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Cette thèse présente les résultats issus de l’investigation de la réponse optique de la transition D2 du Rubidium 87 en fonction de la densité de l’ensemble atomique. Afin de sonder cette transition nous utilisons un faisceau laser proche de la résonance (780nm) sur un échantillon de Rubidium ultra-froid (100µK). Nous observons ainsi la transmission en fonction de la longueur d’onde pour des densités allant de 10^12 atomes/cm^3 à 10^14 atomes/cm^3. Lorsque la densité augmente, on s’attend à ce que les interactions dipôle-dipôle jouent un rôle de plus en plus important du fait de la proximité des éléments diffusants. Quantitativement, les dipôles induits par le faisceau sonde commencent à jouer un rôle important lorsque la densité n atteint n*(lambda/2Pi)^3 = 1, une densité que nous atteignons dans notre système.Deux études systématiques seront présentées. La première montre les résultats obtenus pour un système à 12 niveaux, la deuxième pour un système à 2 niveaux obtenu par polarisation de l’ensemble atomique. Les résultats issus de ces études sont ensuite comparés aux théories existantes. La première approche est microscopique et décrit les interactions des dipôles couplés, la deuxième approche, macroscopique, est donnée par l’équation de Clausius-Mosotti.Les propriétés de propagation d’impulsions à travers ce système sont étudiées et révèlent en particulier un avancement fractionnel de l’impulsion et un indice de groupe inégalés. / This thesis investigates the response of the D2 transition of Rubidium 87 for various densities.To probe this transition we illuminate an ultra cold (100µK) sample of Rubidium 87 with close toresonance of lambda = 780 nm laser light.We observe the transmitted light while scanning the frequency over the atomic resonance. Such a spectrum is taken for peak densities ranging from 10^12 atoms/cm^3 to 10^14 atoms/cm^3. As matter gets denser and denser dipoie-dipole interaction start playing a role due to the close proximity of neighbouring scatteres. These interactions are caused by the probe light induced dipoles and start being important when the density reaches n*(lambda/2Pi)^3 = 1, which for us is the case at the upper end of the explored density range.We start off measuring these transmission data for degenerate 12-level Rubidium 87 and afterwardsfor Rubidium 87, which we first spin polarize and then by lifting the degeneracy generate an artifical2-level system. These results are systematically compared to the two available theories.A microscopic one, which is described by coupled dipoles and a macroscopic one the so calledClausius-Mosotti equation. None of the ab initio theories can explain the results obtained during this thesis.The rigerous comparison of the various acquired datasets shows that the data in itself is consistentand relative changes going from a 12-level system to a 2-level system are understood.Additionally we also investigate the pulse propagation behaviour through such a systemrevealing stunning values for the fractional pulse advancement and the group index.

Ce travail porte sur la réalisation de nanostructures d'or sur substrat de verre afin d’en étudier les propriétés plasmoniques et de les optimiser pour des applications dans le domaine des biocapteurs. L'objectif principal a été de démontrer la faisabilité de combiner sur une même biopuce, les biocapteurs à résonance de plasmon de surface propagatif (SPR) et ceux basés sur la diffusion Raman exaltée de surface (SERS). Nous montrons que la présence d’un film d’or sous les nanostructures est très favorable pour une double caractérisation SPR-SERS. Afin d’étudier plus en détails les couplages entre les différents modes plasmoniques existants dans ces substrats et ainsi pouvoir déterminer la structure optimale, l’essentiel des échantillons a été réalisé par lithographie électronique. La nanoimpression assistée par UV (UV-NIL) a aussi été développé au cours de cette thèse afin de réaliser un nombre important d'échantillons et répondre aux futurs besoins de l'industrie des biocapteurs. Les performances de ces échantillons réalisés par UV-NIL ont été comparées avec ceux fabriqués par lithographie électronique. Les diamètres des nanodisques d'or varient de 40 nm à 300 nm et les périodes de 80 nm à 600 nm en fonction de la technique de fabrication. En SERS, des facteurs d’exaltation de 10^6 à 10^8 ont été obtenus grâce à la présence du film d’or continu sous le réseau de nanodisques. Ce gain est fonction de l’épaisseur du film d’or, de la longueur d’onde d’excitation utilisée et du taux de remplissage des nanostructures. En SPR, nous avons démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de couplage entre les modes localisés et propagatifs donnant lieu à un nouveau mode hybride, potentiellement plus sensible car plus confiné. Les calculs numériques développés pour simuler le comportement de structures réelles (présence d’arrondi, de flanc ou de couche d’accroche) confirment les résultats obtenus. L’ensemble de ce travail a permis de manière expérimentale et théorique d’apporter une meilleure compréhension des propriétés plasmoniques aux échelles nanométriques sur des structures constituées de réseaux de nanostructures d'or, notamment sur film d’or. Par ailleurs, une étude précise des différentes étapes technologiques a permis de comprendre quels éléments impactent significativement les propriétés plasmoniques des échantillons et donc améliorent ou dégradent les performances de ces substrats en tant que biocapteur. Au final, les échantillons réalisés ont été testés et validés en tant que biocapteur au sein d'un appareil bimodal SPR-SERS. / This thesis is focused on gold nanostructuration on glass substrate in order to study and optimize their plasmonic properties for biosensing applications. The main goal was to demonstrate the feasibility of combining on a single biochip, Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) and Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) measurements. We have demonstrated that adding a gold film under the nanostructures was highly beneficial for a dual SPRI-SERS characterization. In order to optimize the geometry of the nanostructures and understand the various plasmonic modes, most of the samples were first made by electron beam lithography. Nanoimprinting assisted by UV (UV-NIL) was also developed during this thesis to manufacture samples in large quantities and reply to the future industrial needs for biosensing applications. Performances of these UV-NIL samples were compared with those produced by e-beam lithography. Diameters and periods of gold nanodisks range respectively from 40 nm to 300 nm and 80 nm to 600 nm, depending on the manufacturing technique used. In SERS, enhancement factor of 10^6 to 10^8 were obtained thanks to the presence of the continuous gold film under the nanodisks array. We found that this gain is a function of the thickness of the gold film, the excitation wavelength used and the nanostructures filling factor. In SPRI, we have demonstrated experimentally and theoretically the existence of a coupling between the propagating and localized plasmonic modes, resulting in a new hybrid mode, potentially more sensitive due to its high confinement. Numerical models confirm these results, taking into account the defects found in real samples (rounded edges, imperfect lateral side, adhesion layer). The whole work proposes a better understanding, both experimentally and theoretically, of the plasmonic properties at nanoscale of gold nanostructures with and without an underlying gold film. Moreover, a detailed study of the different technological processes helps to understand which steps significantly impact the plasmonic properties of the samples and their performance as a biosensor. Finally, these samples were characterized and validated on a bimodal instrument SPRI-SERS.

La tomographie par cohérence optique plein champ (OCT plein champ) est une technique de microscopie interférométrique basée sur l’utilisation d’une source de lumière faiblement cohérente, telle qu’une lampe halogène. Elle permet de réaliser, de façon non invasive, des images tomographiques à plusieurs centaines de micromètres de profondeur dans les tissus biologiques et avec une résolution spatiale isotrope de l’ordre de 1 µm. Ces travaux de thèse concernent le développement de plusieurs systèmes d'OCT plein champ, dans le but de proposer de nouvelles performances et de nouveaux contrastes destinés à l’imagerie en trois dimensions de tissus biologiques. Nous avons dans un premier temps exploité la large bande spectrale d’émission d’une lampe halogène, afin d’apporter une information spectroscopique et d’être capable de distinguer et de caractériser des zones d’un échantillon qui seraient sinon indiscernables. Puis nous avons optimisé la résolution spatiale d’un montage d’OCT plein champ pour atteindre une valeur record de 0,5 µm (dans l’eau) dans les trois directions de l’espace, notamment grâce à l’utilisation d’une bande spectrale adaptée à l’imagerie de tissus, tels que la peau. Un montage dont le champ de vision est élargi à 18 mm x 18 mm a ensuite été développé et appliqué à l’imagerie du signal d’amplitude ainsi qu’à la mesure quantitative du signal de phase résolu en profondeur. Enfin un système utilisant un laser à balayage spectral comme source de lumière combiné à un traitement numérique de correction de la focalisation a été mis en œuvre. Nous avons ainsi démontré la possibilité de réaliser des images en trois dimensions avec une résolution latérale relativement élevée, sans utiliser le moindre déplacement mécanique durant l’acquisition. / Full-field optical coherence tomography (FF-OCT) is an optical technology based on low-coherence interference microscopy for tomographic imaging of semitransparent samples. Non-invasive three-dimensional imaging can be performed with an isotropic spatial resolution of the order of 1 µm. During the PhD thesis, several FF-OCT systems have been reported achieving extended performances or contrast enhanced images relevant for biological tissues imaging. Firstly, a three-band, 1.9-μm axial resolution FF-OCT system has been implemented to perform spectroscopic contrast enhanced imaging of biological tissues over a 530-1700 nm wavelength range. Then, a study of the FF-OCT axial response has been carried out for maximizing the axial resolution of the system. An isotropic spatial resolution of 0.5 µm (in water) has been obtained by combining 1.2-NA microscope objectives with an optimized broad spectral band adapted to biological tissues imaging, such as skin samples. A set-up with an extended field of view of 18 mm x 18 mm has been also designed and applied to amplitude signal detection as well as depth-resolved quantitative phase signal measurement. At last, we developed a technique based on the combination of full-field swept-source optical coherence tomography (FF-SSOCT) with low spatial coherence illumination and a special numerical processing that allows for numerically focused mechanical motion-free three-dimensional imaging.

Η παρούσα εργασία εστιάζει στη διαδικασία δημιουργίας του χάρτη απωλειών ρεύματος της δέσμης ηλεκτρονίων κατά μήκος της Tρίτης Πειραματικής Διάταξης για το Συμπαγή Γραμμικό Επιταχυντή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών CERN (Beam Loss Map for Clic Test Facility 3). Ο χάρτης απωλειών χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των σημείων στα οποία υπάρχει απώλεια ρεύματος των φορτίων της δέσμης. Ο προσδιορισμός των σημείων αυτών είναι πρωτεύουσας σημασίας, τόσο από θεωρητική όσο και από πρακτική πλευρά, επειδή πιθανές απώλειες συνεπάγονται αυξημένους κινδύνους έκθεσης σε ακτινοβολία για τον άνθρωπο, πιθανές βλάβες στα μαγνητικά στοιχεία, αλλά και μείωση της ισχύος της δέσμης. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών και οι πειραματικές εγκαταστάσεις στις οποίες έγινε η παρούσα εργασία. Στη συνέχεια, περιγράφεται η συλλογή και ανάλυση των δεδομένων με στόχο την χαρτογράφηση των σημείων απώλειας ρεύματος δέσμης στο σύμπλεγμα του CTF3. / The Diploma Thesis focuses on creating the Beam Loss Map for Compact Linear Collider Test Facility 3, at CERN. The goal of the project is the allocation of the points where beam current losses occur. Defining these points is of great importance, because any loss of beam current, especially at the maximum energy of 150 MeV, can induce radiation activation along the machine, which is dangerous for both the hardware and the personnel who need to service the machine. In the first part of the project, CERN, LHC and CLIC are presented. The second part contains data analysis, presentation of the calibration procedure of the BPMs, the new scaling factors and finally the Beam Loss Map for CTF3.

Les réseaux optiques à très haut-débit sont à la base des technologies de l’information d’aujourd’hui et le sujet d’intenses recherches. Alors que l’innovation permet de rendre les transpondeurs flexibles et versatiles, les réseaux de transmission par fibres optiques sont encore configurés manuellement et surtout rarement modifiés au cours de la vie du réseau. Un des points bloquants pour aller vers la reconfiguration et l’automatisation des réseaux optiques est le besoin de prédiction de la performance de tous les liens du réseau de façon précise et rapide. Cependant, la prédiction est rendue plus complexe par la diversité du type de fibres optiques déployées et les régimes de propagation utilisés.Au cours de mes travaux, j’ai étudié expérimentalement les distorsions du signal provenant des effets non-linéaires de type Kerr, accumulées sur des centaines de kilomètres de fibres optiques. Au travers d’expériences spécifiques et contrôlées, j’ai mesuré et mis en évidence les propriétés fondamentales des distorsions non-linéaires. Ces analyses m’ont permis de concevoir l’estimateur d’un modèle de performance destiné à des liens optiques hétérogènes, qui s’applique pour différents types de fibre et différents régimes de propagation.La flexibilité des transpondeurs associés à un estimateur de performance permettront de concevoir, d’optimiser et d’adapter de façon dynamique les canaux en fonction de la demande et de la topologie du réseau, ainsi que de calculer la protection et la restauration des chemins. / Nowadays, high-speed fiber-optic communication networks are the basis of information technology and the subject of intense research. Innovation enables transponders to be flexible and versatile, but fiber optical networks are still configured manually and especially almost never tuned during the life of the network. One of the blocking points toward reconfigurable and automated optical networks is the need of performance prediction for any link of the network in an accurate and fast way. However, the prediction is made even more complex by the diversity of deployed optical fiber types and propagation regimes.During my work, I addressed experimentally the signal distortions coming from nonlinear Kerr effects accumulated on hundreds of kilometers of optical fibers. Based on specific and controlled experiments, I have measured and highlighted the properties of the nonlinear distortions. These analyses allowed me to design a performance model estimator that can be applied to heterogeneous optical links with various optical fiber types and propagation regimes.The flexibility of transponders associated with a performance estimator will optimize and tune the channels dynamically depending on the load and the topology of the network, as well as compute the protection and restoration links.

Dans cette thèse, nous mesurons la dynamique cohérente et les corrélations spatiales des excitations Rydberg dans des matrices 2D d’atomes uniques.Nous utilisons un modulateur spatial de lumière pour façonner la phase spatiale d'un faisceau laser de piégeage optique avant de le focaliser avec une lentille asphérique de grande ouverture numérique. En imprimant une phase appropriée sur le faisceau laser, nous pouvons créer des matrices 2D de pièges optiques, de forme arbitraire et facilement reconfigurables, avec jusqu'à 100 pièges séparées de quelques micromètres. Les pièges sont chargés à partir d'un nuage d'atomes froids de 87Rb, et due aux collisions assistées par la lumière, au plus un seul atome peut être présent dans chaque piège en même temps. Une caméra CCD sensible permet en temps réel l'imagerie de la fluorescence atomique émanant des pièges, ce qui nous permet de détecter individuellement la présence d'un atome dans chaque piège avec une précision presque parfaite.Pour créer des interactions importantes entre les atomes uniques, nous les excitons vers des états de Rydberg, qui sont des états électroniques avec un nombre quantique principal élevé.Un faisceau supplémentaire d'adressage permet la manipulation individuelle d'un atome sélectionné dans la matrice.La connaissance précise, de la fois de la matrice des atomes préparé et des positions des excitations Rydberg, nous a permis de mesurer l’augmentation collective de la couplage optique dans le régime de blocage Rydberg, où une seule excitation est partagée de façon symétrique entre tous les atomes de la matrice.Dans le régime où l'interaction ne s’étend que sur quelques sites, nous avons mesuré la dynamique et les corrélations spatiales des excitations Rydberg, dans des matrices d’atomes à une et deux dimensions. La comparaison à une simulation numérique d'un modèle d'Ising quantique d'un système de spin-1/2 montre un accord exceptionnel pour les matrices où l'effet de l'anisotropie de l’interaction Rydberg-Rydberg est faible. Les résultats obtenus démontrent que les atomes Rydberg uniques sont une plate-forme bien adaptée pour la simulation quantique des systèmes de spin. / In this thesis, we measure the coherent dynamics and the pair correlations of Rydberg excitations in two-dimensional arrays of single atoms.We use a spatial light modulator to shape the spatial phase of a single optical dipole trap beam before focusing it with a high numerical-aperture aspheric lens. By imprinting an appropriate phase pattern on the trap beam, we can create arbitrarily shaped and easily reconfigurable 2D arrays of high-quality single-atom traps, with trap-spacings of a few micrometers for up to 100 traps. The traps are loaded from a cloud of cold 87Rb atoms, and due to fast light-assisted collisions of atoms inside the traps, at most one atom can be present in each trap at the same time. A sensitive CCD camera allows the real-time, site-resolved imaging of the atomic fluorescence from the traps, enabling us to detect the presence of an atom in each individual trap with almost perfect accuracy.In order to induce strong, tunable interactions between the atoms in the array, we coherently laser-excite them to Rydberg states, which are electronic states with a high principal quantum number.An additional addressing beam allows the individual manipulation of an atom at a selected site in the array.The precise knowledge of both the prepared atom array and the positions of the Rydberg excitations allowed us to measure the collective enhancement of the optical coupling strength in the regime of full Rydberg blockade, where one single excitation is shared symmetrically among all atoms in the array.In the regime where the strong interaction only extends over a few sites, we measured the dynamics and the spatial pair-correlations of Rydberg excitations, in one- and two-dimensional atom arrays. The comparison to a numerical simulation of a quantum Ising model of a spin-1/2 system shows an exceptional agreement for trap geometries where the effect of the anisotropy of the Rydberg-Rydberg interaction is small. The obtained results demonstrate that single Rydberg atoms are a suitable platform for the quantum simulation of spin systems.

Nous présentons une étude théorique des propriétés optiques d'un ensemble dense de dipôles résonants. Nous traitons deux cas particuliers: la diffusion de la lumière par des nuages d'atomes froids et l'électroluminescence par un film de boîtes quantiques colloïdales (BQCs) placées au voisinage d'une métasurface plasmonique. En faisant varier progressivement la densité atomique, nous avons montré que la diffusion de la lumière passe d'un comportement purement diffusif à un comportement mixte comportant à la fois de la diffraction par une particule effective homogène et de la diffusion. Il en ressort que les nuages d'atomes froids sont des systèmes intéressants pour étudier la diffusion de la lumière résonante. Nous avons montré que la lumière n'est plus due à la diffusion par des atomes individuels mais à l'effet de modes collectifs étendus dans tout l'objet. Ces modes microscopiques peuvent être identifiés à des modes des équations de Maxwell pour des objets ayant la même forme et un indice effectif. Nous avons étudié l'apparition du régime d'homogénéisation, c'est-à-dire de la suppression de la partie diffuse. De façon surprenante, un nuage atomique, dense au point d'avoir à résonance un indice comparable à celui d'un métal, continue à diffuser fortement la lumière. Finalement, nous avons étudié l'émission de lumière d'un film dense de BQCs. Nous introduisons un modèle de l'électroluminescence de BQCs placées près d'une métasurface plasmonique. / We present a theoretical study of the optical properties of a dense ensemble of resonant dipoles. We consider two particular cases: scattering of light by cold atomic clouds and electroluminescence by a thin film of colloidal quantum dots (cQDs) placed in the vicinity of a plasmonic metasurface. By numerically varying the atomic density, we have shown that light scattering by an atomic cloud gradually moves from a purely diffusive regime towards a partially diffractive and diffusive one. This property makes an atomic cloud an interesting system to study resonant light scattering. It has been found that light scattering is no longer due to single atom scattering but due to collective modes extended throughout the sample. These microscopic modes can be identified with the modes of Maxwell's equations for an object with the same shape and an effective refractive index. We have studied the onset of the homogenization regime, namely the suppression of diffuse light. Against all odds, an atomic cloud, with a refractive index at resonance that is comparable to that of a metal, never reaches the homogenization regime and thus continues to scatter light. Finally, we have also studied the electroluminescence of a dense film of cQDs. We propose a model for electroluminescence from cQDs located close to a plasmonic metasurface.

Les Lidars cohérents permettent de mesurer la vitesse du vent à grande distance, en se basant sur le décalage en fréquence Doppler induit par la réflexion des aérosols. Le Lidar vent est composé d'un système MOPFA (Master Oscillator Power Fiber Amplifier), contenant un oscillateur continu, un modulateur d'intensité, et un amplificateur fibré. L'objectif principal de cette thèse est la réalisation d'un MOPFA pulsé de forte puissance crête à sécurité oculaire, en utilisant une fibre multicoeurs dopée erbium. L'impulsion mono-fréquence dans les fibres est limitée par les effets non-linéaire du au confinement du faisceau dans le coeur. Les fibres multicoeurs peuvent être vues comme des fibres à larges coeur. L'impulsion à amplifier est divisée et injectée dans tous les coeurs de la fibre amplificatrice à l'aide d'un modulateur spatial de lumière (SLM). A la sortie, les impulsions amplifiées sont recombinées par un élément optique de diffraction (EOD). La combinaison cohérente en sortie requière un contrôle indépendant des phases à l'injection qui est asservit par un algorithme basé sur la puissance de l'ordre zéro de l'EOD. La puissance crête après combinaison est alors la somme des puissances crêtes atteintes dans chacun des coeurs. / Coherent Lidars can measure wind speed at long distance, using the Doppler frequency shift induced by the movement of the back reflecting aerosols. Wind Lidars usually include a MOPFA (Master Oscillator Power Fiber Amplifier) made of a continuous oscillator, an intensity modulator and a fiber amplifier. The main objective of this thesis is the realization of an eye-safe, high peak power, pulsed MOPFA using an erbium-doped multicore fiber. Single frequency pulse amplification in fibers is limited by nonlinear effects due to tight beam confinement in the core. Multicore fibers can be seen as a very large core fiber, thus mitigating the nonlinear effects. The pulse to be amplified is divided and injected into all cores of the amplifying fiber using a spatial light modulator (SLM). The amplified output pulses are then recombined at the fiber output by a diffractive optical element (DOE). The coherent combination at fiber output requires independent control of phases at injection provided by a feedback loop based on the DOE zero order power. The peak power after combination is the sum of the peak powers reached in each of the cores.