Ce travail porte sur une nouvelle approche de la dosimétrie des rayonnements ionisants par mesure de fluorescence résolue en temps. Nous avons montré qu'il était possible de corréler la dose reçue par un scintillateur à la quantité de lumière émise par celui-ci, lorsque celle-ci est mesurée selon la technique de comptage de photon unique. D'un point de vue fondamental, nous avons décrit les différents processus conduisant à l'émission de lumière par un milieu lorsque celui-ci est traversé par un rayonnement ionisant. Nous nous sommes servis, entre autres, du modèle de Voltz qui décrit le comportement temporel de l'émission de fluorescence, notamment en explicitant celle-ci comme l'addition d'un processus rapide et d'un processus différé. Le développement d'une plateforme d'expérience multimodale nous a permis de mesurer, de manière innovante, la quantité de lumière émise sous différents transferts linéique d'énergie. Cette plateforme permet notamment l'étude cinétique, à l'échelle nanoseconde sous irradiation continue et à différentes températures, des phénomènes qui sont à l'origine de la fluorescence différée. D'un point de vue dosimétrie, nos résultats montrent, d'une part, que cette méthodologie permet d'obtenir, en hadronthérapie, des profils de doses mieux définis que les méthodes de mesures traditionnellement utilisées. D'autre part, un prototype de dosimètre, également développé durant ce travail, basé sur l'utilisation de fibres optiques scintillantes, a montré des résultats prometteurs quant à la possibilité d'utiliser cette technique de mesure dans la dosimétrie X et gamma en milieu médical.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans la problématique générale de la formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre. Nous avons mené une étude expérimentale sur un laser Raman à fibre oscillant dans une cavité Pérot-Fabry fermée par des miroirs de Bragg. Cette étude montre que la forme du spectre optique diffère selon la puissance du laser. En développant différents modèles, nous avons montré que les miroirs de Bragg sont à l'origine de ce changement de forme du spectre optique. En particulier, à faible puissance, la forme asymétrique du spectre provient d'effets dispersifs lors de la réflexion sur les miroirs de Bragg. A forte puissance, ces effets dispersifs sont dominés par les effets de filtrage des miroirs, ce qui conduit à la symétrisation du spectre du laser observée dans notre expérience. Par ailleurs, nous avons également étudié numériquement la statistique du champ Stokes intracavité. Nous avons montré que celle-ci change fortement selon que l'onde Stokes est incidente ou réfléchie par les miroirs de Bragg. Ce résultat nous a permis de questionner la validité d'un modèle récemment publié sur la formation du spectre optique du laser Raman à fibre. Ce modèle s'appuie sur les outils de la théorie cinétique des ondes, valable uniquement dans le cas de champs possédant une statistique gaussienne. Toutefois, notre étude numérique indique que cette condition n'est pas respectée dans le laser Raman à fibre, et la forme du spectre optique observé dans notre étude expérimentale s'oppose fortement à celle prédite par cette approche statistique de la formation du spectre optique du laser Raman à fibre.

Le domaine des communications par fibres optiques est actuellement caractérisé par une augmentation de la demande en terme de capacité de transmission. On cherche à transmettre de plus en plus de données et de nouvelles applications voient le jour. Il persiste toutefois certaines limitations, comme les effets dispersifs, qui dégradent les performances des transmissions. Parmis ces effets, la Dispersion de Mode de Polarisation (PMD) est un élargissement temporel des signaux lié à la dépendance de la vitesse de groupe à la polarisation. Il existe deux approches pour s'affranchir des effets de la PMD. La première consiste à la compenser en ligne. La seconde approche, que nous avons abordée dans cette thèse, consiste à obtenir des faibles PMD en intervenant au niveau du processus de fabrication de la fibre. La première étape de notre travail a consisté à modéliser la biréfringence, phénomène à l'origine de la PMD. Nous avons mis en valeur l'impact non négligeable sur la biréfringence des contraintes mécaniques engendrées dans la fibre lors de la fabrication. La seconde étape a concerné l'étude de l'effet d'une rotation périodique de la fibre sur la PMD. Nous avons montré que lorsque cette rotation est triangulaire, la réduction de la PMD est importante. Enfin, dans un troisième temps, nous avons utilisé deux méthodes de mesure, afin de caractériser la biréfringence et la rotation de la fibre. Cela nous a permis d'apporter certains éléments de validation aux résultats obtenus dans les deux premières parties. De cette étude, nous avons dégagé des règles simples qui nous ont permis de réduire la PMD des fibres à fortes biréfringences.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font parti de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apporté par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 μm en utilisant des fibres à cristal photonique.

La détection optique cohérente et le traitement numérique du signal sont au coeur de la nouvelle génération de systèmes de transmission sur fibre. Ces systèmes utilisent des formats de modulation à grande efficacité spectrale et sont très robustes à la propagation sur le canal de transmission optique. Ils offrent ainsi aux opérateurs de télécommunications les moyens de décupler la capacité de leurs réseaux de transport tout en conservant leurs infrastructures fibre existantes. Cette thèse développe différentes problématiques relatives à la conception de fonctions numériques pour les récepteurs optiques à détection cohérente fonctionnant aux débits de 100 Gbit/s et au-delà. Elle aborde les aspects de complexité calculatoire de l'égalisation numérique du canal optique, puis évalue l'apport des techniques dans le domaine fréquentiel en vue de rendre les traitements compatibles avec les contraintes matérielles de la mise en oeuvre à très haut débit. Le second point étudié concerne les difficultés potentielles de l'utilisation du multiplexage en polarisation. La dernière partie de la thèse traite de l'étude conjointe des fonctions d'égalisation et de synchronisation porteuse et phase pour l'application aux formats de modulation à très grande efficacité spectrale.

La mesure <i>in vitro</i> de la sérotonine (5-HT) est effectuée par un capteur chimique à fibre optique (FOCS) par fluorescence induite par laser et résolue en temps. Les propriétés photophysiques de la 5-HT sont analysées: un état émissif de la 5-HT non décrit par la littérature a été mis en évidence. L'ordre de grandeur de la limite de détection de 5-HT est de 5 µm, bien loin des concentrations extracellulaires cérébrales <i>in vivo</i>. Les mesures <i>in vivo</i> au niveau du cortex (Cx) et du noyau du raphé dorsalis (nRD) chez le rat non anesthésie et libre de ses mouvements sont réalisées par ce même FOCS. Deux pics de fluorescence sont détermines au niveau du Cx et du nRD : un situé à 390 nm et l'autre centre sur 460 nm. Le premier pic n'a pas l'attribution moléculaire fiable. Les données spectroscopiques et la littérature de l'autofluorescence des tissus cérébraux permettent une attribution moléculaire fiable du pic mesuré à 460 nm: il provient du NADH endogène. Quelques résultats préliminaires ont été obtenus avec le FOCS dans les deux structures cérébrales pendant les divers états de vigilance. Au niveau du nRD dans la partie antérieure et ventrale, une augmentation de la fluorescence (460nm) a été observée lors du sommeil à onde lente (SWS) et du sommeil paradoxal (PS). En outre une augmentation importante et très rapide de la fluorescence (460nm) a été mesurée lors de la mort de l'animal.

Ce mémoire présente les travaux effectués sur le développement d'un dispositif tout-optique de contrôle de l'état de polarisation de la lumière, appelé attracteur de polarisation. En effet, cette caractéristique de la lumière demeure une variable incontrôlable qui peut dégrader les performances des dispositifs tout-optiques. Basé sur l'interaction non linéaire entre deux ondes contrapropagatives au sein d'une fibre optique, ce dispositif permet de contrôler l'état de polarisation de la lumière sans pertes dépendantes de la polarisation.Il est tout d'abord effectué une étude approfondie des propriétés de l'attracteur de polarisation qui conduit au contrôle et à la stabilisation de l'état de polarisation d'un flux de données optiques aux formats NRZ et RZ cadencé à 10 Gb/s dans des fibres de plusieurs kilomètres. Par la suite, cette fonction de régénération tout-optique est associée à d'autres fonctions de régénération telles que l'amplification Raman et le régénérateur de Mamyshev dans le but de régénérer des flux de données optiques à des débits supérieurs à 10 Gb/s.Enfin, une extension de l'attracteur de polarisation, appelé Omnipolariseur, est étudiée où la lumière interagit avec elle-même grâce à un dispositif de réflexion inséré à l'autre extrémité de la fibre optique. La lumière est alors capable d'auto-organiser son état de polarisation, ce qui démontre la capacité de l'Omnipolariseur par exemple à stabiliser l'état de polarisation d'un flux de données optiques RZ à 40 Gb/s à 1550 nm

Ce travail de thèse concerne l'étude du processus d'instabilité modulationnelle (MI) dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion périodique. La MI est un phénomène bien connu mais la majorité des études réalisées dans le contexte des fibres optiques concerne le cas de dispersion uniforme axialement. L'objectif de ces travaux est de démontrer expérimentalement l'établissement de la MI dans une fibre optique micro-structurée (PCF) dont la dispersion varie de façon sinusoïdale. La première partie présente les principales caractéristiques des fibres optiques et les principaux processus physiques mis en jeu, ainsi que les outils de simulations numériques employés. La seconde partie débute par une présentation du contexte de l'étude et est ensuite consacrée aux résultats. Tout d'abord, nous introduisons le concept du mécanisme de quasi-accord de phase (QPM) dans les systèmes périodiques longitudinaux. Ensuite, nous présentons la démonstration expérimentale du processus de MI dans ce type de fibre. Le spectre obtenu est composé de dix lobes de MI sur 10 THz. De plus, nous proposons une description détaillée de la dynamique de formation des différents lobes de MI. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement la génération d'une nouvelle famille de lobes de MI due à une combinaison entre la dispersion oscillante et la dispersion d'ordre quatre. Enfin, cette seconde partie est clôturée par l'élaboration d'un outil analytique, basé sur le modèle à trois ondes tronqué. Il permet d'interpréter simplement la dynamique de formation des lobes de MI et de contrôler le spectre de MI d'une fibre à dispersion oscillante.

Les cavités de silice, comme les microsphères ou les microtores intégrés sur puce, définissent des modes de galerie, de facteur de qualité extrêmement élevé et de faible volume modal. Elles ont suscité un fort intérêt depuis deux décennies et trouvent des applications pour la QED en cavité, les microlasers, ou les senseurs de biomolécules. Cette thèse décrit la réalisation d'un microlaser à seuil ultra-bas fondé sur des nanocristaux de Nd3+:Gd2O3 (NCs), qui sont incorporés à la surface de la cavité. Nous démontrons une nouvelle méthode de cartographie de la distribution du champ électromagnétique, fondée sur le coupleur à fibre étirée (taper) utilisé pour l'excitation en onde évanescente. Cela fournit un moyen commode pour localiser et exciter sélectivement des modes de faible volume.De plus, nous démontrons une technique de mesure en temps réel de la caractéristique laser, qui utilise la bistabilité thermique des microcavités et permet une optimisation rapide et efficace des conditions de couplage taper-cavité. Un fonctionnement laser monomode à 1088 nm est obtenu pour une microsphere de 40 µm de diamètre, comprenant des Nd3+:Gd2O3 NCs pompés à 802 nm, avec un seuil de 65 nW. Le plus bas seuil observé, de 40 nW, est à notre connaissance le seuil le plus faible jamais obtenu pour des terres rares. Le facteur de qualité de ces cavités actives atteint 10^8 à la longueur d'onde d'émission, favorisant l'obtention un microlaser dont le spectre est extrêmement fin. Enfin, sur un microtore formé de silice dopée par implantation ionique, nous avons obtenu un laser monomode à 909 nm avec un seuil de 210 nW.

Les filtres optiques à bande latérale unique auto-accordables en longueur d'onde (BLU-AA) s'offrent comme un moyen de compenser les effets de la dispersion chromatique dans les systèmes nécessitant le transport radio-sur-fibre. Les travaux présentés recouvrent l'étude de ces filtres depuis leur élaboration et leur modélisation jusqu'à leur validation dans des expérimentations système hybrides fibre-radio. Un faisceau optique de commande à la longueur d'onde 1,55 µm peut générer par illumination contra-directionnelle un miroir de Bragg dynamique dans un barreau photoréfractif de phosphure d'indium dopé au fer (InP:Fe). Le miroir ainsi généré diffracte un signal dont la longueur d'onde est proche de la longueur d'onde de commande. C'est sur cette base que nous avons conçu les filtres BLU-AA. Le signal d'entrée de ces composants présente un spectre à double bande latérale (DBL) provenant d'une porteuse optique modulée à une fréquence radio. Ce signal est partagé en deux faisceaux d'égales puissances sur les deux accès (signal et commande) du filtre. Chacune des trois composantes du spectre de la commande génère un réseau de Bragg dont seulement deux sont utiles. Lorsque l'angle d'injection des faisceaux d'entrée est correctement ajusté, les réseaux utiles diffractent deux des composantes du signal fournissant le spectre BLU désiré. Si l'angle d'injection détermine la fréquence centrale de fonctionnement du filtre BLU-AA, ce composant dont les réseaux sont dynamiques fonctionne quelle que soit la longueur d'onde du signal à filtrer, dans la mesure où celle-ci se situe dans la fenêtre de transmission autour de 1,55 µm. Une fois ce concept posé, nous avons développé un modèle des filtres BLU-AA et des composants ont été montés puis caractérisés ce qui a permis de vérifier le principe énoncé. En outre, nous avons validé le modèle par confrontation avec les résultats de la caractérisation et les spectres BLU obtenus sont conformes au calcul théorique. Dès lors, la vérification de la compensation des effets de la dispersion chromatique fut la première étape des expérimentations système. Ceci fut fait aussi bien dans le domaine des ondes centimétriques avec des signaux optiques modulés à la fréquence 16 GHz, que dans le domaine millimétrique à la fréquence 31,5 GHz. Finalement deux transmissions de données à 140 Mbit/s comportant à la fois une transmission par fibre optique (sur 14 km) et un bond radio (de 1 m) furent mises en place. Ces deux expérimentations empruntaient la fréquence radio de 16 GHz. Dans le cas d'un signal BLU unique comme dans celui de deux canaux WDM-BLU issus du même filtre BLU-AA, des mesures de taux d'erreur binaire ont prouvé la qualité des liaisons mises en place.