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Ce mémoire de thèse est entièrement dédié au développement de nouvelles techniques utilisant la diffusion lumineuse comme outil de sondage optique. Cette étude a suivi trois axes distincts qui sont la caractérisation des substrats transparents, la « pixellisation » de la BRDF et la caractérisation de composants colorés. Si la diffusion lumineuse fournit une technique efficace d'analyse non destructive des composants optiques, elle n'était cependant pas adaptée à la caractérisation de rugosités de surface dans le cas d'échantillons transparents épais. Pour cette raison, et dans le cadre d'un projet européen, nous avons pu mettre en oeuvre deux méthodes de caractérisation par diffusion lumineuse des substrats transparents. La première repose sur un principe de « filtrage d'étendue » et la deuxième sur un retournement des substrats et une extension du modèle au cas de la lumière incohérente. Elles seront toutes deux présentées et validées dans la première partie de ce manuscrit. Par ailleurs, un autre verrou à lever consistait à séparer la contribution des effets de rugosité intrinsèque de la surface étudiée de celle de défauts localisés éventuellement en présence. Nous avons pour cela mis au point un analyseur optique de surface dont la conception et la réalisation sont détaillées dans la deuxième partie de ce manuscrit. Ce nouveau dispositif de mesure de lumière diffuse associe une caméra haute performance, une source incohérente et un système télécentrique. Il permet non seulement d'extraire la contribution des défauts localisés, mais aussi de mesurer simultanément la BRDF angulaire de plusieurs éléments de surface et ainsi d'accéder à différentes résolution latérales. La troisième partie de ce manuscrit portera sur la caractérisation par diffusion lumineuse de composants colorés. L'une des thématiques de l'activité Diffusion Lumineuse du laboratoire est l'étude et la réalisation de poudres interférentielles pour des applications liées à des effets colorés (cosmétiques, peinture). Pour optimiser les procédures de réalisation de ces poudres, il était nécessaire de pouvoir quantifier les effets colorés qu'elles produisent. Nous avons pour cela introduit les représentations des mesures de diffusion dans les espaces colorimétriques, et plus particulièrement les représentations dans des espaces permettant des interprétations visuelles des effets colorés obtenus.

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La structuration des matériaux à l'échelle micro et nano métrique constitue un domaine de recherche et développement très prometteur dont le succès permettra de réaliser le saut technologique tant attendu dans le domaine de la photonique. Du point de vue du matériau, l'utilisation des diélectriques de type LiNbO3 ou encore TiO2 qui possèdent des propriétés spécifiques qui différent de ceux des semi-conducteurs est de nature à élargir les performances des composants photoniques à mettre au point. De plus, l'utilisation de ces matériaux sous forme de couches minces permet de s'affranchir des contraintes et des limitations imposées par le cristal massif. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressées à l'étude de la structuration 1D et 2D par ablation laser nanoseconde dans des couches minces et monocristaux de niobate de lithium ainsi que des couches minces de TiO2. Les couches minces de LiNbO3 ont été déposées par pulvérisation cathodique rf magnétron sur saphir tandis que les couches de TiO2 ont été réalisées par voie sol-gel sur des substrats de verre. Les ablations ont été effectuées avec un laser nanoseconde de type KrF excimer (ATLEX 300 SI Model). L'ablation des échantillons a été effectuée avec un masque de 10 µm de diamètre, les fréquences appliquées varient de 10 à 100 Hz et les fluences de 0.3 à 2.3 J/cm2. Les structures ablatées ont été observées et analysées à l'aide de la microscopie optique fonctionnant en mode Nomarski et de la microscopie µ-Raman. Nous avons notamment étudié l'influence des paramètres d'ablation (nombre de pulses, fluence et fréquence de répétition) sur les caractéristiques des structures ablatées. A titre d'exemple, des réseaux de 5×5 trous ont été réalisés avec un nombre de pulse constant (5pulses) et différentes valeurs de fluences (0.88 à 2.093J/cm2). D'après les résultats obtenus, nous avons constaté que la forme des trous ainsi que leur profondeur dépendent fortement de la fluence utilisée. Les meilleurs résultats sont obtenus pour les fluences élevées. Pour l'étude de l'effet du nombre des pulses sur l'ablation des couches, nous avons procédé à la réalisation des réseaux de 5×5 trous avec une fluence constante 1.467J/cm2 et une variation du nombre de pulses de 5 à 15. Le taux moyen d'ablation décroît avec l'accroissement du nombre de pulses. Préalablement à ces études, nous avons étudié les propriétés optiques de nos couches minces en utilisant la spectroscopie des lignes noires. Les résultats ont montré que les couches sont monomodes et possèdent des pertes optiques de l'ordre de 1 dB.cm-1. L'objectif final de ce travail est d'optimiser le processus expérimental d'ablation afin d'obtenir des structures sub-micrométriques pour des applications dans le domaine la photonique.

Lors de l'interaction entre un laser femtoseconde ultra intense (50 TW) et un jet de gaz, des electrons du plasma peuvent etre pieges et acceleres par sillage laser dans une cavite ionique. Au cours de leur acceleration, ils effectuent egalement des oscillations transverses et, comme dans un synchrotron mais a petite echelle, ces electrons en mouvement vont produire un faisceau de rayons X polychromatiques et ultrabrefs, le rayonnement Betatron. Apres la mise en evidence experimentale de ce mecanisme en 2004, l'objectif de la these a ete de caracteriser spectralement et spatialement la source. Ces etudes ont egalement permis de determiner les proprietes des trajectoires electroniques dans la cavite. Apres un bref rappel des proprietes theoriques de la source X-Betatron, la caracterisation experimentale du rayonnement X et des trajectoires electroniques est presentee. Trois spectrometres ont ete developpes pour caracteriser le spectre de la source X-Betatron entre 1 et 10 keV : un spectrometre a filtres et deux spectrometres a cristaux haute resolution. Trois methodes experimentales, reposant sur les proprietes spectrales et spatiales de la source, ont permis de caracteriser les trajectoires electroniques dans la cavite acceleratrice. Cette source de rayons X ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des applications. Sa polychromaticite permettra notamment de realiser des experiences d'absorption X resolues en temps a l'echelle femtoseconde.

Les antennes reconfigurables se présentent aujourd'hui comme candidats naturels pour la sortie physique des nouveaux systèmes de radiocommunication, basés sur la radio logicielle et la radio cognitive. En effet de tels systèmes extrêmement flexibles et évolutifs au niveau de leur comportement et de leur mode de fonctionnement doivent s'accompagner d'une antenne également performante. Les antennes reconfigurables sont des antennes passives auquelles sont ajoutées des composants actifs qui permettent de modifier les propriétés de ces dernières, dans le domaine fréquentiel ou spatial. Ainsi, de telles antennes peuvent changer leur comportement en temps réel, en accord avec une stratégie de communication définie par le système dans son ensemble ; de nombreuses fonctionnalités sont envisageables, comme le filtrage UWB, la formation de faisceau, la commutation de bandes ou l'accord en fréquence sur une bande ultra large par exemple. Au cours de la thèse une importante méthodologie de simulation des antennes reconfigurables a été mise en place : il n'est pas évident de simuler une antenne, structure tridimensionnelle rayonante comportant des composants actifs localisés disséminés sur sa géométrie. En outre, des méthodes d'optimisation ont été développées afin de parcourir de manière efficace l'espace engendré par les paramètres à optimiser, notamment grace au développement de fonctions de coûts adaptées. Ces différents outils ont permis le développement d'antennes aux fonctionnalités originales, particulièrement dans le domaine ultra large bande.

La production de faisceaux énergétiques d'ions/protons avec des impulsions laser à intensités relativistes (I>10^{18}W/cm^2) a reçu, au cours des dernières années, un intérêt croissant parmi les scientifiques travaillant dans les domaines de l'optique, de la physique des plasmas et des accélérateurs. Une fraction des électrons est chauffée à haute température lors de l'interaction entre une impulsion laser femtoseconde et un plasma surdense. Les ions et les protons sont extraits et accélérés par la séparation de charge qui est produite pendant l'expansion du plasma. Les résultats présentés dans ce manuscrit décrivent la réalisation d'expériences d'accélération d'ions avec un système laser à haute puissance et à haut contraste (XPW). Deux expériences préparatoires sont réalisées, afin d'étudier l'interaction entre le piédestal d'une impulsion laser et une cible. L'expansion d'un plasma créé par laser à intensité moyenne est mesurée par interférométrie; l'évolution de la longueur de son gradient de densité est déduite par les cartes de densité électronique, mesurées à différents instants. La variation de la réflectivité absolue d'une cible mince d'aluminium est mise en corrélation avec la température électronique afin de contrôler le débouché du choc produit par le laser. La corrélation entre les deux expériences est finalement utilisée pour définir le conditions optimales pour l'accélération des protons. Des expériences d'accélération de protons avec un laser à haut contraste, la construction et la validation d'un spectromètre (Galette a Micro-canaux et Parabole Thomson), ainsi que des autres détails sur le montage sont présentés. Les résultats ainsi obtenus montrent que l'amélioration du contraste permet d'utiliser des cibles plus minces et de produire des conditions d'interaction plus stables et contrôlables. Des faisceaux des protons ayant énergie cinétique supérieure à 4MeV sont produits, avec une stabilité tir à tir meilleure de 4% rms. L'accélération des protons avec deux impulsions laser confirme que l'absorption d'énergie laser est augmentée dans le cas des cibles pre-chauffées par une impulsion laser avec les bons paramètres.

L'objectif de ce travail était double: d'une part la reconnaissance de label des paquets optiques en utilisant les fonctions logiques tout-optiques, et d'autre part la conception et la réalisation partielle des commutateurs (optoélectronique et tout-optique) de paquet. Le commutateur optoélectronique est composé d'un convertisseur de temps-longueur d'ondes de 4-bit. Les bits ont été ralentis, parallélisés, puis convertis en électronique via les photo-détecteurs. Un convertisseur analogique-numérique est utilisé pour chaque bit afin de le digitaliser et de l'égaliser. Les bits digitalisés du labelsont traités dans un FPGA afin de produire les signaux de commande correspondant pour le commutateur. Dans le commutateur tout-optique, 3-bits du label, parallélisés via le convertisseur temps-longueur d'onde, sont traités par un décodeur tout optique afin de produire 8 impulsions diff´erentes de la commande. Ces impulsions de commandes ont servi dans huit bascules optiques afin de g´en´erer huit longueurs d'ondes différentes. Ainsi, pour chaque combinaison de bits du label, une seule longueur d'ondes différente est produite. De nouvelles architectures optiques permettant de réaliser les fonctions logiques à 10 Gbit/s avec l'amplificateur optique à semiconducteur (SOA) sont présentées. Des fonctions logiques complexes telles que le demi-additionneur, le convertisseur temps-longueur d'onde et le décodeur ont été démontrées à base de ces fonctions logiques. Les phénomènes non-linéaires dans un SOA tels que le mélange à quatre ondes, la modulation croisée de phase, la modulation croisée de la polarisation ont été utilisés pour réaliser ces portes et ces fonctions logiques.

Les amplificateurs Raman à fibres optiques apparaissent aujourd'hui comme une solution très prometteuse pour augmenter la capacité de transmission des réseaux optiques WDM longues distances et hauts débits. Afin de dégager les caractéristiques de ce type d'amplificateurs optiques, ce travail de thèse propose une étude théorique approfondie permettant de comprendre et modéliser les processus de génération de bruit dans les amplificateurs Raman à fibre optiques, et analyser les performances en terme de qualité de transmission. Nous avons tout d'abord établi un modèle quantifié pour l'amplification Raman dans les fibres optiques, à partir d'une étude sur la description quantique de l'optique nonlinéaire macroscopique. Nous avons ensuite reformulé, d'une manière générale, les propriétés quantiques du champ optique, les limites quantiques des dispositifs optiques linéaires et insensibles à la phase, les statistiques quantiques du photocourrant, et les différentes définitions du facteur de bruit pour les dispositifs amplificateurs. Puis, nous avons caractérisé le gain et le facteur de bruit des amplificateurs Raman, permettant de comparer les performances de bruit intrinsèque en fonction de la configuration de pompage choisie. En complément au bruit quantique intrinsèque, nous avons aussi étudié, en établissant et simulant des models stochastiques et vectoriels, deux autres sources de bruit classique importantes dans les amplificateurs Raman, qui sont la rétrodiffusion Rayleigh et le transfert de bruit de la pompe vers le signal. Et les impacts sur les performances des systèmes de ces bruits supplémentaires ont été finalement analysés.

La génération de signaux RF, basée sur la transmission et le battement de signaux optiques de fréquences différentes et de phases fortement corrélées, est une des techniques attractives pour la provision des réseaux radio sur fibre. La synchronisation optique de deux lasers esclaves sur différentes bandes latérales de modulation d'un même laser maître accomplit la corrélation de phase. L'approche théorique, d'un côté, consiste à analyser les performances d'une telle liaison optique où le bruit de phase de la porteuse RF générée est calculé. Il est déterminé que les transmissions sans erreur, à une porteuse de 60 GHz modulée en QPSK 155 Mbps sur des distances ~15 km, sont faisables, pourvu que la dispersion chromatique de la fibre soit compensée par un retard différentiel entre les deux lasers esclaves. D'un autre côté, une méthode basée sur la théorie des ondes couplées pour décrire les variations optiquement induites de la fréquence et du gain des lasers à réaction distribuée permet d'établir la dépendance de la bande d'accrochage sur les caractéristiques du réseau de Bragg de la cavité. Dans l'approche expérimentale, la réflectométrie optique à faible cohérence est utilisée pour mesurer ces variations de fréquence et gain débouchant sur l'estimation du facteur d'élargissement d'Henry. Une procédure expérimentale est développée pour optimiser les caractéristiques spectrales des signaux RF en termes des densités spectrales de puissance des lasers et des conditions d'injection. Des porteuses RF montant jusqu'aux 20 GHz ont été générées gardant un bruit de phase inférieure au hertz, un signal sur bruit de 45dB et un taux de rejection de fréquences résiduelles >23dB.