L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'associer les outils et le formalisme développés en acoustique aux techniques propres à l'optique. Ces études ont été rendues possibles grâce aux avancées technologiques récentes qui autorisent le contrôle et la mesure, spatialement et temporellement, des ondes optiques. En nous appuyant sur un système permettant de contrôler et de mesurer spatialement le champ complexe optique, nous avons enregistré la matrice de transmission d'un milieu diffusant. Nous exploitons cette matrice pour focaliser la lumière et détecter des images à travers le milieu ainsi que pour l'étude de ses propriétés physiques. En utilisant un montage et un modèle similaire, nous mesurons ensuite à travers un milieu aberrateur la matrice de réflexion d'un milieu contenant quelques diffuseurs efficaces. Nous exploitons la décomposition en valeurs singulières de cette matrice pour détecter les diffuseurs et focaliser la lumière sélectivement sur plusieurs d'entre eux, en compensant les aberrations du milieu de propagation. Une autre approche présentée est l'exploitation de l'analyse de la matrice de réflexion pour l'étude des modes de rayonnement d'une particule unique. La dernière étude réalisée concerne l'application du retournement sur modulation en optique. Cette technique consiste à apprendre les réponses d'un milieu diffusant ou réverbérant à une modulation et à exploiter ces réponses pour focaliser la lumière au sein du milieu. Nous prouvons l'efficacité de cette technique pour la focalisation temporelle dans une cavité et tentons de l'étendre pour une focalisation à la fois spatiale et temporelle.

Une bulle de gaz dans un liquide est un acteur acoustique important. Par exemple, les bulles d'air créées par les remous d'une rivière sont responsables du bruit caractéristique de ces écoulements. En 1933, Minnaert a proposé un modèle d'oscillateur harmonique simple pour décrire les oscillations d'une bulle d'air dans l'eau. La première partie de cette thèse est dédiée à l'étude de cet oscillateur particulier, qui peut être vu comme une masse d'eau accrochée à un ressort d'air, et au couplage entre plusieurs de ces oscillateurs. Nous présentons un dispositif expérimental original qui permet de piéger une ou plusieurs bulles d'air, à l'aide d'un filet, afin d'étudier la réponse de ce système à une excitation acoustique. L'originalité de notre approche théorique consiste à traiter le nuage de N bulles comme un système d'oscillateurs couplés à N degrés de liberté, ce qui revient à négliger les degrés de liberté associés à la compressibilité de l'eau. Ce modèle rend bien compte des principales observations : l'existence de pics de résonance à basse fréquence et d'une forte atténuation à plus haute fréquence. Le prolongement du modèle au cas de la propagation dans un milieu infini est également présenté. Dans la seconde partie, l'étude de l'excitation paramétrique d'une bulle est abordée. Nous développons un formalisme original, fondé sur les variables de Glauber, propice à l'étude des non-linéarités d'un oscillateur. Une parenthèse sur un système modèle (deux pendules couplés) permet de valider expérimentalement ce formalisme. Nous montrons finalement que l'excitation paramétrique d'une bulle permet de réaliser une conjugaison de phase. Ce mécanisme pourrait être mis à profit pour réaliser des échos de bulles, de façon analogue aux échos de spins utilisés en IRM.

Imager à travers un milieu diffusant épais est difficile en utilisant des techniques d'imagerie optique conventionnelles. L'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie multimodale basée sur l'interaction entre une onde lumineuse et une onde acoustique. Cette dernière module la phase du champ lumineux. Il est alors possible d'accéder à un contraste optique local à la résolution millimétrique des ultrasons. Plusieurs méthodes sont utilisées pour détecter les " photons marqués " par les ultrasons. Elles peuvent être de nature cohérente ou incohérente et tentent de répondre aux différentes problématiques qu'impose l'imagerie en régime de diffusion multiple. Dans cette thèse nous avons exploré trois techniques de détection à 800 nm, dans la fenêtre thérapeutique optique (région du spectre où l'absorption est minimale dans les tissus biologiques). Le phénomène de \textit{holeburning} spectral dans un cristal dopé ion terre rare nous a permis de réaliser un filtre spectral hyperfin centré sur la fréquence des photons marqués à basse température. Une détection sensible des photons marqués a ensuite été réalisée par holographie numérique hétérodyne hors-axe couplée à un laser longues impulsions. Des profils acousto-optiques ont été obtenus à travers plusieurs centimètres d'épaisseur. L'adaptation de front d'onde par holographie phototoréfractive dans un cristal de SPS :Te (Hypothiodiphosphate d'étain dopé tellure) nous a enfin permis de faire une imagerie en temps réel. Des images en deux et trois dimensions ont été réalisées à travers plusieurs centaines d'épaisseurs optiques. Le processus de conjugaison de phase par mélange à quatre ondes a aussi été exploré en perspective.

Cette thèse présente des solutions analytiques en conjugaison de phase acoustique unidimensionnelle dans un milieu actif. Le conjugateur dans ces études est en contact direct avec des milieux passifs et la zone active peut occuper la totalité ou une partie du conjugateur. <br /><br />La base de la théorie développée dans cette thèse est une analyse directe par une méthode multi-échelle. Les résultats sont obtenues sous une formes simple à utiliser : le seuil du mode supercritique, les taux de croissance et sa relation avec les répartitions spatiales de contrainte dans le conjugateur sont donnés sous forme analytique. <br /><br />Une approche du problème de focalisation est présentée par transposition des résultats 1D à la symétrie sphérique. Toutes les solutions analytiques sont comparées avec des résultats numériques. Enfin le problème de la conjugaison de phase en 2D est initié numériquement.

L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon. / Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a phase conjugation setup for acousto-optic detection. The second one is a wavefront adaption setup, also for acousto-optic detection. Finally, the third setup is an adaptive vibrometry setup for photoacoustic detection. In each setups the measured response time is between 15 μs and 50 μs.

Le mélange d'onde dans un matériau laser solide placé en inversion de population permet d'enregistrer un hologramme de population qui est à la fois un hologramme de gain et un hologramme d'indice. Ce travail présente tout d'abord une étude fine des variations d'indice de réfraction d'origine électronique qui sont dues à une variation de polarisabilité des ions lorsqu'ils sont promus de l'état fondamental à l'état excité. Une partie de cet effet provient de la présence de bandes UV intenses, un effet qui est donc purement dispersif aux longueurs d'ondes de la transition laser. Nous avons évalué la variation de polarisabilité non résonante des ions Nd3+ et Yb3+ dans les principales matrices lasers et nous avons étudié la nature des transitions optiques à l'origine des variations d'indice observées. Nous avons ensuite exploité les résultats pour prédire le potentiel de ces matériaux laser dans le cadre d'un mélange à deux ondes non-dégénéré pour des longueurs d'ondes situées au voisinage de la transition laser. Ce modèle a été validé expérimentalement dans une fibre cristalline de YAG :Nd3+. L'étude du transfert d'énergie d'un faisceau vers un autre présente un grand intérêt pour des applications telles que la mise en phase de N lasers à fibres et l'interférométrie auto-adaptative. Par ailleurs, un laser auto-adaptatif pompé par diodes laser a été réalisé permettant l'obtention de forte énergie par impulsion. Il présente des performances en terme d'efficacité qui sont tout à fait comparables avec celles des lasers conventionnels avec des avantages supplémentaires tels que la bonne qualité de faisceau, l'aspect mono-fréquence et l'auto-déclenchement de l'impulsion.

De nombreux efforts sont actuellement portés sur le développement de sources laser à fibre optique, qui ont des applications dans une variété de domaines scientifiques et industriels. Les propriétés intrinsèques de la fibre dopée sont favorables à l'obtention de fortes puissances moyennes, grâce à une excellente capacité de dissipation thermique. Cependant, le confinement de la lumière dans le coeur de la fibre et les grandes longueurs d'interaction sont à l'origine d'effets non linéaires, comme la diffusion Brillouin stimulée dans le cas d'une source de faible largeur spectrale. L'objectif de ce travail de thèse est de développer une source laser fibrée de forte énergie alliant bonne qualité spatiale et finesse spectrale, dans le but de répondre à un besoin de LIDAR à détection cohérente. L'approche suivie consiste à séparer l'obtention de l'énergie de celle de la qualité de faisceau. Avec une chaîne amplificatrice dont le dernier étage est une fibre multimode co-dopée Erbium-Ytterbium, des impulsions laser à la longueur d'onde de 1,5 μm avec une énergie supérieure à 1 mJ ont été obtenues. Le très large coeur de la fibre évite l'apparition de l'effet Brillouin, mais le profil transverse du faisceau est fortement multimode. Pour retrouver une bonne qualité de faisceau, un étage de remise en forme du profil est mis en place, mettant à profit la propriété de nettoyage de faisceau par effet Brillouin dans une fibre multimode àgradient d'indice. Par ailleurs, un schéma original d'amplification Brillouin est proposé et validé expérimentalement, permettant de conserver la largeur spectrale de la source.

Cette thèse consiste en une étude théorique et expérimentale de la dynamique d'une diode laser à émission latérale (850 nm) avec rétroaction optique à conjugaison de phase. Le dispositif expérimental est conçu afin de voir la diversité dynamique du laser à travers l'analyse temporelle et spectrale alors que le taux de rétroaction varie. La rétroaction à conjugaison de phase est effectuée par mélange à quatre ondes dans un cristal photoréfractif. Le temps de propagation du faisceau laser dans la cavité externe est appelé retard. Sous l’effet de la rétroaction, le système montre une grande richesse dynamique qui varie du chaos total à des régimes auto-pulsés aux fréquences déterminés par le longueur de la cavité externe pour la première fois mis en évidence ici. Des simulations menées en parallèle basées sur les équations de Lang-Kobayashi couramment utilisées apportent des confirmations théoriques aux observations expérimentales. Les principaux points traités sont la crise chaotique et bistabilité de solutions pulsées, les régimes auto-pulsés (stabilisation et déstabilisation) ainsi que les transitions entre eux, la caractérisation d’événements extrêmes de différentes natures avec la distribution statistique associée ainsi qu’une résonance cohérente déterministe de fluctuations à basse fréquence induite par le retard. Au-delà de l’intérêt fondamental de ces résultats et des comparaisons qui peuvent être établies avec d’autres systèmes laser, des applications dans la génération de signaux tout-optique ainsi que le contrôle du chaos sont des débouchés potentiels de cette étude. / This thesis is a theoretical and experimental study of the dynamics of an edge-emitting laser diode (850 nm) with phase-conjugate feedback. The experimental device is designed to see the dynamical range of the laser through the temporal and spectral properties while the feedback rate varies. Phase-conjugate feedback is performed through four-wave mixing in a photorefractive crystal. The propagation time of the laser beam in the external cavity is termed external time delay. Under the effect of the feedback, the system shows a wide dynamical range including chaos and self-pulsing states which characteristic properties are determined by the length of the external cavity. For the first time self-pulsing states at frequencies multiples of the fundamental frequency of the external cavity are evidenced. Simulations carried out based on the commonly-used Lang-Kobayashi laser rate equations provide theoretical confirmations to the experimental observations. The main topics tackled here are chaos crisis and bistability of pulsing solutions, self-pulsing regimes (through their stabilization and destabilization) and the transitions between them, characterization of extreme events of two kinds along with their statistical distribution and delay-induced deterministic coherence resonance of low frequency fluctuations. Beyond the fundamental interest of these results and the many comparisons that can be made with other laser systems, applications in the field of all-optical signal generation and control of chaos are direct consequences of this study.

L'optique non linéaire est un puissant moyen d'investigation des interfaces. Nous nous plaçons dans la configuration de Kretschmann pour réaliser de nouvelles expériences en régime picoseconde.<br />On décrit l'observation de conjugaison de phase dans deux configurations différentes: l'une dans laquelle toutes les ondes sont des plasmons de surface et l'autre dans laquelle les pompes sont des plasmons tandis que la sonde est une onde de volume. Ici, l'essentiel des processus non linéaires est d'origine thermique.<br />Dans une expérience analogue, nous réalisons le couplage d'une onde de volume au plasmon de surface correspondant par l'intermédiaire d'un réseau induit. A cette occasion, nous mettons en évidence l'excitation d'ondes acoustiques de surface.

La conjugaison de phase ultrasonore à couplage par l'air basée sur une céramique magnétostrictive et une membrane de filtration poreuse pour la microscopie et la vélocimétrie de micro écoulements a été développée. Dans ce but, dans le cadre de l'acoustique géométrique un système d'équations pour décrire mathématiquement le passage par l'interface entre l'élément actif du système de conjugaison de phase confocale - milieu de propagation a été développé.On a développé et réalisé une technique de codage de phase par m-séquence pour l'enregistrement des faibles signaux conjugués en phase. Cette technique a permis de travailler plus efficacement avec fort bruit et des signaux qui se trouvent sous le niveau de bruit. Aussi cette technique a permis d'améliorer une méthode de vélocimétrie des écoulements gazeux.On a développé et réalisé une technique d'adaptation d'impédance acoustique basée sur la membrane de filtration poreuse imprégnée par de l'huile. Cette technique a permis d'optimiser les conditions de transmission de l'onde à l'interface air-ferrite aux fréquences basse dans bande du MHz.Les applications possibles de l'effet de conjugaison de phase paramétrique à la vélocimétrie des écoulements gazeux et à la microscopie à couplage par l'air ont été présentées. L'application de l'effet de conjugaison de phase permet d'améliorer les performances des méthodes de vélocimétrie et de microscopie ultrasonores à couplage par l'air. Les méthodes élaborées a repoussé les limites d'applications pratiques de l'effet de conjugaison de phase et peuvent être utilisées pour le développement des dispositifs en vélocimétrie, microscopie et tomographie ultrasonore des écoulements gazeux