En aquest treball s'estudia l'adaptació de tres processadors óptics, per aplicar-los a tasques de caracterització, classificació i seudo-coloració de textures. Gràcies a la velocitat i paral.lelisme de les arquitectures proposades les diferents aplicacions han pogut ser implementades en temps real. El primer processador óptic adaptat es el difractómetre convergent, arquitectura basada en la del correlador de transformades conjuntes (JTC). El processador óptic construït permet obtenir ópticament l'espectre de potencia de las imatges de les diferents textures utilitzades. Per tal de poder canviar les imatges en forma dinámica en el procesador s'ha utilitzat una pantalla de cristall liquid, configurada per modular en amplitut. El front d'ona al atravessar l'escena representada en amplitud en el modulador, es perturbat. En el pla on es forma l'imatge de la font puntual, junt amb aquesta, apareix l'espectre de potència de l'escena. Una càmera CCD situada en aquest pla i una tarja digitalitzadora es l'encarregada de capturar l'imatge de l'espectre, imatge que es analitzada per l'ordinador. La principal modificació realiztada l'arquitectura, respecte a un difractómetre convencional, consiteix en situar un filtre pasa-alts davant de la cámara CCD amb la finalitat de bloquejar l'imatge de la font puntual juntament amb les frequencies mes baixes del espectre de potencia. D'aquesta manera s'aconsegueix evitar la saturació de la càmera, augmentant el contrast en la resta del espectre de potència. En aquest cas, les caracteristiques considerades per realiztzar la clasificació va ser directament la totalitat de l'imatge de la distribució de l'energía del espectre de potències captat per la CCD. La resta de processadors utilizats consisteixen en dos adaptacions de la arquitectura del correlador convergent. Aquest tipus de processadors permeten conservar la localització de l'informació en el domini espacial, fet que ens ha permes desenvolupar, a més de la classificació de textures, dues aplicacions més; la seudo-coloració i la segmentació. Per poder representar les imatges de les escenes i dels filtres en forma dinámica s'utilitzaren dos moduladors espaials de llum de cristall líquid nemàtic. A diferéncia del difràctómetre convergent, en les arquitectures del correlador convergent, les característiques de les diferents textures son calculades a partir de l'energía de les imatges filtrades. Per tal de poder obtenir el conjunt de caracteristiques d'una determinada imatge en temps real fou necessari modificar l'arquitectura del correlador de forma que fos posible proccesar més d'un canal de frequències en paralel. Producte de l'esmentada necessitat es van desenvolupar dos métodes que permenten convertir un procesador óptic monocanal en un processador multicanal.El primer mètode proposat consisteix en aprofitar el paral.lelisme inerent de la llum per multiplexar espacialment un conjunt de canals de frequència en un sol filtre de fase. Cada canal de frequència es codificat utilitzant com a support una determinada fase lineal. La llum, al atravessar el filtre, es desviada en diverses direccións, obtenint en el pla de correlació un conjunt d'imatges filtrades separades espaialment.El segon métode proposat consistex en multiplexar els canals utilitzant diverses longituds d'ona. El sistema óptic es iluminat utilitzant una font de llum blanca. Per tal de poder representar filtres en color es sitúa una diapositiva en color darrera del modulador del pla de Fourier. En aquest mateix modulador, configurat en mode amplitut, es representa un filtre amb tres canals de frequència. La llum al atravessar el filtre es modulada en amplitud per el modulador i en longitud d'ona per la diapositiva en color. Una càmera en color de 3 CCD, situada en el pla de correlació, es l'encarregada de demultiplexar les imatges filtrades en tres canals de color R, G i B. En les aplicacions de processat de textures desenvolupades fòren utilitzats tres bancs de filtres passa-banda; el primer basat en les funcions de Gabor, el segón format per sectors circulars i el darrer disenyat específicament per aplicacions de seudo-colorejat en frequències. En totes les aplicacions desenvolupades s'obitngueren excel.lents resultats, resultats que mostren l'eficàcia tant de les arquitectures óptiques com dels mètodes proposats a l'hora de processar imatges de textures en temps real. / In this work we purpose the adaptation of three optical processors for real time texture images processing. We develop three applications: texture identification, texture segmentation, and colour frequency encoding. The optical processors are powerful 2-D image processors systems. The information can be processed in parallel and more fast than digital processors. The modifications introduced in the optical processors allows us to develop the texture applications in real time. The results obtained in all of the applications were very satisfactory. These results show the powerful of the optical processors designed in that kind of tasks.The first optical processor adapted was a convergent diffractometer. The architecture of the processor was based in the joint transform correlator (JTC). A liquid crystal device working in amplitude mode was used to display the texture images. With the optical processor was possible to obtain the power spectrum of a given texture image displayed on LCTV at the speed of light. A CCD camera and a frame-grabber capture the power spectra of texture images that are analyzed by a computer to perform the classification. A high-pass filter is used to avoid the CCD saturation. The optical system allows us to develop a very fast texture classification process. 99% of the images were well classified in the process. The other optical processors designed are based on the convergent correlator architecture. With this kind of processors is possible preserve the local information of the processed signal. That allows developing more applications of texture image processing than classification. Particularly, we purpose a texture segmentation and texture frequency colour encoding applications. To do these applications in real time it was necessary modify the classical convergent correlator architecture to increase its processing speed. We suggest two different ways to do it. The first one is multiplexing several channels in the space of the optical processor. The other way is multiplexing three channels using different wavelengths. In both cases the modifications allowed us to obtain several channels in parallel at the same time. The method that we purpose to multiplexing spatially several channels use a phase only filter. First, we split the frequency domain in several channels (or zones). To codify one channel (or zone) onto the filter, we draw that zone with a determinate linear phase in it. Using different linear phases we can codify different channels into the phase filter. When the light pass through the filter, in frequency domain, is tilted in several directions, one direction for each codified channel. In correlation plane we obtain a composition of displaced images. Each of these images is the original image filtered by one of the frequency channels codified into the filter. With this method it was possible codify 8 frequency channels in a phase filter, increasing the processing speed in this factor.To multiplexing channels using different wavelengths, we added a color film transparency to LCTV filter display, and change the laser by white light. In this case, the LCTV filter display allows to modulate the amplitude of the light and the color film modulate the colour of the light. The correlation plane is captured with a 3-CCD color camera that decompose the signal in the color channels R, G and B. That allows increase the speed of the processor in a factor three. The results obtained in all of the developed applications were excellent, and they show the very good performance of all the optical systems that were purposed. / En este se ha trabajo se ha estudiado la adaptación de tres procesadores ópticos, ampliamente utilizados en el área para aplicarlos a tareas de caracterización, clasificación, segmentación y seudocoloración de texturas. Gracias a la velocidad de procesado de las arquitecturas propuestas dichas aplicaciones han podido implementarse para que operen en tiempo real. El primer procesador óptico adaptado fue un difractómetro convergente, arquitectura basada en la del correlador de transformadas conjuntas (JTC). El procesador óptico construido permitió obtener ópticamente el espectro de potencia de las imágenes de texturas utilizadas para los procesos de caracterización y clasificación. Con el fin de poder cambiar dinámicamente las imágenes en el procesador se utilizó un modulador de luz, configurado en amplitud, para su representación. Los espectros de potencias, captados mediante una cámara CCD, fueron digitalizados para realizar su análisis y procesado en el ordenador. Los otros dos procesadores utilizados fueron dos adaptaciones del correlador convergente. A diferencia del difractómetro convergente, este tipo de procesadores permiten conservar la localización en el domino espacial de la información procesada, lo que permitió desarrollar además de aplicaciones de caracterización y clasificación de texturas, aplicaciones de seudocoloración y segmentación. La utilización de moduladores espaciales de luz para representar tanto la escena como los filtros permitieron cambiar ambas imágenes de forma dinámica. Con el fin de poder realizar las aplicaciones de procesado de texturas propuestas en tiempo real fue necesario modificar la arquitectura del correlador para que permitiera procesar más de un canal de forma paralela. Producto de esa necesidad se desarrollaron dos métodos que permiten convertir un correlador óptico en multicanal. El primer método propuesto utiliza luz monocromática y se basa en aprovechar el paralelismo inherente de la luz para multiplexar espacialmente varios canales de frecuencia en un único filtro de fase. Cada canal de frecuencia es codificado utilizando una fase lineal distinta. La luz, al atravesar el filtro, es desviada en distintas direcciones, obteniendo en el plano de correlación los distintos canales demultiplexados espacialmente. El segundo método propuesto consiste en mutiplexar los canales utilizando tres longitudes de onda distintas. Para ello, el sistema óptico es iluminado con una fuente de luz blanca. La adaptación del filtro se realiza adosando una diapositiva en color al modulador del plano de Fourier. En el modulador del filtro, configurado en amplitud, se representan simultáneamente un conjunto de tres canales de frecuencia. La luz al atravesar el filtro es modulada en amplitud por el modulador y en longitud de onda por la diapositiva en color. Una cámara CCD en color situada en el plano de correlación es el dispositivo encargado de realizar la demultiplexión de los tres canales.En las aplicaciones de procesado de texturas desarrolladas fueron utilizados tres bancos de filtros distintos, un banco de filtros pasa-banda basado en funciones de Gabor, otro formado por sectores anulares y dos bancos diseñados específicamente para aplicaciones de seudocoloreado de frecuencias espaciales. Con todos ellos se obtuvieron excelentes resultados en las diversas aplicaciones desarrolladas.

The emission of light is at the heart of both fundamental science and technological applications. At its origin lie electronic transitions in nanoscale materials such as molecules, atoms and semiconductors. The interaction of light with such single quantum emitters is inefficient because of their point-like character. Efficient interfaces between light and nanoscale matter are therefore necessary. Inspired by the effective communication between small electronic circuits enabled by radio-frequency antenna technology, an emitter can be addressed efficiently with a nanoantenna, an optical element that converts localized energy into propagating radiation. The control of light emission with such optical antennas is the topic of this Thesis. By coupling an emitter to a metal antenna, the emission properties are determined by the antenna mode in direction, transition rates, polarization, and spectrum. In Chapter 1, we set out the basic concepts of optical antenna theory. To couple an emitter to an antenna, it must be within its near field. In Chapter 2, we introduce a nanofabrication method to place quantum dots on metal nanostructures with high spatial accuracy. The resulting emitter-antenna systems are imaged by confocal microscopy and their angular radiation patterns directly recorded. This combination of experimental methods allows us to study any optical antenna. A metal wire is the canonical antenna design and the basis to understand and construct other optical antennas. Through selective coupling of a quantum dot to the resonant modes of a nanowire, we demonstrate in Chapter 3 that the emission of a dipolar source can be converted controllably into higher multipolar radiation. We describe the antenna as a standing-wave resonator for plasmons and reproduce its emission with a multipolar expansion. An aperture in a metal film can be regarded as the complementary structure of a wire. In Chapter 4, we address the emission of light through a rectangular nanoaperture as an antenna problem. We demonstrate, explicitly, that resonant nanoslot antennas display a magnetic dipole response. Such antennas offer an efficient interface between emitters and surface plasmons. The excitation or detection of a dipolar emitter from the far field involves large solid angles. To address quantum emitters efficiently, a low divergence of their radiation patterns is needed. To this end, in Chapter 5 we develop and realize unidirectional optical antennas. We show how the emission of a quantum emitter is directed by multi-element Yagi-Uda and log-periodic optical antennas and demonstrate directional operation of a single-element design based on a splitring resonator. Light emission usually occurs through electric dipole transitions because multipolar emission rates are orders of magnitude slower. In some materials, however, multipolar optical transitions do occur. In Chapter 6, we assess through simulations the feasibility of enhancing magnetic dipole and electric quadrupole transitions with several realistic nanoantenna designs. The results in this Thesis demonstrate the potential of optical antennas as elements to control light on the nanoscale, based on radio and microwave antenna engineering. Within this powerful paradigm, the interaction of light with nanoscale matter can be tailored with complete flexibility. Such a degree of control over light emission and absorption may have a practical impact in spectroscopy, sensing, display technologies, lighting, photovoltaics, and general optical and optoelectronic devices. / La emisión de luz radica en el corazón tanto de la ciencia fundamental como de varias aplicaciones tecnológicas. En su origen están las transiciones electrónicas en nanomateriales como moléculas, átomos y semiconductores. La interacción de la luz con uno de estos emisores cuánticos es ineficiente debido a su carácter puntual. Es necesario, por tanto, desarrollar interfaces más eficientes entre la luz y la materia de tamaño nanoscópico. Inspirándonos en la comunicación entre pequeños circuitos electrónicos que permiten las antenas de radio, se puede interactuar más eficientemente con un emisor utilizando una nanoantena como elemento óptico que convierte la energía localizada en radiación propagante. Esta Tesis trata sobre el control de la emisión de luz con tales antenas ópticas. Acoplando un emisor a una antena metálica, las propiedades de la emisión pasan a estar determinadas por el modo de la antena en dirección, tasas de transición, polarización y espectro. En el Capítulo 1, establecemos las nociones básicas de la teoría de antenas ópticas. Para acoplar un emisor a una antena, éste debe encontrarse en su campo cercano. En el Capítulo 2, presentamos un método de nanofabricación para posicionar puntos cuánticos sobre nanoestructuras metálicas con alta resolución espacial. Para caracterizar los sistemas emisor-antena resultantes, adquirimos imágenes mediante microscopía confocal y medimos sus patrones angulares de radiación. Esta combinación de métodos experimentales nos permite el estudio de cualquier antena óptica. El diseño canónico de una antena es un cable metálico. Es la base para entender y construir otras antenas ópticas. Mediante acoplamiento selectivo de un punto cuántico a los modos resonantes de un nanocable, en el Capítulo 3 demostramos que la emisión de una fuente dipolar puede ser convertida en radiación multipolar controladamente. Describimos la antena como un resonador de onda estacionario para plasmones y reproducimos su emisión con una expansión multipolar Se puede considerar una apertura en una película metálica como la estructura complementaria de un cable. En el Capítulo 4, tratamos la emisión de luz a través de una apertura rectangular como un problema de antenas. Demostramos, explícitamente, que una nano-ranura resonante posee respuesta dipolar magnética. Estas antenas permiten una conversión eficiente entre emisores de fotones y plasmones superficiales. La excitación o detección de un emisor dipolar conlleva ángulos sólidos grandes. Para abordar un emisor cuántico individual eficientemente desde el campo lejano, se requieren patrones angulares con una baja divergencia. Con estre fin, en el Capítulo 5 desarrollamos e implementamos antenas ópticas unidireccionales. Demostramos cómo la emisión de un emisor cuántico puede ser dirigida por antenas multi-elemento de Yagi-Uda y logarítmicas periódicas y observamos direccionalidad en una antena compuesta por un único elemento con forma de diapasón. La emisión de luz ocurre normalmente a través de transiciones de dipolo eléctrico porque las tasas de emisión multipolares son, por lo general, mucho más lentas. Sin embargo, en algunos materiales se pueden observar transiciones multipolares. En el Capítulo 6, evaluamos la posibilidad de mejorar la emisión de transiciones dipolares magnéticas y cuadrupolares eléctricas mediante distintos diseños realistas de antenas ópticas. Los resultados de esta Tesis demuestran el potencial de las antenas ópticas como elementos para el control de la luz a escalas nanométricas, basadas en la ingeniería de antenas de radio y microondas. Dentro de este paradigma, se puede manipular la interacción de la luz con la materia con total flexibilidad. Tal grado de control sobre la emisión y la absorción de la luz podría tener un gran impacto práctico en espectroscopía, sensores, pantallas, iluminación, energía fotovoltaica y todo tipo de dispositivos ópticos y optoelectrónicos

In the quest for better and faster images of cellular and subcellular structures, biology-oriented optical microscopes have advanced significantly in the last few decades. Novel microscopy techniques such as non-linear microscopy (NLM), including two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG) microscopy, and light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) are emerging as alternatives that overcome some the intrinsic limitations of standard microscopy systems. In this thesis I aimed to advance such techniques even more, and combine them with other photonic technologies to provide novel tools that would help to address complex biological questions. This thesis is organized in two main parts. The first part is dedicated to applications involving femtosecond lasers that are employed for precise microsurgery. For that, damage assessment methodologies based on NLM were developed and tested in relevant biomedical models. In the second part, wavefront engineering methods were employed to enhance the imaging capabilities of light-sheet microscopy systems. These novel methodologies were tested as well in relevant biological applications. This thesis is, therefore, organized as follows: In chapter 1, a brief and comprehensive review of the basic microscopy techniques employed in this thesis is presented, together with the challenges and achievements of this thesis in sequential order. In chapter 2, a multimodal imaging methodology for the assessment of laser induced collateral damage is presented. This was specifically developed for the control of the damage in femtosecond-laser dissection of single axons within a living Caenorhabditis elegans (C. elegans). Here, it is shown that collateral damages at the level of the myosin structure of the muscles adjacent to the axon, can be readily detected. In chapter 3, the optimized multimodal methodology developed in the chapter 2 was employed for minimally invasive dissection of axons of D-type motoneurons in C elegans. Here, a microfluidic chip for C elegans immobilization and a detailed protocol was employed to evaluate the axon regeneration of such neurons. The potential of such platform for testing drugs with regeneration-enhancing capabilities is also presented. In chapter 4, a novel use of TPEF microscopy is presented to characterize and fine tune the laser for photodisruption of excised human crystalline lens samples. In chapter 5, a thorough description of the implementation of a multimodal Digital Scanned Light-Sheet Microscope (DSLM) able to work in the linear and nonlinear regimes under either Gaussian or Bessel beam excitation schemes, is presented. The enhanced capabilities of the developed system is evaluated using in vivo C. elegans samples and multicellular tumor spheroids In chapter 6, the development of a completely new concept in light sheet-based imaging is presented. This is based on the extension of the depth-of-field of the lens in the emission path of the microscope by using wavefront coding (WFC) techniques. Furthermore, I demonstrate the application of the developed methodology for fast volumetric imaging of living biological specimens and 3D particle tracking.

En aquesta tesis doctoral es presenta un nou mètode per al càlcul de desalineaments en sistemes òptics a partir del front d'ona a la sortida del sistema. El mètode parteix de l'ajust de polinomis de Zernike al front d'ona del sistema òptic, i estableix una funció de transformació entre els coeficients de Zernike i les variables de desalineament. En aquesta memòria es presenta el desenvolupament matemàtic del mètode i s'estableixen tres funcions de transformació: per sistema d'equacions lineals, per sistema d'equacions no lineals i per xarxes neuronals artificials. El mètode s’ha validat per simulació mitjançant l'aplicació d'aquestes tres funcions de transformació a un sistema òptic format per tres lents en què una d'elles està desalineada. Es presenten i comparen els resultats obtinguts en aplicar cada funció, on es mostra que per desalineaments senzills les tres funcions donen bons resultats, però per desalineaments complexes s'ha necessitat aplicar el mètode amb les xares neuronals en dos passos, un per a les variables de gir i un altre per les variables de descentrament. S'ha generalitzat el mètode per més d'un element desalineat, mostrant resultats satisfactoris en el càlcul de desalineaments per dos elements del triplet mitjançant les xarxes neuronals. / En esta tesis doctoral se presenta un nuevo método para el cálculo de desalineamientos en sistemas ópticos a partir del frente de onda a la salida del mismo. El método parte del ajuste de polinomios de Zernike al frente de onda del sistema óptico, y establece una función de transformación entre los coeficientes de Zernike y las variables de desalineamiento. En esta memoria se presenta el desarrollo matemático del método y se establecen tres funciones de transformación: por sistema de ecuaciones lineales, por sistema de ecuaciones no lineales y por redes neuronales artificiales. El método se valida por simulación mediante la aplicación de estas tres funciones de transformación a un sistema óptico formado por tres lentes en el que una de ellas es desalineada. Se presentan y comparan los resultados obtenidos en aplicar cada función, donde se muestra que para desalineamientos sencillos las tres funciones dan buenos resultados, sin embargo para desalineamientos complejos se ha necesitado aplicar el método mediante las redes neuronales en dos pasos, uno para las variables de giro y otro para las variables de descentramiento. Se ha generalizado el método para más de un elemento desalineado, mostrando resultados satisfactorio en el cálculo de desalineamientos para dos elementos del triplete. / In this thesis a new method to determine element misalignments in optical systems is presented. The method starts with the adjustment of Zernike polynomials to the wavefront of the optical system, and sets a transformation function between the Zernike coefficients and the misalignment variables. Herein we present the mathematical development of the method and three transformation functions: a system of linear equations, a system of nonlinear equations and artificial neural networks. The method is validated by simulation by applying the three transformation functions to an optical system composed of three lenses in which one of them is misaligned. We present and compare the results of applying each function, showing that for simple misalignments the three functions work well, however, for complex misalignments, it has been required to apply the method with the artificial neural networks in two steps, one for decentering variables and one for tilt variables. The method has been generalized for more than one element, showing satisfactory results in the calculation of misalignment for two elements of the triplet system.

La polarimetria proporciona informació crucial en nombroses aplicacions en diferents camps, com en la medicina, la biologia, la teledetecció, la caracterització de materials, l’astronomia, etc. Els polarímetres són els instruments bàsics per a la metrologia de polarització. Nombroses arquitectures de polarímetres han estat analitzades en la literatura, cada una d’elles presenta les seves desavantatges i avantatges. En general, els paràmetres del muntatge del polarímetre són optimitzats per tal de reduir l’amplificació del soroll present en les mesures radiomètriques fins a la mesura final de polarització. D'altra banda, els errors experimentals, com una desalineació o un calibratge erroni, ocasionen una reducció de la precisió del polarímetre en la mesura del contingut polarimètric. Recentment, els dispositius de cristall líquid s'han introduït en les arquitectures de polarímetres, aprofitant les seves atractives característiques de canviar les seves propietats òptiques de manera dinàmica i ràpida. Degut a que les arquitectures basades en cristalls líquids no tenen parts mòbils, s'eviten errors experimentals relacionats amb moviments mecànics, i aquells errors deguts a desalineaments poden ser significativament reduïts després d'un calibratge del sistema complet. Aquesta tesi s'emmarca en el camp de la polarimetria, centrant-se en el disseny òptic, optimització, anàlisi i comparativa de polarímetres basats en materials que presenten anisotropia d’índex de refracció. En concret, es revisen algunes arquitectures de polarímetres conegudes basades en cristalls líquids existents en la literatura, s’introdueixen algunes variants als dissenys d’aquests polarímetres per tal de millorar alguns aspectes del seu funcionament, com ara la minimització de soroll, i es presenten nous dissenys de polarímetres basats en cristalls líquids. Concretament, s'utilitzen tres tipus diferents de làmines de cristall líquid: amb estructura paral·lela, amb estructura helicoïdal i ferroelèctriques. A més, es presenta un nou polarímetre estàtic capaç de mesurar qualsevol estat de polarització. Aquesta última arquitectura es basa en el fenomen de la refracció cònica que es produeix quan la llum es propaga al llarg d'un dels eixos òptics d'un cristall biàxic. Per a cada prototip de polarímetre es duu a terme una anàlisi completa del seu disseny, que inclou una optimització de soroll, estudi de robustesa, anàlisi de tolerància, així com també es detalla la implementació del polarímetre, incloent el seu calibratge i mesures experimentals. Es realitza una comparativa entre els diferents prototips implementats, donant una revisió molt valuosa de les principals característiques dels polarímetres basats en cristalls líquids, així com el polarímetre basat en la refracció cònica. A partir d'aquesta comparativa, es selecciona el millor candidat per a la polarimetria d'imatge. Finalment, en aquesta tesi es proposa un nou muntatge experimental que combina un polarímetre d'imatge i un mòdul utilitzat per a aconseguir imatges amb una resolució sub-píxel en un sistema en què la resolució està limitada per la grandària del píxel del detector. Es proporcionen resultats experimentals crucials, validant la millora de la resolució espaial aconseguida en les imatges de polarització. / Polarimetry provides crucial information in many applications in diverse fields, including medicine, biology, remote sensing, material characterization, astronomy, etc. Polarimeters are the basic instruments for polarization metrology. Several polarimeters architectures have been analyzed in the literature, each one presenting its own drawbacks and strengths. In general, the parameters of the polarimeter set-up are optimized in order to reduce the amplification of noise present at the radiometric measurements to the final polarization measurement. Moreover, experimental errors, as misalignment or miscalibration, lead to a polarimeter accuracy reduction to the measure of such polarization content. Recently, liquid crystal (LC) devices have been introduced in polarimeters architectures, taking advantage of their appealing features of changing their optical properties dynamically and at high rates. Because architectures based on LC have no moving parts, experimental errors related to mechanical movements are avoided, and those due to misalignments may be significantly reduced after a calibration of the whole system. This thesis is framed in the field of polarimetry, focusing on the optical design, optimization, analysis and comparative of polarimeters based on materials presenting index anisotropy. In particular, it reviews some existing LC based polarimeter architectures popular in the literature, introduces some variants to those polarimeter layouts in order to improve some aspects in their performance such as noise minimization, and presents new designs of LC based polarimeters. In particular, we use three different types of LC cells: parallel aligned nematic, twisted nematic and ferroelectric. Moreover, it presents a new static polarimeter able to measure any state of polarization. This last architecture is based on the conical refraction (CR) phenomenon occurring when light propagates along one of the optical axes of a biaxial crystal. For each polarimeter prototype we conduct a comprehensive analysis of its design, including a noise optimization, robustness study, tolerance analysis, as well as we detail the implementation of the polarimeter, including its experimental calibration and measurements. A comparative between the different implemented prototypes is conducted, giving a very valuable review of the main features of LC based polarimeters as well as the CR based polarimeter. From this comparative, the best candidate for imaging polarimetry is selected. Finally, in this thesis it is proposed a new experimental configuration which combines an imaging polarimeter and a module used to achieve sub-pixel-resolution imaging in a system where the resolution is limited by detector pixel size. Crucial experimental results are provided, validating the resolution enhancement achieved in polarization images.

La mesura de superfícies òptiques ha esdevingut un camp d'investigació molt important en els últims anys. En els sincrotrons es necessiten òptiques que tinguin una precisió en l'ordre del nanòmetre per tal d'assolir la brillantor necessària en les investigacions. Normalment es fan servir dos mètodes per tal de mesurar aquests miralls: interferometria i de ectometria. Els desavantatges de la interferometria és que la precisió ve determinada per la precisió de la superfície de referència. El desavantatge de la de ectometria és que les mesures són unidimensionals. En aquesta tesi es presenta un nou mètode, el lateral shearing seqüencial bidimensional, que agrupa les avantatges dels dos mètodes: no es necessita superfície de referència i les mesures són bidimensionals i ràpides. En aquesta tesi es presenta el nou mètode tan a nivell teòric així com en un escenari realista. Inicialment es fa un desenvolupament teòric, per després anar afegint diferents fonts d'error, com el soroll a les mesures, l'error de posicionament i els errors de guiatge pitch i roll. Es fa un anàlisi de la infl uència d'aquestes fonts d'error i es determina que és necessari un mètode per a l'estimació de pitch i roll. Per això en aquesta tesi es presenta un nou mètode per a l'estimació de pitch i roll basat en la sobre informació que es té de la mesura. Amb aquest mètode es redueixen significativament els errors, però es necessita també afegir informació dels termes quadràtics de la superfície mesurada per tal d'arribar a la precisió demandada. Per aquest motiu es desenvolupa un nou mètode per a lestimació dels termes quadràtics de la superfície a mesurar a partir del 3- at test. Amb l'estimació del 3- at test, l'estimació de pitch i roll i l'aplicació del lateral shearing seqüencial bidimensional, s'arriba a una precisió en l'ordre del nanòmetre en la reconstrucció de la superfície a mesurar. / Measuring optic surfaces is a research field very important, specially in the last 20 years. Synchrotrons need optics with an accuracy of the nonemeter for achieving the brilliance needed in the beamlines. Usually there are two methods for measuring optic surfaces: interferometry and de ectometry. The disadvantage of interferometry is that needs of a reference surface and, then, accuracy in interferometry is limited by the accuracy of the reference surface using in the measurements. The disadvantage of de ectometry is that measurements are unidimensional measurements. In this thesis a new method for measuring optic surfaces, bidimensional sequential lateral shearing, is presented. This method has the advantage that is not needed a reference surface and measurements are fast and bidimensional. A theoretical analysis and a a realistic scenario approach is done. For this reason firstly a theoretical development of the method is done, and secondly, different error sources have been introduced: noise in measurements, positioning errors and pitch and roll errors are added in the displace of the linear stage needed for the method. A new algorithm for the estimation of pitch and roll and a new method for the estimation of the quadratic terms of the surface under test have been presented. With the estimation of quadratic terms of the surface under test and the estimation of pitch and roll, the accuracy measuring optic surfaces with the bidimensional sequential lateral shearing method presented in this thesis achieves the nanometer range.

To measure quantum features in a classical world constrains us to extend the classical technology to the limit, inventing and discovering new schemes to use the classical devices, while reducing and filtering the sources of noise. Balanced detectors, e.g. when measuring a low- noise laser, have become an exceptional tool to attain the shot-noise level, i.e., the standard quantum limit for measuring light. To detect light pulses at this level requires to decreasing and also to filtering all other sources of noise, namely electronic and technical noise. The aim of this work is to provide a new tool for filtering technical and electronic noises present in the pulses of light. It is especially relevant for signal processing methods in quantum optics experiments, as a means to achieve shot-noise level and reduce strong technical noise by means of a pattern function. We thus present the theoretical model for the pattern-function filtering, starting with a theoretical model of a balanced detector. Next, we indicate how to recover the signal from the output of the balanced detector and a noise model is proposed for the sources of noise and the conditions that should satisfy the filtering algorithm. Finally, the problem is solved and the pattern function is obtained, the one which solves the problem of filtering technical and electronic noises. Once the pattern function is obtained, we design an experimental setup to test and demonstrate this model-based technique. To accomplish this, we produce pulses of light using acousto-optics modulators, such light pulses are precisely characterized together with the detection system. The data are then analyzed using an oscilloscope which gathers all data in the time domain. The frequency-domain representation is calculated using mathematical functions. In this way, it is proved that our detector is shot-noise limited for continuous-wave light. Next, it is shown how the technical noise is produced in a controlled manner, and how to gather the necessary information for calculating the pattern function. Finally, the shot-noise-limited detection with pulses without technical noise introduced is shown first, and next, an experimental demonstration where 10 dB of technical noise is then filtered using the pattern function. The final part of this research is focused on the optimal signal recovery for pulsed polarimetry. We recall the Stokes parameters and how to estimate the polarization state from a signal. Next, we introduce a widely used signal processing technique, the Wiener filter. For the final step, we show how to retrieve, under the best conditions, the polarization-rotation angle with a signal that has 10 dB of technical noise. Obtaining that our technique outperforms the Wiener estimator and at the same time obtaining the standard quantum limit for phase/angle estimation. Because of the correlation between pulsed polarimetry and magnetic estimation using magnetic-atomic ensembles via Faraday effect, this pattern-function filtering technique can be readily used for probing magnetic-atomic ensembles in environments with strong technical noise. / Medir las características cuánticas en un mundo clásico no solo requiere llevar al límite la tecnología clásica, sino también, inventar y descubrir nuevos esquemas para utilizar los dispositivos clásicos, reduciendo y filtrando las fuentes de ruido. Los detectores balanceados, cuando miden un láser de bajo ruido, se han convertido en una herramienta excepcional para alcanzar el nivel del ruido de disparo, que es el límite estándar clásico para medir la luz. Detectar pulsos de luz al nivel de ruido de disparo requiere reducir y filtrar todas las otras fuentes de ruido, es decir, el ruido electrónico y el técnico. El objetivo de este trabajo es crear una nueva herramienta para filtrar ruido tanto técnico como electrónico de pulsos de luz, que es especialmente relevante para los métodos de procesamiento de señales en los experimentos de óptica cuántica, como una manera de alcanzar el nivel de ruido de disparo y reducir fuertemente el ruido técnico por medio una función patrón. Presentamos, por lo tanto, el modelo teórico para el filtrado por una función patrón. Primeramente damos el modelo teórico de un detector balanceado, luego exponemos cómo se recupera la señal de la salida del detector balanceado. A continuación proponemos un modelo para las fuentes de ruido y las condiciones que debe satisfacer el algoritmo de filtrado. Finalmente, se resuelve el problema y se obtiene la función patrón que nos permite filtrar los ruidos técnico y electrónico. Una vez que la función patrón se puede calcular, diseñamos un montaje experimental para probar y demostrar esta técnica basada en un modelo. Para tal propósito, producimos pulsos de luz usando moduladores acusto-ópticos que producen pulsos de luz que están precisamente caracterizados, junto con el sistema de detección. Los datos se analizan a continuación con un osciloscopio, reuniendo todos los datos en el dominio del tiempo. La representación del dominio de la frecuencia se calcula utilizando funciones matemáticas. De esta manera, se prueba que nuestro detector está limitado por el ruido de disparo para luz continua. Después, se muestra cómo se produce el ruido técnico de manera controlada, y cómo se reúne la información necesaria para calcular la función patrón. Finalmente, se muestra la detección limitada por el ruido de disparo para pulsos sin ruido técnico introducido primero, y luego, se hace una demostración experimental con 10 dB de ruido técnico, que se filtra a continuación usando la función patrón. La parte final de esta investigación está enfocada a la recuperación óptima de la señal para polarimetría pulsada. Recordamos los parámetros de Stokes y cómo estimar el estado de polarización de una señal. Luego, introducimos el filtro de Wiener, que es una técnica ampliamente usada en el procesamiento de señales. Para el paso final, mostramos cómo se recupera, bajo las mejores condiciones, el ángulo de rotación de polarización con una señal que tiene 10 dB de ruido técnico. Obteniendo el límite estándar cuántico para la estimación fase/ángulo y superando así el estimador de Wiener. Debido a la correlación entre polarimetría pulsada y la estimación magnética usando conjuntos atómicos magnéticos vía el efecto de Faraday, esta técnica de filtraje de función patrón puede ser fácilmente usada para sondear conjuntos atómico-magnéticos en ambientes con fuerte ruido técnico.

En el present treball hem estudiat tant numèricament com experimentalment la dinàmica d'un dispositiu biestable opto-tèrmic il·luminat amb un feix làser modulat en intensitat. Aquest dispositiu és un interferòmetre Fabry-Perot, en el qual l'espaciador de al cavitat està format per dues capes de materials transparents amb coeficients termo-òptics oposats i el mirall d'entrada consisteix en una pel·lícula metàl·lica de gruix i constants òptiques tals que optimitzen el contrast interferencial sobre l'absorció de la llum en la mateixa.La dinàmica del dispositiu pot ser descrita mitjançant un sistema d'equacions homogènies de transport de calor, que són lineals i es troben subjectes a les corresponents condicions de continuïtat i frontera, entre les quals s'ha de destacar la condició de frontera que descriu el focus de calor localitzat en el mirall d'entrada. Aquesta condició és no local i no lineal i, de fet, és la responsable de les no linealitats dinàmiques en el dispositiu.Hem resolt el problema de la reducció del sistema d'equacions en derivades parcials (EDP's), obtenint un sistema pràcticament equivalent d'equacions ordinàries (EDO's) d'ordre igual al nombre de capes en l'espaciador de la cavitat. Això s'ha fet pel cas general d'un espaciador multicapa amb un nombre de capes arbitrari, s'ha establert una relació directa entre els coeficients del sistema EDO's i els paràmetres físics del dispositiu i s'ha verificat numèricament la coincidència d'ambdues descripcions. En el cas de la bicapa amb excitació modulada, el sistema ve descrit per un sistema d'ordre dos no autònom o, equivalentment, per un sistema d'ordre tres autònom. Les noves variables del sistema són les fases interferomètriques associades a cada capa, les quals són proporcionals a la temperatura promig dins la capa.Hem observat una rica dinàmica característica dels sistemes no autònoms. Més concretament:a) Hem observat tant numèricament com experimentalment seqüències de doblaments de període i cascades inverses. En aquestes cascades inverses hem fet un estudi detallat de les crisis internes responsables de la formació de bandes caòtiques. En el dispositiu bicapa modulat aquestes crisis internes son bifurcacions homoclíniques transversals.b) Hem observat tant numèricament com experimentalment intermitències de tipus I, quasiperiòdiques i caòtiques.c) Hem fet un estudi detallat de codimensió dos de la sincronització entre el dispositiu bicapa i la modulació externa. Hem observat la existència de llengües d'Arnold resultants de l'afermament de freqüències i hem descobert una la rica varietat de inestabilitats associades a transicions entre dues d'aquestes llengües. Concretament hem demostrat l'existència de cinc punts diferents de bifurcacions locals de codimensió dos.Hem estudiat les bifurcacions homoclíniques resultants d'aplicar la modulació externa sobre una òrbita periòdica del sistema autònom propera a realitzar una bifurcació homoclínica. Hem demostrat el especial interès que té el sistema modulat per estudiar el caos homoclínic. Concretament, hem presentat proves numèriques i experimentals de l'existència de caos homoclínic associat a atractors del tipus Birkoff-Shaw. També hem fet un estudi numèric detallat de l'estructura de les subvarietats invariants que ens ha revelat el caràcter transversal de la connexió homoclínica. / En el presente estudio hemos analizado tanto numéricamente como experimentalmente la dinámica de un dispositivo biestable opto-térmico iluminado con un haz láser modulado en intensidad. Este dispositivo es un interferómetro Fabry-Perot, en el cual el espaciador de la cavidad esta formado por dos capas transparentes de coeficientes termo-ópticos opuestos y el espejo de entrada consiste en una película metálica de espesor y constante óptica tales que optimizan el contraste interferencial sobre la absorción de luz en la misma.La dinámica del dispositivo puede ser descrita mediante un sistema de ecuaciones homogéneas de transporte de calor, que son lineales y se encuentran sujetas a las correspondientes condiciones de continuidad y frontera, entre las cuales cabe destacar la condición de frontera que describe el foco de calor localizado en el espejo de entrada. Esta condición es no local y no lineal y, de hecho, es la responsable de las no-linealidades en el dispositivo.Hemos resuelto el problema de la reducción del sistema de ecuaciones en derivadas parciales (EDPs), obteniendo un sistema prácticamente equivalente de ecuaciones ordinarias (EDOs) de orden igual al número de capas del espaciador de la cavidad. Esto se ha realizado para el caso general de un espaciador multicapa con un número de capas arbitrario, se ha establecido una relación directa entre los coeficientes del sistema EDOs y los parámetros físicos del dispositivo y se ha verificado numéricamente la coincidencia de las dos descripciones. En el caso de la bicapa con excitación modulada, el sistema está descrito por un sistema de orden dos no autónomo o, de forma equivalente, por un sistema de orden tres autónomo. Las nuevas variables del sistema son les fases interferométricas asociadas a cada capa, las cuales, a su vez, son proporcionales a la temperatura promedio dentro la capa.Hemos observado una rica dinámica característica de los sistemas no autónomos. En concreto:a) Hemos observado tanto numérica como experimentalmente secuencias de doblamientos de periodo y cascadas inversas. En estas cascadas inversas hemos realizado un estudio detallado de les crisis internas responsables de la formación de bandas caóticas. En el dispositivo bicapa modulado estas crisis internes son bifurcaciones homoclínicas transversales.b) Hemos observado tanto numérica como experimentalmente intermitencias de tipo I, cuasiperiódicas i caóticas.c) Hemos realizado un estudio detallado de codimensión dos de la sincronización entre el dispositivo bicapa i la modulación externa. Hemos observado la existencia de lenguas de Arnold resultantes del enclavamiento de frecuencias y hemos descubierto una la rica variedad de inestabilidades asociadas a transiciones entre dos de dichas lenguas. Concretamente hemos demostrado la existencia de cinco puntos diferentes de bifurcaciones locales de codimensión dos.Hemos estudiado las bifurcaciones homoclínicas resultantes de aplicar la modulación externa sobre una orbita periódica del sistema autónomo cercano a realizar una bifurcación homoclínica. Hemos demostrado el especial interés del sistema modulado en el estudio del caos homoclínico. Concretamente, hemos presentado pruebas numéricas y experimentales de la existencia de caos homoclínico asociado a atractores del tipo Birkoff-Shaw. También hemos realizado un estudio numérico detallado de la estructura de les subvariedades invariantes que nos ha revelado el carácter transversal de la conexión homoclínica. / This work studies numerically and experimentally the dynamics of an opto-thermal bistable device illuminated with an intensity-modulated laser beam. This device is a Fabry-Perot interferometer whose cavity spacer is formed by two layers of transparent materials with opposite thermo-optical coefficients and its input mirror consists of a metallic film whose thickness and optical constants are such that the interferential contrast of the light absorption is optimized.The device dynamics is described in terms of a system of linear homogeneous heat equations subjected to continuity and boundary conditions. This boundary condition should be highlighted since it describes the source of localized heat on the input mirror. This condition is neither local nor lineal and, as a matter of fact, it is responsible for the dynamic non-linearities in the device.We solved the problem of reducing the system of equations in partial derivatives (PDE's) and we have obtained a practically equivalent system in ordinary derivatives (ODE's) whose order equals the number of layers in the cavity spacer. This has been extended to the general case of a multi-layer spacer with an arbitrary number of layers and a direct relationship between the ODE's system coefficients and the physical parameters of the device has been established and the coincidence of both descriptions has been verified. As for the bilayer with modulated excitation, the system is described by a non-autonomous 2-order system or, equivalently, by an autonomous 3-order system. The system new variables are the interferometric phases associated to each layer, which are proportional to the average temperature at each layer.We have observed a rich dynamics characteristic for non-autonomous systems. More concretely,a) Periodic doubling sequences and inverse cascades were numerically and experimentally observed. A detailed study of internal crisis responsible for the formation of chaotic bands was made in the cascades. These internal crises are transversal homoclinic bifurcations.b) Chaotic and 2-periodic type I intermittencies were observed numerically and experimentally.c) A deep study of two-codimension on the synchronization between the bilayer device and the external modulation was made. It's been stated that the Arnold's tongues resulting from frequency-locking do exist and we have found a rich variety of instabilities associated with transitions between two of these tongues. Concretely, it has been proved that there are five different types of 2-codimension local bifurcations.We have studied the homoclinic bifurcations resultant from the application of external modulation onto an autonomous system periodic orbit close to perform a homoclinic bifurcation. It has been shown the great interest of the modulated system to study homoclinic chaos. Concretely, we have presented numerical and experimental evidences showing the existence of homoclinic chaos associated to Birkoff-Shaw attractors. Besides, we have thoroughly studied numerically the structure of manifolds which has revealed the transversal character of the homoclinic connection.

Un tema central en la ciencia y la tecnología es la exploración y explotación de sistemas cada vez más pequeños por medio de técnicas ópticas. A menudo, la longitud de onda viene dictada por el sistema de interés: los sistemas biológicos emiten y absorben luz visible y los dispositivos fotovoltaicos convierten el espectro solar. Durante mucho tiempo, la resolución óptica alcanzable parecía limitada principalmente por el límite de la difracción. Sin embargo, los avances en nanociencia y nanotecnología han llevado a la fabricación de estructuras de tamaños cada vez menores, de modo que la escala de los detalles fabricables ha alcanzado dimensiones muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible. La luz visible interactúa resonantemente con estructuras metálicas de dimensiones alrededor de 100nm. La fuerte interacción de la luz con estructuras resonantes ofrece multitud de nuevas herramientas para el estudio de nuevos fenómenos ópticos en ciencia y tecnología, para lo cual se precisa un estrecho control de los campos ópticos. Las nanostructuras plasmónicas confinan, aumentan y, por lo tanto, controlan la luz a escalas nanométricas. Esta tesis se centra en el desafío del control preciso de campos ópticos en la nanoescala. Capítulo 1 presenta una perspectiva de la óptica de campo cercano. La nanotecnología se basa principalmente en la nanofabricación, que es un campo en continuo desarrollo. Los tamaños por debajo de 100nm requeridos para obtener nanoestructuras con resonancias ópticas entran dentro de los rangos de resolución de las actuales herramientas de nanofabricación. La nanofabricación con tecnología de Haz de Iones Enfocados es tratada en el Capítulo 2. Las antenas ópticas han demostrado ser un enlace eficiente entre radiación libre y objetos. El objeto puede ser una molécula individual, un medio no lineal o un semiconductor, dependiendo del propósito del dispositivo. Debido a la complejidad creciente de las antenas ópticas, surge la necesidad de investigar y controlar con precisión la distribución local de los campos modales. En el Capítulo 3, presento una investigación de los campos locales de antenas por medio del control determinista de una esfera fluorescente nanométrica como sonda del campo local. La esfera registra fielmente los modos ópticos de la antena, resolviendo por primera vez características modales de 35nm, revelando además la resonancia de la antena. Un punto crítico en la interacción de luz y materia es el ajuste de impedancias de los componentes involucrados. El Capítulo 4 demuestra cómo estructuras intrínsicamente muy diferentes, una guía de onda en forma de cuña y una apertura menor que la longitud de onda, se ajustan en impedancia a la longitud de onda de funcionamiento para mejorar la transmisión. La microscopía óptica de barrido de campo cercano es una herramienta habitual para la imagen de una gran variedad de muestras con resolución nanométrica. La baja transmisividad de las sondas convencionales, con aperturas menores que la longitud de onda, impone un severo límite. Como se explica en el Capítulo 5, el rediseño de la sonda elimina componentes con pérdidas y mejora la alimentación a la apertura. El rendimiento de la transmisión aumenta 100 veces y el umbral de daño 40 veces. Como este incremento en brillo permite utilizar aperturas más pequeñas, se obtienen imágenes de moléculas individuales con una resolución óptica de hasta 60 nm sin necesidad de algoritmos de ajuste. Como demuestran los resultados de esta tesis, se pueden evaluar los campos localizados y el funcionamiento de nanoestructuras como las antenas ópticas mediante mapeado con nanofuentes fluorescentes. Este mapeado proporciona una herramienta flexible para sintonizar nanoestructuras e incrementar el nivel de control ejercido sobre los campos ópticos. Esto beneficiará a aplicaciones como la imagen de alta resolución, los sensores y fotodetectores de alta sensibilidad, los dispositivos fotovoltaicos o la óptica no lineal. / A central topic in science and technology is the exploration and exploitation of smaller and smaller systems by optical techniques. Often, the wavelength is dictated by the system of interest: Biological systems emit and absorb visible light, or photovoltaic devices convert from the solar spectrum. For a long time, the achievable optical resolution has seemed principally bound by the diffraction limit. However, the advances in nanoscience and nanotechnology have led to the fabrication of structures with ever smaller feature sizes, such that the length scale of fabricable features has reached dimensions far below the wavelength of visible light. Visible light interacts resonantly with metallic structures that have characteristic dimensions of around 100nm. A strong resonant interaction of light with appropriately designed structures presents a manifold of new tools for the study of new optical phenomena in science and technology, for which the tight control of optical fields is a prerequisite. Plasmonic nanostructures strongly confine, enhance and thus control light on the nanometre scale. This thesis centres around the challenge of the precise control of optical fields on the nanoscale. An overview of near-field optics, its methods and challenges is presented in Chapter 1. Nanotechnology relies largely on nanofabrication, which is a continuously developing topic. The feature size of under 100nm required for optically resonant nanostructures is within the range of the resolution of state-of-the-art nanofabrication tools. The fabrication of such nanostructures using Focused Ion Beam technology is discussed in Chapter 2. Optical antennas have proven to efficiently link free radiation to objects through localised fields. The object can be a single molecule, a non-linear medium or a semiconductor, depending on the purpose of the device. With increasing complexity of optical antennas the need arises to precisely investigate and control their modal local field distribution. In Chapter 3, I present the investigation of local antenna fields by deterministic control of a nanometric fluorescent bead as the local field probe. The bead accurately maps the optical modes of an antenna, for the first time optically resolving modal features of 35nm FWHM. Moreover, the antenna resonance is revealed. A critical point in the interaction of light with matter is the matching of the impedance of all components involved in the interaction. Chapter 4 demonstrates how intrinsically very different structures, a tapered waveguide and a sub-wavelength aperture, are impedance-matched at the wavelength of operation to improve the transmission of the aperture. Near-field Scanning Optical Microscopy is a standard tool to image a variety of samples with nanometric resolution. The low transmissivity of conventional probes with sub-wavelength apertures imposes a strong limitation to its popularity. As reported in Chapter 5, a redesign of the probe removes the lossy sub-wavelength components and improves the feed to the aperture. The throughput increases by 100x and the damage threshold by 40x. As this increase in brightness allows to employ smaller apertures, single molecules are imaged with a true optical resolution of as good as 60nm FWHM. No fitting algorithms are required. As the results presented in this thesis show, localised fields and therefore the functioning of nanostructures such as optical antennas can be precisely assessed by a mapping with fluorescent nanosources. The mapping provides a flexible tool to tune the nanostructures and increase the level of control exerted on optical fields. In reverse, an optimised nanostructure will efficiently control single emitters in its vicinity. Benefiting applications include high resolution imaging, high sensitivity sensing and photo detection, photovoltaics and non-linear optics.

In this thesis, we report experimental evidence of a "gray" condensate of excitons, as predicted theoretically by M. Combescot et al. Most importantly, the condensate is characterized by the macroscopic population of dark excitons coherently coupled to a weak population of bright excitons through fermion exchanges. Such quantum condensation results from the excitons internal structure, with a dark i.e. optically inactive ground state. It is actually very similar to what occurs in the phases of superfluid 3He or in the more recent spinor condensates of ultracold atomic Bose gases. While it is our belief that such a "gray" condensate will eventually be observed in other excitonic systems, our study focus on its appearance together with the macroscopic auto-organization of dipolar excitons. Precisely we emphasize fragmented exciton rings in an electrically biased GaAs single quantum well. This very striking pattern was first observed independently by the groups of L. Butov and D. Snoke. It was interpreted as the result of an ambipolar diffusion of carriers in the quantum wells. The fragmentation of the macrosopic ring observed at low temperature by Butov and coworkers, and the subsequent evidence for long-range spatial coherence together with complex pattern of polarization, led Butov et al. to interpret the fragmentation as an evidence for the transition to a quantum regime where coherent exciton transport dominates. Our experiments led us to a very different interpretation. Indeed, we show that for our sample the formation of the fragmented ring is dominated by the diffusion of dipolar excitons in an optically induced electrostatic landscape. This potential landscape arises from the modulation of the internal electric field by excess charges injected in the QW by the same excitation beam which induces the ring. Dipolar excitons then explore a potential landscape characterized by a wide anti-trap inside the ring and more strikingly by microscopic traps distributed along the circumference of the ring. There, i.e. in the outside vicinity of the ring, a confining potential is responsible for the formation of "islands" where the population of dark excitons is dominant. Due to the low energy splitting between the bright and dark excitonic states in our sample, the observation of a dominant population of dark excitons signals that excitons condense in the low-lying dark states. To confirm this interpretation we show that the weak photoluminescence emitted in the outer vicinity exhibits macroscopic spatial coherence, up to 10 times larger than the de Broglie wavelength. Islands of extended coherence are in fact identified and quickly disappear upon increase of the bath temperature. This leads to an evolution of the coherence length strongly dependent on the temperature. Finally, we show that the photoluminescence emitted in the vicinity of the fragmented ring is dominantly linearly polarized and also organized in islands outside the ring. All these observations confirm the predicted signatures of a "gray" condensate, as formulated by M. and R. Combescot. / En aquesta tesis, mostrem evidència experimental d'un condensat "gris" d'excitons, tal com prediu la teoria de M. Combescot et al. En particular, el condensat està caracteritzat per la població macroscòpica d'excitons foscos acoblats coherentment a una població baixa d'excitons brillants a través d'intercanvis fermiònics. Aquesta condensació quàntica es dóna com a resultat de l'estructura interna dels excitons, amb un estat fonamental fosc i.e. òpticament inactiu. És de fet molt similar al que passa en les fases de 3He superfluid o en els més recents condensats d'espinors de gasos atòmics ultrafreds de Bose. Encara que nosaltres creiem que un condensat "gris" serà eventualment observat en altres sistemes excitònics, el nostre estudi es focalitza en la seva manifestació juntament amb l'auto-organització macroscòpica d'excitons dipolars. Precisament, ens centrem en els anells excitònics fragmentats en un sol pou quàntic elèctricament polaritzat. Aquest sorprenent patró va ser observat independentment per primer cop pels grups de L. Butanov i D. Snoke. Va ser interpretat com el resultat d'una difusió ambipolar de portadors en pous quàntics. La fragmentació de l'anell macroscòpic observada a baixes temperatures per Butov i els seus col.laboradors, i la posterior evidència de coherència espacial de llarg abast juntament amb un patró de polarització complex, va portar a Butov et al. a interpretar la fragmentació com una evidència de la transició cap al règim quàntic en el que domina el transport coherent d'excitons. El nostre experiment ens va portar cap una interpretació molt diferent. En efecte, mostrem que per la nostra mostra la formació d'anells fragmentats és dominada per la difusió d'excitacions dipolars en un perfil electrostàtic òpticament induït. Aquest perfil de potencial sorgeix de la modulació del camp elèctric intern per un excés de càrregues injectades en el PQ pel mateix feix d'excitació que indueix l'anell. Les excitacions dipolars exploren per tant un perfil de potencial caracteritzat per una anti-trampa ampla dins de l'anell i més sorprenentment per trampes microscòpiques distribuïdes al llarg de la circumferència de l'anell. Allà, i.e. en la proximitat exterior de l'anell, un potencial de confinament és el responsable de la formació d'"illes" on la població d'excitons foscos és dominant. Degut a la baixa separació energètica entre els estats excitònics brillant i fosc en la nostra mostra, l'observació d'una població dominant d'excitons foscos senyala que els excitons es condensen en els estats foscos de més baixa energia. Per tal de confirmar aquesta interpretació, mostrem que la dèbil fotoluminescència emesa en la proximitat exterior exhibeix coherència espacial macroscòpica, fins a 10 vegades major que la longitud d'ona de de Broglie. Illes de coherència ampliada són de fet identificades i desapareixen ràpidament en incrementar la temperatura del focus. Això porta cap a una evolució de la longitud de coherència que depèn fortament de la temperatura. Finalment, mostrem que la fotoluminescència emesa en la proximitat de l'anell fragmentat està dominantment polaritzada linealment i organitzada també en illes fora de l'anell. Totes les observacions confirmen les senyals característiques previstes per un condensat "gris", tal com està formulat en la teoria desenvolupada per M. i R. Combescot