Aujourd'hui encore, malgré l'utilisation de techniques spectrochimiques de référence, l'aspect quantitatif de la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) reste largement en friche du fait d'effets de matrice incapacitants. La LIBS sans étalonnage (CF-LIBS) est une des façons considérées par la communauté scientifique afin de relever ce défi. Malgré ses postulats d'idéalité du plasma (ETL, homogénéité et stationnarité du plasma), à l'heure actuelle peu d'études extensives ont été développées afin de réaliser une évaluation critique de la méthode. A l'aide d'outils théoriques (modèle collisionnel-radiatif développé pour l'Aluminium, Argon et Cadmium) et expérimentaux (expérience de Diffusion Thomson) tirant leur origine de la physique des plasmas, ainsi que de cas pratiques d'analyses, nous tenterons d'établir le cahier des charges le plus favorable à l'analyse quantitative par CF-LIBS. L'application de cette méthode à l'analyse d'échantillons complexes (minéraux et sols pollués) sera discutée à l'aune de nos résultats et des connaissances actuellement disponibles en la matière.

Deux ondes électromagnétiques intenses de même fréquence et de même polarisation se propageant dans des sens opposés dans un milieu non-linéaire génèrent au dessus d'une certaine intensité seuil, des nouvelles ondes appelées instabilités qui sont émises spontanément dans des directions différentes de celles des pompes. Ce travail de thèse a consisté en l'étude des instabilités générées dans une vapeur de Rubidium dans deux situations expérimentales différentes. Dans la première expérience, une onde pompe intense se propage dans le milieu non-linéaire, se réfléchit sur un miroir de rétroaction et est alors réinjectée dans le milieu non-linéaire. Pour une intensité suffisante et une fréquence adaptée de l'onde pompe, des instabilités sont émises. Elles pourront se réfléchir sur le miroir de rétroaction et être réinjectées dans le milieu non-linéaire. Leur structure transverse en champ lointain est alors constituée de diverses figures telles que des anneaux concentriques, deux points diamétralement opposés ou des figures comportant un nombre pair de taches réparties sur un cercle et appelées 'marguerites'. L'étude théorique de ces instabilités associée à une étude expérimentale a permis de prédire et de décrire le comportement des différentes instabilités émises en fonction des différents paramètres du système. En particulier ces études ont montré que l'intensité des instabilités pouvait être statique, périodique ou chaotique. La deuxième expérience ne comporte pas de miroir de rétroaction et le faisceau laser est séparé en deux ondes pompes se contrepropageant dans le milieu non-linéaire. En champ lointain, les instabilités transverses sont constituées par un seul anneau, deux points diamétralement opposés ou des hexagones. L'intensité de ces instabilités peut être chaotique et l'étude de ce chaos été réalisée.

L'objet de ce travail de thèse est d'étudier un cas particulier de l'interaction lumière-matière dans le cadre du stockage d'information quantique. Nous nous sommes intéressés aux processus appelés transitoires optiques cohérents, et plus précisément à l'écho de photon à deux impulsions. Ce processus est observé dans des cristaux dopés aux ions lanthanides, tel que le Tm3+:YAG. Une fois éclairé par une impulsion faible (le signal à stocker) puis par une impulsion plus intense (servant à la remise en phase des dipôles induits), ce milieu atomique, essentiellement un système à deux niveaux avec une transition large, réemet une troisième impulsion, qui est l'"écho" temporel de la première (chapitre 1). Nous avons observé de tels échos expérimentalement, et ce pour des impulsions de signal faibles. Néanmoins, des effets délétères, dûs à l'impulsion de rephasage et à sa propagation, nous ont permis de conclure sur l'impossibilité d'utiliser ce processus tel quel en tant que protocole de mémoire quantique (chapitre 2). Le troisième chapitre a pour objet l'état des lieux des diverses méthodes dérivées de l'écho de photon à deux impulsions. Notamment, nous examinons la capacité théorique des échos Stark à restituer une éventuelle information quantique. Bien que prometteuse, nous lui avons préféré un autre processus, basé sur la structuration de l'absorption du système en peigne de fréquences atomiques (AFC en anglais). Son étude théorique consistitue la fin du chapitre 3. Le dernier chapitre (4) s'attache à résumer les expériences que nous avons réalisées sur le protocole AFC. Elles ont permis d'observer des échos AFC avec une efficacité proche de 10%. Elles ont également permis de dégager des axes de recherche pour améliorer le protocole, comme l'AFC large- bande, ou en régime de comptage de photons.

Nous avons déterminé la pression locale dans des nanocristaux de CdS/ZnS grâce à la phosphorescence de l'ion manganèse. Cet élément dopant a été placé suivant des positions radiales contrôlées dans une coque de ZnS formée couches par couches. Les mesures de pression expérimentales sont remarquablement proches de celles déterminées en utilisant le modèle simple de mécanique d'une sphère élastique isotrope. Ainsi le modèle de la sphère élastique isotrope peut servir à la compréhension de certains phénomènes observés tels que les changements de phases cristallines, ou la rupture sous contraintes de certaines coques et peut permettre une meilleure conception des nanoparticules coeur/coque. Dans un deuxième temps, nous avons mis au point la synthèse de puits quantiques colloïdaux de CdSe, CdS et CdTe. L'épaisseur de ces nanoparticules est contrôlée à la monocouche atomique près et elles présentent des propriétés physiques exceptionnelles. Nous citerons, notamment, leur émission avec des largeurs à mi-hauteur de l'ordre de kT à température ambiante. Enfin, nous montrons qu'il est possible d'étendre latéralement ces nanoparticules et le modèle k.p appliqué aux puits quantiques permet de revenir aux vraies épaisseurs des nanoplaquettes et de vérifier les paramètres physiques pour les trois matériaux.

Dans cette these, nous avons effectue l'analyse des spectres d'absorption a haute resolution de H2S, D2S, HDS et SO2 enregistres pour la premiere fois ou avec une meilleure precision experimentale que les spectres anterieurs. Nous avons developpe une methode originale de "global ftting" qui nous a permis l'analyse de 22 bandes vibrationnelles soit un total de 9700 transitions rovibrationnelles pour la molecule de D2S. Nous avons applique cette meme methode a des molecules de symmetrie Cs, en particulier tout le spectre rovibrationnel de la molecule HDS a ete analyse. La methode SPGF est appliquee aux molecules triatomiques H2S, D2S, HDS. Une procedure originale permettant l'identication des bandes tres peu intenses a ete mise au point pour la premiere fois et appliquee aux bandes chaudes de la molecule SO2. Le formalisme U(p+1) est adapte aux molecules triatomiques non lineaires de symmetrie C2v et les parametres d'un Hamiltonien vibrationnel sont determines dans le cas de la molecule D2S.

Dans le cadre du formalisme U (p+1), nous construisons un Hamiltonien adapté aux modes d'élongation de molécules non planaires XY3 dont le groupe d'invariance géométrique est C3v. Cet Hamiltonien est ensuite couplé à deux Hamiltoniens possibles décrivant les modes de pliage de ces systèmes moléculaires : a) basé sur une approche du type U (p+1), un Hamiltonien de pliage est développé et l'interaction entre les modes d'élongation et de pliage est prise en compte par un opérateur de couplage de la résonance 2 :1, définit comme un opérateur de l'algèbre enveloppante de Us(4) x Ub(4) ; b) basé sur le formalisme standard des modes normaux, un Hamiltonien de pliage est formulé et l'interaction 2 :1 est prise en compte par le produit tensoriel d'un operateur de Us(4) avec un operateur standard normal pour le pliage. Ces formalismes sont alors appliqués aux molécules de stibine, phospine et d'arsine et comparés avec des études précédentes. Le nombre quantique de polyade permet une modélisation informatique du problème, particulièrement dans le processus de diagonalisation de la matrice hamiltonienne. Les programmes et les méthodes informatiques sont expliquées dans ce travail de thèse. La thèse est entièrement écrite en français avec une traduction équivalente en russe.

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude du bruit d'intensité et de l'influence de l'injection optique pour des lasers à îlots quantiques et à bâtonnets quantiques. Ces structures font l'objet de nombreuses attentes mais peu d'études ont été jusqu'à présent réalisées. Nous détaillons les techniques de mesures de bruit et développons une analyse de l'interaction entre les modes d'un laser multifréquences à partir de mesures de bruit. Une modélisation du bruit d'intensité dans les structures à îlots quantiques montre un fonctionnement plus complexe de ces structures en comparaison aux structures massives. Il indique le rôle majeur de la couche dite de mouillage, en accord avec l'étude expérimentale. Les meilleures caractéristiques dynamiques liées à une fréquence de relaxation et un taux d'amortissement plus forts s'accompagne d'un bruit plus faible dans un laser à bâtonnets quantiques comparativement à un laser massif de structure comparable. Un nombre plus réduit de plans de bâtonnets quantiques conduit à de moins bonnes caractéristiques dynamiques alors que cette diminution est connue pour diminuer le seuil laser. L'étude de l'injection optique dans ces structures montre un comportement très proche de celui des lasers monomodes. Peu de régimes sont rencontrés en comparaison à l'injection dans un laser multi-mode massif. Par ailleurs nous montrons l'observation du régime de multi-excitabilité dans ces structures.

Les travaux menés au cours de cette thèse avaient pour but de comparer les monocristaux de BBO issus des croissances TSSG et Cz du point de vue de leur qualité cristalline et de leurs performances optiques en matière d'absorption et de génération de second harmonique. Nous avons effectué des analyses sur la qualité cristalline de nos échantillons et les conclusions que nous pouvons en tirer concernent la composition chimique des cristaux et les défauts présents dans le volume et à la surface de ceux-ci. Les analyses en fluorescence X effectuées sur de nombreux cristaux aussi bien Cz que TSSG et sur les poudres de synthèse nous permettent de conclure que : – Pour les cristaux TSSG, l'essentiel des impuretés provient de la solution de Na2O. – Pour les cristaux Cz, la teneur en impuretés est essentiellement liée à la pureté des poudres de synthèse. Les impuretés retrouvées dans les échantillons Cz testés sont les mêmes que celles présentes dans les échantillons TSSG. Cependant, la concentration de certaines d'entre elles comme Fe, Cr, Si et Al est inférieure dans les échantillons Cz. La présence de sodium en des proportions équivalentes dans les cristaux provenant des deux types de croissance indique que dans le cas du BBO, la technique Cz atteint la limite de purification. Pour optimiser le gain de pureté apporté par la technique Cz, il faut donc utiliser les poudres de départ les plus pures possibles. Nous avons mis en évidence par des processus d'observation au microscope optique en lumière polarisée, au microscope électronique à balayage et au microscope à force atomique mais aussi par des procédés d'attaque chimique et de spectroscopie RX, la présence dans les cristaux issus des deux techniques de croissance, des défauts tels que : – des mâcles – des amas de matière à la surface des cristaux – des dislocations – des contraintes La densité de dislocation a été évaluée et montre que les cristaux TSSG sont plus disloqués que les échantillons Cz étudiés. Ceci peut trouver son explication dans : – les conditions thermiques de croissance. En effet, la dynamique de chaleur dans les cristaux TSSG et la faible vitesse de rotation du bain favorisent des cristallisations en forme de lentilles qui induisent plus de dislocations. – les concentrations en impuretés plus élevées dans les cristaux TSSG que dans les cristaux Cz Nous avons montré par spectroscopie Raman que les raies à 147, 371 et 471 cm−1 ont des comportement bien distincts selon le type de croissance. Ces raies sont liées aux liaisons B-O-B nombreuses dans BBO et jouent un rˆole dans les susceptibilités non linéaires du cristal. Cette simple technique non destructive doit permettre de distinguer la provenance des cristaux BBO. Un travail conséquent sur le polissage des cristaux de BBO nous a permis d'atteindre une qualité de surface optique, de planéité et de rugosité comparable à celle des meilleurs cristaux commerciaux. Ainsi nous avons pu effectuer des mesures optiques comparatives dans les domaines linéaire et non linéaire. Nous avons réalisé un comparatif sur 9 échantillons de diverses provenance en enregistrant les spectres d'absorption sur un même spectromètre entre 180 et 3300 nm. Ainsi nous avons pu établir : – l'anisotropie de l'absorption linéaire de BBO. – une corrélation entre la densité dislocation et la valeur du coefficient d'absorption. – une corrélation entre le taux d'impuretés et le front d'absorption. Les mesures que nous avons effectuées en open et closed Z-Scan sur des cristaux BBO-TSSG et BBO-Cz nous ont permis de calculer le coefficient d'absorption non linéaire (α2) et l'indice de réfraction non linéaire (n2) de BBO à 1064 nm pour les deux types de cristaux. Les droites donnant _ et n2 en fonction de la densité de puissance présentent des pentes non nulles révélatrices d'une perturbation d'ordre supérieure. Ce phénomène est d'amplitude similaire selon la croissance et selon la direction de propagation. Les analyses menées pour la conversion de fréquence de 1064 nm vers 532 nm tant en mode continu qu'en mode impulsionnel, confirment que les coefficients effectifs des cristaux BBO-Cz et BBO-TSSG réagissent de manière semblable. Par contre, une augmentation non négligeable et reproductible du coefficient effectif non linéaire dans les cristaux Cz pour la conversion 532 nm vers 266 nm a pu être mise en évidence par rapport à celui dans les cristaux TSSG. Ce résultat est en accord avec les mesures d'absorption dans les cristaux Cz. Les tests de tenue au flux réalisés sur les cristaux Cz indiquent qu'aucun phénomène de saturation ou de dégradation des cristaux n'est visible compte tenu des densités de puissances maximales dont nous disposons. Mais, ces densités sont inférieures à celles mentionnées dans la littérature pour l'apparition de phénomènes d'endommagement et des mesures complémentaires avec une source plus puissante seraient donc nécessaires à l'étude de ces phénomènes d'endommagement optique. Pour des applications de conversions de fréquences 10647532 nm ou 5327266 nm, la méthode de croissance influe peu sur les propriétés générales. Seules des mesures extrêmes à très haut flux ou à de courtes longueurs d'onde seraient affectées par l'origine du cristal. Il faut cependant noter que la vitesse de croissance des cristaux Cz, 20 fois supérieure à celle des cristaux TSSG fait de cette méthode une technique de choix pour l'industrie. Les perspectives qu'offre ce travail à l'étude et à l'utilisation du BBO sont les suivantes : – l'étude des différences entre les cristaux issus des croissances Cz et TSSG pour λ < 266 nm afin d'évaluer les facteurs d'endommagement optique reliés à l'autofocalisation et aux impuretés dans des cas de densités de puissances plus élevées. – le développement d'un modèle permettant d'expliquer l'absorption non linéaire dans BBO.

Ce travail de thèse concerne de nouveaux développements fondamentaux en optique cristalline linéaire et non linéaire des milieux biaxes. Il s'agit de l'étude de la distribution angulaire du coefficient d'absorption en lumière polarisée d'une part, et de l'auto-doublage de fréquence d'autre part, cette dernière propriété combinant à la fois l'effet laser et la génération de second harmonique dans le même cristal. Ces deux aspects ont été abordés avec le cristal biaxe monoclinique Ca4YO(BO3)3 dopé avec des ions Nd3+ (YCOB : Nd) et usiné en forme de sphère. Grâce à l'étude de la distribution angulaire de l'absorption dans le plan miroir de YCOB : Nd, nous avons montré, pour la première fois à notre connaissance, que dans un cristal monoclinique l'angle entre le repère d'absorption et le repère diélectrique dépend fortement de la transition électronique considérée. Ce résultat fondamental, propre aux cristaux monocliniques et tricliniques, a des conséquences pratiques importantes : en effet, il sera nécessaire de connaître l'orientation du repère d'absorption ou de fluorescence pour chaque longueur d'onde considérée lorsqu'il s'agira de concevoir un laser à partir d'un cristal monoclinique ou triclinique. La mesure de la distribution angulaire de l'absorption dans toutes directions de YCOB : Nd a montré que la topologie correspondante est décrite par deux nappes relatives aux deux modes de polarisation, nappes qui sont en contact selon des lignes continues définissant ainsi un continuum de directions pour lesquelles l'absorption ne dépend pas de la polarisation. Ces directions particulières pourraient trouver un intérêt dans le cadre de la gestion de la thermique vis-à-vis de l'absorption. Ces résultats sont totalement originaux et sont généralisables à tout cristal biaxe, qu'il soit orthorhombique, monoclinique ou triclinique. Conscients de la complexité d'optimiser à la fois les propriétés d'absorption, de fluorescence et d'accord de phase, nous avons conçu une méthode de caractérisation directe des propriétés d'autodoublage de fréquence, le cristal étudié étant usiné en forme de sphère puis placé entre deux miroirs. Dans ces conditions, nous avons montré qu'il est possible de mesurer directement toutes les directions d'accord de phase d'autodoublage de fréquence avec un seul échantillon du cristal à l'étude. C'est aussi la première démonstration, à notre connaissance, d'un laser dont le milieu à gain est sphérique.

La spectroscopie Raman est utilisée dans le cadre de la caractérisation locale des contraintes mécaniques en microélectronique. Les effets des déformations sur le spectre Raman du silicium sont étudiés de manière à établir un protocole expérimental. Les notions importantes de résolution et d'observation sont abordées. Plusieurs techniques originales dérivées de la rétrodiffusion Raman sont mises en oeuvre. L'utilisation de l'ultraviolet proche permet d'améliorer considérablement la résolution spatiale des mesures Raman. Une méthode de mesure des contraintes basée sur le couplage entre simulations et expériences est développée. Différents dispositifs microélectroniques sont étudiés par cette méthode. Les résultats obtenus permettent de valider et d'étendre le champ d'application de la méthode. Des expériences de spectro-tomographie Raman sont réalisées sur des structures d'isolation. Enfin, une étude est menée sur des alliages silicium germanium.