L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique.Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts. / Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal.Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

Le sujet de ma thèse est l’étude de la diffraction par des trous sub-longueur percés dans des films métalliques, ainsi que la compréhension du rôle des plasmons de surface (SPs) dans la diffraction en champ lointain. Nous avons construit un goniomètre « fait maison » de haute qualité. Une série de trous unique percés dans un film opaque et variant continûment de k • r >> 1 à k • r << 1 ont été explorées. Ici, k est le vecteur d'onde de l'onde incidente et r est le rayon du trou. Les résultats expérimentaux indiquent que la diffraction de la lumière par un trou unique peut être séparée en quatre régimes, dépendant de la polarisation incidente. Une expression analytique simple révèle pour la première fois, l’implication de deux facteurs compétitifs: l'un lié aux plasmons de surface, et l'autre provenant du couplage du champ aux modes de guide d'onde de l'ouverture. Lorsque le trou est entouré par des corrugations concentriques (structure d'oeil de boeuf), et est illuminé avec les rainures sur le côté de sortie, l'effet de collimation est observé: la diffraction en champ lointain est confinée dans un très petit angle solide. L’influence des paramètres géométrique sur la figure de diffraction de l’œil de bœuf a été étudié et des motifs de diffraction dont la largeur est inférieure à 1 ° dans le champ lointain ont été atteints. Un autre mode de surface (CWs), différent des SPs, a été étudié sur des films de tungstène. Il a été démontré que les CWs permettent également d’obtenir un effet de collimation. À titre de comparaison, nous avons montré que la transmission exaltée est bien plus faible pour les CWs que pour les SPs sur nanostructures. / The theme of my thesis is to investigate the diffraction behavior of subwavelength holes in metal films, and to understand the surface plasmons’ (SPs) role in aperture far-field diffraction. We have built a home-made goniometer setup with high-level quality. A series of single hole continuously ranging from k•r>>1 to k•r<<1 in a flat opaque film were explored, where k is the wavevector of the incident wave and r is the radius of the hole. The experimental results indicated that the diffraction of single hole can be classified into four regimes, depending on the input polarization. A simple analytical expression reveals for the first time the subtle interplay of two competing factors: one related to surface plasmon excitation and the other originating in the coupling of the field to the waveguide mode of the aperture. When the hole is surrounded by concentric grooves (bull’s eye structure) and is illuminated with the grooves on the output side, the beaming effect occurs: far-field diffraction is confined in very small solid angle. The effects of geometrical parameters on bull’s eye diffraction have been studied and the diffraction patterns with the width less than 1° in the far field have been achieved. Another surface waves (CWs) different from SPs on tungsten films were studied. It was demonstrated that the CWs have beaming effect as well. By comparison we showed that CWs display much weaker enhancement in transmission than SPs through nanostructures.

La réponse optique de nanostructures métalliques est caractérisée par une amplification locale du champ électromagnétique appelée Résonance Plasmon de Surface (RPS) reliée à leur nature et leur morphologie. Pour étudier la réponse optique d’une nanoparticule unique, un dispositif ultra-sensible de spectroscopie à modulation spatiale utilisant une source de lumière blanche a été développé : il permet de mesurer la section efficace d’extinction absolue de nano-objets uniques sur un large domaine spectral (300-900 nm). Des images de microscopie électronique à transmission peuvent être obtenues indépendamment sur les mêmes objets. On a ainsi une corrélation directe entre la morphologie des nanoparticules et leur signature optique. Ce travail de thèse a permis d’une part de mettre en évidence les paramètres qui entrent en jeu dans le processus de vieillissement de nanoparticules uniques d’argent sous éclairement. En particulier, l’étude de nanocubes d’argent révèle une « sphérisation » et une photo-oxydation au cours du temps due à la partie UV du spectre. D’autre part, des mesures réalisées sur des doublets de nanocubes d’argent en interaction ont montré l’importance de la morphologie à l’interface entre les deux nanoparticules sur le couplage plasmonique. Pour une excitation lumineuse longitudinale, on observe, outre le décalage de la RPS vers les basses énergies lorsque la distance interparticule diminue, un dédoublement de cette bande de résonance. Des calculs théoriques réalisés avec la méthode DDA ont permis de corréler ce phénomène de dédoublement à des variations de courbure de surface dans la zone interparticule liées principalement au rognage des arêtes des cubes / The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated by the localized surface plasmon resonance (SPR) which is highly sensitive to the size of the particles, their shape, their environment, and eventually their chemical composition in the case of mixed systems. In order to study the optical response of a single supported metallic nanoparticle, a high sensitive spectroscopic setup using a white lamp (300-900 nm) has been developed in a transmission measurement configuration. This technique, the Spatial Modulation Spectroscopy, aims to detect the overall extinction of light by a nanoparticle. Moreover, the coupling of this technique with the direct observation of the particles by Transmission Electron Microscopy allows to get an unambiguous description of their optical response in relation with their exact morphology. In this work, the optical response of single silver nano-objects has been correlated with their morphology and their structure at a sub-nanometer scale. Time evolution of the optical response of single silver nanocubes under illumination was first investigated. We observed a “spherization” and a photo-oxidation due to the UV part of the light. Moreover, we studied pairs of cubic silver nanoantennas that showed a huge sensitivity of their optical response with the interparticle distance and their morphology. Indeed, the SPR is red-shifted with decreasing interparticle distance. One can also observe a striking splitting of the resonance for very low interparticle distances. Preliminary DDA calculations seem to show that the radius of curvature at the corners and edges of both cubes plays a key role in the splitting of the resonance

Le développement des réseaux optiques et l’augmentation des interconnexions à courtes distances, amènent un besoin croissant en transmetteurs émettant à 1,3 µm, performants, peu énergivores et fabriqués à bas coût.Ainsi, l’intégration photonique monolithique, qui vise à juxtaposer plusieurs fonctions optiques dans un même circuit, est une solution. L’épitaxie sélective en phase vapeur aux organo-métalliques est une technique prometteuse pour cela. Elle permet, en une seule étape de croissance, de définir les structures des différents composants unitaires constituant le circuit intégré photonique. Il est nécessaire d’avoir un outil de simulation qui permet de modéliser la croissance sélective. Auparavant la modélisation proposée ne prenait en compte que des phénomènes de diffusion en phase vapeur et négligeait les phénomènes de surface. Une modélisation plus précise a été développée, fondée sur la relaxation de l’interface. En parallèle, nous avons conçu sept différentes structures actives, à base de multi-puits quantiques en matériaux AlGaInAs pour des composants DML et EML émettant à 1.3 µm. Nous avons fait des mesures de laser à contacts larges et des mesures d’absorption en photo-courant, pour sélectionner la meilleure structure.Une étude expérimentale de la croissance, à partir de microscopie électronique en transmission et de micro-diffraction aux rayons X, a permis de réaliser l’épitaxie sélective de la structure sélectionnée. Les composants fabriqués ont des performances à l’état de l’art avec une bande passante de 12,5 GHz pour un DML de 250 µm ainsi qu’un diagramme de l’œil ouvert à 32 Gbit/s avec un taux d’extinction dynamique de 10 dB, pour en EML. / The development of passive optical networks and the increase of short-reach connections make an increasing need for efficient, energy-friendly and low-cost transmitters emitting at 1.3 µm.To this end, monolithic photonic integration, which aims to embed several optical functions into the same circuit, is a solution. Selective area growth (SAG) by metal-organic vapor-phase-epitaxy (MOVPE) seems to be an attractive technique to achieve this integration. This approach allows defining, in a single epitaxial step, the structures of the different unitary photonic functions constituting the photonic integrated circuit. One issue of this technique is the growth modeling, necessary to predict the material distribution. Previously, the model was only taking into account vapor phase diffusion phenomena, neglecting surface phenomena. Consequently a more accurate approach was developed, based on interface relaxation.Simultaneously, we designed seven different active structures, all based on AlGaInAs multi-quantum wells, in order to optimize the DML and EML devices emitting at 1.3µm . We performed wide area laser and photocurrent absorption measurements to select the best trade-off design for devices fabrication.In order to perform accurate SAG of the selected structure, experimental study has been done to optimize the growth using transmission electronic microscopy and X-ray micro-diffraction. Devices have been processed and exhibit state of the art performances. A bandwidth of 12.5 GHz was demonstrated for a 250 µm long DML and 32 Gbit/s open eye diagram with a 10 dB dynamic extinction ratio has been shown, on a EML with a 100 µm long EAM.

L’OCT plein champ est une technique d’imagerie permettant de faire de la microscopie des milieux diffusants à une profondeur donné à l’aide d’un système interférométrique. L’un des principaux objectifs qui ont motivé le développement de l’OCT plein champ ces dernières années a été de pouvoir fournir au chirurgien, durant les opérations des images similaires aux coupes histologiques mais en temps réel. Actuellement, les diagnostiques effectué à partir des images d’OCT plein champs donne de bon résultats, notamment dans le cas de certaine pathologie mammaire. Cependant, la différence majeure entre les coupes histologiques et les images d’OCT plein champs est qu’en OCT plein champ le contraste est uniquement un contraste morphologique et que dans certain cas, ce contraste seul ne suffit pas pour faire le diagnostic. Au cours des travaux de recherche décrits dans cette thèse nous nous sommes attachés à développer de nouvelles approches tomographiques, conduisant à de nouvelles formes de contraste susceptible d’enrichir les images d’OCT plein champ pour une meilleure qualité du diagnostic. Plus précisément, nous avons travaillé sur la détection optique et photo-thermique de nanoparticules d’or par OCT plein champ et la cartographie des propriétés mécaniques par trois méthodes dans le but de développer de nouveaux types de contrastes qui pourront permettre d’améliorer le diagnostic. / Full Field OCT (FF-OCT) is an imaging technic use to do microscopy inside scattering media at a given depth using an interferometric setup. One of the main objectives that motivated the development of FF-OCT was to provide during surgery to the surgeon images similar to histological slices but in real time. Currently, diagnostic made from FF-OCT images gives good results, especially in the case of some breast disease. However, the major difference between the histological and FF-OCT is that FF-OCT has only a morphological contrast and in some cases, this contrast is not enough to make the diagnosis. In the research described in this thesis we are committed to developing new tomographic approaches, leading to new forms of contrast may enhance images of FF- OCT for a better quality of diagnosis. Specifically, we worked on the optical and photothermal detection of gold nanoparticles by FF-OCT and the mechanical properties mapping by three methods in order to develop new types of contrasts that will help improve the diagnosis.

Les travaux réalisés au cours cette thèse ont eu comme objectif l’étude de l’interaction de la lumière polarisée avec des milieux et des particules diffusants. Ces travaux s’inscrivent dans un contexte collaboratif fort entre le LPICM et différents laboratoires privés et publics. Des aspects très variées ont été traités en profondeur dont le développement instrumental, la simulation numérique avancée et la création de protocoles de mesure pour l’interprétation de donnés à caractère complexe.La partie instrumentale de la thèse a été consacrée au développement d’un instrument novateur, adapté à la prise d’images polarimétriques à différents échelles (du millimètre au micron) pouvant être rapidement reconfigurable pour offrir différents modes d’imagerie du même échantillon. Les deux aspects principaux qui caractérisent l’instrument sont i) la possibilité d’obtenir des images polarimétriques réelles de l’échantillon et des images de la distribution angulaire de lumière diffusé par une zone sur l’échantillon dont sa taille et position peuvent être sélectionnée par l’utilisateur à volonté, ii) le contrôle total de l’état de polarisation, de la taille et de la divergence des faisceaux utilisés pour l’éclairage de l’échantillon et pour la réalisation des images de celui-ci. Ces deux aspects ne se trouvent réunis sur aucun autre appareil commercial ou expérimental actuel.Le premier objet d’étude en utilisant le polarimètre imageur multimodal a été l’étude de l’effet de l’épaisseur d’un milieu diffusant sur sa réponse optique. En imagerie médicale il existe un large consensus sur les avantages de l’utilisation de différentes propriétés polarimétriques pour améliorer l’efficacité de techniques optiques de dépistage de différentes maladies. En dépit de ces avantages, l’interprétation des observables polarimétriques en termes de propriétés physiologiques des tissus se trouve souvent obscurcie par l’influence de l’épaisseur, souvent inconnue, de l’échantillon étudié.L’objectif des travaux a été donc, de mieux comprendre la dépendance des propriétés polarimétriques de différents matériaux diffusants avec l’épaisseur de ceux-ci. En conclusion, il a été possible de montrer que, de manière assez universelle, les propriétés polarimétriques des milieux diffusants varient proportionnellement au chemin optique que la lumière a parcouru à l’intérieur du milieu, tandis que le dégrée de polarisation dépend quadratiquement de ce chemin. Cette découverte a pu être ensuite utilisée pour élaborer une méthode d’analyse de données qui permet de s’affranchir de l’effet des variations d’épaisseur des tissus, rendant ainsi les mesures très robustes et liées uniquement aux propriétés intrinsèques des échantillons étudiés.Un deuxième objet d’étude a été la réponse polarimétrique de particules de taille micrométrique. La sélection des particules étudiées par analogie à la taille des cellules qui forment les tissus biologiques et qui sont responsables de la dispersion de la lumière. Grâce à des mesures polarimétriques, il a été découvert que lorsque les microparticules sont éclairées avec une incidence oblique par rapport à l’axe optique du microscope, celles-ci semblent se comporter comme si elles étaient optiquement actives. D’ailleurs, il a été trouvé que la valeur de cette activité optique apparente dépend de la forme des particules étudiées. L’explication de ce phénomène est basée sur l’apparition d’une phase topologique dans le faisceau de lumière. Cette phase topologique dépend du parcours de la lumière diffusée à l’intérieur du microscope. L’observation inédite de cette phase topologique a été possible grâce au fait que l’imageur polarimétrique multimodale permet un éclairage des échantillons à l’incidence oblique. Cette découverte peut améliorer significativement l’efficacité de méthodes optiques pour la détermination de la forme de micro-objets. / The work carried out during this thesis was aimed to study the interaction of polarized light from the scattering media and particles. This work is part of a strong collaborative context between the LPICM and various private and public laboratories. A wide variety of aspects have been treated deeply, including instrumental development, advanced numerical simulation and the creation of measurement protocols for the interpretation of complex data.The instrumental part of the thesis was devoted to the development of an innovative instrument, suitable for taking polarimetric images at different scales (from millimeters to microns) that can be quickly reconfigured to offer different imaging modes of the same sample. The two main aspects that characterize the instrument are i) the possibility of obtaining real polarimetric images of the sample and the angular distribution of light scattered by an illuminated zone whose size and position can be controlled, ii) the total control of the polarization state, size and divergence of the beams. These two aspects are not united on any other commercial or experimental apparatus today.The first object of the study using the multimodal imaging polarimeter was to study the effect of the thickness from a scattering medium on its optical response. In medical imaging, there is a broad consensus on the benefits of using different polarimetric properties to improve the effectiveness of optical screening techniques for different diseases. Despite these advantages, the interpretation of the polarimetric responses in terms of the physiological properties of tissues has been obscured by the influence of the unknown thickness of the sample.The objective of the work was, therefore, to better understand the dependence of the polarimetric properties of different scattering materials with the known thickness. In conclusion, it is possible to show that the polarimetric properties of the scattering media vary proportionally with the optical path that the light has traveled inside the medium, whereas the degree of polarization depends quadratically on the optical path. This discovery could be used to develop a method of data analysis that overcomes the effect of thickness variations, thus making the measurements very robust and related only to the intrinsic properties of the samples studied.The second object of study was to study the polarimetric responses from particles of micrometric size. The selection of the particles studied by analogy to the size of the cells that form the biological tissues, and which are responsible for the dispersion of light. By means of the polarimetric measurements, it has been discovered that when the microparticles are illuminated with an oblique incidence with respect to the optical axis of the microscope, they appear to behave as if they were optically active. Moreover, it has been found that the value of this apparent optical activity depends on the shape of the particles. The explanation of this phenomenon is based on the appearance of a topological phase of the beam. This topological phase depends on the path of the light scattered inside the microscope. The unprecedented observation of this topological phase has been done by the fact that the multimodal polarimetric imager allows illumination of the samples at the oblique incidence. This discovery can significantly improve the efficiency of optical methods for determining the shape of micro-objects.

Les structures immergées telles que des hydroliennes génèrent des écoulements turbulents pouvant fortement perturber les fonds marins. La compréhension de l’impact de la présence de ces structures nécessite de comprendre la dynamique tridimensionnelle des tourbillons qu’elles génèrent. Les méthodes optiques, par leur aspect non intrusif, permettent d’analyser de telles dynamiques. L’imagerie interférométrique en défaut de mise au point est une technique développée à l’originepour la mesure de taille de particules sphériques transparentes telles que des gouttes ou des bulles. Nous proposons ici l’extension de cette technique à la mesure simultanée de particules irrégulières et sphériques. Un premier montage expérimental a permis de valider la méthode pour la mesure de taille et de position tridimensionnelle de grains de sable et de bulles d’air dans l’eau. Un second dispositif a été réalisé sur un canal à houle de plus grandes dimensions, permettant d’introduire les notions de suivi tridimensionnel de particules irrégulières et d’analyse de variation de leur orientation. Un troisième montage composé de deux dispositifs d’imagerie interférométrique selon deux angles d’observations est utilisé pour la reconnaissance de forme de différentes familles de particules irrégulières. Grâce à des comparaisons avec des simulations, les dimensions et l’orientation de ces particules sont déterminées. Ce type de montage devrait être adapté à la caractérisation de cristaux de glace dont divers types de formes sont connus. Ces travaux ouvrent des perspectives pour l’extension de la technique aux mesures de vitesses de particules dans des écoulements hostiles, combinées avec la reconnaissance de forme et la détermination de la rotation de particules. / Submerged structures such as tidal turbines generate turbulent flows that can strongly disrupt the seabed. Understanding the impact of the presence of these structures requires understanding the three-dimensional dynamics of the vortices they generate. Optical methods, by their non-intrusive aspect, make it possible to analyze these dynamics. Interferometric Particle Imaging is a technique originally developed for the measurement of transparent spherical particles such as droplets orbubbles. We offer here an extension of this technique for the simultaneous characterization of irregular and spherical particles in a flow. A first experimental set-up has confirmed the validity of the method for the size and three-dimensional position measurement of grains of sand and air bubbles in water. A second device was used on a wave flume of bigger dimensions, introducing the notions of three-dimensional tracking of irregular particles and the analysis of the variation of their orientation.A third device made of two Interferometric Particle Imaging set-ups at two angles of observation is described for the shape recognition of different families of irregular particles. Through comparisons with simulations, dimensions and orientations of these particles are determined. This kind of device should be suitable for the characterization of ice crystals for which various shapes are known. The prospects that such results provide include the extension of the technique to the particle velocitymeasurement in hostile conditions, combined with the shape recognition and the determination of rotation of particles.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d’interférences crées par les couples de particules éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les franges d’interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l’optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier. / In this thesis, I propose a new optical technique for measuring 3D relative positions, sizes and refractive indices of a set of particles, which are illuminated by a plane and pulsed laser beam. In this work, the particles are spherical, transparent, homogeneous and isotropic. When these particles are illuminated, they have the behavior of sources of spherical light waves which interfere. The recording of interference fringes and analysisby Fourier transform can measure the characteristics of the particles. I describe the influence of particle characteristics on spectral representations of the interference fringes created by the pairs of particles illuminated in 2D Fourier space. The interference fringes are simulated numerically using the Lorenz-Mietheory. The inverse problem is approached by showing how it is possible to measure the characteristics of particles with geometrical optics and spatial filtering by Fourier transformation.

Les applications de détection infrarouge active sont nombreuses dans le domaine de la défense et la sécurité. Cependant ces systèmes sont actuellement peu utilisés en pratique à cause de leur portée limitée. Un moyen d’augmenter cette portée est d’améliorer la sensibilité des détecteurs infrarouges qui possèdent des bruits bien plus élevés que leurs équivalents dans le visible. L’idée principale de cette thèse est d’utiliser l’optique non linéaire pour effectuer une conversion de fréquence du signal infrarouge à détecter vers de plus basses longueurs d’ondes et ainsi bénéficier des performances des détecteurs fonctionnants à ces longueurs d’ondes. Les développements récents en cristaux donnent un intérêt nouveau à ces techniques pour certains cas applicatifs identifiés au cours de cette thèse. L’étude détaillée de la conversion multimode à la fois temporelle et spatiale, a permis de proposer une méthode simple et originale pour dépasser l’état de l’art en terme de nombre d’éléments résolus convertis. Pour quantifier précisément les avantages de ces conversions, une étude théorique et numérique de la conversion multimode a été menée et deux séries d’expériences ont été conduites. La première concerne la détection ponctuelle de signaux moyen-infrarouge pour des applications de spectroscopie par conversion dans un cristal d’OP-GaAs. La deuxième concerne la détection de cibles par imagerie active dans le proche infrarouge par conversion dans un cristal de PPLN vers une caméra CMOS. Les performances en sensibilité obtenues sont dans les deux expériences meilleures d’un ordre de grandeur que les détections directes avec les détecteurs habituellement utilisés. / There is a wide range of applications in active infrared detection technologies in defense and security. However, the limited range available by these systems limits their developments. Increasing sensors sensitivity is a key milestone to improve this range. Indeed, noise in infrared detectors is much higher than for visible detectors due to some physical and technological issues. The key idea of this manuscript is to use nonlinear optical technologies to convert the infrared signal to detect into the visible spectrum and use all the benefits of silicon based sensors. Recent advances in optical crystals and in pump laser regimes bring renewed interest to upconversion detection for some specific application cases identified in this thesis. A novel and easy method to improve the number of converted modes has been proposed after a careful study of multimode conversion both temporally and spatially. In order to give figures on detection improvement using upconversion, we conducted a theoretical and numerical study of the multimode conversion as well as two sets of experiments. The first one, using conversion in an OP-GaAs crystal and a monodetector addresses mid-infrared spectroscopy applications. The second one addresses active imaging applications for target recognition and identification in the near-infrared. By using a PPLN crystal, the near-infrared image is detected on a low noise CMOS camera. A key milestone of this work is the sensitivity improvement of such a detection. Sensitivities obtained in each experiment are one order of magnitude better than with direct detection using common infrared sensors.

La tomographie par rayons X est une technique d’imagerie non-invasive qui permet de réaliser des images en 3D par l’acquisition de multiples images en 2D. La tomographie X par contraste de phase (XPCT) a été utilisée pour étudier la biodistribution de nanoparticules métalliques (NPs) dans des souris. Ces NPs sont très utilisées comme radiosensibilisants dans la recherche de traitements contre les cancers mais aussi pour marquer des plaques amyloïdes de la maladie d’Alzheimer chez la souris. Grace à la grande brillance du synchrotron ESRF, des images XPCT en haute résolution ont été obtenues et traitées pour produire des modèles en 3D d’organes de souris dopés aux NPs de gadolinium, d’or ou de platine.En parallèle, dans le cadre du projet Européen VOXEL (Volumetric X-ray Extremely Low dose), un microscope compact à rayons X mous a été développé pour l’imagerie cellulaire. Ce microscope fonctionne dans la « fenêtre de l’eau », une région spectrale pour laquelle un bon contraste de la structure cellulaire est réalisable naturellement. Ce microscope est conçu pour réaliser de l’imagerie plénoptique, une technique actuellement testée uniquement dans le visible. Ce système est composé d’une lentille principale et d’une matrice de micro-lentilles couplée à un détecteur, permettant d’enregistrer les composantes angulaires et spatiales des rayons arrivant au niveau du détecteur. Il est ainsi possible de produire des images en 3D à partir d’une seule exposition. Adapter cette technique disruptive aux rayons X aura, un très grand impact pour les applications biomédicales car cela permettra de réduire fortement la dose absorbée par les échantillons par rapport à la méthode conventionnelle de tomographie X. / X-ray tomography is a non-invasive imaging technique that allows producing 3D images following the acquisition of multiple 2D images at many angles. In particular, X-ray Phase-Contrast Tomography (XPCT) has been exploited for resolving the biodistribution of metal-based theranostic nanoparticles (NPs) in mice. These NPs are widely used as radiosensitizers for researches on cancer therapies and, recently to mark amyloid plaques in Alzheimer’s disease in mice. Thanks to the high brightness of ESRF synchrotron, high resolution XPCT images were obtained and thus processed for producing 3D models of mice organs doped with gadolinium, gold or platinum NPs.In parallel, in the framework of a European project, named VOXEL (Volumetric X-ray Extremely Low dose), a compact desktop-size soft X-ray microscope was developed aiming at biological cell imaging. The microscope was designed to be suitable in the so-called “water window” spectral range, where a natural good contrast of the cellular structures is achievable. The microscope was conceived to perform plenoptic imaging, a technology currently tested only in the visible domain. This device is composed of a main lens and a microlens array coupled to a detector, allowing recording the spatial and the angular components of the light rays travelling up to the detector and thus enabling producing 3D images in a single exposure. By adapting this disrupting technology to X-rays, a huge impact for bio-medical applications is foreseen, since it would lead to a drastic decrease of the dose absorbed by samples, compared to traditional X-ray tomography methods.