Nous présentons différents aspects de la propagation d'impulsions laser ultra-courtes<br /> dans les milieux transparents. Tout d'abord, après avoir établi les équations de propagation<br /> à partir des équations de Maxwell, nous rappelons les principaux phénomènes physiques auxquels<br /> sont soumises les impulsions ultra-courtes et de forte puissance se propageant dans un milieu transparent.<br /> Celles-ci subissent de l'auto-focalisation causée par la réponse Kerr du milieu. Cette auto-focalisation<br /> est stoppée par la création d'un plasma produit par l'ionisation photonique des molécules du milieu.<br /> La propagation de l'onde laser génère aussi un supercontinuum par auto-modulation de phase. Enfin,<br /> on rappelle les principaux résultats concernant la filamentation simple ou multiple de l'onde provenant<br /> des inhomogénéités du faisceau et qui a lieu lorsque la puissance initiale du laser est supérieure<br /> au seuil d'auto-focalisation. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'influence de<br /> non-linéarités optiques d'ordre élevé sur la propagation de l'onde et sur la figure de<br /> filamentation créée. Dans une troisième partie, afin de contrôler la filamentation multiple, <br />nous analysons la propagation de faisceaux particuliers: les impulsions optiques femtosecondes avec gradient<br /> fort et les vortex. Nous justifions les propriétés de robustesse de ces derniers type d'objets<br /> optiques. Enfin, nous examinons la filamentation multiple d'impulsions ultra-courtes à travers une<br /> chambre à brouillard, et dans les cellules d'éthanol dopées à la coumarine, pour différentes<br /> configurations du faisceau.

Au cours de ce travail de thèse, des matériaux monomères amorphes bifonctionnels photochromes et fluorescents ont été élaborés et étudiés dans le but de former sous irradiation interférentielle des structures fluorescentes par migration de matière photoinduite . Pour contrer le phénomène d'extinction de fluorescence par l'unité photochrome azoïque, un espaceur saturé de type adduit de Diels-Alder a été introduit entre les deux entités photoactives. De telles molécules ont été obtenues avec succès ainsi que les composés modèles azoïques et fluorescents correspondants.L'introduction de nouveaux fragments comme l'espaceur ne modifiait pas les propriétés de photochromisme que ce fût en solution ou à l'état solide. A l'opposé, des études de spectroscopie de fluorescence stationnaire et résolue en temps ont montré que la présence de cet espaceur limitait efficacement les phénomènes d'extinction de fluorescence au sein des composés bifonctionnels. Dans le but de comprendre les mécanismes photophysiques sous-tendant l'extinction de fluorescence observée, des expériences de spectroscopie d'absorption transitoire femtoseconde ont été réalisées sur les composés modèles et bifonctionnels. Elles ont mis en évidence l'existence d'un transfert d'énergie électronique picoseconde de l'unité fluorescente vers l'unité photochrome.Sous forme de films minces non-dopés, ces nouveaux composés bifonctionnels ont conduit par photostructuration holographique à des reliefs de surface réinscriptibles, stables à température et sous lumière ambiantes et modulés en intensité de fluorescence, les maxima d'émission correspondant aux zones d'accumulation en composés bifonctionnels. Une nouvelle réaction photochimique consistant en la photocoupure de dérivés fluorescents nitrés de la triphénylamine a été mise en évidence. L'irradiation sous UV de solutions et de films minces provoquait une photorupture de l'état à transfert de charge intramoléculaire, conduisant à la modification de la couleur émise de l'orange au bleu. Des structures fluorescentes modulées en énergie ont pu ainsi être obtenues par irradiation au travers d'un masque tout en contrôlant la quantité de lumière apportée.

De nombreuses applications industrielles mettent en évidence l'importance des propriétés de mouillage des surfaces métalliques que ce soit directement pour les propriétés d'écoulement de fluides sur ces surfaces ou indirectement pour leur lien avec les phénomènes d'adhésion. Les travaux de Wenzel (1936) et de Cassie -Baxter (1944) ont montré que cette mouillabilité dépendait à la fois de la tension superficielle du solide mais aussi de sa topographie de surface. Ainsi la maîtrise et l'optimisation de ces propriétés nécessitent le contrôle de ces deux aspects, à l'image de la feuille de lotus dont le caractère super-hydrophobe réside à la fois en la présence d'une cire hydrophobe et d'une rugosité multi-échelle. Ces observations sont à l'origine, cette dernière décennie, du développement des techniques de gravures chimiques pour réaliser des texturations superficielles de matériaux et contrôler leur mouillabilité. Afin de surmonter certaines limitations de ces techniques et privilégier un procédé par voie sèche, nous avons envisagé de structurer la surface d'alliages métalliques de titane, d'aluminium, et de différents aciers inoxydables, au moyen d'un traitement de surface par laser femtoseconde. L'analyse topographique de la surface des matériaux (profilométrie optique, AFM, MEB) en fonction des paramètres d'irradiation du laser comme la densité de puissance laser, le nombre d'impulsions et le décalage latéral du faisceau en configuration balayage, a montré l'efficacité de ce procédé pour générer des texturations multi-échelles. Les différentes morphologies de textures peuvent être associées à des transitions de régimes dans l'interaction laser - matière (ripples, spikes, ...). L'analyse chimique et structurale (DRX, XPS) des surfaces traitées a mis en évidence des modifications microstructurales dues aux effets thermiques du laser ainsi qu'une évolution de l'état chimique de la surface dont les effets sur la mouillabilité sont importants. L'hydrophobie des surfaces métalliques a été considérablement accentuée par le traitement laser. Ces résultats pourront être exploités pour différentes applications industrielles notamment comme moyen de contrôler l'état de surface des moules de plasturgie.

Mon projet de thèse est étroitement lié au projet ANR NOUGAT, " Nouvel OUtil pour la chirurgie du Glaucome Assistée par laser femtoseconde et Tomographie par cohérence optique " (ANR-08-TECS-012), coordonné par le groupe " Optique, Photonique, Santé " (OPS) du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), et dont les partenaires sont : l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, le laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique Graduate School, la société Amplitude Systèmes. Le glaucome est une maladie oculaire associée à une pression intraoculaire élevée. Les traitements chirurgicaux classiques visent à créer des canaux filtrants dans la sclère pour baisser la pression, mais les bénéfices ne sont souvent que temporaires. La greffe de cornée est indiquée lors d'opacités du tissu ou pathologies affectant la transparence cornéenne. Elle est largement pratiquée mais certaines limites existent, notamment lorsque la découpe doit se faire en profondeur d'un tissu pathologique. Mes travaux ont d'abord consisté à caractériser les trois principaux éléments constitutifs du segment antérieur de l'oeil : la cornée, la sclère et le cristallin. Suite aux recherches précédentes menées par notre équipe, la diffusion de la cornée est maintenant un phénomène compris et quantifiable. L'étude du tissu scléral a permis de mettre en évidence une fenêtre de relative transparence optique centrée à la longueur d'onde de 1650 nm ; des expériences préliminaires ont été menées sur le cristallin. Grâce à l'optimisation de sources laser existantes au sein de l'équipe, en particulier du générateur paramétrique optique, de nouvelles séries d'incisions ont ensuite été réalisées dans des cornées humaines (obtenues auprès de la Banque Française des Yeux), avec des longueurs d'onde situées entre 1500 et 1800 nm. Les analyses histologiques et par microscopie électronique en transmission et à balayage de ces découpes confirment que l'utilisation d'une longueur d'onde entre 1600 et 1700 nm réduit le phénomène de diffusion dans le tissu par rapport à la longueur d'onde appliquée dans les systèmes commerciaux (1000 nm). Par ailleurs, un dispositif d'imagerie par tomographie par cohérence optique (OCT) a été développé en étroite collaboration avec l'Institut d'Optique Graduate School. Utilisant une longueur d'onde de 1315 nm, ce dispositif a une résolution de l'ordre de 5 μm, ce qui est compatible avec notre application ; cependant, il présente encore une rapidité d'acquisition moyenne. Les structures cornéennes ont été imagées avec trois dispositifs OCT disponibles, ce qui a permis de comparer leurs avantages et leurs inconvénients en vue de la combinaison de ce système d'imagerie à la source laser et d'une éventuelle application clinique. Mes travaux de recherche ont finalement permis d'optimiser le développement de systèmes chirurgicaux pour les tissus du segment antérieur de l'oeil et d'approfondir nos connaissances sur l'optique de ces tissus, ce qui vient compléter les études antérieures réalisées au sein de mon équipe de travail et ouvre la voie à des applications futures.

Le laser femtoseconde constitue un outil de découpe chirurgicale de grande précision. Son usage est en particulier très fréquent en ophtalmologie dans le cadre de la découpe de cornées transparentes. Cependant la découpe de cornées diffusantes nécessite le développement de nouvelles sources à impulsions courtes optimisées. La région spectrale comprise entre 1,6 μm et 1,7 μm a été identifiée comme optimale pour réduire l'impact de la diffusion tout en minimisant l'absorption des tissus. Dans ce manuscrit de thèse, une source laser d'impulsions courtes à 1,6 μm adaptée à la greffe de cornée est présentée. La combinaison de composants fibrés monomodes et d'une fibre à large aire modale, dans une architecture d'amplification à dérive de fréquence, a permis d'extraire des impulsions de forte énergie tout en conservant une bonne qualité temporelle. Un modèle numérique a également été développé afin d'étudier et d'optimiser l'amplification à haute énergie à 1,6 μm dans les fibres dopées à l'erbium en régime femtoseconde. Les premiers tests de découpe sur cornées humaines ont confirmé le potentiel de la source développée. Comparativement aux sources traditionnelles, les études menées montrent en effet une nette augmentation de la profondeur de découpe.

Etude des propriétés thermiques et themo-optique des cristaux de Yb:CaF2, Yb:SrF2 et Yb:CALGO avec pour but de réaliser des lasers femtoseconde de forte puissance moyennes.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall...), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé.

La capacité de la tomographie par cohérence optique (OCT) à délivrer des images tomographiques de tissus biologiques in vivo, de manière non invasive et en temps réel, a suscité un intérêt croissant pour de nombreuses applications biomédicales, principalement en ophtalmologie pour l'imagerie de la rétine et du segment antérieur de l'œil. Toutefois, pour l'imagerie à haute résolution de tissus biologiques fortement diffusants, comme la sclérotique et la cornée œdémateuse, la technique nécessitait des améliorations technologiques. Dans cette thèse, un système d'OCT " Fourier-domain " (FD-OCT) à très haute résolution spatiale (< 4 µm), à la longueur d'onde de 1,3 µm, a été développé dans la Laboratoire Charles Fabry - Institute d'Optique Graduate School. Avec ce système original, nous avons réussi, pour la première fois, à visualiser correctement le canal de Schlemm de l'œil humain qui se trouve à une profondeur d'environ 0,8 mm dans le limbe de la cornée, milieu fortement diffusant. L'imagerie du canal de Schlemm est capitale afin d'envisager la chirurgie par laser du glaucome, qui consiste à inciser cette partie de l'œil afin d'améliorer l'écoulement de l'humeur aqueuse. Par ailleurs, en collaboration avec le Laboratoire d'Optique Appliquée de l'ENSTA ParisTech, nous avons démontré la possibilité de contrôler en temps réel par OCT des découpes par laser femtoseconde pratiquées dans la cornée humaine in vitro. Ces travaux ont montré que l'opération du Glaucome par laser femtoseconde, contrôlée par OCT, devrait être possible.

A la suite de la première démonstration de l'écriture de guide d'onde au sein de verres en 1996 par laser femtoseconde, l'écriture direct par Laser Femtoseconde (Femtoseconde Direct Laser Writing - FLDW) est apparu comme une technique souple pour la fabrication de structure photonique en trois dimensions au sein de matériaux pour l'optique. La thèse a porté sur l'inscription par laser femtoseconde de fonctionnalités optiques au sein de verres. Des éléments diffractifs par modification de l'indice de réfraction et des structures présentant des propriétés de luminescence ou d'optique non linéaire d'ordre deux ont pu être obtenus au sein de matériaux vitreux et étudiés. / Since the first demonstration of femtosecond laser written waveguides in 1996, femtosecond laser direct writing (FLDW) has been providing a versatile means to fabricate embedded 3-D microstructures in transparent materials. The key mechanisms are nonlinear absorption processes that occur when a laser beam is tightly focused into a material and the intensity of the focused beam reaches the range creating enough free electrons to induce structural modification. This dissertation was an attempt to make an improvement on the existing FLDW technique to achieve a reliable fabrication protocol for integrated optical devices involving micro diffractive optical elements and laser-structures exhibiting second order nonlinear optical properties. Relaxation processes of directly-written structures in chalcogenide glasses have been also investigated.

Le développement récent, dans le domaine de la santé, de lasers femtoseconde pompés par diode, délivrant des impulsions de forte énergie et utilisés en chirurgie (en particulier en ophtalmologie), nous amene à chercher de nouveaux domaines d’application dans le secteur de la santé. En effet, la durée très brève de l’interaction laser avec la matière (de l’ordre de 10-15s) et les fortes intensités de radiation délivrées, permettent d’envisager une ablation tissulaire rapide avec des effets thermiques négligeables.Ce travail va un triple objectif:- Etudier la capacité d’ablation de l’émail dentaire et de la dentine avec un laser femto seconde,- Mesurer l’accroissement de température généré par l’interaction laser/tissus avec et sans spray d’air + eau, sachant qu’un accroissement de température au delà de 5.5°C engendre des dommages irréversibles (nécrose) du tissu pulpaire.- Mener une étude comparative de l’adhésion des matériaux de restauration composite sur les surfaces préparées par laser versus l’adhésion sur des surfaces dentinaires préparées de façon conventionnelle avec une fraise et une turbine. / Recent development has led to the commercialization of high power femtosecond lasers, opening a new perspective into the field of laser surgery. Due to the short laser – material interaction time and the very high radiation intensity achieved with this type of laser, the ablation of a wide range of materials can be achieved with negligible thermal effects.The present work aims at- Studying the ablation of dental enamel and dentin by femtosecond laser- Measuring the increase of pulpal temperature generated during the laser treatment without external cooling and with external cooling using an air jet and a combination of the air jet and water irrigation.- Comparing the adhesion of restorative materials to dentin surface treated by the laser and by the conventional drilling method with a burr.