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Au long de ce manuscrit de thèse je présenterai des effets non linéaires émergents dans les condensats d'exciton-polaritons spineurs. Après un chapitre d'introduction amenant les notions de bases nécessaires, je me concentrerai dans une première partie sur les défauts topologiques quantifiés par des nombres demi-entiers et discuterai leur stabilité, accélération et nucléation en présence de champs magnétiques effectifs. Nous verrons que ces objets se comportent comme des charges magnétiques manipulables démontrant une analogie fascinante avec les monopoles de Dirac. De manière remarquable nous verrons également que ces objets peuvent être utilisés comme des signaux stables pour sonder la physique d'analogues acoustiques de trous noirs. Dans une seconde partie j'étudierai des structures de basse dimensions. Plus particulièrement, je décrirai la formation de solitons de bande interdite et les oscillations de Bloch des exciton-polaritons dans des microfils comportant des structures périodiques et d'autre part les oscillations Josephson à température ambiante dans des paires de micropilliers couplés.

Du fait de leurs fortes propriétés non-linéaires, les structures photoniques semi-conductrices sont très intéressantes pour le traitement tout-optique du signal. La structuration à petite échelle permet de localiser la lumière et donc d'exalter les phénomènes non-linéaires, mais avec un pouvoir d'exaltation différent suivant l'ordre de la non-linéarité, introduisant ainsi une nouvelle hiérarchie des régimes d'interaction. Après une description théorique présentant le renforcement des processus non- linéaires par la localisation dans les semi-conducteurs, nous démontrons expérimentalement et quantitativement, pour la première fois, l'influence de la localisation sur l'exaltation des non- linéarités telles que l'effet Kerr, l'absorption à deux photons et les effets de porteurs libres, par l'étude d'un guide à cristal photonique de GaAs. Nous résolvons le problème de l'amplification Raman d'impulsions dans un nanoguide de silicium, en développant un modèle analytique permettant de montrer l'influence des effets de modulation de la phase non-linéaire sur la chute du gain Raman effectif dans le silicium. Ce modèle est validé expérimentalement. Finalement, nous abordons l'application de la localisation à la commutation non- linéaire tout-optique. Nous introduisons la notion de longueurs non-linéaire de commutation et d'absorption permettant d'étudier différents matériaux. Nous montrons que la commutation par effet Kerr pur est impossible pour le Si et le GaAs (contrairement à l'AlGaAs et au GaN), mais qu'une commutation par effet de porteurs libres y est envisageable pour certaines géométries de microstructures.

Cette thèse traite de l'étude de phénomènes ultra-rapides, et plus particulièrement de dynamiques de relaxation initiées par une impulsion femtoseconde (10-15 s). Dans la première partie, l'imagerie de vecteurs vitesses a permis d'étudier deux systèmes : l'iodure de méthyle (CH3I), excité dans son premier état de Rydberg et le tetrathiafulvalène (TTF - C6H4S4). Dans le TTF, le but est de caractériser les deux bandes majoritaires d'absorption vers 300 nm. Durant l'étude de la prédissociation de CH3I, la distribution vibrationnelle du fragment CH3 a été caractérisée, alors que pour le TTF une force de liaison du dimère a été extraite. L'interprétation des spectres de photoélectrons de CH3I permet une bonne compréhension des dynamiques depuis et/ou en résonance avec des états proches du potentiel d'ionisation. Dans la seconde partie, la structure électronique d'atomes ou de molécules est sondée par la génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE). Le minimum de la section efficace totale de photoionisation de l'argon (minimum de Cooper) a été observé et étudié dans le spectre harmonique. Cette étude a permis, entre autre, la mise au point d'un modèle théorique fiable et complet. Dans une autre étude, la GHOE a montré la sensibilité du rayonnement harmonique à la chiralité lors de interaction des 2 énantiomères de la fenchone (C10H16O), avec un rayonnement polarisé elliptiquement. Pour finir, l'utilisation de la GHOE pour sonder une dynamique moléculaire, amorcée par un réseau transitoire d'excitation à 400 nm, a été réalisée sur le dioxyde d'azote (NO2). Ceci à l'échelle picoseconde : photodissociation, et femtoseconde : transfert de population par le biais d'une intersection conique.

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent des propriétés optiques non-linéaires des cristaux photoréfractifs d'oxyde de bismuth et de silicium (Bi12 Sio20)) et d'oxyde de bismuth et de germanium(Bi12 Geo20)) ainsi que de la réalisation d'une expérience d'interconnexion dynamique. Nous nous interessons en premier lieu, a la diffraction d'une onde plane par un réseau épais photo induit dans des milieux présentant simultanément de l'activité optique et de la birefringence linéaire tels que les cristaux de Bi12 Sio20. Grâce a cette étude nous déterminons les caractéristiques (amplitudes phases et polarisations) des ondes transmises et diffractées. Nous exposons ensuite une méthode entièrement optique de caractérisation de ces matériaux, ce qui nous a permis pour différents échantillons, de mesurer tous les paramètres physiques dont dépend l'effet photoréfractif: - la constante de temps de relaxation diélectrique - la longueur de diffusion des électrons dans la bande de conduction - la densité de centres accepteurs d'électrons. La mise en évidence de variations importances de ces paramètres avec les conditions de cristallogenèse ouvre la voie a une optimisation possible de ces matériaux. Enfin, dans une dernière partie, une application a la déflexion optique est présentée. Le faisceau a défléchir est incident sur un réseau dynamique induit par la figure d'interférence de deux ondes planes dans un cristal photoréfractif épais. Les modifications simultanées, du pas du réseau d'une part, et de l'orientation de ses strates d'autre part, permettent d'adresser le faisceau tout en conservant une efficacité de diffraction maximale

Les diodes laser à cavité étendue commerciales offrent une émission monomode continû-ment accordable autour de 1550 nm sur une plage allant jusqu'à 150 nm. De telles performances nécessitent une excellente stabilité mécanique et des ajustements très délicats. De plus, pour éviter tout fonctionnement multimode, la puissance maximale doit être limitée. L'insertion d'un cristal photoréfractif dans le résonateur crée un filtre spectral adaptatif qui permet de relâcher ces contrain-tes. Dans ce manuscrit, nous démontrons et modélisons le fonctionnement d'un tel système.<br />Tout d'abord, nous étudions les conditions requises pour garantir une oscillation monomode stable en absence de cristal. Les processus non-linéaires induisant des mélanges d'ondes (hole bur-ning spectral, échauffement des porteurs et pulsations de la densité de porteurs) et donc des coupla-ges entre modes sont étudiés et pris en compte pour modéliser les conditions de sauts de modes.<br /> Ensuite, nous modélisons le filtre photoréfractif. Son principe de fonctionnement est le sui-vant : la figure d'onde stationnaire du mode est reproduite dans le volume du cristal sous la forme d'une modulation d'indice qui correspond donc à un réseau de Bragg et agit comme un filtre spec-tral. Une stabilisation du mode oscillant est obtenue grâce à l'effet combiné de ce filtre adaptatif et du filtrage passif de la cavité étendue (réseau monté en configuration Littman).<br /> Puis, nous présentons les améliorations apportées par cette technique de filtrage auto-organisable. Expérimentalement, nous démontrons que, grâce une prévention efficace des sauts de modes et des fonctionnements multimodes, une oscillation monomode stable peut être maintenue pour des puissances supérieures à celles atteignables en absence de cristal. Enfin, nous confrontons les mesures aux modélisations de la cavité auto-organisable où les phénomènes de couplage de mo-des et le filtre photoréfractif sont pris en compte simultanément.

Ce travail contribue à l'évaluation de la technique de génération de seconde harmonique induite par un champ électrique quasi statique, ou technique EFISHG, appliquée au domaine de la microélectronique. Une description du principe de la technique EFISHG, basé sur l'optique non linéaire, permet d'appréhender l'origine physique de cette méthode. Un état de l'art a permis d'identifier deux champs d'applications liés à la microélectronique : l'analyse de défaillance, via la mesure en temps réelle des variations de champs électriques internes dans les circuits intégrés, et la fiabilité par l'étude du piégeage de charges à l'interface Si/SiO2 et de la dégradation dite de " Negative Bias Temperature Instability " ou NBTI. Ce manuscrit présente les différentes étapes qui ont permis l'élaboration d'un banc de test en vue de l'évaluation de l'applicabilité de la technique EFISHG à ces problématiques. Les résultats expérimentaux obtenus avec ce montage ont permis de mettre en avant les possibilités qu'offre la technique EFISHG à caractériser et à accélérer le vieillissement NBTI.

Ces travaux de thèse rapportent l'étude des instabilités non-linéaires et des évènements extrêmesse développant lors de la propagation guidée d'un champ électromagnétique au sein de fibresoptiques. Après un succinct rappel des divers processus linéaires et non-linéaires menant à lagénération de super continuum optique, nous montrons que le spectre de celui-ci peut présenterde larges fluctuations, incluant la formation d'événements extrêmes, dont les propriétés statistiqueset l'analogie avec les vagues scélérates hydrodynamiques sont abordées en détail. Nous présentonsune preuve de principe de l'application de ces fluctuations spectrales à la génération de nombres etde marches aléatoires et identifions le phénomène d'instabilité de modulation, ayant lieu lors de laphase initiale d'expansion spectrale du super continuum, comme principale contribution à la formationd'événements extrêmes. Ce mécanisme est étudié numériquement et analytiquement, en considérantune catégorie de solutions exactes de l'équation de Schrödinger non-linéaire présentant descaractéristiques de localisations singulières. Les résultats obtenus sont vérifiés expérimentalement,notamment grâce à un système de caractérisation spectrale en temps réel et à l'utilisation conjointede métriques statistiques innovantes (ex : cartographie de corrélations spectrales). L'excellent accordentre simulations et expériences a permis de valider les prédictions théoriques et d'accéder àune meilleure compréhension des dynamiques complexes inhérentes à la propagation non-linéaired'impulsions optiques.

Les lasers à cascade quantique (LCQ) sont des nanostructures de semiconducteurs se basant sur des transitions intersousbandes entre états confinés de la bande de conduction. Ils ont permis de combler un manque de sources puissantes et compactes d'abord dans le moyen infrarouge (MIR) puis dans le térahertz (THz). Cette thèse présente deux études en rapport avec ces lasers. La première partie présente les propriétés d'optique non-linéaire résonantes des LCQ. Il s'agit de démontrer la génération de différence de fréquences entre un faisceau proche infrarouge (IR) et le champ THz du LCQ. L'excitation proche IR est résonante avec les transitions interbandes des puits quantiques qui composent le LCQ. Ceci exalte la susceptibilité non-linéaire du milieu. Le champ THz intense dans la cavité combiné à cette excitation résonante permet d'obtenir de bonnes efficacités (jusqu'à 0.13%) et de générer des harmoniques supérieures jusqu'à l'ordre 3. Ces interactions non-linéaires ont également été étudiées dans les LCQ MIR ce qui a permis d'augmenter la température de fonctionnement jusqu'à 275 K. Une deuxième partie traite du contrôle de la phase du champ THz d'un LCQ au moyen d'un montage de spectroscopie THz dans le domaine temporel. L'originalité résulte dans l'usage d'un LCQ ayant un guide double métal. Ces guides permettent d'avoir de meilleures performances en température mais ont des dimensions largement sous longueur d'onde. Ces dimensions compliquent le couplage d'une onde THz externe nécessaire à l'amorçage du champ THz du LCQ sur une phase fixe. Des antennes en forme de V sont déposées à la surface du LCQ pour faire une adaptation d'impédance et favoriser ainsi le couplage.

Le développement des technologies optiques dans le domaine de la communication engendre un intérêt pour les matériaux présentant des propriétés non linéaires. Le matériau idéal doit combiner un coefficient non linéaire élevé, de bonnes propriétés optiques et un faible coût de fabrication. Les matériaux vitreux restent de bons candidats pour ce type d’application. La polarisation thermique permet de générer ce genre de propriétés dans les verres. En effet, à des températures de l’ordre de 300°C, l’application d’un champ électrique provoque la migration d’ions mobiles dans le matériau depuis l’anode vers la cathode. Une zone de déplétion en surface est ainsi créée donnant naissance à un champ électrique enterré. En combinant une technique de dépôt métallique, une irradiation laser et l’application d’un champ électrique (poling), il devient possible de réaliser des architectures complexes de migration et d’obtenir ainsi des propriétés optiques non linéaires structurées. / Optical technologies development for communication has triggered a real interest about materials with nonlinear properties. The ideal material should combine a high nonlinear coefficient, good optical properties and a low production cost. Glasses remain very good materials for this kind of applications.Thermal poling is now well known for breaking glasses natural centro-symmetry and inducing second order nonlinearities. Indeed, at temperatures close to 300°C, the application of an electric field induces mobile ions migration from the anode to the cathode.In that case, the space charge created during the poling process generates an efficient macroscopic electrostatic field trapped under the anodic surface of the glass.The combination of silver deposition, femtosecond laser irradiation and thermal poling has been successfully used to realize a complex architecture of ionic migration leading to structuring of second order nonlinear properties at the microscopic scale.