Le lidar (acronyme de Light Detection and Ranging) est un instrument couramment utilisé de nos jours pour la caractérisation des propriétés physico-chimiques de l'atmosphère. Dans le domaine de l'aéronautique, on pourrait l'employer pour caractériser l'atmosphère amont d'un aéronef porteur. Parmi les applications courte-portée, citons l'optimisation du vol ou la détection de turbulence. Le principe du lidar consiste à émettre un faisceau laser dans l'atmosphère pour analyser le signal rétrodiffusé. En général, deux types de signaux coexistent, aux propriétés spectrales très différentes : le signal Rayleigh, diffusé par les molécules de l'air, et le signal Mie, diffusé par les particules plus massives (poussières, aérosols...). Ce travail de thèse évalue la faisabilité d'un lidar mixte Rayleigh-Mie, capable d'exploiter simultanément les deux types de signaux. L'objectif est la mesure à courte portée (20-50 m) des paramètres de vitesse, température et densité de l'air. Le point d'étude essentiel concerne la méthode d'analyse spectrale du signal : un système utilisant deux interféromètres de Michelson à imagerie de franges est notamment proposé, et ses performances comparées avec celle de l'interféromètre de Fabry-Perot, plus classique. La faisabilité de la mesure de vitesse par interféromètre de Michelson à imagerie de franges est expérimentalement démontrée. Pour cela, un système lidar à 355 nm a été développé, et une méthode de traitement de signal spécifiquement conçue pour l'analyse des franges. On montre que des mesures robustes peuvent être réalisées en plein jour, insensibles aux dérives de fréquence du laser et aux perturbations thermo-mécaniques de l'interféromètre.

Conception et réalisation de cristaux photoniques et de réseaux de diffraction pour les cellules photovoltaïques silicium en couches ultra-minces Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques (CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2D dans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit 20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de la génération de second harmonique par les nanoparticules métalliques. La présence de résonances de plasmon de surface localisées dans les nanoparticules métalliques accroit la section efficace non linéaire et le but de ce travail a été de comprendre comment ce couplage peut être mis à profit. D'un point de vue fondamental, la comparaison entre expérience et théorie a permis de mettre en évidence le mode d'émission octupolaire ainsi que de pondérer les contributions de surface et de volume au signal total émis. Il a également été démontré que des profils de Fano non linéaire pouvaient être observés dans le cas de nano-objets très simples. Des applications pratiques, telle que les capteurs plasmoniques, ont été abordées montrant que les propriétés intrinsèques de la génération de second harmonique offrent plusieurs avantages et augmentent la sensibilité de tels capteurs. Des mesures expérimentales ont également été effectuées sur des nanoparticules d'or uniques enfermées dans une matrice homogène, ouvrant la voie pour une compréhension plus fine de l'impact de la morphologie des nanoparticules sur leur réponse non linéaire.

La microscopie optique est une technique essentielle pour de nombreuses disciplines des sciences expérimentales qui nécessitent des résolutions sans cesse plus petites. Dans ce travail de thèse sont présentés plusieurs travaux pour l'amélioration de la résolution en microscopie de fluorescence et en microscopie tomographique par diffraction (MTD), une récente technique de microscopie de phase. Dans un premier temps, il est montré que déposer l'échantillon sur un miroir permet d'augmenter la résolution axiale en MTD et en microscopie confocale de fluorescence. En microscopie confocale, il faut pour cela mettre en forme le faisceau incident grâce à un modulateur spatial de lumière. En MTD, il suffit d'adapter le programme de reconstruction. La deuxième partie présente des algorithmes pour reconstruire des images haute résolution à partir de mesures en éclairement structuré avec de champs d'illumination inconnus, à la fois en microscopie de fluorescence (algorithme blind-SIM) et en MTD. En microscopie de fluorescence, ces algorithmes permettent de simplifier drastiquement les montages expérimentaux produisant l'éclairement structuré et en MTD, d'obtenir des images d'échantillons à fort indice.

La diffraction constitue une limite fondamentale en microscopie, mais souvent cette limite n'est même pas atteinte. Des imperfections dans la formation d'image, appelées aberrations, peuvent être induites par le microscope ou l'échantillon. Un élément actif, dit correcteur, est intégré au chemin optique pour leur compensation. Les paramètres de ce correcteur doivent être déterminés sans dommage excessif pour l'échantillon. Il faut comparer le gain en signal et/ou en résolution avec cet endommagement, surtout pour des échantillons biologiques fragiles. En première partie de cette thèse je présente une modalité particulière de la microscopie par cohérence optique (nommé deep-OCM). Ce développement a permis la mesure exacte et in vivo de l'indice de réfraction moyen du cerveau du rat. Cette valeur implique que la microscopie bi-photonique est limitée par des aberrations optiques à partir d'une profondeur de 200 µm dans ce type d'échantillon. Le deep-OCM est bien adapté à l'imagerie de fibres nerveuses myélinisées. Des fibres individuelles peuvent être visualisées in vivo dans le cerveau à des profondeurs auparavant inaccessibles, supérieures à 300 µm. Dans la deuxième partie de cette thèse je présente le développement d'un autofocus et auto-stigmateur (nommé MAPFoSt) pour le microscope électronique à balayage qui permet d'assurer la qualité maximale des images lors d'un changement d'échantillon ou pendant des séries d'acquisitions de longue durée. MAPFoSt permet de déterminer avec précision les trois paramètres du focus et du stigmatisme en utilisant seulement deux images de test

La tomographie optique cohérente (OCT) est maintenant une technique établie permettant de visualiser la morphologie interne de l'œil. L'objectif est maintenant d'atteindre des résultats similaires dans des tissus fortement diffusants. Une limite des études précédentes en OCT s'avère être sa faible résolution en comparaison des techniques d'histologie traditionnelle. La tomographie optique cohérente plein-champ (FFOCT), une variante de l'OCT également basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente, produit des images à l'échelle du micron sur un large champ de vue au moyen d'une simple camera et d'une lampe halogène. Dans ces travaux, un système FFOCT a été testé en conditions cliniques afin d'examiner de larges lésions mammaires, jusqu'à 1 cm², ainsi que des biopsies. Un ensemble de critères diagnostiques ont pu être identifiés pour différencier tissus bénins de malins, avec de premiers résultats encourageants; toutefois une amélioration du contraste endogène s'avère nécessaire. Une méthodologie exploitant les différences d'atténuation s'est montré limitée par une forte hétérogénéité des tissus sur une profondeur de quelques microns. En outre, la profondeur de pénétration de la technique a été améliorée au moyen d'un système opérant dans l'infrarouge et d'une huile de silicone en tant que liquide d'immersion. Finalement, l'imagerie tridimensionnelle in-vivo a pu être démontrée pendant les 4 jours de la métamorphose d'une Drosophile melanogaster. Le dispositif a pu suivre la croissance de chaque organe sur près de 80 µm avec une résolution isotrope à l'échelle du micron ouvrant ainsi des perspectives d'applications en biologie du développement.

Les milieux Kerr soumis à des faisceaux optiques contrapropageants provenant, soit d'une cavité Pérot-Fabry plan-plan ou d'une boucle de rétro-action, ont été très étudiés pour la génération de structures transverses. De nombreux développements théoriques dans la configuration de la cavité ont prédit l'existence de structures localisées (solitons). Cependant aucune mise en évidence expérimentale de ces structures n'a été réalisée à ce jour. Dans la configuration de la boucle de rétro-action optique, les régimes fortement non linéaires présentent des structures rares et intenses, très localisées aussi bien spatialement que temporellement. C'est dans ce cadre que nous nous intéressons expérimentalement à la structuration localisée de la lumière dans ces deux systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en évidence expérimentale de solitons spatiaux dans une cavité Pérot-Fabry plan-plan Kerr à diffraction positive. Ensuite, nous étudions cette cavité quand elle est soumise à de la diffraction négative. Des parois de domaines propagatives sont alors observées. Celles-ci sont bloquées par le forçage spatial lié à l'inhomogénéité du profil de pompage optique gaussien qui donne lieu à une localisation de la lumière. Nous étudions succinctement le cas limite d'une cavité sans diffraction dans laquelle les parois de domaines survivent. Pour finir nous effectuons une étude du régime très fortement non linéaire dans le dispositif de rétro-action optique grâce à une approche statistique. Nous observons l'apparition de structures localisées scélérates associées à l'émission d'un supercontinuum spectral spatial.

Les travaux présentés dans ce manuscrit de thèse s'inscrivent dans l'étude et la réalisation de sources lasers impulsionnelles à fibre autour de 2 µm. Le travail présenté dans ce manuscrit se décline en deux parties. Une première partie est consacrée à l'étude des sources lasers fibrées à commutation de gain émettant des impulsions d'une durée de quelques nanosecondes. Une source a été réalisée et caractérisée, elle génère des impulsions de 10 ns de durée, 16 µJ d'énergie et 1,6 kW de puissance crête. Les impulsions sont ensuite amplifiées dans une fibre à large cœur pour atteindre plus de 150 µJ d'énergie et 13 kW de puissance crête, l'ensemble de la source étant totalement fibré. La deuxième partie est consacrée à l'étude des sources à verrouillage de mode autour de 2 µm. Un oscillateur totalement fibré fonctionnant en régime solitonique a été réalisé et caractérisé, il génère des impulsions de 4,5 ps de durée et 62 pJ d'énergie. Ces impulsions sont ensuite amplifiées afin d'atteindre plus de 8 kW de puissance crête et 30 nJ d'énergie sans l'accumulation significative de nonlinéarités. Les limites de l'amplification des impulsions dans ces deux différents régimes sont étudiées et discutées avec l'appui de modèles numériques.

Ces travaux de thèse portent sur la mise au point d'une technique d'élastographie quantitative à haute résolution pour l'estimation des propriétés biomécaniques de la cornée et de la peau. Pour cela, nous avons implémenté la méthode Supersonic Shear wave Imaging (SSI) à des fréquences ultrasonores atteignant 20 MHz. L'élastographie SSI consiste à déterminer la rigidité d'un milieu à partir de la vitesse de propagation d'une onde de cisaillement dans ce milieu. La géométrie de la cornée et de la peau, qui sont des organes d'épaisseur submillimétrique, impose un guidage des ondes de cisaillement le long des interfaces de ces organes, engendrant des phénomènes dispersifs. Nous avons donc dans un premier temps développé un modèle permettant de calculer quantitativement le module d'Young à partir des courbes de dispersion de l'onde de cisaillement. Dans un second temps, nous avons mis en application l'élastographie SSI pour obtenir des cartographies des propriétés élastiques de cornées porcines ex vivo et in vivo et du derme humain in vivo. Le comportement élastique anisotrope et non-linéaire de ces deux tissus a ainsi pu être observé. Nous avons ensuite réalisé une étude préclinique en ophtalmologie, qui démontre la faisabilité d'utiliser l'élastographie SSI pour évaluer in vivo le durcissement cornéen induit par un traitement appelé " cross-linking de collagène cornéen ". Enfin, nous avons mené deux études cliniques en dermatologie. L'une a permis d'étudier les variations d'élasticité du derme au cours du vieillissement, l'autre concerne la caractérisation de lésions cutanées.

La démonstration de la première diode laser organique reste un défi majeur en optoélectronique organique. Parmi les nombreuses problématiques à étudier, l'aspect " matériau " (gain et pertes) est capital. Par exemple, la limite théorique basse du seuil laser en pompage électrique pourrait être connue s'il existait une méthode d'estimation fiable du seuil laser en pompage optique. Dans cette thèse nous avons étudié le gain et la polarisation de lasers basés sur des couches minces de polymère dopées par des colorants organiques. L'originalité de ce travail repose sur l'étude des propriétés du matériau organique à travers l'analyse des caractéristiques de microlasers. Cela permet aussi de s'intéresser aux problématiques de couplage gain-mode et aux systèmes ouverts. Nous proposons une description quantitative du processus d'amplification dans les matériaux organiques. Une relation liant gain, pertes et seuil est établie dans le cas d'une cavité Fabry-Perot, ce qui permet par la suite l'étude de l'amplification optique et de l'extraction de la lumière dans les cavités diélectriques à travers la mesure précise du seuil laser. Nous avons exploré différentes formes de cavités, comme les carrés où la lumière est couplée vers l'extérieur par diffraction au niveau des coins. Nous avons démontré que l'anisotropie de fluorescence intrinsèque des molécules de colorant gouverne la polarisation de tels systèmes lasers. Nous avons développé à cette occasion un modèle original incluant la distribution non-isotrope des molécules dans le polymère. Nous avons aussi étudié le rôle de la géométrie de la cavité sur l'état de polarisation du laser, et différents moyens de contrôler cet état.