Nous étudions de façon expérimentale les mécanismes d'excitation et de relaxation électroniques, sous irradiation par impulsion laser (UV et IR) ultracourte (60 fs - 1 ps), dans les matériaux diélectriques à large bande interdite. Les régimes explorés vont de l'ionisation sans modification permanente (quelques TW/cm²) jusqu'au régime ablatif (dizaines de TW/cm²). L'objectif de ce travail à caractère fondamental est la compréhension du processus d'endommagement laser dans nos conditions d'irradiation. D'abord, la connaissance de la densité électronique du matériau irradié aux différents stades d'excitation permet la quantification de cette interaction. La technique d'interférométrie résolue en temps est utilisée pour mesurer de façon directe cette quantité d'excitation. Cette mesure, effectuée au seuil de claquage pour différentes durées d'impulsion remet en question l'utilisation de densité d'excitation critique comme critère universel d'endommagement. Un nouveau critère, lié à l'énergie échangée est proposé. D'autre part, l'utilisation d'un schéma expérimental à deux impulsions " pompes " a permis la distinction des mécanismes d'excitation intervenant à l'échelle temporelle de l'ordre de la durée des impulsions utilisées. Nos résultats indiquent des comportements différents selon les matériaux utilisés. L'existence d'une avalanche électronique est observée dans certains matériaux (SiO2, NaCl) alors que ceci n'est pas le cas pour d'autres (Al2O3, MgO). Ces différences seront discutées en détail. Ensuite, nous mesurons le spectre en énergie des électrons excités par une technique complémentaire : la spectroscopie de photoémission. Ces résultats ont permis d'une part de montrer l'existence d'un effet croisé entre deux impulsions " pompes " qui se traduit par une augmentation de l'énergie des photoélectrons et d'autre part la mesure des temps caractéristiques de relaxation des électrons selon leur énergie cinétique. Enfin, une étude morphologique des cratères résultants de l'ablation a été effectuée et ce pour différents paramètres d'irradiation avec une seule impulsion (nombre de tirs, énergie et durée de l'impulsion) ainsi que pour le cas de l'association de deux impulsions en fonction de leur délai.

L'acquisition d'images en comptage de photons du spectre visible, avec une grande précision sur la date de chaque photo événement, est particulièrement profitable pour les techniques d'observation au sol. Dans la première partie de cette thèse, après une revue des différentes techniques d'acquisition et de traitements des photoévénements, je présente un nouveau type de caméra à comptage, remarquable pour sa haute résolution temporelle et son haut flux maximum, la caméra DELTA (Détection d'Événements Lumineux par Trois Axes). Je décris le principe de cette caméra, ainsi que différentes solutions techniques (optique, électronique, informatique) qui pourraient être employées. J'expose également des nouvelles techniques de mesure et d'exploitation de l'information temporelle liée aux photoévénements. La seconde partie de mon travail concerne la détection et le suivi des franges en interférométrie stellaire optique à longue base au sol. Après une étude statistique du problème, je décris les différentes façons d'introduire dans les données de l'information a priori pour une meilleure efficacité de la détection. Une des méthodes proposées, utilisant l'information a priori sur le piston atmosphérique fait appel a une datation précise des photons, et par conséquent aux techniques décrites dans la première partie.

Avec des instruments toujours plus précis et performants, la détection et la caractérisation des exoplanètes sont devenues un domaine de recherche qui ne cesse de croître. Cependant, les données obtenues sont toujours dépendantes des paramètres des étoiles les abritant. Par exemple, les mesures de vitesse radiale permettent de déterminer le rapport Mp sin(i)/M*, tandis que la méthode des transits fournit Rp/R*. L'estimation du rayon stellaire avec une précision suffisante est donc un élément très important pour contraindre à la fois les paramètres de l'étoile et la masse minimale de l'exoplanète. Un autre phénomène, l'activité stellaire, ne doit pas être négligé car, comme l'ont prouvé de nombreux travaux sur les vitesses radiales, elle affecte le signal provoqué par les exoplanètes. Sa connaissance est aussi essentielle puisqu'elle renseigne sur l'évolution et la structure des étoiles. Plusieurs méthodes sont actuellement employées pour mesurer les paramètres stellaires : astérosismologie, spectrophotométrie, interférométrie. J'ai utilisé cette dernière méthode pour aborder le problème de la détermination des paramètres fondamentaux des étoiles hôtes sur deux aspects. J'ai effectué tout au long de ma thèse des observations avec VEGA/CHARA, un interférométre opérant dans le domaine visible et bénéficiant des plus longues bases du monde. Cela permet d'obtenir une résolution angulaire de 0.3 millisecondes d'arc, couplée à des précisions de 1−3% sur les diamètres. En utilisant des formules empiriques, j'en ai déduit les paramètres d'un échantillon de 17 étoiles : rayon linéaire, masse, température effective. Cet échantillon comprend des étoiles hôtes, mais aussi des étoiles sans exoplanète connue à ce jour à titre de comparaison. Grâce aux précisions atteintes sur les paramètres, elles ont pu être placées sur le diagramme de Hertzsprung-Russell, et les masses minimales des exoplanètes qui en sont déduites se sont révélées en très bon accord avec les estimations obtenues avec d'autres méthodes. J'ai complété ce travail par la modélisation d'étoiles abritant une exoplanète en transit ou ayant une tache magnétique afin de quantifier l'impact qu'elles produisent sur les observables interférométriques (visibilités, phases et clôtures de phase). Pour cela, j'ai développé un code numérique incluant des formules analytiques servant à sonder les capacités de VEGA/CHARA à mesurer ces signaux, et ainsi rendre compte des améliorations à apporter sur un tel instrument. J'apporte aussi une analyse complète et plus globale des paramètres pouvant influencer la détection et la caractérisation des taches et exoplanètes, comme leur diamètre ou leur position sur le disque stellaire, en utilisant un interféromètre fictif. Il s'avère que pour des étoiles résolues abritant des exoplanètes ou taches assez grosses, les bases de CHARA sont assez grandes pour permettre leur détection. Par contre, la différence entre les deux signaux s'opère au-delà du 2ème lobe de visibilité et est surtout repérable dans les mesures de clôtures, et demeure donc pour l'instant hors d'atteinte de VEGA. Cette thèse englobe une partie importante du travail effectué généralement sur les étoiles hôtes car elle inclut l'analyse des paramètres stellaires, mais aussi l'activité stellaire, ce qui permet une meilleure caractérisation des exoplanètes et donne des perspectives sur les interféromètres futurs. À l'heure où la précision des instruments permettant de détecter des exoplanètes dépasse la précision disponible sur les paramètres des étoiles hôtes, l'étude des étoiles hôtes et des phénomènes qui perturbent la mesure de leurs paramètres devient cruciale si l'on veut faire progresser la connaissance sur les exoplanètes.

Le suivi de la déformation de la croûte terrestre durant la phase intersismique pour la recherche des transitoires nécessite des instruments précis capables d'opérer pour de très longues durées. Le projet ANR-LINES a visé le développement de trois nouveaux instruments : un sismomètre mono-axial, un inclinomètre hydrostatique à longue base et un inclinomètre de forage pendulaire. Ces trois instruments profitent d'un capteur interférométrique de déplacement à longues fibres optiques du type Fabry-Pérot Extrinsèque (EFFPI). Leurs architectures mécaniques et l'utilisation de longues fibres permettent à ces instruments géophysiques nouvellement fabriqués d'atteindre les objectifs fixés. Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l'estimation de la phase du chemin optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation homodyne du signal d'interférence et un filtre de Kalman permettent de déterminer la phase en temps réel. Les résultats sont convaincants pour des mesures de courtes durées mais exigent des solutions complémentaires pour se prémunir des effets de la variation des phénomènes environnementaux. Le capteur EFFPI intégré dans l'inclinomètre de forage LINES lui offre l'opportunité d'établir une mesure différentielle de l'oscillation de la masselotte pendulée grâce à trois cavités Fabry-Pérot. Le sismomètre LINES utilise lui aussi le capteur de déplacement EFFPI pour la mesure du déplacement de sa bobine. Une description de l'architecture mécanique de ces instruments et une analyse des phénomènes détectés (mouvements lents, marées, séismes, microséismes . . . ) font partie de cette thèse.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses. La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée. La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.<br />La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.<br />La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) est une nouvelle technologie innovante de spectrométrie qui permet une réduction radicale de la taille des spectromètres à Transformée de Fourier, tout en conservant, et même en améliorant leurs performances. Grâce aux avancées de l'optique intégrée et des nanotechnologies, SWIFTS repose sur une méthode de détection optique originale, sans aucune partie mobile, où des nanoplots métalliques échantillonnent directement le champ évanescent d'une onde stationnaire dans un guide d'onde.Dans cette thèse, nous proposons de présenter le cheminement complet qui a mené, en partant du concept original, au développement puis à la mise en pratique de la technologie SWIFTS. Le document illustre notamment les caractérisations optiques, les choix technologiques et les optimisations entrepris pour la réalisation de spectromètres fonctionnels dans le domaine visible et proche-infrarouge. Des procédures de calibrages novatrices et complémentaires, basées sur du multiplexage fréquentiel et sur de l'interférométrie à faible cohérence temporelle, ont été développées pour déterminer avec précision les différentes irrégularités de fabrication et de comportement de l'appareil complètement intégré. Les spectromètres calibrés permettent à présent d'aborder des applications diverses en industrie et en recherche, de la caractérisation hautes performances de lasers, à l'interrogation de capteurs fibrés à réseaux de Bragg, aux techniques de spectrométries Raman et LIBS, et de tomographie optique OCT, jusqu'aux sciences de l'Univers (géophysique, astrophysique).SWIFTS est une innovation de rupture qui, de part sa miniaturisation obtenue sans compromis avec de hautes performances d'analyse spectrale, a la capacité de faire passer la spectrométrie du stade de la mesure complexe en laboratoire à celle d'un simple composant intégré pour des applications exigeantes. / SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) is a new innovative technology of spectrometry that allows a drastic reduction of the size of Fourier transform spectrometers, while maintaining, and even improving their performance. With advances in integrated optics and nanotechnology, SWIFTS is based on an original method of optical detection, without any moving part, where metallic nanodots directly sample the evanescent field of a standing wave in a waveguide.In this thesis, we propose to present the complete process that led, starting from the original concept, to the development and the applications of the technology. The document illustrates the optical characterizations, the technological choices and the optimizations made for the realization of functional spectrometers in the visible and near-infrared range. Innovative and complementary procedures of calibrations, based on frequency multiplexing and low coherence interferometry, have been developed to accurately determine the various irregularities of the manufacturing and of the behavior of the integrated device. The calibrated spectrometers allow to address various applications in industry and research, such as high performance characterization of lasers, interrogation of fiber Bragg gratings sensors, Raman and LIBS spectrometry, optical coherence tomography OCT, and sciences of the Universe (geophysics, astrophysics).SWIFTS is a breakthrough innovation in spectrometry, without trade-off between miniaturization and high performance, that opens the way for product development based on the most demanding applications currently performed in research laboratories.

La décohérence dans les solides est un problème majeur vers la réalisation d'un processeur quantique basé sur l'utilisation de boîtes quantiques (BQs) semiconductrices comme qubits optiquement actifs. Mesurer et contrôler la cohérence optique de tels qubits s'avère donc primordial, tant d'un point de vue technologique que fondamental. Cependant, leurs tailles nanométriques, associées aux temps de vie sub-nanosecondes de leurs transitions optiques, rendent les mesures expérimentales très délicates.Ce travail de thèse propose une étude détaillée des mécanismes de déphasage et de couplage cohérent de complexes excitoniques fortement confinés dans des BQs InAs/GaAs individuelles. Pour réaliser ces mesures, j'ai développé une expérience de mélange à quatre ondes hétérodyne sensible à l'amplitude et à la phase du champ électrique émis par une BQ unique. Ce dispositif permet de mesurer le temps de vie et de cohérence d'un exciton unique, même en présence d'élargissement inhomogène. Pour augmenter l'interaction lumière-matière et l'efficacité d'extraction du signal, l'utilisation de nanostructures photoniques s'est avérée indispensable. La sensibilité optique du dispositif m'a permis d'étudier en détail les mécanismes d'interaction exciton-phonon, source importante de décohérence dans les solides, comme la formation du polaron acoustique, le couplage quadratique aux phonons acoustiques, et le déphasage induit pendant l'excitation. Par ailleurs, la réalisation de spectres bidimensionnels m'a permis de révéler le couplage cohérent entre différentes transitions excitoniques. Enfin, je présente un nouveau protocole de mélange multi-ondes permettant de contrôler la réponse cohérente d'un exciton unique que je propose d'appliquer sur une paire de BQs pour contrôler le couplage radiatif longue distance, étape fondamentale vers la réalisation d'une porte logique quantique dans les solides. / Decoherence in solids is a major issue towards the realization of a quantum processor based on semiconductor quantum dots (QDs) as optically active qubits. Measuring and controlling the optical coherence of such qubits is required in their fundamental studies, paving a way for technological applications. However, their nanometer size combined to the sub-nanosecond lifetime of their optical transitions, render experimental measurements very challenging.This thesis presents a detailed study of the dephasing mechanisms and the coherent coupling of excitonic complexes strongly confined in individual InAs/GaAs QDs. To achieve these measurements, I developed an heterodyne four-wave mixing experiment sensitive to the amplitude and phase of the electric field emitted by a single QD. With this setup one can measure the lifetime and the coherence time of a single exciton, even in the presence of inhomogeneous broadening. To increase the light-matter interaction and the extraction efficiency of the signal, the use of photonic nanostructures has proved to be necessary. The optical sensitivity of the setup allowed me to study in detail the mechanisms of exciton-phonon interaction, which is an important source of decoherence in solids, like the acoustic polaron formation, the quadratic coupling to acoustic phonons, and the excitation-induced dephasing. Furthermore, by inferring two-dimensional spectra, I demonstrate coherent couplings between various exciton complexes. Finally, I highlight a new multi-wave mixing protocol to control the coherent response of a single exciton, and I propose to employ it to control long-range radiative coupling between two QDs, which is a fundamental step towards achieving a quantum logic gate in solids.

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézo-électrique, ils offrent des potentialités en termes de production, de miniaturisation et d'intégration d'une électronique associée mais aussi en termes de performances. Néanmoins,leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ces balbutiements et la compréhension de leurs comportements nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Nous proposons, dans un premier temps, à l'aide d'un modèle numérique basé sur une mécanique linéaire de plaques multicouches, d'étudier l'effet des contraintes initiales sur le comportement statique. Dans un second temps, l'impact de la non-linéarité de la dynamique d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est étudiée en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Enfin, nous proposons une optimisation de l'excitation et l'utilisation de ces dispositifs en régime forcée pour la génération d'onde basse fréquence dans l'air et dans l'eau. / Capacitive tvIicromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) are today a new alternative for the generation of ultrasonic waves. Compared lo the piezoelectric technology, theyoffer some potentialities in terms of reliability, production, miniaturization and electronicintegration but also in term of acoustic performance. Nevertheless, their implementationis relatively new and the understanding of their static and dynamic behaviors needs to bestudied further. This is in this context that this PhD is developed. We propose, in a firsttime, with the help of a numeric model based on the linear mechanic theory of multilayeredplates, to study the impact of initial stresses on the static behavior. In a second time, the impact of the nonlinearity on the dynamic of the cell first, and a cell array next, is studiedwith the help of a temporal model and measurements made by laser interferometry both.Finally, thanks to this dynamic study, a new operation mode of cMUTs is identified andverified. This one is based on the use of forced regime in air and water of these device togenerate low frequencies ultrasonic waves.

Ces travaux concernent l’étude expérimentale des textures se développant dans les ménisques de films smectiques de cristaux liquides thermotropes. Ces fluides complexes nous servent de système modèle pour l’étude des couplages élasto-capillaires qui se manifestent dans certaines conditions par des déformations périodiques de l’interface cristal liquide-air. Dans un premier temps, à partir de l’étude détaillée de la topographie de l’interface par une méthode interférométrique, nous caractérisons les différents types de structures, puis, identifions les principaux paramètres impliqués dans le processus d'apparition des défauts dans le ménisque de films libres suspendus. Ces résultats nous servent de base pour discuter des mécanismes physiques qui génèrent les différents types de défauts observés. Nous regardons en particulier, comment la diminution d’épaisseur de couche associée à une transition de phase va induire une instabilité mécanique responsable de l’apparition des ondulations de l’interface. Dans un deuxième temps, afin d’aller plus loin dans la compréhension des mécanismes, nous avons utilisé des films minces de cristaux liquides déposés sur des substrats solides microstructurés par des plots fabriqués par des techniques photolitographiques. Une telle géométrie permet de générer un ménisque autour de chaque plot et surtout de faire varier un plus grand nombre de paramètres comme par exemple l’ancrage sur le substrat via un traitement chimique de surface. L’ensemble de nos résultats apportent un éclairage nouveau sur la caractérisation et la compréhension des déformations spécifiques aux ménisques de fluides complexes. / The present work is an experimental study of the textures that appear in the meniscus of free standing smectic films with thermotropic liquid crystals. These complex fluids serve as model systems to investigate elasto-capillary phenomena which, under certain conditions, manifest themselves through periodic deformations of the liquid crystalair interface. In the first part of the thesis, we focus our attention on meniscus structures whose interfacial topographies are thoroughly characterized thanks to an in-house optical interferometry technique. Our study allows us to identify the main parameters involved in the development of meniscus structures and to discuss the physical mechanisms that are likely to be responsible for their formation. In particular, we show how a phase transition-induced layer shrinkage triggers a mechanical instability leading to interfacial undulations of the smectic free surface. In the second part of the manuscript, we address the case of thin liquid crystal films deposited on solid patterned solid substrates. The latter consist of regular arrays of microposts fabricated through photolithographic techniques. Such a geometry allows a meniscus to be formed around each micropost and makes it possible to examine the influence of other parameters such as the anchoring conditions on the solid substrate. The results gathered so far are able to shed some light on the characterization and the understanding of the specific deformations and textures that appear in the menisci of complex fluids.