Les fibres optiques utilisées pour le transfert d'information présentent des pertes de signal pendant leur propagation. Ainsi, ces signaux ont besoin d'être régulièrement amplifiés. De nos jours, l'Amplification Raman, basée sur le principe de diffusion Raman stimulée, est une des techniques utilisées pour réaliser ces amplifications. Les nanoparticules de métaux nobles ont des propriétés optiques uniques provenant de l'oscillation collective des électrons lorsqu'elles interagissent avec une onde électromagnétique. Ces particules absorbent fortement le champ électromagnétique à une fréquence appelée fréquence de résonance de plasmon de surface. Ce travail de thèse concerne l'influence des nanoparticules métalliques sur l'amélioration de l'Amplification Raman. Il s'inscrit dans le cadre du projet ANR Fenoptic (2010-2012), réunissant l'entreprise Draka et plusieurs laboratoires français (ICB Dijon, CMCP Paris, LPCML Lyon), qui s'intéressent à l'intégration des nanoparticules de métaux nobles à l'intérieur des fibres optiques afin d'utiliser la résonance de plasmon de surface pour améliorer l'efficacité des amplificateurs optiques. Dans ce travail, différentes sources de nanoparticules métalliques ont été examinées (suspensions, couches, préformes de fibre optique). Les expériences ont porté sur la caractérisation (forme et position du plasmon) de nanoparticules de métaux nobles incluses en matrices vitreuses ainsi que sur des mesures de spectroscopie Raman au travers desquelles le phénomène de Diffusion Raman Exaltée de Surface (SERS) a particulièrement été étudié. Pour la première fois, nous avons mis en évidence l'exaltation du signal Raman d'une matrice vitreuse.

On se propose d'étudier des composants optiques multifocaux diffractifs ou réfractifs. L'étude porte sur l'évaluation des performances théoriques, les méthodes de réalisation et la caractérisation des composants réalisés. Afin d'évaluer les performances optiques, des outils de calcul spécifiques ont été mis au point. Les calculs effectues sont des calculs de diffraction reposant sur le principe de huygens-fresnel. Ils permettent d'accéder a l'éclairement produit sur l'axe optique dans un plan image déterminé, selon la position de l'objet considère, ainsi qu'a la réponse percussionnelle incohérente et a la fonction de transfert associée, présentée sous forme de diagrammes d'isocontraste. Ces trois représentations permettent d'optimiser les performances en vue de l'application envisagée. La réalisation peut utiliser les techniques classiques d'usinage ou de moulage. Nous avons proposé et expérimenté une nouvelle technique de fabrication, consistant en l'inscription photochimique d'un gradient d'indice qui produit l'effet multifocal. Un montage de fabrication a été mis en place, montage qui comprend une optique spécialement calculée et réalisée pour l'application envisagée. Enfin, nous décrivons les moyens de contrôle adaptés aux composants réalisés en fonction de leur nature, taille et propriétés optiques. Nous présentons les résultats de contrôles effectués sur les premiers prototypes obtenus par les méthodes classiques ou par la voie photochimique.

Les industries de fabrication de matériaux plats sont utilisatrices de systèmes de mesure en ligne qui permettent de contrôler certaines caractéristiques. Les films plastiques constitués de plusieurs couches sont particulièrement employés pour le conditionnement des aliments grâce à leurs propriétés d'étanchéité. Une mesure spécifique de l'épaisseur des couches barrières est de grand intérêt. Les techniques actuelles de contrôle ne peuvent pas les discriminer. L'objectif est donc de développer un capteur spectroscopique infrarouge capable de mesurer une ou plusieurs couches par adaptation de modèles chimiométriques.<br />Le proche infrarouge permet l'analyse d'une plus large gamme d'épaisseur par rapport à l'infrarouge moyen, mais exalte les interférences optiques à cause des faibles absorbances. Ce problème est traité mathématiquement par la transformée de Fourier rapide et les ondelettes. Une méthode instrumentale basée sur la polarisation de la lumière à angle de Brewster s'avère être la plus efficace.<br />Des modèles prédictifs performants ont été développés par la méthode PLS pour les films monocouches. L'étude des films multicouches a nécessité la recherche d'une méthode de référence, aucune n'étant admise actuellement. Différentes techniques comme la microscopie électronique à balayage ou l'ellipsométrie spectroscopique ont été testées. Finalement, la superposition d'échantillons monocouches d'épaisseur connue a fourni de meilleurs résultats. Ceux-ci ont été confirmés par réflectométrique optique à faible cohérence. L'analyse quantitative des films plastiques est donc possible par spectroscopie proche infrarouge couplée à la chimiométrie.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés de dispersion de ces cristaux afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Des modélisations ont été effectués dans des structures à 1D d'épaisseur finie pour étudier facilement l'influence des divers paramètres et ont permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. Des techniques non destructives de couplage par la surface- ellipsométrie spectroscopique et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR)- ont été utilisées pour caractériser des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Aux grandes longueurs d'ondes, elles nous ont permis de déterminer leur facteur de remplissage avec une grande précision. Elles ont également permis de tracer les courbes de dispersion expérimentales des cristaux photoniques, qui se sont trouvées en bon accord avec les courbes théoriques. Les résultats obtenus par ces méthodes et l'analyse des conditions aux limites aux interfaces cristal photonique / guide ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu'ici invisibles en optique diffractive. Ces techniques permettent de plus de déterminer les meilleures conditions expérimentales (zones de faible vitesse de groupe, de couplage efficace avec des faisceaux excitateurs) pour observer des effets non linéaires renforcés. Nous avons donc montré que l'utilisation de techniques de couplage par la surface, précises et non destructives, permet l'exploration de zones gravées périodiquement et l'étalonnage rapide des différents facteurs à optimiser lors d'un procès de fabrication ou de remplissage des trous de dispositifs photoniques pour l'optique non linéaire.

Le cadre de ce travail est l'étude de la structure de noyaux légers riches en neutrons par différentes méthodes expérimentales et théoriques.<br /><br />Nous présentons tout d'abord une étude complète des réactions de perte d'un neutron effectuée sur les noyaux de $^{12-15}$B, $^{14-18}$C, $^{17-21}$N, $^{19-23}$O et $^{22-25}$F avec la mesure des distributions en moment parallèle et transverse et des sections efficaces sur cibles de C et de Ta.<br />Un modèle de type Glauber et de dissociation coulombienne, couplé à des calculs de modèle en couches, ainsi q'un nouveau modèle utilisant l'approximation soudaine pour le calcul des distributions transverses, ont été développés.<br />Les résultats de ces calculs sont en très bon accord avec les données, ce qui nous a permis de proposer des spins-parités pour les noyaux de $^{15}$B, $^{17}$C, $^{19-21}$N, $^{21,23}$O et $^{23-25}$F et de conclure quant à l'emploi de telles réactions comme outil spectroscopique.<br /><br />Les distributions en moment des alphas et la section efficace suivant la dissociation de l'$^6$He sur une cible de proton ont été mesurées. Les observations concordent avec des prédictions théoriques montrant la sensibilité de ces distributions à la structure du continuum de l'$^6$He.<br /><br />Enfin, pour le première fois, nous avons réalisé une expérience de capture radiative d'un proton sur l'$^6$He à 40 MeV/nucléon. La capture sur l'$^6$He avec formation du $^7$Li a été observée avec une section efficace de 35 $\pm$ 2 $\mu$b et la distribution angulaire des photons mesurée. Des coïncidences triples ($^6$Li, photons de 30 MeV et de 3.5 MeV) et doubles ($^4$He, photons de 27 MeV) ont aussi été observés. Elles peuvent être interprétées comme des captures du proton sur des sous-systèmes de l'$^6$He ($^5$He et $^4$He), ou comme des captures sur l'$^6$He avec formation de résonances du $^7$Li. De faibles indications expérimentales ainsi que l'observation d'un petit nombre de coïncidences deutons et photons de 22 MeV vont dans le sens de la première hypothèse.

Le changement local de l'indice de réfraction (CLIR) est l’élément constitutif des fonctions optiques créées par laser dans des matériaux transparents. Selon le régime de l'interaction et en particulier en fonction de la dose d’énergie déposée, de la durée de l'impulsion laser et des conditions de focalisation on peut induire un CLIR isotrope et positif ou produire à l’échelle nanométrique des structures auto-arrangées présentant une biréfringence. Ce changement est essentiel pour les applications photoniques intégrées utilisant des matériaux comme la silice, ce qui été démontré dans la thèse par réalisation des composants optiques allant du simple guide canal enterré à des dispositifs sensibles à la polarisation. En parallèle au développement d’applications photoniques nous avons étudiés les mécanismes microscopiques à l’origine de la modification des propriétés optiques des diélectriques utilisés. Nous avons appliqué les techniques de micro photoluminescence et microspectroscopie Raman pour étudier la formation des défauts ponctuels et des chemins de réorganisation de la structure du verre. Ces modifications de structure de verres jouent un rôle important dans le changement des propriétés électroniques de la silice fondue et, par conséquent, de ses constantes optiques. L’ensemble de ces résultats spectroscopiques nous a permis de revisiter les schémas de densification dans la silice et de proposer un scénario de densification assistée par les défauts générés suite à la relaxation des excitons auto-piégés / Local refractive index changes (RIC) are the building blocks of laser-induced optical functions in bulk transparent materials, where the use of a fused silica as a target material plays a paramount role. Depending on the regime of laser interaction ultra-short pulses can induce positive isotropic refractive index changes (usually denoted as type I) or produce self-arranged nano-scale layered structures resulting in form birefringence (type II). In this thesis we have studied two objectives related to these material transformations. From the one side, we qualitatively determined the effects of the focused ultra-short laser pulses on the fused silica and borosilicate glasses. With the independent control of the energetic dose, pulse duration and focusing conditions, the isotropic type I and birefringent type II traces could be performed with the certain optical properties. Finally, complex polarization sensitive devices were designed and fabricated. From the other side, as these types of RIC have consequences in the functionality and the performances of 3D embedded optical devices, an investigation of the laser-induced structures is particularly useful. We applied photoluminescence and Raman microscopy (RM) to investigate defect formation and glass network reorganization paths. The proposed spectroscopy study distinguishes type I and type II regions by presence and distribution of silicon clusters and non-bridging oxygen hole centers (NBOHC). RM reveals signs of compaction of the glass network in the RIC regions. At the same time, zones with high concentration of NBOHC where no visible RIC and densification signs were detected. Assuming that these zones are precursors of permanent visible modification, we propose a scenario of cold defect-assisted densification realized in type I irradiation regime. This, thereby, revises the densification paths in fused silica

Les matériaux pour la photocatalyse en lumière visible ont attiré un grand intérêt car ils peuvent exploiter tout le spectre d'irradiation solaire notamment afin de détruire des polluants organiques pour l'environnement comme dans la purification de l’eau. Dans ce contexte, le bismuth de vanadates (BiVO4) est digne d'intérêt en raison de sa largeur de bande interdite électronique (~ 2,3 eV) et sa potentielle activité photocatalytique. Des études systématiques ont été menées pour les caractéristiques physico- chimiques de poudres BiVO4 synthétisées par voie hydrothermale et par broyage mécanique à haute énergie. La pertinence de la méthode de mécano-synthèse a été démontrée grâce notamment à son faible coût de fonctionnement, de mise en œuvre facile ainsi que le nombre limité de paramètres et la possibilité d’obtenir des particules à taille réduite (20-100 nm) avec une phase cristalline monoclinique. En couches minces, les matériaux BiVO4 ont été synthétisés par pulvérisation ultrasonique (USP) et par pulvérisation cathodique radiofréquence (rf). Les paramètres pour des dépôts optimaux ont été identifiés permettant d’obtenir des films minces sans fissures, suffisamment denses avec des surfaces texturées à morphologies contrôlées. Les études structurales, vibrationnelles, et les propriétés électroniques et optiques ainsi que leur interprétation grâce à des modèles ont été menées pour une parfaite connaissance des caractéristiques des matériaux BiVO4. Pour les applications visées, BiVO4 sous forme de poudres et de films minces ont été utilisés comme photocatalyseurs pour la dégradation de rhodamine 6G (Rh6) et le bleu de méthylène (MB) sous irradiation en lumière visible. La structure scheelite monoclinique de nanoparticules sphérique de BiVO4 obtenues par mécano-synthèse, ont montré une efficacité améliorée (+50%) de l’activité photocatalytique par rapport à des particules de forme aciculaire obtenues par voie hydrothermale. Dans le cas de films minces, le taux de dégradation du BM est de l’ordre est de 66% pour les films synthétisés par USP alors qu’un taux de 99% a été atteint avec des films obtenus par pulvérisation cathodique rf. Ces travaux valident les propriétés photocatalytiques remarquables de BiVO4 par rapport aux matériaux existants avec des applications prometteuses, notamment dans la résolution de problèmes environnementaux. / Visible light photocatalysts have attracted a great interest since it may exploit the wide solar irradiation spectrum to destroy organic dyes as required for environmental need such as water purification. In this context, bismuth vanadate (BiVO4) is worth of interest due to its narrow band gap (~ 2.3 eV) and the ability to exhibit efficient photocatalytic activity. Systematic studies have been carried out on the physico-chemistry of BiVO4 synthesized as powders by hydrothermal and mechano-chemical techniques. The relevance of ball milling method was demonstrated through its low processing cost and easy scaling up as well as limited variable parameters to obtain reduced particle sizes down to (20-100 nm). As thin films, BiVO4 were grown by ultrasonic spray pyrolysis (USP) and rf-sputtering techniques. Optimum deposition parameters were identified, leading to the formation of crack free, dense media with textured surfaces composed by controlled morphologies. Analysis of the structural, vibrational, electronic and optical experiments, interpretation and development of models were carried out for deep insight on the properties of BiVO4 materials. For concrete applications, BiVO4 as powders and thin films were used as photocatalysts for the degradation of rhodamine 6G (Rh6) and methylene blue (MB) under visible light irradiation. Monoclinic scheelite structure of spherical-like BiVO4 nanoparticles obtained by mechano-chemical process, have shown 50% more efficient photocatalytic activity compared to acicular-like BiVO4 grains obtained by hydrothermal method. The average degradation rate of MB using USP grown films was found to be 66% during 120 minutes. A significant rate increase in the photocatalytic activity up to 99% was achieved by using rf-sputtered films. Thus, BiVO4 was demonstrated as efficient photocatalysts compared to existing materials with promising applications notably in solving environmental problems.

Les microscopies optiques super-résolues aident à mieux comprendre certains mécanismes biomoléculaires, notamment au sein des neurones. Nous avons construit un tel microscope de type STED (STimulated Emission Depletion) pour observer des défauts azote-lacune (NV) fluorescents dans le diamant, et avons atteint une résolution de 50 nm. À plus long terme, cet instrument permettra d’étudier l’organisation macromoléculaire de protéines impliquées dans la plasticité synaptique, et marquées avec des nanodiamants (ND) fluorescents. Dans cette perspective, nous avons étudié la limite de résolution du STED pour des ND de tailles sub-longueur d’onde. Nos expériences, menées avec l’équipe de Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) ont montré que la taille du spot STED d’un NV dans un ND pouvait atteindre 10 nm, performance similaire à celle obtenue dans un diamant macroscopique. Nous pouvons aussi résoudre plusieurs centres NV dans un ND séparés de seulement ~15 nm. Ces résultats sont en accord avec les simulations numériques faites par l’équipe de Jean-Jacques Greffet (Laboratoire Charles Fabry). En parallèle, nous avons démontré l’internalisation spontanée de ND fluorescents dans des neurones corticaux d’embryons de souris en culture primaire, et étudié leur colocalisation avec des vésicules du réseau trans-Golgi. Enfin, nous avons débuté l’étude du trafic des vésicules contenant les ND et montré qu’il dépend du réseau de microtubules. Les paramètres du mouvement sont compatibles avec ceux des moteurs moléculaires, mais nous nous attendons à ce qu’ils soient différents dans le cas de la surexpression de protéines impliquées dans le trafic (travail en cours). / Super resolution microscopy techniques are a useful tool to understand some biomolecular mechanisms, particularly in neurons. We have built such a STED (STimulated Emission Depletion) microscope for observing Nitrogen-Vacancy (NV) fluorescent defect in diamond, and have reached a resolution of 50 nm. In the longer term, this instrument will study the macromolecular organization of proteins involved in synaptic plasticity and marked with fluorescent nanodiamonds (ND). In this context, we studied the resolution limit of STED for ND of subwavelength size. Our experiments, conducted with the team of Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry) showed that the STED spot size of an NV in ND could reach 10 nm, which is similar to performances obtained in a macroscopic diamond. We can also resolve several NV centers, which are separated from only ~15 nm in the same ND. These results are in agreement with numerical simulations carried out by the team of Jean-Jacques Greffet (Laboratoire Charles Fabry). In parallel, we have demonstrated the spontaneous internalization of fluorescent ND in primary culture of cortical neurons from mouse embryos, and studied their colocalization with vesicles of the trans-Golgi network. Finally, we started the study of trafficking vesicles containing ND and showed that it depends on the microtubule network. The motion parameters are compatible with those of molecular motors, but we expect them to be different in the case of overexpression of proteins involved in traffic (work in progress).

ALFA (Absolute Luminosity for ATLAS) vise à mesurer la luminosité absolue pour l'expérience ATLAS avec une incertitude de 2 - 3\% et la section efficace totale. La luminosité est reliée au nombre d’événements. Plus la luminosité est élevée, plus le nombre d’événements est élevé. C'est donc une quantité importante pour les collisionneurs en général et notamment pour le LHC (Large Hadron Collider). LHC est constitué de deux faisceaux circulant dans deux chambres à vide différentes et collisionnant aux quatre points d'interaction où les principales expériences de physique sont positionnées (ATLAS, CMS, ALICE et LHCb). Les détecteurs constituant ALFA insérés dans des Pots Romains sont positionnés à 240 m de distance du point d'intéraction d'ATLAS après six quadrîpoles et deux dipôles qui constituent la partie de ligne faisceau utile à ALFA et localisée sur le LHC.Les détecteurs sont constitués de fibres scintillantes pour détecter les protons élastiques issus du Point d'Interaction. Ces protons sont transportés au travers des différents aimants qui constituent la ligne de faisceau considérée et qui nécessite une optimisation des paramètres optiques pour les besoins de la mesure. Nous appellerons les optiques fort β, les optiques utilisées durant les périodes expérimentales dédiées à ALFA. Les paramètres des optiques fort β ont été simulés afin de remplir le cahier des charges demandé pour ALFA et elles ont été testées sur le LHC en 2011 et 2012 pendant un certain nombre de périodes expérimentales spécifiques aux optiques fort β sur le LHC.Ces périodes expérimentales se sont terminées en 2013 avant l'arrêt du LHC. Les paramètres optiques ont été mesurés et comparés aux simulations.Certains paramètres ayant des valeurs bien meilleures que celles attendues. Cela a aussi permis de regardes quelques incertitudes sur les paramètres optiques et d'évaluer l'impact de certains de ces paramètres sur la mesure de section efficace totale. / ALFA (Absolute Luminosity For ATLAS) aims at measuring the absolute luminosity for the ATLAS experiment with an incertitude down to 2-3 \% and the total elastic cross section. The luminosity is related to the number of events, the highest the luminosity, the highest the number of events. This is, then, an important quantity for colliders like LHC (Large Hadron Collider). LHC is made of two beams circulating in two different beam pipes and colliding at four interaction points where the four physics experiments are located (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb). ALFA detectors inserted into Roman Pots (RPs), have been placed around ATLAS at 240 m distance from the collision point (IP1) after six quadrupoles magnets and two dipoles defining the ALFA beam line which is part of the LHC ring.The detectors are made of scintillating optics fibers to catch elastic protons generated at IP1. These protons are tracked through the LHC magnets beam line which needs to be optimized in terms of optics parameters. We call high β optics, the optics used for special ALFA runs measurements. The high β optics parameters have been simulated to fulfill the ALFA requirements and have been tested on LHC in 2011 and 2012 during a certain number of LHC special runs. It has ended at the end of 2013. The parameters have been measured and compared with simulations. Some of them achieving a better value than expected. It allowed us to calculate systematic uncertainties and to evaluate the impact of some optics parameters on the total elastic cross section measurement.

L’objectif de la thèse est de développer une nouvelle technique d’optique adaptive pour les interferomètres gravitationels avancés, basée sur un nouveau type de miroir pour le faisceau d’injection de l’interferomètre. Le miroir déformable, basé sur une actuation thermique, doit etre un outil compatible ultra-vide, qui fonctionne sans bruit électronique ou mécanique, bon marché et permettre la correction des modes d’ordre supérieurs afin d’améliorer le matching des faisceaux de haute puissance dans les cavités laser du détecteur sous ultra-vide. Un montage experimental de caractérisation du miroir déformable a été mis en place afin d’effectuer les tests de validation du premier prototype sous air. L’élaboration d’une procédure de caractérisation des propriétés du miroir et d’une boucle de controle a permis de développer une approche efficace pour déterminer les possibilités et les limites du miroir. Nous avons ainsi pu faire la démonstration de sa capacite a corriger les aberrations de phase d’un faisceau laser infrarouge a différentes fréquences spatiales. Nous avons également démontré que le miroir vérifie les performances de stabilité, de reproductibilité et de linearité attendues. Nous avons ensuite validé l’amélioration du mode matching d’un faisceau laser sur une cavité de réference par le miroir thermiquement déformable / In this thesis we develop a new technique of adaptive optics for the Advanced Gravitational Interferometers, based on a new type of deformable mirror for the injection beam of the interferometer. This deformable mirror, based on a thermal actuation, has to be a high vacuum compatible and low-cost device, that is working without any electronic or mechanic noise. It has to allow the correction of high order modes to improve the matching of high power laser beams in the interferometer.An experimental setup has been made to characterize the first prototype on air. An efficient process and a control loop have allowed to determine the possibilities and limits of the device. We have demonstrated its ability to correct high order modes of an infrared laser beam. Afterwards, we have validated the improvement of mode matching into a fixed cavity.