Dans le cadre d'une thèse financée par la région Bretagne, nous nous sommes attachés à mettre en évidence la possibilité d'utiliser la polarimétrie de Mueller comme outil d'investigations biomédicales. Cette technique, utilisant les propriétés de la polarisation de la lumière, permet une exploration non invasive des tissus biologiques en s'appuyant sur des agents de contraste naturels. La première partie de notre étude a été le développement du polarimètre, montage expérimental complet permettant la mesure de la matrice de Mueller du milieu d'étude. Après avoir choisi les éléments optiques adéquats (polariseurs en verre dichroïque, lames de phase entrainées en rotation par des moteurs pas à pas) ainsi que la source (diode laser à 808 nm) et le détecteur (caméra CCD 795x596 pixels avec objectif de 28 mm), nous nous sommes concentrés à optimiser le système d'acquisition de la matrice de Mueller. En effet, lors de la mesure, des perturbations qui constituent le " bruit expérimental " viennent limiter la précision du système. Nous distinguons deux sources d'incertitude distinctes : les erreurs aléatoires, inhérentes à l'expérience, et les erreurs systématiques, liées à la qualité intrinsèque des composants optiques et à leurs défauts de positionnement. En interférant avec le signal étudié, ces erreurs de mesure justifient l'importance d'un étalonnage rigoureux du polarimètre. Nous avons alors appliqué différentes méthodologies permettant de réduire grandement les effets néfastes de ces erreurs de mesure. D'un côté, une méthode de surdétermination du système (64 mesures d'intensités en réalisant 64 combinaisons angulaires des orientations des lames quart d'onde) permet de minimiser les erreurs aléatoires. Ces 64 combinaisons angulaires ont été judicieusement choisies grâce à la minimisation du nombre de conditionnement associé à la matrice de passage du système. Pour atténuer l'influence des erreurs systématiques, nous avons réalisé un repérage des axes neutres des lames quart d'onde précis au millième de degré près. Puis, nous avons utilisé une méthode de recherche des paramètres réels des lames de phase (retard et ellipticité). Pour pouvoir estimer les incertitudes de mesure liées à une matrice de Mueller expérimentale, nous pouvons mettre sous la forme d'une matrice de Mueller les écarts type statistiques mesurés pour chacune des 64 intensités. Nous pouvons alors évaluer les matrices de Mueller des erreurs aléatoires et systématiques. En réduisant au maximum ces matrices d'erreurs lors d'une mesure de la matrice de Mueller du système à vide, nous pouvons considérer notre polarimètre comme étant correctement étalonné. La dernière étape de ce travail a consisté à implanter un système imageur sur notre polarimètre. Grâce à des systèmes de mise en forme du faisceau (système de diaphragme et d'un couple de lentilles convergentes) et de réduction du bruit de speckle (film diffuseur homogène sur disque tournant), nous pouvons alors utiliser notre polarimètre en imagerie afin de pouvoir caractériser des milieux biologiques. La deuxième partie de notre étude s'est portée sur l'analyse et l'interprétation de la matrice de Mueller. Une fois celle-ci mesurée, il faut introduire des techniques d'extraction de l'information polarimétrique. Pour cela, nous utilisons la technique de décomposition de la matrice de Mueller en éléments simples de polarisation. L'information de polarisation contenue dans la matrice est alors modélisée en termes de dichroïsme (modifications d'amplitude du champ électrique), de biréfringence (modifications de phase du champ électrique) et de dépolarisation (action non déterministe). Pour l'étude de milieux complexes que sont les tissus biologiques, il est impératif d'utiliser une décomposition qui modélise au mieux les propriétés du milieu (configuration expérimentale, nombre et ordre des effets optiques simples) et qui minimise l'influence des erreurs de mesure. Nous avons pour cela introduit une procédure de génération de bruit pseudo expérimental afin de pouvoir inspecter, sur des matrices théoriques et expérimentales, la propagation des erreurs sur les paramètres polarimétriques calculés grâce aux quatre algorithmes existants (classique, inverse, normal et symétrique). Notre étude a alors montré qu'aucune de ces décompositions n'étaient adapté à l'étude de milieux diffusants en rétrodiffusion (configuration expérimentale choisie pour l'étude des tissus biologiques). Nous avons alors opté pour l'utilisation d'une nouvelle décomposition dite " hybride " qui permet à la fois de modéliser parfaitement la géométrie des milieux biologiques et de propager les erreurs expérimentales de manière satisfaisante. Cet algorithme hybride nous a également permis de mettre au point une procédure de détermination de la décomposition adéquate. En effet, si cet algorithme permet de traiter tous les systèmes physiques, il peut également servir à identifier le nombre et l'ordre des effets optiques élémentaires et ainsi minimiser l'influence des incertitudes expérimentales en utilisant des décompositions plus simples (classique et inverse). La troisième et dernière partie de notre étude s'est donc attachée à l'étude polarimétrique de tissus biologiques. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'étude du syndrome cutané d'irradiation aiguë. Les différentes études ont montré que le phénomène d'irradiation engendrait une baisse de la dépolarisation ainsi qu'une perte de son caractère anisotrope, phénomènes constatés lors d'altérations des fibres de collagène. Nous avons également mis en évidence la dépendance de la réponse polarimétrique à la longueur d'étude. En effet, la discrimination entre échantillon sain et échantillon irradié (même faiblement) se fait plus efficacement en utilisant des hautes longueurs d'onde (λ > 800 nm). En revanche, pour discriminer les échantillons irradiés suivant la dose reçue, une investigation plus en surface (λ < 600 nm) semble donner des résultats plus satisfaisants. Enfin, nous avons utilisé l'imagerie polarimétrique pour l'étude de la fibrose hépatique. L'interprétation statistique des images acquises a permis de montrer que la polarimétrie de Mueller semble permettre la discrimination des différents stades de fibrose. Les paramètres de dépolarisation semblent permettre la discrimination entre le foie sain et les premiers stades de fibrose (F1-F2). L'information de dispersion sur les paramètres de retard (retardance et azimut associé) permet la discrimination entre échantillons cirrhosés (F4) et non cirrhosés (F0 à F3).

Les spin-lasers sont des dispositifs semi-conducteurs dans lesquels les processus de recombinaison radiative impliquant des porteurs polarisés en spin résultent en une émission de photons polarisés circulairement. Néanmoins, des anisotropies linéaires supplémentaires dans la cavité conduisent généralement à une émission laser préférentiellement polarisée linéairement et à un éventuel couplage entre modes. Dans cette thèse, une méthode générale pour la modélisation de lasers à semi-conducteurs tels que laser à surface verticale (externe) à cavité et contenant des puits quantiques multiples et impliquant des anisotropies pouvant révéler (i) une biréfringence linéaire locale due au champ de déformation à la surface ou (ii) une biréfringence dans les puits quantiques due au couplage d'amplitude de phase provenant de la réduction du D2d biaxial au groupe de symétrie C2v aux interfaces semiconductrices ternaires III-V. Une nouvelle méthode récursive à matrice S de diffusion est mise en œuvre en utilisant un tenseur de gain dérivé analytiquement des équations de Maxwell-Bloch. Il permet de modéliser les propriétés de l'émission (seuil, polarisation, dédoublement de mode) du laser avec plusieurs zones actives à puits quantiques en recherchant les modes propres résonnants de la cavité. La méthode est démontrée sur des structures laser réelles et est utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de déformation de surface et de puits quantiques en accord avec des expériences. La méthode est généralisée pour trouver les modes propres au laser dans le cas le plus général des pompes polarisées circulaires (déséquilibre entre les canaux de spin-up et de spin-down) et le dichroïsme à gain linéaire. De plus, la mesure de la matrice de Mueller 4x4 complète pour des angles d'incidence multiples et des angles azimutaux dans le plan a été utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de couches contraintes superficielles et de puits quantiques. Une telle dépendance spectrale des éléments tensoriels optiques est cruciale pour la modélisation des modes propres du laser de spin, les conditions de résonance, et aussi pour la compréhension des sources d'anisotropies de structure. / Spin-lasers are semiconductor devices in which the radiative recombination processes involving spin-polarized carriers result in an emission of circularly polarized photons. Nevertheless, additional linear in-plane anisotropies in the cavity generally lead in preferential linearly-polarized laser emission and to possible coupling between modes. In this thesis, a general method for the modeling of semiconductor laser such as vertical-(external)-cavity surface-emitting laser containing multiple quantum wells and involving anisotropies that may reveal i) a local linear birefringence due to the strain field at the surface or ii) a birefringence in quantum wells (QWs) due to phase amplitude coupling originating from the reduction of the biaxial D2d to the C2v symmetry group at the III-V ternary semiconductor interfaces. A novel scattering S-matrix recursive method is implemented using a gain tensor derived analytically from the Maxwell-Bloch equations. It enables to model the properties of the emission (threshold, polarization, mode splitting) from the laser with multiple quantum well active zones by searching for the resonant eigenmodes of the cavity. The method is demonstrated on real laser structures and is used for the extraction of optical permittivity tensors of surface strain and quantum wells in agreement with experiments. The method is generalized to find the laser eigenmodes in the most general case of circular polarized pumps (unbalance between the spin-up and spin-down channels) and linear gain dichroism. In addition, the measurement of full 4x4 Mueller matrix for multiple angles of incidence and in-plane azimuthal angles has been used for extraction of optical permittivity tensors of surface strained layers and quantum wells. Such spectral dependence of optical tensor elements are crucial for modeling of spin-laser eigenmodes, resonance conditions, and also for understanding of sources of structure anisotropies.

ilieu, dans le but de déterminer ses propriétés de dichroïsme, de biréfringence et de dépolarisation. Jusqu'à présent, ces instruments utilisaient une génération séquentielle des multiples états de polarisation nécessaires au calcul d'une matrice de Mueller, leur temps d'acquisition étant donc limité à la milliseconde. Nous proposons dans cette thèse de développer le premier polarimètre de Mueller dont le codage de la polarisation est effectué dans le domaine spectral, ce qui permet une génération parallèle des états de polarisation. Le temps d'acquisition d'une matrice de Mueller est alors limité par le temps d'intégration du détecteur, qui peut être potentiellement très court. L'objet de la thèse a été dans un premier temps de valider expérimentalement un polarimètre de Mueller par codage en longueur d'onde, que nous avons dénommé "le polarimètre de Mueller instantané". Il s'agit d'utiliser une source large bande (10nm), des lames de phases d'ordre élevé et un spectromètre couplé à une caméra CCD pour disperser tous les états de polarisation. L'étalonnage de l'instrument a été effectué, et s'appuie sur une modélisation détaillée des composants optiques utilisés dans le montage. La précision du polarimètre a été évaluée à 3%, grâce à des mesures sur des milieux connus. La stabilisation du polarimètre a également été envisagée, pour prendre en compte les dérives dues à la température et aux contraintes appliquées à la fibre optique. Enfin, deux pistes théoriques d'optimisation ont été proposées, à savoir le choix idéal de la configuration d'épaisseur des lames de phase et l'utilisation d'un polarimètre à deux voies de détection. L'instrument a ensuite été utilisé pour caractériser de manière statique et dynamique des cellules à cristaux liquides ferroélectriques (pure et stabilisée par polymère) en dispositif SSFLC. Cela a permis d'une part, de prouver que l'exploitation de la matrice de Mueller est avantageuse pour évaluer des organisations moléculaires dans ces échantillons, grâce à la variété d'information qu'elle propose. Puis, ces études ont également prouvé la faisabilité d'acquérir simplement et avec une bonne résolution temporelle des dynamiques de réorientations rapides ( ∼ 100μs ) avec le polarimètre instantané. Nous avons ainsi été capables en particulier de mettre en évidence le mouvement des couches smectiques lors d'une transition "up"/"down" dans une cellule SSFLC.

CE TRAVAIL AVAIT POUR OBJECTIF DE MONTRER LA POSSIBILITE D'UTILISER DES METHODES OPTIQUES DANS L'INVESTIGATION BIOPHYSIQUE NON INVASIVE DU SYNDROME CUTANE D'IRRADIATION AIGUË, POUR DES DOSES D'IRRADIATION RELATIVEMENT FAIBLES. <br /> LA PREMIERE PARTIE REVIENT SUR LES MOTIVATIONS QUI ONT ABOUTI AU CHOIX DE LA POLARISATION COMME AGENT DE CONTRASTE DANS LE CADRE DE CETTE ETUDE. NOUS AVONS ALORS OPTE POUR LA POLARIMETRIE DE MUELLER, TECHNIQUE ADAPTEE A L'ETUDE D'UN MILIEU DEPOLARISANT TEL QUE LA PEAU.<br /> LA DEUXIEME PARTIE POSE LES BASES THEORIQUES DANS L'INTERPRETATION DES RESULTATS OBTENUS A PARTIR DE LA MESURE DE LA MATRICE DE MUELLER D'UN MILIEU. LA LECTURE DE CETTE DERNIERE N'ETANT PAS IMMEDIATE, UN ALGORITHME DE DECOMPOSITION ET DE CLASSIFICATION DES MATRICES DE MUELLER DEPOLARISANTES ET NON DEPOLARISANTES A ETE DEVELOPPE. CELUI-CI EST VALIDE SUR UNE SERIE D'ECHANTILLONS DE NATURES TRES DIVERSES.<br /> LA TROISIEME PARTIE PRESENTE LE POLARIMETRE ET LES RESULTATS, ANGULAIRES ET SPECTRAUX, OBTENUS SUR DES ECHANTILLONS DE PEAU IRRADIES OU IL N'Y A AUCUN SIGNE CLINIQUE VISIBLE. EN UTILISANT L'ALGORITHME PRECEDENT NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE DEUX AGENTS DE CONTRASTE POLARIMETRIQUE QUI SEULS OU COMBINES APPORTENT UNE INFORMATION SUR LE TAUX D'IRRADIATION. CES RESULTATS SONT CONFORTES PAR UNE ETUDE HISTOLOGIQUE MENEE EN PARALLELE PAR L'IRSN. NOUS AVONS AINSI MONTRE QUE LA POLARISATION PEUT ETRE UN AGENT DE CONTRASTE POUR DE FAIBLES DOSES D'IRRADIATION.<br /> LA DERNIERE PARTIE MONTRE L'INTERET D'UTILISER EN COMPLEMENT A LA POLARIMETRIE UNE METHODOLOGIE D'OPTIQUE COHERENTE (SPECKLE, TOMOGRAPHIE PAR COHERENCE OPTIQUE) POUR LOCALISER LES ALTERATIONS CUTANEES.

Les travaux réalisés au cours cette thèse ont eu comme objectif l’étude de l’interaction de la lumière polarisée avec des milieux et des particules diffusants. Ces travaux s’inscrivent dans un contexte collaboratif fort entre le LPICM et différents laboratoires privés et publics. Des aspects très variées ont été traités en profondeur dont le développement instrumental, la simulation numérique avancée et la création de protocoles de mesure pour l’interprétation de donnés à caractère complexe.La partie instrumentale de la thèse a été consacrée au développement d’un instrument novateur, adapté à la prise d’images polarimétriques à différents échelles (du millimètre au micron) pouvant être rapidement reconfigurable pour offrir différents modes d’imagerie du même échantillon. Les deux aspects principaux qui caractérisent l’instrument sont i) la possibilité d’obtenir des images polarimétriques réelles de l’échantillon et des images de la distribution angulaire de lumière diffusé par une zone sur l’échantillon dont sa taille et position peuvent être sélectionnée par l’utilisateur à volonté, ii) le contrôle total de l’état de polarisation, de la taille et de la divergence des faisceaux utilisés pour l’éclairage de l’échantillon et pour la réalisation des images de celui-ci. Ces deux aspects ne se trouvent réunis sur aucun autre appareil commercial ou expérimental actuel.Le premier objet d’étude en utilisant le polarimètre imageur multimodal a été l’étude de l’effet de l’épaisseur d’un milieu diffusant sur sa réponse optique. En imagerie médicale il existe un large consensus sur les avantages de l’utilisation de différentes propriétés polarimétriques pour améliorer l’efficacité de techniques optiques de dépistage de différentes maladies. En dépit de ces avantages, l’interprétation des observables polarimétriques en termes de propriétés physiologiques des tissus se trouve souvent obscurcie par l’influence de l’épaisseur, souvent inconnue, de l’échantillon étudié.L’objectif des travaux a été donc, de mieux comprendre la dépendance des propriétés polarimétriques de différents matériaux diffusants avec l’épaisseur de ceux-ci. En conclusion, il a été possible de montrer que, de manière assez universelle, les propriétés polarimétriques des milieux diffusants varient proportionnellement au chemin optique que la lumière a parcouru à l’intérieur du milieu, tandis que le dégrée de polarisation dépend quadratiquement de ce chemin. Cette découverte a pu être ensuite utilisée pour élaborer une méthode d’analyse de données qui permet de s’affranchir de l’effet des variations d’épaisseur des tissus, rendant ainsi les mesures très robustes et liées uniquement aux propriétés intrinsèques des échantillons étudiés.Un deuxième objet d’étude a été la réponse polarimétrique de particules de taille micrométrique. La sélection des particules étudiées par analogie à la taille des cellules qui forment les tissus biologiques et qui sont responsables de la dispersion de la lumière. Grâce à des mesures polarimétriques, il a été découvert que lorsque les microparticules sont éclairées avec une incidence oblique par rapport à l’axe optique du microscope, celles-ci semblent se comporter comme si elles étaient optiquement actives. D’ailleurs, il a été trouvé que la valeur de cette activité optique apparente dépend de la forme des particules étudiées. L’explication de ce phénomène est basée sur l’apparition d’une phase topologique dans le faisceau de lumière. Cette phase topologique dépend du parcours de la lumière diffusée à l’intérieur du microscope. L’observation inédite de cette phase topologique a été possible grâce au fait que l’imageur polarimétrique multimodale permet un éclairage des échantillons à l’incidence oblique. Cette découverte peut améliorer significativement l’efficacité de méthodes optiques pour la détermination de la forme de micro-objets. / The work carried out during this thesis was aimed to study the interaction of polarized light from the scattering media and particles. This work is part of a strong collaborative context between the LPICM and various private and public laboratories. A wide variety of aspects have been treated deeply, including instrumental development, advanced numerical simulation and the creation of measurement protocols for the interpretation of complex data.The instrumental part of the thesis was devoted to the development of an innovative instrument, suitable for taking polarimetric images at different scales (from millimeters to microns) that can be quickly reconfigured to offer different imaging modes of the same sample. The two main aspects that characterize the instrument are i) the possibility of obtaining real polarimetric images of the sample and the angular distribution of light scattered by an illuminated zone whose size and position can be controlled, ii) the total control of the polarization state, size and divergence of the beams. These two aspects are not united on any other commercial or experimental apparatus today.The first object of the study using the multimodal imaging polarimeter was to study the effect of the thickness from a scattering medium on its optical response. In medical imaging, there is a broad consensus on the benefits of using different polarimetric properties to improve the effectiveness of optical screening techniques for different diseases. Despite these advantages, the interpretation of the polarimetric responses in terms of the physiological properties of tissues has been obscured by the influence of the unknown thickness of the sample.The objective of the work was, therefore, to better understand the dependence of the polarimetric properties of different scattering materials with the known thickness. In conclusion, it is possible to show that the polarimetric properties of the scattering media vary proportionally with the optical path that the light has traveled inside the medium, whereas the degree of polarization depends quadratically on the optical path. This discovery could be used to develop a method of data analysis that overcomes the effect of thickness variations, thus making the measurements very robust and related only to the intrinsic properties of the samples studied.The second object of study was to study the polarimetric responses from particles of micrometric size. The selection of the particles studied by analogy to the size of the cells that form the biological tissues, and which are responsible for the dispersion of light. By means of the polarimetric measurements, it has been discovered that when the microparticles are illuminated with an oblique incidence with respect to the optical axis of the microscope, they appear to behave as if they were optically active. Moreover, it has been found that the value of this apparent optical activity depends on the shape of the particles. The explanation of this phenomenon is based on the appearance of a topological phase of the beam. This topological phase depends on the path of the light scattered inside the microscope. The unprecedented observation of this topological phase has been done by the fact that the multimodal polarimetric imager allows illumination of the samples at the oblique incidence. This discovery can significantly improve the efficiency of optical methods for determining the shape of micro-objects.