Parmi les diverses méthodes d’imagerie médicales, les méthodes d’imagerie optique connaissent depuis une vingtaine d’années un développement significatif. Parmi les techniques d’imagerie optique récemment mises en œuvre, la Tomographie Optique Cohérente Plein Champ – ou OCT Plein Champ – présente des caractéristiques remarquables, en particulier en termes de résolution et de simplicité instrumentale, permettant d’envisager son application au domaine du diagnostic du cancer. Cette thèse décrit la conception et la mise en œuvre de dispositifs d’OCT Plein Champ pour utilisation en contexte clinique, afin d’évaluer la performance de la technique pour le diagnostic peropératoire du cancer, en vue de son amélioration et optimisation. Dans cet objectif nous avons réalisé des travaux regroupés en 2 axes : Une partie translationnelle, consistant à développer un dispositif de microscopie optique par OCT Plein Champ répondant au besoin clinique pour le diagnostic peropératoire du cancer sur biopsies, en vue de l’évaluation de ses performances de diagnostic sur plusieurs problématiques cliniques : le diagnostic peropératoire du tissu mammaire, de résection de cerveau, ainsi que la qualification préopératoire de greffons cornéens. Une partie exploratoire, principalement instrumentale, dédiée à l’amélioration des performances de diagnostic de la technique, proposant de nouvelles approches multimodales (contraste de fluorescence, contraste dynamique) et multi-échelles, ou encore la déclinaison du dispositif sous la forme d’un endoscope rigide portable utilisable en contexte clinique. / Among medical imaging techniques, optical imaging methods have been significantly developped during the past decades. More specifically, among recently proposed optical imaging techniques, Full-Field Optical Coherence Tomography – or FFOCT – provides unique capabilities, in particular regarding resolution and instrumental simplicity, which allows to consider its application to cancer diagnosis. This thesis demonstrates the design and implementation of new FFOCT devices for use in a clinical context, targeting improvement and optimization of the technique. Two major development parts have been realized : A translational part, comprising the development of a FFOCT microscope adapted to a clinical use for intraoperative diagnosis of cancer on tissue biopsies, and the assessment of its diagnosis performance for several clinical cases : the intraoperative diagnosis of breast tissue, of brain resections, and the preoperative qualification of corneal grafts. A research part - mainly instrumental - targeting the improvement of the diagnosis performance of the technique, based on new multimodal (fluorescence contrast, dynamic contrast) and multiscale approaches, or on the miniaturization of the device by developing a handheld rigid endoscope for clinical use.

Ο όρος μη-γραμμική οπτική αντιπροσωπεύει τον κλάδο της οπτικής ο οποίος μελετά την αλληλεπίδραση της ύλης με ακτινοβολία πολύ ισχυρής έντασης. Όταν ένα υλικό εκτεθεί σε ακτινοβολία υψηλής έντασης όπως αυτή του laser, οι οπτικές του ιδιότητες αλλάζουν εξαιτίας της πόλωσης που επάγεται στα δομικά υλικά του και το αποτέλεσμα είναι η αλλαγή των οπτικών του ιδιοτήτων. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε μια πληθώρα φαινομένων τα οποία μας βοηθούν στη κατανόηση της δομής του υλικού αλλά και των φυσικών μηχανισμών που κρύβονται πίσω από αυτά. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετώνται οι μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες χρωμοφόρων τύπου BODIPY υπό μορφή διαλυμάτων. Η σύνθεση των μορίων έγινε στο Ινστιτούτο Φυσικοχημείας του ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ από την ερευνητική ομάδα του κ.Πιστόλη στα πλαίσια ενός έργου ΘΑΛΛΗ. Η διάρθωση της εργασίας είναι η εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή και παρουσιάζονται κάποιες βασικές έννοιες της μη γραμμικής οπτικής. Ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσονται αναλυτικότερα μερικά φαινόμενα τα οποία οφείλονται στη μη γραμμική επιδεκτικότητα τρίτης τάξης. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση της πειραματικής τεχνικής Z-scan, που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, αλλά και η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την εξαγωγή των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων από τα πειραματικά δεδομένα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των συστημάτων που μελετήθηκαν. Αρχικά, παρουσιάζεται μια περιγραφή των ιδιαίτερων φωτοφυσικών ιδιοτήτων των μορίων BODIPY που μελετήθηκαν. 'Επειτα, ακολουθεί η μη γραμμική οπτική απόκριση των συστημάτων για διέγερση στα 532nm και 1064nm με παλμούς χρονικής διάρκειας 532ps και 4ns. Τέλος, ακολουθούν τα συμπεράσματα από τη μελέτη των συστημάτων και μια πρόταση για μελλοντική μελέτη. / Nonlinear optics (NLO) is related to laser-matter interactions, as well as the changes which are induced in materials during their interaction with intense laser fields. Laser beams can provide strong enough electromagnetic fields, capable of inducing optical changes. In these cases the response of the material is not linearly dependent on the intensity of the electric field. The primary objective of this thesis was the investigation of the non-linear optical properties of BODIPY derivatives. In particular, we focused on the determination of the second-order hyperpolarizability in order to correlate the magnitude and the sign of the observed nonlinearities with their photophysical characteristics. The main experimental technique used was the Z-scan technique, employing 35 ps and 4 ns laser pulses at both 532 nm and 1064 nm. The molecules were synthesized by the research group of Dr. Pistolis at the Institute of Physical Chemistry NCSR ''Demokritos" as a part of the ''THALIS" programme. The structure of the thesis is as follows: In Chapter 1, the basic NLO phenomena and the corresponding related nonlinear optical parameters are introduced. In Chapter 2, the theoretical background of the Z-scan technique is briefly presented, while the Z-scan experimental set-up is fully described. In Chapter 3, experimental results on the NLO properties of the Bodipy derivatives are presented. The relationship between the nonlinear optical properties and photophysical properties of the derivatives is also considered. The conclusion summarizes the results of the NLO response of the BODIPY derivatives and details a proposal for future work..

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Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να παράσχει χρήσιμες πληροφορίες για την πρακτική κατασκευή συσκευών αορατότητας. Αρχικά, παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι των δισδιάστατων μέσων μετασχηματισμού (συσκευών αορατότητας) και διαπιστώνεται η υπεροχή του δισδιάστατου μανδύα αορατότητας επιπέδου από διηλεκτρικό. Προκειμένου να διερευνήσουμε αριθμητικά την οπτική συμπεριφορά αυτού του τύπου μανδύα, χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις που εξάγονται από τη θεωρία της οπτικής μετασχηματισμών, και μέσω της μεθόδου F.D.T.D υπολογίζουμε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε όλα τα σημεία του υπολογιστικού πλέγματος. Στα όρια του πλέγματος αυτού τοποθετείται ένα στρώμα τέλειας προσαρμογής , έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι ανακλάσεις στα όρια αυτά, σε αναλογία με το πραγματικό πείραμα. Υλοποιώντας έναν κώδικα σε Μatlab, υπολογίζουμε την ένταση της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας, για εγκάρσια μαγνητικά επίπεδα κύματα που προσπίπτουν υπό γωνία σε ένα αντικείμενο που περιβάλλεται από έναν μανδύα από διηλεκτρικό και είναι τοποθετημένο σε επίπεδο. Συγκεκριμένα, μελετάμε: την επίδοση της συσκευής συναρτήσει του βαθμού διακριτοποίησης του αριθμητικού πλέγματος, την επίδραση της απορρόφησης και της τυχαίας διαταραχής της επιτρεπτότητας των δομικών υλικών του μανδύα, καθώς και την επίδοση για πρόσπτωση υπό διαφορετικές γωνίες. Τέλος, εκτιμάμε τις ιδιότητες των στρώσεων από διηλεκτρικά που θα μπορούσαν να περιβάλουν τον μανδύα και να βελτιώσουν την αποδοτικότητά του στο ορατό φάσμα. / This work aims to provide useful information for the fabrication of practical cloaking devices. Initially, different types of two dimensional transformation media (invisibility devices) are presented and it is concluded that the all dielectric, two dimensional electromagnetic ground plane cloak dominates. In order to perform a numerical study of the sensitivity of this type of cloak, we use the equations deduced from the transformation optics via finite difference time domain method, for the electromagnetic wave, at every single point of the numerical domain. In the boundaries of this domain, we place a perfectly matched layer in order to minimize the reflections in those boundaries. That would replicate the real experiment with our simulations. By the application of a code written in Matlab, we calculate the scattering signature of an object surrounded by an all dielectric cloak and placed on a ground plane. Transverse magnetic plane waves are launched at an angle towards the object. In particular, we study the performance of the system as a function of the number of distinct components the cloak is divided into, the effects of lossy elements, the angle of incidence, as well as typical random variations of the permittivity of the building materials. Finally, we evaluate impedance matching layers that can surround the cloak and improve its effectiveness in the visible spectrum.

Un des défis majeurs auquel la communauté de la nano-optique aura à répondre dans les années à venir sera de concentrer l'énergie lumineuse à l'échelle du nanomètre de façon à créer une nanosource optique ou thermique intense à même d'alimenter de futurs dispositifs. Les nanoparticules métalliques, supportant une résonance plasmon de surface, sont idéales pour de telles applications. Dans ce contexte, cette thèse a pour vocation d'apporter un élément de réponse aux problématiques d'optimisation thermique aux échelles nanométriques et de proposer une nouvelle technique de nanothermométrie. A l'aide de simulations numériques, nous avons pu mettre en évidence les propriétés de génération de chaleur des nitrures de titane et de zirconium, dépassant celle de l'or, qui en font alors des matériaux de choix pour concevoir et fabriquer des nanosources thermiques dans le visible. Nous avons également obtenu une morphologie de particules induisant un échauffement maximal pour une longueur d'onde donnée : une nanoétoile à trois branches. Nous avons ensuite fabriqué des nanostructures d'or par lithographie électronique afin de les caractériser par holographie photothermique. En utilisant les deux types d'informations accessibles avec cette technique, l'amplitude et la phase optique, nous nous sommes alors efforcés à quantifier l'élévation de température de nanobâtonnets d'or. L'holographie photothermique d'amplitude a permis d'obtenir des mesures de température semi-quantitatives et, la technique de phase, encore préliminaire, se révèle intéressante et innovante pour étudier les propriétés thermoplasmoniques de nanostructures plasmoniques. / Focusing light on the nanoscale in order to create intense optical or thermal nanosources is probably the main challenge facing the nano-optics community, in order to power up future devices. Metallic nanoparticles and their surface plasmon resonance are ideal optical or thermal nanosources.In this context, this thesis aims at providing a possible solution to the issues of thermal optimization at the nanoscale and nanothermometry.By carrying out numerical simulations, we were able to highlight the heat generation properties of titanium and zirconium nitrides, exceeding those of gold, which make them ideally suited in order to conceive and fabricate heat nanosources in the visible. We also managed to obtain a particle morphology inducing a maximum heating at a given wavelength : a three-branchs nanostar.We fabricated gold nanostructures by e-beam lithography in order to characterize them with photothermal holography. By exploiting the two kind of informations available with this far-field optical technique, the amplitude and the optical phase, we strove to quantify the temperature variations of gold nanorods. The photothermal holography setup based on amplitude delivered semi-quantitative temperature measurements, and the phase based-technique, still at a preliminary stage of developpement, proves to be a new and promising tool for the study of optical and thermal properties of plasmonic nanostructures.

La présente thèse a pour objectif d'analyser la lumière structurée non-classique et ses caractéristiques. L'optique quantique et la lumière structurée sont deux sujets qui font l'objet d'examens nombreux. Ils sont néanmoins rarement examinés en combinaison. Les propriétés quantiques de la lumière structurée sont moins bien étudiées qu'ils devraient l'être. Par la lumière structurée nous entendons les champs lumineux qui montrent une structure transverse complexe de l'intensité, la phase ou la polarisation. Nous voulons lier les deux sujets de l'optique quantique et la lumière structurée dans la présente thèse. Dans ce but, nous générons expérimentalement des champs lumineux structurés non-classiques. En particulier, nous réalisons une expérience qui permet de générer des faisceaux vectoriels vectoriels - c'est-à-dire des faisceaux lumineux dont l'état de polarisation présente une structure transverse complexe - qui montrent une réduction du bruit quantique. En outre, nous étudions théoriquement les propriétés spatiales de faisceaux lumineux, ainsi que leur bruit. Plus spécifiquement, nous analysons l'incertitude quantique dans la largeur d'un faisceau lumineux. Pour prouver la faisabilité de la vérification expérimentales de nos résultats théoriques, nous réalisons des simulations pour la mesure de paramètres spatiales utilisant un détecteur mulitpixels. / This thesis aims at learning more about nonclassical structured light. Quantum optics and structured light are two topics that are subject to countless scientific examinations. However, they are very rarely combined and the quantum properties of structured light are not as thoroughly studied as they deserve. By structured light, we mean any light fields with complex transverse distributions of intensity, phase or polarization. We want to link the topics of quantum optics and structured light in this thesis. For this purpose, we experimentally generate particular nonclassical structured light fields. In particular, we construct an experimental setup that enables us, in principle, to produce arbitrary amplitude squeezed vector beams, i.e. light beams with a complex transverse structure of the state of polarization. Furthermore, we analyze spatial properties of light beams, and their quantum noise theoretically. We specifically perform theoretical examinations of the quantum noise in the width of a light beam. To show the feasibility of an experimental verification of our theoretical results, we conduct simulations for the measurement of spatial parameters of a beam's cross-section by a multipixel detector.

Au delà du graphène, de nouveaux semiconducteurs 2D tels que MoS2, GaS, GaSe et InSe deviennent pertinents pour les applications et dispositifs émergents. Dans cette thèse, nous fabriquons des échantillons de quelques feuillets atomiques de ces matériaux pour des dispositifs de photo-détecteurs et les caractérisons par microscopie optique, AFM et TEM. L'interaction de la lumière avec le substrat et le dispositif ultra-mince étant critique pour son fonctionnement, nous calculons et mesurons le contraste et l'intensité de la lumière diffusée par le dispositif. Nous caractérisons également la réponse Raman et la photoluminescence en fonction du nombre de couches pour étudier les propriétés vibrationnelles et électroniques. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués et analysés. Nous examinons d'abord les dispositifs homogènes basés sur MoS2, GaSe ou InSe, et trouvons une excellente photosensibilité pour notre photo-détecteur MoS2. Nous examinons ensuite plusieurs hétéro-structures pour combiner les propriétés de chaque matériau et atteindre de meilleures performances. Le premier exemple est un photo-détecteur graphène/InSe dont la photosensibilité augmente de quatre ordres de grandeur par rapport à un dispositif basés sur InSe seul. Nous montrons également que la couche supérieure de graphène prévient la dégradation de couches atomiques ultra-minces dans l'air. Des hétéro-structures plus complexes graphène/InSe/graphène et graphène/InSe/Au montrent un effet photovoltaïque. Enfin, nous combinons InSe avec MoS2 et obtenons un dispositifs avec photo-réponse rapide, un comportement de type photo-diode, une distribution de photo-courant uniforme et un fort effet photovoltaïque. / Novel two dimensional (2D) semiconductors beyond graphene such as MoS2, GaS, GaSe and InSe are increasingly relevant for emergent applications and devices. In this thesis, we fabricate these 2D samples for photo-detector applications and characterize them with optical microscopy, atomic force microscopy, Raman and photoluminescence (PL) spectroscopy and transmission electron microscopy. Since the interaction of light with the substrate and the ultra-thin photodetector device is critical for its functioning we calculate and measure optical contrast and intensity of light scattered from the device. We also characterize the Raman and PL response as a function of number of layers to study both vibrational properties and the band gap transition. For the device application, we first examine homogenous devices based on few-layer MoS2, GaSe and InSe respectively and find an excellent photoresponsivity in our few-layer MoS2 photo-detector. We then examine several geometries for heterostructure devices, which have the advantage of combining favorable properties of each material to reach better performances. The first example is a graphene/InSe photo-detector where the photoresponsivity increases by four orders of magnitude with respect to a few-layer InSe device while the top graphene layer is also shown to prevent degradation of ultra-thin atomic layers in air. Still more complex graphene/InSe/graphene and graphene/InSe/Au heterostructures show a photovoltaic effect. Finally for the first time, we combine InSe with MoS2 and obtain a high performance device with fast photo-response, photodiode like behavior, uniform photocurrent distribution and high photovoltaic effect.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons construit et caractérisé un soustracteur de photons uniques pour l'ingénierie d'états quantiques de la lumière. Le but étant de réaliser une soustraction de photon pure et spectralement sélective sur une ressource multimode dans le domaine spectral. Ce soustracteur repose sur une interaction paramétrique de somme de fréquence entre un faisceau signal et un faisceau de contrôle au sein d'un milieu non-linéaire. Le spectre du faisceau de contrôle est mis en forme à l'aide d'un procédé de mise en forme d'impulsion. Le photon convertit est filtré et détecté grâce à détecteur de photon unique. Le soustracteur est donc la combinaison de tous ces éléments successifs. Nous avons développé un cadre théorique décrivant la soustraction multimode de photons uniques et montré qu'elle peut être décrite, peu importe l'implémentation, par une matrice de soustraction dans une base de modes. Grâce à ce formalisme, nous avons montré que le processus pouvait être caractérisé sans mesurer le signal transformé mais simplement en lui substituant un faisceau sonde dont les impulsions sont aussi mises en forme. Nous avons réalisé une tomographie du processus au niveau du photon unique pour une large gamme de faisceaux de contrôle différents. Nos résultats sont correctement décrits par la théorie développée et démontre la pureté du processus ainsi que l'agilité de la technique employée. / During this thesis, we have built and characterized a single-photon subtractor to engineer the quantum states of light. The aim is to perform a pure and spectrally selective photon subtraction on a multimode resource in the spectral domain. This subtractor consists in a parametric sum-frequency interaction between a signal beam and a control beam within a non-linear medium. The optical spectrum of the control beam is shaped using ultrafast pulse shaping. The up-converted photon is filtered and detected by a single-photon detector. The subtractor is therefore the combination of all these successive elements. We have developed a theoretical framework to describe the multimode subtraction of a single photon and showed that it can be summed up by a subtraction matrix in a modal basis independently of the physical implementation. Thanks to this formalism, we have shown that the process can be characterized without measuring the transformed signal beam but simply by using a probe beam whose pulses are also shaped. We carried out a process tomography at the single-photon level for a wide range of different control beams. Our results are correctly described by the theory we developed and demonstrates the purity of the process as well as the agility of the technique we used.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des relations entre structure et propriétés des verres. La coloration des verres par les métaux de transition en est une des plus belles illustrations et sa compréhension constitue une étape fondamentale de l'étude des vitraux du Moyen Age. L'opportunité unique de la dépose des vitraux du XIIIe siècle de la Sainte-Chapelle de Paris a permis d'appliquer la démarche multidisciplinaire développée dans cette thèse pour comprendre la coloration des verres.Dans le au cas des verres bleus colorés par Co2+, ce travail a nécessité une démarche s’appuyant sur la spectroscopie fondamentale combinant des méthodes expérimentales (XANES et EXAFS au seuil K du cobalt et spectroscopie d'absorption optique) et théorique (calculs multiélectroniques dans l'approche en champ de ligand des pré-seuils K), pour mieux comprendre l'environnement local du Co2+ dans les verres. L'influence de la symétrie locale du site de Co2+ sur l'hybridation p-d et sa signature spectroscopique a été montrée grâce à des références cristallines. Les espèces penta-coordonnées ont pu alors être identifiées dans des verres modèles, nous permettant de proposer des modèles structuraux impliquant plusieurs espèces. Les proportions relatives de ses espèces sont contrôlées par les capacités de compensation de charge des cations du verre.Les deux principales nuances de bleu des verres du XIIIe siècle de la Sainte-Chapelle de Paris sont dues à Co2+ et Fe2+ tandis que le cuivre, également présent, est majoritairement monovalent et incolore, preuve des conditions réductrices de fabrication des verres de cette époque. / This thesis is part of the general framework of the study of structure-properties relationships in glasses. Understanding the coloring properties of transition metal ions in glass is an essential step in the study of Middle Age stained glass windows. The restoration work of the 13th century stained glass windows of the Holly Chapel of Paris provided a unique opportunity of apply the multidisciplinary approach of the question of glass color.In the particular case of blue glasses colored by, this study relied on a fundamental approach based on experimental (optical absorption, K-edge XANES and EXAFS spectroscopies) and theoretical tools (ligand field multiplet calculations of the pre-edge), to understand the local environment of Co2+ in glasses and the spectroscopic signature of Co2+ in unusual sites.The influence of the point group symmetry of Co site on the p-d hybridization and Co2+ spectroscopic signature was defined by comparison with crystalline references. Five-fold coordinated species have been identified in model glasses of simplified composition. This provided structural models based on 4-, 5- and 6-fold coordinated Co species for borate glasses and 4- and 5-fold coordinated Co species for silicate glasses, which are controlled by the charge compensating properties of the glass cations.Eventually, two main shades of blue have been identified in the 13th century glasses from the Holly Chapel of Paris, attributed to Co2+ and Fe2+, while, copper although present, mainly occurs as colorless Cu+, as a proof of reducing melting conditions. This provides first insights into the Middle Age glass manufacturing process.

Dans cette thèse CIFRE nous avons élaboré une solution originale d’assemblage de cristaux optiques pour applications lasers avec les sociétés Cristal Laser et Oxxius. Nous avons ensuite optimisé notre composition de colle ainsi que le procédé d’encollage des cristaux avec la réalisation d’un robot par nos partenaires industriels. De nombreux tests d’assemblage ont été effectués avec des homo-assemblages de paires de cristaux de SiO2, Quartz, YAG, KTP, LBO, BBO et RTP. Ces homo-assemblages sont ensuite traités thermiquement pour stabiliser notre interface de colle et nos résultats sont satisfaisants. Nous avons également réalisé des hétéro-assemblages avec des paires de cristaux de nature différente parmi les cristaux précédemment étudiés comme YAG/Quartz ou SiO2/KTP. Les résultats que nous obtenons avec ces hétéro-composites semblent indiquer que le différentiel de CTE entre les pièces assemblée limite fortement le bon déroulement des traitements thermiques. Nous avons donc étudié le CTE ainsi que le comportement de notre interface de colle en fonction de la température afin de proposer une composition et un traitement adapté à la réalisation de ces hétéro-composites. / In this CIFRE thesis we elaborate a bonding solution, with Cristal Laser and Oxxius companies, for non-linear optical crystals for laser applications. We had to optimize solution’s composition and the bonding process, this resulted in the creation of a bonding robot by our industrial partners. Numerous homo-assemblies bonding tests has been realized with the following crystal pairs of SiO2, Quartz, YAG, KTP, LBO, BBO and RTP. Those homo-assemblies have been thermally treated to stabilize our bonding solution interface and we obtained relatively good results. We also bonded hetero-assemblies with different crystal pairs like YAG/Quartz or SiO2/KTP. The results we get with these hetero-composites suggest that the difference in CTE between the assembled parts greatly limits the smooth heat treatments. We therefore investigated the CTE and the behavior of our adhesive interface depending on the temperature to provide adapted composition and treatment to the realization of these hetero-composites.