (Coord : E. Cassan), PhLAM (A. Mussot), XLIM (B. Wetzel)
• 2021-2026 : European Research Council (ERC) – Starting Grant (ERC-StG-2020)
  “Smart phoTonic souRces harnEssing Advanced Multidimensional Light optimization towards machIne-learNing-Enhanced imaging” – Projet STREAMLINE (GA 950618)
  Horizon 2020 Programme (U.E.), Bénéficiaire unique (B. Wetzel, XLIM)
• 2021-2025 : Région Nouvelle-Aquitaine – Project ESR (Cofinancement régional)
  “Sources Photoniques intelligentes pour l’Imagerie avaNcée et les Applications Lasers” – Projet SPINAL
• 2021-2025 : ANR (Agence Nationale de la Recherche) – Projet PRC 2020
  “Optimized on-demand ultrafast and broadband light sources using machine learnings” – Project OPTIMAL (ANR-20-CE30-0004)
  > FEMTO-ST (Coord: J.M. Dudley), ICB (C. Finot), XLIM (B. Wetzel)
• 2024 : ANR LabEx ∑-LIM (ANR-10-LABX-0074) – AAP 2023
  “Reconfigurable photonic sources for innovative approaches to computational imaging”
  > XLIM (Coord: B. Wetzel) + Laboratoires CRIBL et IRCER (Limoges)
• 2024 : ANR LabEx FIRST-TF (ANR-10-LABX-48-01) – AAP 2023
  “Flexible and reconfigurable optical frequency combs”
  > XLIM (Coord: B. Wetzel), PhLAM (A. Mussot)

Partenariats

• Institut National de la Recherche Scientifique (INRS), Montréal (Canada)
• Institute of Photonics, Leibniz University of Hannover, Hannovre (Allemagne)
• Institut FEMTO-ST, Université Marie & Louis Pasteur, Besançon (France)
• Emergent Photonics Research Centre, Loughborough University, Loughborough (Royaume-Uni)
• Laboratoire PhLAM, Université Lille, Lille (France)
• City University of Hong Kong (CityUHK), Hong-Kong (China)
• Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), Université Paris-Saclay (France)
• Swinburne University of Technology, Melbourne (Australie)
• Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), Université Bourgogne Europe, Dijon (France)
• Tampere University, Tampere (Finlande)
• University Sapienza Rome, Rome (Italie)

Contact : claire.lefort@cnrs.fr

Les sciences de la vie et de la santé ont un fort besoin en nouvelles stratégies d’ingénierie instrumentale pour l’identification et la discrimination fine de substances biomédicales d’intérêt, sans marquage et sans contact, que ce soit pour le travail de recherche ou pour la pratique clinique. Le cœur historique de l’Axe Photonique porte notamment sur le développement de nouvelles sources lasers pulsées, en particulier via le contrôle des dynamiques non linéaires dans les fibres optiques.

La thématique de recherche “Stratégies lasers et numériques appliqué à la microscopie multiphotonique biomédicale” existe au laboratoire XLIM depuis 2016. Le premier volet porte sur la mise en place de solutions lasers innovantes développées à XLIM (thème « propagations non linéaires dans les fibres optiques » et « supercontinuum ») comme source de stimulation infrarouge des cibles biomédicales. Par la mise en œuvre de ces dispositifs laser, les cibles sont caractérisées par leur réponse multiphotonique sans marquage. Les signaux recherchés sont ceux produits par des processus de conversion non linéaire : fluorescence à deux photons (TPF), génération de seconde harmonique (SHG) et diffusion Raman anti-Stokes stimulée (CARS).

Le second volet porte sur le décryptage de l’information produite par la cible biomédicale sous cette stimulation laser originale. Les signaux multiphotoniques collectés sont analysés par des stratégies numériques innovantes. Ce travail est réalisé en partenariat avec l’équipe OPIS INRIA de CentralSupélec (Université Paris Saclay). Les solutions numériques telles que le fitting gaussien multivarié ou la régression supervisée assistée par intelligence artificielle sont testées afin de mettre en évidence des informations discriminantes cachées dans les signaux émis par la cible.

Le dernier volet porte sur les cibles biomédicales d’application. Elles sont de différents types et de différentes origines : agents pathogènes (bactéries ou virus), organes, végétaux, etc. Ce volet est mené en partenariat avec différents partenaires qui présentent des besoins en nouvelles stratégies de caractérisation propre à leur cœur de métier. Les principaux partenariats sont menés avec le service de Bactériologie, Virologie, Hygiène ou encore avec le Service de Neurologie du CHU de Limoges.

—

[1] Generation of second harmonic at wide conversion band in GRIN multimode fibers.
Jonard, M., Arosa, Y., Tonello, A., Mansuryan, T., Colas, M., Cornette, J., Duclère, J.-R., Lefort, C., Couderc, V., 2024.  Optics Communications 569, 130831.
https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130831

Image de rate dont les différents types de lymphocytes ont été marqués en fluorescence.
L’image a été réalisée avec une seule gamme spectrale laser.