Nous presentons une description theorique du role joue par les effets a N-corps dans le phenomene d'absorption dans les heterojonctions (puits quantiques) a basse temperature. Les proprietes optiques des semiconducteurs et leur connection aux proprietes thermodynamiques du plasma electron-trou quasi-2D sont etudiees dans les regimes a l'equilibre et hors d'equilibre. Ce travail a ete motive par une serie d'experiences pompe-sonde avec excitation selective des etats de spin, realisees a Heriot-Watt University. L'interpretation des resultats experimentaux est toutefois extremement difficile a cause de l'influence des effets a N-corps coulombiens et quantiques donnant naissance a une riche variete d'elargissements de et de renormalisation des etats d'energie des resonances excitoniques.<br /><br />Nous avons construit un modele simple permettant de decrire la thermodynamique hors d'equilibre du plasma electron-trou chaud. Nous avons considere plusieurs processus dynamiques tels que la relaxation des fonctions de distribution des porteurs de charge, la thermalisation, le refroidissement du plasma, le spin-flip des porteurs, les recombinaisons (radiative et nonradiative) ainsi que la diffusion des trous legers vers la bande des trous lourds. Un traitement microscopique complet de ce probleme a N-corps etant irrealisable numeriquement, nous avons utilise une approche phenomenologique avec les temps caracteristiques associes pour chacun des processus inclus dans notre analyse. Nous avons ainsi calcule l'evolution temporelle de la renormalisation de l'energie et de l'attenuation des resonances excitoniques, en resolvant numeriquement les equations de Bloch pour les semiconducteurs (potentiel coulombien ecrante et approximation de Hartree-Fock) couplees aux equations phenomenologiques. Nous obtenons un bon accord qualitatif avec les resultats experimentaux et une comprehension plus profonde du role joue par les divers processus hors d'equilibre, en variant les temps caracteristiques. En particulier nous trouvons que le spin-flip de l'electron se produit sur une echelle de temps (plusieurs dizaines de picosecondes) superieure a la thermalisation et a la relaxation des distributions de porteurs (une picoseconde ou moins). Nous avons aussi etudie l'evolution temporelle de la densite, energie et temperature du plasma chaud. L'evaluation de l'ecrantage coulombien a ete faite dans la limite des grandes longueurs d'onde de dans l'approximation du pole plasmonique statique.<br /><br />Dans cette these, nous avons aussi etudie la photoluminescence (PL) dans les puits quantiques II-VI a temperature ambiante. Nous avons construit un modele mathematique pour prendre en compte les correlations coulombiennes dont on attend qu'elles influencent le taux d'emission spontanee dans ces materiaux. Nous avons suppose que la diffusion d'un exciton 1s avec un electron du continuum est le processus dominant amenant un exciton sur la photon line avant la recombinaison. Les fonctions d'ondes excitoniques a 2D ont ete calculee avec un potentiel coulombien ecrante en utilisant la methode de la phase variable. Une fois les elements de matrice de diffusion calcules, nous avons utilise la regle d'or de Fermi pour evaluer la contribution de la diffusion d'un exciton 1s avec un electron du continuum pour le taux d'emission spontanee. Les spectres de PL ont ete calcules pour differentes densites, pour les materiaux a grand gap comme ZnSe, et a moyen gap pour GaAs, afin de comparer les materiaux II-VI et III-V. Le spectre de PL pour ZnSe exhibe une resonance excitonique qui n'apparait pas pour GaAs.

Cette thèse a pour sujet la modélisation et le contrôle des processus intervenant lors de l'amplification d'impulsions laser à dérive de fréquence.<br />Nous présentons les modèles utilisés, qui prennent en compte la propagation, les effets non linéaires et les effets thermiques se produisant dans les chaînes laser basées sur le principe de l'amplification à dérive de fréquence. Une validation expérimentale de ces modèles a permis de souligner l'importance des aspects spatiaux du laser pour modéliser finement le processus d'amplification.<br />Nous avons également étudié l'importance, durant la propagation, des aspects spatiaux avec des calculs de propagation après un miroir déformable et montré toutes les précautions nécessaires pour l'utilisation d'une boucle d'optique adaptative. Cette boucle d'optique adaptative est utilisée maintenant de manière journalière pour garantir la qualité de la tache focale du laser 100 TW du LOA.<br />Nous avons réalisé des études sur les effets spatio-temporels créés dans les systèmes de lentilles. Le retard local et l'élargissement de la durée globale, dus au temps de propagation (PTD) dans un système de lentilles, ont été mesurés. Cette mesure directe de l'élargissement global de la durée temporelle est la première à notre connaissance.<br />Enfin, le futur laser Pétawatt (LUIRE) du LOA a été dimensionné avec les modèles validés précédemment. Nous pouvons atteindre le régime Pétawatt (30 J, 30 fs) avec un amplificateur multipassage supplémentaire dont les caractéristiques sont présentées.

Au cours de ce travail expérimental, nous nous sommes intéressés aux propriétés photo-physiques d'un mutant de la protéine Fuorescente verte (Green Fluorescent Protein, GFP). Plus particulièrement, nous avons caractérisé par spectroscopie femtoseconde résolue spectralement la dynamique des états excités de ce mutant. Nous avons tout d'abord comparé les résultats obtenus avec ceux de la protéine naturelle. Cela nous a permis de montrer que la dynamique des états excités s'avère très sensible aux modifcations de l'environnement proche de la partie optiquement active de la protéine. Dans une deuxième partie qui concerne l'étude de fusion génétique fragment d'anticorps-GFP, nous avons utilisé la sensibilité offerte par la dynamique des états excités de la protéine pour caractériser l'état de repliement de l'anticorps fusionné. Une autre partie de ce travail a été consacrée à l'étude des propriétés dynamiques de certains dérivés de la coumarine dont la nature de rotors moléculaires a été évoquée dans la littérature. Nous avons montré que la dynamique des états excités ne présente pas de signatures d'un tel comportement. Parallèlement aux études dynamiques, nous avons étudié le vieillissement ou diminution du nombre de molécules fluorescentes d'un ensemble bien déterminé de GFP sous illumination continue. Cette étude a mis en évidence le fait que l'évolution temporelle du système est gouvernée par une statistique de Lévy. L'une des conséquences principales étant l'existence d'un état instable à durée de vie moyenne infnie.

Le but de ce mémoire n'est pas de faire une présentation exhaustive de toutes mes activités de recherche mais d'essayer de cibler celles qui à la fois me correspondent le mieux, celles qui me tiennent le plus à cœur, parmi les activités de recherche que j'ai menées depuis que je suis partie de Potsdam (thèse). Je présenterai donc dans une première partie une synthèse de mes travaux sur les effets de l'irradiation, liée à la radioactivité, intra-ou inter-minéraux, naturelle ou artificielle. Je donnerai ensuite des exemples d'études ciblées sur des processus (diffusion, altération) dont la cinétique peut être considérablement accrues par les effets de la radioactivité. Dans une troisième partie je détaillerai un exemple particulier d'effet d'irradiation, celle induite par un faisceau laser femtoseconde et je terminerai sur des perspectives à plus ou moins long terme, ciblées sur les interactions entre les minéraux radioactifs (ou minéraux irradiés) et les fluides et les conséquences sur le signal géochronologique.

Amélioration des propriétés des couches minces de carbone amorphe (appelé Diamond Like Carbon, DLC) et recherche de nouvelles fonctionnalités pour ce type de couches minces en dopant les films DLC par des métaux comme le nickel et le tantale.<br />L'ablation laser en régime femtoseconde est la technique utilisée pour la synthèse des couches minces de DLC dopées ou alliées. Ce sujet met également en évidence l'apport de cette technique sur les propriétés morpho-structurales et physiques des DLC dopés ou alliés.

Dans le cadre général de la détection optique de bactéries, nous mettons en œuvre deux méthodes originales pour distinguer des molécules dont les propriétés optiques sont similaires : la LIBS femtoseconde pour les bactéries, et le contrôle cohérent pour les flavines.<br /><br />La distinction des flavines par contrôle cohérent consiste à façonner une impulsion excitatrice à 400 nm, et à contrôler l'état excité des molécules en phase liquide par une deuxième impulsion infrarouge qui en diminue la fluorescence. Nous mettons en évidence le rôle du solvant dans ce processus bi-impulsionnel de déplétion, pour le tryptophane. Les études spectroscopiques en phase liquide, qui utilisent des impulsions intenses, engendrent des effets non-linéaires parfois inattendus, qu'il est important de connaître : c'est pourquoi nous étudions la filamentation dans un milieu liquide absorbant.<br /><br />La photofragmentation des chromophores biologiques ionisés, flavines et tryptophanes, est examinée en phase gazeuse à l'aide d'un dispositif « pompe-pompe » similaire à celui de la déplétion. Nous montrons, avec la flavine mononucléotide, que la seconde impulsion diminue certaines voies de fragmentation au profit des autres. Enfin, nous révélons les potentialités de la LIBS femtoseconde pour l'analyse foliaire et la discrimination de bactéries.

Dans les domaines de l'analyse, du contrôle et de la mesure physique, le laser constitue un outil métrologique particulièrement puissant et polyvalent, capable d'apporter des réponses concrètes à des problématiques variées, y compris d'ordre sociétal. Parmi ces dernières, la contamination des sites et des sols par les métaux lourds est un enjeu de santé publique important qui requiert de disposer de moyens de mesure adaptés aux réglementations existantes et suffisamment souples d'utilisation. Technique rapide et ne nécessitant pas de préparation de l'échantillon, la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) présente des avantages très intéressants pour réaliser des mesures sur site de la teneur en métaux lourds à l'échelle de la dizaine de ppm; la conception d'un appareil portable à moyen terme est envisageable.<br />Dans cette thèse nous montrons d'abord que le régime femtoseconde ne présente pas d'avantages par rapport au régime nanoseconde standard pour notre problématique. Ensuite nous mettons en œuvre un traitement avancé des spectres LIBS par des méthodes chimiométriques dont les performances améliorent sensiblement les résultats des analyses qualitatives et quantitatives d'échantillons de sols.

Ce travail explore le contrôle de la composition et la cinétique du panache d'ablation laser en régime ultrabref par mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde. L'objectif est l'optimisation du dépôt de couches minces et de nanoparticules. Le chapitre 1 est une synthèse de la littérature sur le dépôt de couches minces par ablation laser femtoseconde, en particulier de films de Diamond-Like Carbon et de nanoparticules. L'influence de la mise en forme temporelle du laser sur les mécanismes d'ablation est développée, ainsi que le diagnostic du panache d'ablation. Le chapitre 2 présente les dispositifs expérimentaux de mise en forme temporelle et de diagnostic du panache d'ablation par spectroscopie d'émission résolue en temps et espace et spectroscopie d'extinction. Le chapitre 3 rapporte l'impact de l'utilisation d'impulsions doubles et élargies sur les panaches de l'aluminium et du bore. L'augmentation de la composante ionique du plasma d'aluminium est expliquée au travers de simulations hydrodynamiques. Dans le chapitre 4, différentes formes temporelles sont employées pour l'ablation du graphite et le dépôt de couches de Diamond-Like Carbon. Le contrôle de la cinétique du panache est atteint en peuplant plus ou moins ses différentes composantes de vitesse : molécules, atomes et ions. Si la structure du Diamond-Like Carbon déposé n'est pas affectée, une amélioration de la surface des couches est observée. Le chapitre 5 montre l'efficacité et la sensibilité de la spectroscopie d'extinction optique pour la mesure in situ de la distribution en taille des nanoparticules métalliques dans le panache d'ablation laser femtoseconde

Cette thèse traite de l'étude de phénomènes ultra-rapides, et plus particulièrement de dynamiques de relaxation initiées par une impulsion femtoseconde (10-15 s). Dans la première partie, l'imagerie de vecteurs vitesses a permis d'étudier deux systèmes : l'iodure de méthyle (CH3I), excité dans son premier état de Rydberg et le tetrathiafulvalène (TTF - C6H4S4). Dans le TTF, le but est de caractériser les deux bandes majoritaires d'absorption vers 300 nm. Durant l'étude de la prédissociation de CH3I, la distribution vibrationnelle du fragment CH3 a été caractérisée, alors que pour le TTF une force de liaison du dimère a été extraite. L'interprétation des spectres de photoélectrons de CH3I permet une bonne compréhension des dynamiques depuis et/ou en résonance avec des états proches du potentiel d'ionisation. Dans la seconde partie, la structure électronique d'atomes ou de molécules est sondée par la génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE). Le minimum de la section efficace totale de photoionisation de l'argon (minimum de Cooper) a été observé et étudié dans le spectre harmonique. Cette étude a permis, entre autre, la mise au point d'un modèle théorique fiable et complet. Dans une autre étude, la GHOE a montré la sensibilité du rayonnement harmonique à la chiralité lors de interaction des 2 énantiomères de la fenchone (C10H16O), avec un rayonnement polarisé elliptiquement. Pour finir, l'utilisation de la GHOE pour sonder une dynamique moléculaire, amorcée par un réseau transitoire d'excitation à 400 nm, a été réalisée sur le dioxyde d'azote (NO2). Ceci à l'échelle picoseconde : photodissociation, et femtoseconde : transfert de population par le biais d'une intersection conique.

Ce manuscrit présente le transfert d'une référence de fréquence optique ultra-stable grâce à un lien optique et son application à la stabilisation en fréquence d'un laser moyen-infrarouge. Un lien optique permet de transférer un signal ultrastable de fréquence par fibre optique sans dégrader sa stabilité grâce à une compensation du bruit apportée lors de la propagation. Nous avons étendu cette technique à des liens de grande longueur en transférant la référence de fréquence simultanément avec les données du réseau internet. Ainsi des liens de 300 km puis 540 km ont été démontrés avec une stabilité de l'ordre de 10-19 à 104 s. Ce dispositif a été utilisé au LPL pour asservir un laser CO2 émettant à 10 µm sur une référence de fréquence développée au LNE-SYRTE, à l'Observatoire de Paris. Celle-ci est constituée d'un laser ultra-stable émettant à 1,54 µm, dont la fréquence est mesurée par rapport aux étalons primaires du LNE-SYRTE grâce à un laser femtoseconde. Cette référence est transférée par lien optique jusqu'au LPL où elle permet de stabiliser la fréquence de répétition d'un second laser femtoseconde et de mesurer ou contrôler la fréquence d'un laser CO2. Lorsque celui-ci est asservi sur une référence moléculaire (OsO4), la stabilité est de 4.10-14 à 1 s. Les performances sont encore meilleures lorsque le laser CO2 est asservi directement sur la référence optique. Le laser stabilisé pourra ensuite être utilisé pour l'expérience d'observation de la violation de parité dans les molécules chirales développée au LPL. Ceci démontre la faisabilité d'expériences de spectroscopie moléculaire à ultra haute résolution dans les laboratoires ne disposant pas d'étalons de fréquences.