Un défi actuel dans le domaine de l'optique est de mieux comprendre les effets de champ proches optiques des systèmes et de pouvoir agir dessus. C'est dans ce contexte que j'explore tout au long de cette thèse ces notions appliquées aux milieux 3D diélectriques désordonnés et aux films désordonnés métal-diélectriques. Pour les milieux 3D, nous avons choisi une approche par un montage de microscopie de champ proche pour faire la mesure du champ proche optique. Nous avons pour cela dû faire un travail en amont sur la préparation des échantillons pour éviter les artefacts de mesure. Ces mesures ont révélés des structures intéressantes. Nous avons ensuite étudié les modes optiques sur les films métal-diélectriques et montré qu'il existe des modes étendus pour certaine valeurs de la faction surfacique de métal déposée. Nous avons quantifié leur extension par la mesure de la longueur d'interaction et mesuré des valeurs de l'ordre de la dizaine de microns, suffisant pour être contrôlé depuis le champ lointain. Ces mesures ont ouvert la voie au contrôle du front d'onde du faisceau incident dans l'objectif de la focalisation en champ proche de la lumière. Ceci a pu être réalisé grâce à l'utilisation d'un modulateur spatial de lumière pour le contrôle du front d'onde et à un signal non-linéaire de luminescence à deux photons pour la mesure du champ proche optique. Nous obtenons la focalisation en champ proche de l'énergie d'un facteur supérieur à dix. Enfin, la technique de microscopie de champ proche a pu être implémentée et couplée au contrôle de front d'onde et une première optimisation a pu être obtenue. Cela reste néanmoins un travail préliminaire. / One important challenge to address in the optical field is a better understanding of the optical near field of systems and how we can interact with them from the far-field. It is in this regard that I studied and controlled of the near field of both 3D disordered dielectric media and metal-dielectric disordered films. For 3D media, we used a near-field microscope to measure the optical field on their surface. To reach a free-artefact measure, we had to carefully prepare the sample by minimising the rugosity. In a second part, we studied optical modes on metal-dielectric films et we showed that it exists extended modes for some specific values of metal filling fraction of the sample. Extension of the modes has been quantified by measuring the interaction length and has been found in the order of 10 $\mu$m, enough to allow a far field control of the modes. These measurements opened the way for wavefront control of the incident beam in order to focus light in the near field of the sample. We use a spatial light modulator to control the incident wavefront and a non-linear signal (two photons luminescence - TPL) for the near-field measurement of the optical field. We could reach focusing of the energy by a factor more than ten. Finally, the SNOM technique has been coupled to the wavefront shaping system and we get preliminary measurements of optimisation in the near-field by this technique.

Imager une exo-terre à proximité d’une étoile est une tâche complexe : le signal de la planète est noyé dans le flux immense de l’étoile, très proche. Doivent donc être combinés :- de grands télescopes spatiaux segmentés. La segmentation du miroir primaire facilite le transport mais crée des erreurs liées à l’alignement.- un coronographe, permettant d’éteindre la lumière stellaire. - enfin, toute aberration optique crée un résidu lumineux nuisible dans l’image. La mesure et le contrôle des aberrations d’un système coronographique, notamment celles liées à la segmentation du télescope, sont donc primordiaux et constituent le sujet de ma thèse.Tout d’abord, j’ai développé PASTIS, un modèle simplifié du contraste d’un coronographe en présence d’une pupille segmentée, permettant d’analyser facilement les performances pour contraindre les aberrations optiques lors du design de l’instrument. PASTIS prend en compte les spécificités des instruments : structure de la pupille, aberrations optiques dues à la segmentation, coronographe. Je l’ai appliqué au télescope LUVOIR afin d’analyser les modes limitant le contraste et ainsi mieux répartir les contraintes sur les segments. Par la suite, j’ai travaillé sur l’analyse de front d’onde coronographique en présence d’un télescope segmenté sur le banc expérimental HiCAT avec une première démonstration de l’analyseur COFFEE permettant de reconstruire les erreurs de phasage avec une grande précision. Enfin, j’ai mené une analyse comparative des multiples méthodes de contrôle de front d’onde existantes et validé l’une d’elles (Dark Hole Non Linéaire) expérimentalement dans un cadre simplifié sur le banc MITHIC du LAM / Direct imaging of exo-Earths is extremely complex: the star is by far brighter and very close to the planet. Several tools have to be combined:- a giant primary mirror. For manufacturing and transportation reasons, we tend to use segmented mirrors, ie. mirrors made of smaller mirrors but that have to be well-aligned and stabilised.- a coronagraph, enabling to remove the starlight.- the smallest residual wavefront aberration into residual light that decreases the image quality. The measurement and control of the aberrations, including the ones due to the telescope segmentation, are crucial and consist in the topic of my thesis.First, I developed PASTIS, a model of the contrast of a coronagraphic system in presence of a segmented pupil, enabling to analyze the performance to set up constraints on the optical aberrations during the instrument design. PASTIS takes into account the specificities of high-contrast instruments: pupil structure, optical aberrations due to the segmentation, coronagraph. I applied it to the LUVOIR telescope to analyze the main modes limiting the contrast and therefore optimizing the repartition of the constraints on the segments. In parallel, I worked on the analysis of the coronagraphic wavefront in presence of a segmented telescope on the experimental testbed called HiCAT, with a first demonstration of the COFFEE sensor enabling to reconstruct phasing errors with a high precision.Eventually, I ran a comparative analysis of existing methods of wavefront control and experimentally validated one of them (Non Linear Dark Hole) in a simplified case on the MITHIC testbed at LAM

Nous nous ici intéressons à la propagation d'états non-classiques de la lumière à travers des milieux désordonnés, comme les couches de peinture ou les fibres multimodes. Ces milieux sont généralement considérés comme des obstacles à la propagation de la lumière: par exemple, la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques diminue considérablement les capacités des systèmes d'imagerie optique. C'est donc un phénomène duquel on souhaite généralement s'affranchir. Au contraire, dans notre étude nous exploitons ce désordre et utilisons ces milieux comme des "mélangeurs" de lumière. La lumière qui y pénètre est fortement diffusée et ses propriétés spectrales, spatiales et de polarisation sont complètement redistribuées. Cette redistribution est associée à un phénomène de propagation d'onde et d'interférence complexe qui est donc déterministe. Nous pouvons alors utiliser des méthodes de manipulation de front d'onde pour étudier ou contrôler ce mélange. Associés à des états non-classiques, ces systèmes permettent de réaliser des marches aléatoires quantiques dans des environnements bien plus complexes que ceux qui existent actuellement. Les méthodes de contrôle de front d'onde nous ont permis d'étudier et de manipuler ces marches aléatoires. Nous avons notamment montré qu'il est possible de guider les photons en manipulant les interférences classiques et quantiques. Ce travail nous a permis d'étudier de nouveaux aspects de la physique des milieux complexes, mais aussi d'explorer un nouveau type de plateformes pour marches aléatoires quantiques qui pourraient jouer un rôle important dans le développement des nouvelles applications pour traitement de l'information. / Light is not only an ideal medium to transmit information, but also a very interesting physical system to process it. In this respect, quantum optics has recently emerged as a highly promising domain for the development of new computing applications that can surpass the performances of currently available systems. In this respect, quantum walk of photons has recently emerged as a very powerful model for quantum information science, and integrated photonic devices have proven a versatile architecture for their implementation. While these waveguide structures allow only near-neighbor coupling between up to a few tens of modes, complex linear systems, such as white paint layer or multimode fiber, enable to couple efficiently a huge numbers of optical modes. Unstable and lossy, these systems have always been considered unpractical for quantum optics experiments. Wavefront shaping methods, developed in the last decade to control light propagating in complex media, allow moving beyond these limitations and make them exploitable with non-classical light. In our work, we demonstrate the implementation of quantum walks in a layer of paint and a multimode fiber using single-photons and photon-pairs. For this purpose, we extend wavefront shaping methods, originally developed to control classical light propagation in complex media, to non-classical light. This capability to manipulate photons allows building new controllable highly multimode optical platforms. Such systems pave the way for the next generation of quantum information processing devices.