Cette thèse exploite les modes de galerie de microcavités optiques, qui résultent d'un guidage par réflexion totale interne et possèdent des facteurs de qualité très élevés et de faibles volumes modaux. Ce mémoire rappelle dans un premier temps la description théorique des modes des microsphères et des microtores de silice. Leur fabrication est ensuite présentée, en soulignant les améliorations apportées au cours de la thèse, notamment la production de sphères de diamètre inférieur à 20 μm, et l'amélioration de la symétrie des tores à l'aide d'une polarisation circulaire. Nous présentons une étude détaillée de leur excitation par un coupleur fibré en insistant sur le phénomène d'interférence en ondes évanescentes qui se produit dans le gap. Ce phénomène est responsable des élargissements et déplacements des résonances dont je présente une étude poussée. Cette approche débouche sur une méthode très efficace de détermination de l'ordre radial. Par ailleurs, on observe des formes de résonance inattendues, qui résultent d'interférences entre deux modes du coupleur dans une configuration analogue à l'interféromètre de Mach-Zehnder. Nous abordons enfin la réalisation de microsources fondées sur l'émission de nanocristaux de silicium (NC Si) dans ces cavités. Les émetteurs ont des tailles contrôlées allant de 0,6 à 6 nm. Le chauffage au laser CO2 active la photoluminescence des NC Si autour de 750 nm, puis induit leur destruction partielle par coalescence. Le facteur de remplissage optique et les défauts de la matrice apparaissent comme les principaux obstacles à une amélioration significative des performances. Il a été possible de collecter l'émission de NC Si couplés à des microtores, en champs proche et lointain.

Les multiferroïques sont des matériaux qui présentent la rare propriété de posséder simultanément un ordre magnétique et un ordre ferroélectrique qui interagissent via le couplage magnétoélectrique. Un tel couplage est un enjeu considérable dans l'électronique de spin et le stockage de l'information car il offre l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique et vice versa. Les multiferroïques se séparent en deux grandes familles. Les types I comme BiFeO3 qui présentent une coexistence des ordres magnétique et ferroélectrique et les types II comme TbMnO3 où la ferroélectricité est induite par la structure de spin. Dans BiFeO3 la coexistence et l'interaction des ordres offrent l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique. En développant un dispositif transistor pour l'application du champ électrique sur les monocristaux de BiFeO3 à température ambiante, nous avons montré que la fréquence des ondes de spin peut être modifiée électriquement de 30%. Ces résultats ont montré que BiFeO3 est un matériau très prometteur pour la génération et le contrôle d'onde de spin dans les futurs dispositifs magnoniques. Dans TbMnO3 la filiation des ordres donne naissance à des excitations hybrides : des électromagnons, excitations d'onde de spin possédant un dipôle électrique. Nous avons mis en évidence par diffusion Raman l'existence de cette onde de spin polaire ainsi que la deshybridation de ces excitations lors de l'application d'un champ magnétique. Ce champ fait transiter TbMnO3 d'un état ferroélectrique à un état paraélectrique permettant de dévoilé les composantes magnétique et électrique élémentaires à l'origine des électromagnons.

- An extensive summary in French is available in Appendix E on page 189 -

L'objet de ce travail de thèse est l'étude de la photodissociation de la carboxymyoglobine (MbCO) par dichroïsme circulaire résolu temporellement (TRCD). La myoglobine (Mb) est une protéine responsable du stockage de l'oxygène dans les muscles de l'organisme. Lorsque le complexe MbCO absorbe un photon visible, il y a photodissociation, le CO se détache et quitte la protéine. Il s'agit donc de mesurer le dichroïsme circulaire de la myoglobine juste après la photodissociation, afin de pouvoir remonter aux changements de structure ultra rapides de la protéine. D'un point de vue expérimental, la difficulté de ce travail résidait dans la maîtrise des nombreux artefacts d'une telle expérience. D'un point de vue théorique, un calcul basé sur la théorie de la polarisabilité a permis de montre! r que le CD était sensible essentiellement aux mouvements de l'histidine proximale, résidu clef dans la compréhension de l'effet allostérique. Le résultat marquant de cette étude a donc été la mise en évidence d'une dynamique temporelle de 100 ps, attribuée à un mouvement de l'histidine proximale. Une nouvelle source laser a également été développée dans le but de faire des expériences de TRCD dans l'ultraviolet. L'objectif est de pouvoir suivre à terme la dynamique de repliement des protéines. Des résultats préliminaires ont été obtenus.

La thématique de recherche de cette thèse est l'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA). Il s'agit d'une technique prometteuse pour l'amélioration de la qualité des impulsions laser ultra courtes et intenses, qui vise à remplacer les pré-amplificateurs traditionnels des lasers à base de Saphir dopé au Titane, car elle possède de nombreux avantages vis-à-vis de ceux-ci, parmi lesquels l'absence de rétrécissement spectral par le gain. Depuis quelques années, la technique OPCPA est utilisée dans de nombreux laboratoires français et étrangers, dans des chaînes laser de puissance élevée ou pour la génération d'impulsions ultra-courtes. Lors de cette thèse, les intérêts et les limites expérimentales de cette technique ont été étudiés afin de l'utiliser en tant qu'injecteur pour une chaîne laser de haute intensité. L'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence est un phénomène d'optique non linéaire du deuxième ordre qui combine les technologies d'amplification paramétrique et d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence. Une source de pompe optique intense et une source signal faible interagissent dans un cristal non linéaire, permettant ainsi l'amplification du signal et s'accompagnant de la génération d'une nouvelle onde dite " complémentaire ". Deux configurations permettant un accord de phase large bande correspondant à des impulsions très courtes ont été étudiés. La première configuration d'amplification paramétrique qui fut développée est non dégénérée et non colinéaire. Les faisceaux signal et pompe sont générés par deux sources laser indépendantes et la synchronisation temporelle entre faisceaux est externe. La deuxième configuration est quasi-dégénérée et quasi-colinéaire. Les faisceaux proviennent d'une même source laser et sont ainsi synchronisés de façon naturelle. La seconde géométrie d'interaction s'est avérée être la plus prometteuse pour les études souhaitées. Son développement fut poursuivi en réalisant un schéma d'amplification hybride dans lequel un amplificateur paramétrique est combiné à un amplificateur à multiples passages traditionnel. Le signal ainsi amplifié est alors re-comprimé temporellement par un ensemble de quatre prismes associés à un filtre acousto-optique à dispersion programmable. La qualité spatiale ainsi que celle du front d'onde de l'impulsion incidente sont conservées pendant l'amplification. Une énergie de 300 µJ et un gain supérieur à 105 ont été obtenus sans réduction de la largeur spectrale des impulsions incidentes. La durée des impulsions obtenue après re-compression temporelle fut de 35 fs. La mise en évidence des verrous technologiques par la réalisation expérimentale d'une telle source va ainsi permettre d'améliorer le dispositif dont les résultats prometteurs démontrent tout l'intérêt d'utiliser ce type de système pour l'amplification d'impulsions laser ultra-courtes.

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Le travail proposé est une réflexion sur la sécurité de certains protocoles de distribution de clefs quantiques. Nous avons choisi d'utiliser la phase d'états cohérents à faible énergie pour porter notre information. Deux principaux axes sont mis en valeurs. Le premier est une étude sur l'apport d'un mode différentiel sur un protocole à modulation de phase utilisant des compteurs de photons, et le deuxième correspond à une réflexion sur l'apport d'un double seuil dans les mesures à détection homodyne. Dans la partie dévolue à l'étude de la sécurité en mode différentiel nous nous sommes attachés tout d'abord à comparer quantitativement la sécurité pour un système à référence de phase absolue et un système fonctionnant en mode différentiel. Nous avons montré un gain dans le système différentiel, car la sécurité se répartit à la fois individuellement et collectivement sur les qubits. Ensuite nous avons développé une étude sur l'introduction d'un double seuil dans un système de cryptographie quantique à détection homodyne. L'intérêt de cette technique est de pouvoir prendre du recul sur les mesures des qubits, et pouvoir prendre une décision au vu de la fiabilité du résultat d'une mesure. Nous avons ensuite étudié l'impact de différentes attaques courantes sur ce système à homodynage à double seuil.

Au cours de ce travail, nous avons étudié une méthode de caractérisation des milieux mous combinant ondes optiques et mécaniques. Cette méthode s'appuie sur une détection optique d'un mouvement transitoire causé par la force de radiation acoustique, induit en profondeur de milieux mous optiquement diffusants. Le mouvement consiste en un déplacement initialement au foyer acoustique qui se propage par la suite dans le milieu sous forme d'ondes de cisaillement. Le principe de la détection est basé sur l'illumination du milieu avec une lumière cohérente. La lumière traverse le milieu en étant fortement diffusée, produisant une figure d'interférence (speckle) en transmission. Avec une caméra rapide (2 kHz) méga-pixel, nous enregistrons des figures de speckle avant et pendant le mouvement transitoire. Nous calculons ensuite la corrélation des figures de speckle dans le temps. Cette technique, de par son mode d'excitation et de détection, s'est avérée sensible à des contrastes d'absorption optique et des contrastes de module de cisaillement dans des milieux mous épais et optiquement diffusant. De plus, des images de ces deux types de contrastes ont pu être obtenues, avec une résolution millimétrique pour les contrastes d'élasticité. L'étude expérimentale a été appuyée par une approche de modélisation des phénomènes physiques, basée sur le couplage de modèle de propagation d'ondes élastiques engendrées par la pression de radiation ultrasonore et de propagation des ondes optiques dans les milieux multi-diffusifs.

Différents aspects de l'interaction d'une impulsion ultra-courte et ultra-intense avec un plasma sous-dense ont été étudiés analytiquement et numériquement.Ces études présentent un intérêt pour l'accélération laser de particules dans les plasmas, les lasers à rayons X, la génération d'harmoniques d'ordre élevé, le concept d'allumeur rapide pour la fusion par confinement inertiel. On a utilisé le code particulaire relativiste WAKE développé précédemment à l'Ecole Polytechnique. Ce code a été modifié au cours de la thèse pour traiter le mouvement des ions, pour calculer des trajectoires d'electrons tests, et pour inclure des diagnostics divers sur les champs et les particules. Les sujets traités dans cette thèse sont les suivants: l'accélération de photons dans le sillage d'une impulsion laser courte et intense, la vitesse de phase de l'onde plasma dans le sillage d'une impulsion laser auto-modulée, la canalisation relativiste d'impulsions laser de durée de l'ordre de la période plasma, la dynamique ionique dans la sillage, le déferlement. Ensuite on a simulé 3 expériences de propagation d'onde laser et d'accélération d'électrons. Voici les principaux résultats de la thèse : La réduction de la vitesse de phase de l'onde plasma dans le cas d'une impulsion laser auto-modulée ne joue que dans le cas d'un canal préformé pour la guidage relativiste de l'onde laser. On a trouvé des structures self-similaires pour décrire le guidage relativiste d'une impulsion courte dans un plasma. On a démontré la propagation auto-guidée d'impulsion initialement gaussiennes de quelques périodes plasma. On a montré que la force pondéromotrice de l'onde plasma excitée par l'impulsion laser fomre un canal et le déferlement dans ce canal a été analysé en détail. Les éfficacités de l'accélération d'électrons dans le champ laser et dans l'onde plasma ont été comparées. Le décalage en fréquence d'une sonde se propageant dans le sillage plasma a été étudié dans des conditions correspondant à des expériences actuelles.

Ce travail a été consacré au développement d'instrumentation optique pour des applications biomédicales. La technique que nous utilisons est la polarimétrie. Nous avons développé deux instruments : un polarimètre de Mueller en réflexion et un appareil médical dédié à l'examen du col utérin (colposcope) pour l'imagerie en degré de polarisation en temps réel. Les applications ont été de deux types : la visualisation des brûlures radiologiques à un niveau infraclinique et l'amélioration du diagnostic du cancer du col utérin.