La manipulation optique d'objets en surface d'un guide d'onde représente une approche potentiellement intéressante pour le développement de microsystèmes de tri de particules. Toutefois, la mise en oeuvre de ces dispositifs est actuellement freinée par des performances limitées en terme de propulsion mais aussi par une mauvaise maîtrise des interactions mises en jeu sur des objets métalliques. Ces difficultés ont jusqu'alors interdit la manipulation d'objets biologiques sur ces composants. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale de calcul des forces optiques s'exerçant sur un objet en surface d'un guide d'onde. Elle permet de mettre en évidence l'existence de forces de gradient répulsives, sur des billes métalliques, dans certaines conditions. L'élaboration d'un dispositif expérimental dédié à la manipulation de particules nous a permis de valider ce modèle et de mettre en évidence une forte dépendance des vitesses des billes métalliques micrométriques avec la polarisation de la lumière. Ces observations illustrent l'impact des forces de gradient sur le mouvement des particules. D'un point de vue plus appliqué, le modèle théorique développé nous a permis de concevoir des structures guidantes destinées à optimiser la propulsion des particules. Expérimentalement, l'utilisation de guides en nitrure de silicium a effectivement conduit à améliorer de façon conséquente les performances des dispositifs existants. Celles-ci nous ont permis d'élargir le champ d'application de cette technique au domaine de la biologie et de mettre en oeuvre le déplacement et la concentration de cellules sur des guides d'onde, sans aucun marquage.

On se propose d'étudier des composants optiques multifocaux diffractifs ou réfractifs. L'étude porte sur l'évaluation des performances théoriques, les méthodes de réalisation et la caractérisation des composants réalisés. Afin d'évaluer les performances optiques, des outils de calcul spécifiques ont été mis au point. Les calculs effectues sont des calculs de diffraction reposant sur le principe de huygens-fresnel. Ils permettent d'accéder a l'éclairement produit sur l'axe optique dans un plan image déterminé, selon la position de l'objet considère, ainsi qu'a la réponse percussionnelle incohérente et a la fonction de transfert associée, présentée sous forme de diagrammes d'isocontraste. Ces trois représentations permettent d'optimiser les performances en vue de l'application envisagée. La réalisation peut utiliser les techniques classiques d'usinage ou de moulage. Nous avons proposé et expérimenté une nouvelle technique de fabrication, consistant en l'inscription photochimique d'un gradient d'indice qui produit l'effet multifocal. Un montage de fabrication a été mis en place, montage qui comprend une optique spécialement calculée et réalisée pour l'application envisagée. Enfin, nous décrivons les moyens de contrôle adaptés aux composants réalisés en fonction de leur nature, taille et propriétés optiques. Nous présentons les résultats de contrôles effectués sur les premiers prototypes obtenus par les méthodes classiques ou par la voie photochimique.

L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d'effets transitoires, capables d'affecter le seuil d'endommagement, lorsque la densité d'électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l'évolution du seuil d'endommagement en fonction de la durée de l'impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d'endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d'endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d'endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l'Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne.

Dans différents domaines industriels, la problématique du diagnostic prend une place importante. Ainsi, le contrôle d’aspect des composants optiques est une étape incontournable pour garantir leurs performances opérationnelles. La méthode conventionnelle de contrôle par un opérateur humain souffre de limitations importantes qui deviennent insurmontables pour certaines optiques hautes performances. Dans ce contexte, cette thèse traite de la conception d’un système automatique capable d’assurer le contrôle d’aspect. Premièrement, une étude des capteurs pouvant être mis en oeuvre par ce système est menée. Afin de satisfaire à des contraintes de temps de contrôle, la solution proposée utilise deux capteurs travaillant à des échelles différentes. Un de ces capteurs est basé sur la microscopie Nomarski ; nous présentons ce capteur ainsi qu’un ensemble de méthodes de traitement de l’image qui permettent, à partir des données fournies par celui-ci, de détecter les défauts et de déterminer la rugosité, de manière robuste et répétable. L’élaboration d’un prototype opérationnel, capable de contrôler des pièces optiques de taille limitée valide ces différentes techniques. Par ailleurs, le diagnostic des composants optiques nécessite une phase de classification. En effet, si les défauts permanents sont détectés, il en est de même pour de nombreux « faux » défauts (poussières, traces de nettoyage. . . ). Ce problème complexe est traité par un réseau de neurones artificiels de type MLP tirant partie d’une description invariante des défauts. Cette description, issue de la transformée de Fourier-Mellin est d’une dimension élevée qui peut poser des problèmes liés au « fléau de la dimension ». Afin de limiter ces effets néfastes, différentes techniques de réduction de dimension (Self Organizing Map, Curvilinear Component Analysis et Curvilinear Distance Analysis) sont étudiées. On montre d’une part que les techniques CCA et CDA sont plus performantes que SOM en termes de qualité de projection, et d’autre part qu’elles permettent d’utiliser des classifieurs de taille plus modeste, à performances égales. Enfin, un réseau de neurones modulaire utilisant des modèles locaux est proposé. Nous développons une nouvelle approche de décomposition des problèmes de classification, fondée sur le concept de dimension intrinsèque. Les groupes de données de dimensionnalité homogène obtenus ont un sens physique et permettent de réduire considérablement la phase d’apprentissage du classifieur tout en améliorant ses performances en généralisation / In various industrial fields, the problem of diagnosis is of great interest. For example, the check of surface imperfections on an optical device is necessary to guarantee its operational performances. The conventional control method, based on human expert visual inspection, suffers from limitations, which become critical for some high-performances components. In this context, this thesis deals with the design of an automatic system, able to carry out the diagnosis of appearance flaws. To fulfil the time constraints, the suggested solution uses two sensors working on different scales. We present one of them based on Normarski microscopy, and the image processing methods which allow, starting from issued data, to detect the defects and to determine roughness in a reliable way. The development of an operational prototype, able to check small optical components, validates the proposed techniques. The final diagnosis also requires a classification phase. Indeed, if the permanent defects are detected, many “false” defects (dust, cleaning marks. . . ) are emphasized as well. This complex problem is solved by a MLP Artificial Neural Network using an invariant description of the defects. This representation, resulting from the Fourier-Mellin transform, is a high dimensional vector, what implies some problems linked to the “curse of dimensionality”. In order to limit these harmful effects, various dimensionality reduction techniques (Self Organizing Map, Curvilinear Component Analysis and Curvilinear Distance Analysis) are investigated. On one hand we show that CCA and CDA are more powerful than SOM in terms of projection quality. On the other hand, these methods allow using more simple classifiers with equal performances. Finally, a modular neural network, which exploits local models, is developed. We proposed a new classification problems decomposition scheme, based on the intrinsic dimension concept. The obtained data clusters of homogeneous dimensionality have a physical meaning and permit to reduce significantly the training phase of the classifier, while improving its generalization performances

L’endommagement laser est le résultat d’une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d’effets transitoires, capables d’affecter le seuil d’endommagement, lorsque la densité d’électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l’évolution du seuil d’endommagement en fonction de la durée de l’impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d’endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d’endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d’endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l’Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne. / The laser damage is the result of a laser-matter interaction leading to the physical degradation of the optics, causing a deterioration of their optical function. This is one factor limiting the development of high power lasers and their applications. In dielectric materials and sub-picosecond regime, this phenomenon is based on non-linear processes and depends on the intrinsic properties of the material, as opposed to the nanosecond regime. A bench dedicated to the measurement of laser damage threshold has been developed and applied to study the behavior of optical dielectric thin films at 1030nm. The deterministic nature of sub-picosecond damage was evidenced on the substrates and thin films. A predictive model based on photo-ionisation and avalanche effects was developed for interpretation of the measurements. This model is specific to the case of multilayer optical effects since interference effects and transient response of the films are taken into account. Its effectiveness in predicting the evolution of the damage threshold as a function of pulse duration on HfO2 films. Moreover, the linear behavior of the damage threshold with the band gap has been experimentally observed for oxide materials and described by the model. Finally we present the first exhaustive study on the optical resistance of oxides mixtures, conducted in collaboration with the University of Vilnius, Lithuania, and the Laser Zentrum Hannover LZH, Germany.

Nous avons étudié l'influence de la fabrication de guides d'ondes optiques par échange protonique doux(SPE) sur les cristaux de niobate de lithium (LN) polarisé périodiquement et nous avons montré que,dans certains cas, ce processus conduit à la création de nanodomaines en surface. Ces nanodomaines enforme d'aiguille peuvent être responsables de la réduction de l'efficacité de conversion non linéaireobservée dans les guides qui sont affectés. Nous avons également étudié l'influence de différents typesd'échange protonique sur la formation, par application d'un champ électrique, de domaines dans le LNcongruent. Cette étude montre que le seuil de nucléation peut être fortement réduit par la présence duguide d'onde et que l'apparition et le développement des domaines en forme de traits est fortementmodifiée. Elle montre également que la fusion des nanodomaines existants au voisinage des parois dedomaine aboutit à la formation de parois élargies et de domaines en forme de dendrites. En irradiantavec un faisceau d'électrons la surface Z- d'un échantillon de LN préalablement soumis à un échangeprotonique doux et recouvert d'une couche de résine électronique, nous avons réussi à former desdomaines avec des formes arbitraires. Par cette technique, nous avons fabriqué des domainespériodiques d'excellente qualité dans des cristaux présentant des guides canaux SPE. Des expériences degénération de deuxième harmonique dans ces guides nous ont permis d'obtenir des efficacités deconversion de 48%/W.cm2 ce qui est conforme aux prédictions ainsi que la forme des spectres d'accordde phase que nous avons observés. Ceci démontre tout l'intérêt de ce processus / The investigation of influence of the soft proton exchange (SPE) optical waveguide (WG) creation onperiodically poled lithium niobate (PPLN) has been done. It has been shown that the WG fabricationprocess can induce the formation of needle like nanodomains, which can be responsible for thedegradation of the nonlinear response of the WG created in PPLN crystals. The domain structure (DS)evolution has been studied in congruent lithium niobate (LN) crystals with surface layers modified bythree different proton exchange techniques. The significant decrease of the nucleation threshold fieldand qualitative change of domain rays nucleation and growth have been revealed. The formation of abroad domain boundary and dendrite domain structure as a result of nanodomains merging in front ofthe moving rays has been demonstrated. The formation of DS in LN with SPE by irradiation of coveredby electron resist polar surface of LN has been investigated. Formation of domains with arbitrary shapesas a result of discrete switching has been revealed. Finally, it has been demonstrated that electron beamirradiation of lithium niobate crystals with surface resist layer can produce high quality periodical domainpatterns after channel waveguide fabrication. Nonlinear characterizations show that the conversionefficiencies and the phase matching spectra conform to theoretical predictions, indicating that thiscombination presents a great interest for device fabrication. Second harmonic generation withnormalized nonlinear conversion efficiency up to 48%/(W cm2) has been achieved in such waveguides

La tenue au flux des traitements de surfaces optiques constitue aujourd'hui un enjeu majeur pour le développement des lasers de puissance à courtes durées d'impulsion. L’étude des interactions laser-matière en régime sub-picoseconde a montré que l’initiation de l'endommagement laser est le résultat de processus d’excitation fortement non-linéaires (photoionisation, ionisation par impact et avalanche électronique). Dans cette thèse, un dispositif de tests multiparamétriques a été développé pour l’étude de la tenue au flux des composants optiques. Différentes études expérimentales ont été menées sur des matériaux diélectriques, en couche mince ou en matériau massif, afin d’apporter des données nouvelles sur les matériaux couches minces assez peu étudiés dans la littérature. L’étude de l’influence de la longueur d’onde a révélé différentes phases de prédominance des processus d’ionisation. L’influence du nombre de tirs à différentes longueurs d’ondes aussi a été étudiée, en considérant différentes techniques de dépôt de couches minces. L’interprétation de ces résultats expérimentaux est soutenue par un modèle de simulation numérique que nous présentons en détail dans le manuscrit. Une place, non moins importante, a été accordée dans notre travail à la métrologie de l’endommagement. Nous avons proposé et appliqué l’utilisation d’un dispositif original de mesure quantitative de phase pour l’analyse des processus d’endommagement. Et pour terminer nous avons développé un système de microscopie pompe-sonde afin de pousser les investigations sur les processus en jeu lors de l’interaction laser-matière en régime sub-picoseconde. / Laser fluence resistance of optical surfaces is a major challenge for the development of high power and short duration pulse lasers. Studies on laser matter interactions show that the damage initiation is the result of highly nonlinear excitation process such as photoionization, impact ionization and electronic avalanche. In this PhD thesis we focused on the study of the damage and the response of materials after this initiation and their dependence with laser parameters, this in order to better understand the complex mechanisms of damage, identify laws of relevant scales for applications, and enable new optical design with higher laser resistance and lifetimes. A multi parametric experimental testing setup was developed for studying laser resistance of optical components. To collect new data on thin film materials damage dependences, which have been less studied in the literature, different experimental studies have been conducted on dielectrics, in coating or bulk form. The study of the dependency of damage with laser wavelength reveals different ranges characterized by the electronic processes occurring during the interaction. We have considered also the effect of multiple pulse irradiations, with different wavelengths and on coatings realized by different technologies. All these experimental results have been discussed with the help of a numerical simulation model we have developed and presented in this thesis. We have also proposed an original method based on optical phase difference measurement for damage characterization and study. We finished with some experiments on the time resolved microscopy measurements and investigations of damage processes.

Ce manuscrit de thèse de doctorat présente la conception et la réalisation d’un système d’imageriepour le diagnostic précoce des pathologies de la peau. Un diagnostic précoce permet de réduire lesactes chirurgicaux inutiles. Il est important de mettre en avant que seulement 20% des pathologiesfaisant office d’une opération chirurgicale, sont malignes. De plus, les pronostics de l’année 2015avançaient trois millions de nouveaux cas de cancer de la peau diagnostiqués aux ´ Etats-Unis. Basésur la tomographie par cohérence optique à balayage en longueur d’onde et une configuration pleinchamp et multi-canaux, le système d’imagerie médicale est capable d’imager en volume les couchesinternes de la peau et donc de fournir un diagnostic médical pour le professionnel de santé. Pourune fabrication en série du système portatif, les composants optiques sont micro-fabriqués sur dessubstrats et assemblés verticalement. Ces micro-composants optiques requièrent une caractérisationspécifique. Pour cela, deux systèmes ont ainsi été développés pour estimer leurs performancesoptiques. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Européen VIAMOS (Vertically IntegratedArray-type Mirau-based OCT System). / The manuscript concerns the optical design and the development of a non-invasive new imagingsystem for the early diagnosis of skin pathologies. Indeed, an early diagnosis can make the differencebetween malignant and benign skin lesion in order to minimize unnecessary surgical procedure.Furthermore, prognosis for the year 2015 was that more than three millions new skin cancer caseswill be diagnosed in the United States. Based on the swept source optical coherence tomographytechnique in full-field and multiple channels configuration, the imaging system is able to perform avolumetric image of the subsurface of the skin, and thus can help in taking a better medical decision.Furthermore, for a batch-fabrication of the hand-held device, micro-optical components were made atwafer-level and vertically assembled using multi-wafer bonding. This miniaturized system requiresspecific characterization. Thus, two systems were also developed for imaging quality evaluation ofmicro-optical elements. This work has been supported by the VIAMOS (Vertically Integrated ArraytypeMirau-based OCT System) European project.