Ce mémoire de thèse s'inscrit dans le contexte du projet FUTUR financé par l'ANR et concernant le développement de Fonctions optiques pour les Transmissions à très haut débit dans le Réseau coeur et porte sur la génération de sources optiques fibrées très hautes cadences et la caractérisation de fibres optiques microstructurées en verre de Chalcogénure. A cet effet, nous étudions les caractéristiques linéaires et non-linéaires au sein de fibres microstructurées en verre de chalcogénures conçue et réaliser via différentes collaborations dans le cadre du projet de l'ANR FUTUR. Pour cela un grand nombre de méthodes de caractérisations ont été mises au point donnant une comparaison entre une fibre SMF standard et ces fibres microstructurées chalcogénures. Par exemple, un montage interférométrique pour la mesure de la dispersion chromatique pour échantillon court, ou encore de nombreux banc expérimentaux permettant la caractérisation des propriétés non-linéaires de ces fibres (diffusion Raman, diffusion Brillouin, Coefficient non linéaire Kerr...). La seconde partie de ce mémoire présente la mise au point de méthode de conversion d'un battement sinusoïdal en un train d'impulsions hautement cadencé. Il est montré dans ce manuscrit que cette technique a été exploitée au plus prêt de ses limites, par l'obtention d'impulsions extrêmement courtes et par des débits très élevés. Les trains d'impulsions à très hautes cadences ont été caractérisés par un dispositif expérimental SHG-FROG. Une démonstration de la multiplication du débit par deux a été démontrée par l'effet Talbot.

La microscopie multiphotonique est un outil essentiel d’investigation en biologie cellulaire et tissulaire. Son extension à l’endoscopie est l’objet d’intenses efforts de recherche pour des applications en neurosciences (imagerie cérébrale du petit animal) ou en clinique (diagnostic précoce, aide à la biopsie). Ce manuscrit porte sur le développement d’un endomicroscope multiphotonique présentant des performances inédites. Ce dispositif est alimenté par un oscillateur titane-saphir standard. Vient ensuite un module de pré-compensation des distorsions linéaires et non linéaires se produisant dans la fibre endoscopique. Ce module permet d’obtenir des impulsions compressées de 39 fs à la sortie d’une fibre microstructurée air-silice innovante à double gaine de 5 mètres de long qui est optimisée pour l’excitation multiphotonique (cœur central de 3,4 µm à maintien de polarisation) et la collection du signal produit par les cibles biologiques. A l’extrémité de la fibre, on trouve une sonde endoscopique, de 2,2 mm de diamètre pour 37 mm de long, composée d’un micro-scanner à fibre optique et d’un micro-objectif achromatique de distance de travail supérieure à 400 µm. La résolution spatiale de l’appareil vaut 0,83 µm et l’acquisition se fait en simultané sur deux canaux spectraux à 8 images/s. L’appareil a permis l’enregistrement d’images in vivo sans marquage des tubules et de la capsule rénale, respectivement par fluorescence à deux photons des flavines et par génération de second harmonique du collagène, avec 30 mW sur les tissus et jusqu’à 300 µm sous la surface de l’organe. / Multiphoton microscopy is an essential investigative tool in cell and tissue biology. Its extension to endoscopy is the subject of intensive research for applications in neuroscience (brain imaging of small animals) or clinical (early diagnosis, help for biopsy). This manuscript focuses on the development of an endomicroscope with multiphoton unprecedented performance. This device is powered by a standard titanium-sapphire oscillator. Then comes a pre-compensation module of linear and nonlinear distortions occurring in the endoscopic fiber. This module provides compressed pulses of 39 fs at the direct output of 5 meters long innovative double-clad air-silica microstructured fiber which is optimized for multiphoton excitation (polarization maintaining central core of 3.4 µm) and the collection of the signal produced by biological targets. At the end of the fiber, there is an endoscopic probe, 2.2 mm in diameter and 37 mm long, composed of a micro fiber scanning system and an achromatic micro-objective with a working distance greater than 400 µm. The spatial resolution of the device is 0.83 µm and the acquisition is done simultaneously on two spectral channels at 8 frames/s. The device has recorded in vivo images without label of the tubules and the renal capsule, respectively by two-photon excitation fluorescence of flavins and second harmonic generation of collagen, with 30 mW on the tissues and 300 µm below the surface of the organ.

Le contrôle de la santé des structures (SHM pour Structural Health Monitoring), discipline inventée par les hommes du génie aéronautique, est un sujet de recherche de plus en plus intense dans le domaine du génie civil. A l'image du système nerveux pour le corps humain, un réseau de capteur de plus en plus dense est utilisé pour détecter et évaluer l'endommagement de ces structures. A ce titre les capteurs à fibres optiques(CFO), ont profité de l'essor des télécommunications pour offrir des solutions novatrices aux industriels. Parmi eux, les CFO répartis, dont une simple fibre constitue l'élément sensible, apportent une véritable rupture technologique, en éliminant de facto toute zone morte inter-capteur et en offrant une capacité de multiplexage inédite. L'objet de ce travail, réalisé dans le cadre d'un partenariat entre EDF R&D, le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, et Télécom-Paristech, est l'étude des CFO répartis utilisant la diffusion Brillouin pour la mesure de température et de déformation, en vue de l'instrumentation de structures du génie civil. Les sujet s'étend de l'étude du phénomène physique dans la fibre optique jusqu'à celle de son introduction dans de grandes structures du génie civil (bâtiments, digues, ponts, etc.). Ces travaux théoriques et expérimentaux, concluent notamment sur la possibilité de séparer l'influence de la température de celle de la déformation dans ces capteurs grâce à une seule et même fibre. Enfin, des résultats obtenus lors d'expériences de terrain qui mettent en évidence les difficultés caractéristiques rencontrées avec ce type d'instrumentation.

Nous présentons une étude comparative de l'injection optique quasi-statique pour des lasers à semi-conducteurs et des lasers à fibre. La fabrication des lasers à fibre à contre- réaction répartie est détaillée. L'étude spectrale de l'injection de lasers à semi-conducteurs pour des puissances injectées usuelles (> -30 dBm) permet, par des cartographies, de ca- ractériser les régimes bistables, le régime de relaxation, et la synchronisation de chaos. Pour de faibles puissances injectées (< -30 dBm), nous montrons que le laser esclave est un amplificateur de qualité pour de faibles signaux cohérents, et observons l'attraction en fréquence de l'esclave injecté par le maître. L'injection statique des lasers à fibre permet d'observer une réponse dynamique dans le domaine temporel, liée à des phénomènes de relaxation. Nous proposons des méthodes de mesure, par injection optique, du facteur de Henry, de faibles largeurs spectrales, du taux d'émission spontanée du laser esclave.

Dans le champ des méthodologies dédiées à la caractérisation des microorganismes, les méthodes spectroscopiques comme la spectroscopie de fluorescence apparaisent des outils particulièrement sensibles. Leur puissance est renforcée par l'utilisation d'outils chimiométriques qui autorisent le traitement de l'ensemble des informations spectrales. Ce mémoire présente les étapes de mise au point de la méthode pour la caractérisation des Pseudomonads qui constituent une des flores les plus adaptatives et présentant la plus grande diversité phénotypique et génotypique décrite à ce jour. Par l'utilisation de fluorophores intrinsèques (NADH, Acides aminés aromatiques + Acides nucléiques ou tryptophane) l'analyse de suspensions bactériennes préparées directement à partir de colonies permet d'obtenir plus de 90% de bonne classification pour des souches de référence même réparties en taxons proches. Cette méthode a permis, également, une identification aisée d'isolats et les résultats obtenus sont apparus cohérents avec ceux issus de PCR tout en apportant des informations complémentaires à ceux obtenus par identification sur galerie API 20 NE. LA méthode a été développée pour une lecture directe des colonies sur un milieu gélosé. Après différentes étapes de cadrage, la meilleure pertinence a été obtenue pour une lecture des colonies en fluorescence synchrone avec un décalage constant de 30 nm. L'analyse de la variance a montré une excellente répétabilité des résultats mais aussi des effets" position de la fibre optique vis à vis de la colonie" et durée d'incubation avant lecture (entre 48 et 72 heures) négligeables. Utilisée à des fins taxonomiques, la méthode s'est révélée très cohérente et complémentaire des méthodes relevant de la génomique. Elle permet d'analyser extrêmement rapidement et sans ajout de réactifs les proximités ou distance entre souches et de décrire les zones spectrales les plus identitaires. Enfin, nous avons aussi montré les potentialités de la spectroscopie de fluorescence pour la mise en place d'un outil de "traçabilité bactérienne" susceptible de répondre aux besoins des producteurs agroalimentaires dans leur démarche d'analyse des risques.

La surveillance des structures de génie civil, afin d'en estimer l'état de santé, est un enjeu majeur pour les maîtres d'ouvrages. Les systèmes de mesures réparties par fibre optique, composés d'un interrogateur connecté à une fibre optique intégrée dans un câble, permettent de mesurer le profil de déformation avec un pas de mesure centimétrique et une portée kilométrique. Ils sont donc adaptés aux structures présentant de grands linéaires ou de grandes surfaces. Mais, avant tout déploiement industriel, il est nécessaire d'en évaluer leurs performances. Du fait de la déformation par cisaillement du revêtement du câble, le profil de déformation mesuré le long de la fibre optique n'est pas strictement identique à celui du matériau environnant. Une méthode, basée sur la mise en œuvre d'essais et de simulations numériques, a été développée afin de caractériser les mécanismes de transfert d'effort du milieu hôte à la fibre optique à travers le revêtement du câble. Cette méthode a été appliquée pour déterminer la réponse mécanique d'un câble particulier noyé dans le béton. Les performances métrologiques d'un système de mesure donné ont été évaluées sur la base d'une analyse d'essais " du laboratoire au terrain ". Cette étude a permis de quantifier les différentes composantes d'incertitude et d'estimer les performances du système de mesure complet. Enfin, le câble, noyé dans le béton, ne peut être remplacé. La connaissance de l'impact du vieillissement sur la réponse mécanique du câble est donc primordiale. Une étude spécifique est menée dont le but est d'estimer la durabilité du câble face aux sollicitations chimique, thermique et mécanique correspondant à une application donnée

Dans cette thèse, des réseaux de nano- et micro-capteurs électrochimiques et opto-électrochimiques sont fabriqués en utilisant la technique de microfabrication « template synthesis ». Dans une première partie, des ensembles de nanoélectrodes (NEEs) sont utilisés comme plate-forme pour obtenir un biocapteur. Les NEEs sont préparés par déposition d’or dans une membrane poreuse en polycarbonate. L’originalité de notre approche a été de modifier la membrane de polycarbonate entourant les NEEs et non les NEEs elles-mêmes. La peroxydase de raifort (HRP) qui est fixée sur un anticorps secondaire a servi comme marqueur. Cette enzyme catalyse la réduction de H2O2 qui est ajouté en solution. En utilisant un système de détection dérivé de l'approche ELISA (Enzyme- Linked Immuno-Sorbants Assay), le récepteur de la protéine HER2 a été pris comme analyte cible. Il s’agit d’une protéine très importante puisqu’elle permet de dépister le cancer du sein. Dans une seconde partie, un réseau ordonné de sondes opto-électrochimiques est développé sur la face distale d’un faisceau de fibres optiques qui a été attaquée sélectivement par voie humide. Une structure macroporeuse est fabriquée en utilisant un cristal colloïdal comme « template ». L’or est ensuite déposé dans les interstices avant de dissoudre les nanoparticules de latex formant le cristal colloïdal. Ce réseau de microcavités macroporeuses a été testé avec succès comme substrat pour des mesures de Raman exalté de surface (SERS). / In this thesis, arrays of nano- and microelectrodes are developed to obtain electrochemical and optoelectrochemical sensors, by using the template synthesis as a microfabrication technique. In the first part, ensembles of nanoelectrodes (NEEs), obtained using a track-etched polycarbonate membrane as template, are functionalised in order to obtain electrochemical immunosensors. A biorecognition chain, antigen-antibody, is immobilized on the wide polycarbonate membrane letting uncovered the gold nanodisk electrodes. A label redox enzyme, linked to the biorecognition chain, is recognized and quantified electrochemically. Two different detection schemes are developed and low protein detection limits are achieved. In the second part, a macroporous micrometer sized opto-electrochemical sensor is developed on the distal face of an imaging fiber (coherent optical fiber bundle). A microwell array is obtained by controlled chemical etching, by exploiting the different chemical composition between cores and clads. Colloidal templates are created inside the microcavities, using polystirene beads of 280 nm. Gold is deposited inside the cavities, filling the void in the colloidal template, exploiting electroless and electrochemical deposition techniques. The gold macroporous structure inside the wells is successfully tested as SERS substrate.

La surveillance des structures de génie civil, afin d'en estimer l'état de santé, est un enjeu majeur pour les maîtres d'ouvrages. Les systèmes de mesures réparties par fibre optique, composés d'un interrogateur connecté à une fibre optique intégrée dans un câble, permettent de mesurer le profil de déformation avec un pas de mesure centimétrique et une portée kilométrique. Ils sont donc adaptés aux structures présentant de grands linéaires ou de grandes surfaces. Mais, avant tout déploiement industriel, il est nécessaire d'en évaluer leurs performances. Du fait de la déformation par cisaillement du revêtement du câble, le profil de déformation mesuré le long de la fibre optique n'est pas strictement identique à celui du matériau environnant. Une méthode, basée sur la mise en œuvre d'essais et de simulations numériques, a été développée afin de caractériser les mécanismes de transfert d'effort du milieu hôte à la fibre optique à travers le revêtement du câble. Cette méthode a été appliquée pour déterminer la réponse mécanique d'un câble particulier noyé dans le béton. Les performances métrologiques d'un système de mesure donné ont été évaluées sur la base d'une analyse d'essais « du laboratoire au terrain ». Cette étude a permis de quantifier les différentes composantes d'incertitude et d'estimer les performances du système de mesure complet. Enfin, le câble, noyé dans le béton, ne peut être remplacé. La connaissance de l'impact du vieillissement sur la réponse mécanique du câble est donc primordiale. Une étude spécifique est menée dont le but est d'estimer la durabilité du câble face aux sollicitations chimique, thermique et mécanique correspondant à une application donnée / Structural Health Monitoring is a key factor in life-cycle management of civil structures. Truly distributed fiber optic sensors, composed by an optoelectronic device paired with an optical fiber in a cable, provide strain profiles over several kilometers with a centimeter resolution. They are thus able to provide relevant information on large structures. However, a preliminary performance assessment is required prior to any industrial application. Due to shear deformation of the cable's protective coating, strain measurements provided by the measuring system may differ from actual strains in the embedding medium. A methodology, based on mechanical tests and modelling, was thus developed to determine the relationship between measured/actual strains. It was applied to determine the mechanical response of a specific cable embedded in concrete. Performance assessment method was applied to a specific measuring system. Tests were carried out under laboratory conditions on the fiber optic cable, out of the concrete medium in a first stage, and then embedded in concrete structures. It enabled to evaluate its components and standard uncertainties. The cable could not be replaced after being embedded in concrete. It is necessary to evaluate the ageing effects on its mechanical properties to use it for a long term period. A specific study was carried out to determine the cable durability under chemical, thermal and mechanical solicitations

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Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée. / Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder.