J'étudie comment des nanostructures photoniques permettent d'exalter l'émission optique de molécules. L'objectif est de dépasser les limites imposées par la diffraction en microscopie optique pour améliorer la détection de nano-émetteurs. Mes travaux combinent recherche fondamentale et applications. L'axe recherche fondamentale porte sur la compréhension des phénomènes électromagnétiques mis en jeu dans des antennes de dimensions nanométriques. L'axe recherche appliquée porte sur le développement de nouvelles techniques de détection et d'analyse de biomolécules. Ces travaux s'inscrivent dans les thématiques très actives actuellement des nano- antennes plasmoniques et des capteurs pour la biophotonique.

Les sources laser à fibre sont de plus en plus utilisées dans des domaines très divers car elles possèdent des avantages majeurs : qualité de faisceau, intégration, possibilité d'émettre une puissance moyenne élevée, efficacité, robustesse. Nous présentons des travaux de recherche visant à étendre les performances des sources ultrarapides basées sur les fibres en utilisant des effets d'optique non linéaire et en proposant de nouvelles architectures laser.

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Des travaux de recherche sont actuellement menés pour miniaturiser les systèmes optiques : moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. J'ai tout d'abord mis en évidence des stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques. Parmi elles, les approches menant à des systèmes multivoies semblent être les plus prometteuses pour concevoir des systèmes à la fois compacts et performants. J'ai alors proposé deux architectures multivoies simples, compactes et intégrées au plus près du détecteur infrarouge. La première, de champ d'observation égal à 120°, intègre une matrice de microlentilles à quelques centaines de micromètres seulement du détecteur infrarouge : elle est qualifiée de caméra sur puce. Des défis technologiques ont dû être relevés pour réaliser ce composant. J'ai développé un algorithme de reconstruction d'images et évalué expérimentalement les performances de la caméra. Ce système produit, après traitements, une image échantillonnée au pas de 7,5 µm. Cette valeur est deux fois meilleure que celle qui pourrait être obtenue avec une caméra monovoie classique, associée à un détecteur infrarouge à l'état de l'art actuel, avec un pas pixel de 15 µm. J'ai contribué à la réalisation du second système en développant une méthode originale et simple pour en fabriquer les matrices de microlentilles. Cette technique consiste à mouler par compression de la poudre de bromure de potassium à température ambiante. Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs infrarouges, qui intègrent une fonction d'imagerie.

Les procédés de fabrication de composants optiques ont un impact sur leur capacité à soutenir de forts flux laser. Nous présentons les travaux menés sur les procédés de polissage et l'optique diffractive pour en comprendre et améliorer les performances.

Les propriétés de transport dans le développement des dispositifs optoélectroniques et dans l'ingénierie des matériaux organiques sont d'une importance capitale. Les objectifs de cette thèse sont la caractérisation avancée des propriétés optiques et électriques dans les matériaux semi-conducteurs organiques mais également dans les complexes à base d'ADN dont l'architecture consiste à avoir un contrôle des propriétés moléculaires pour des applications optoélectroniques. Il a été démontré que les matériaux polymériques présentant une couche active avec une structure de type donneur/relais électronique/accepteur contenant des molécules polaires permettent d'obtenir une amélioration de l'efficacité quantique et une augmentation de la mobilité. En effet, l'impact des états de piégeage et de leur distribution énergétique et spatiale sur les propriétés de transport des charges dans les matériaux organiques ont été mis en évidence par diverses techniques expérimentales. En outre nous avons démontré que le piégeage des porteurs électroniques est effectivement impliqué dans le phénomène de transport de charge, en fonction de la longueur d'onde de la lumière d'excitation et du champ électrique appliqué. L'influence de l'architecture et de la fonctionnalisation des matériaux à base de complexes hybrides ADN-dye et ADN-silice sur les propriétés ONL et électriques des matériaux bio-organiques a été démontrée. De plus, de nouveaux matériaux hybrides ADN-surfactants cationiques avec une efficacité élevée des propriétés ONL du 3ième ordre ont été réalisés, ce qui a permis une augmentation du champ d'application des complexes ADN-surfactants dans divers solvants.

Ce mémoire présente des travaux portant sur les ondes aux statistiques extrêmes qui représentent un sujet extrêmement attractif en optique depuis qu'une comparaison avec les vagues scélérates océaniques a été proposée fin 2007. Nous décrivons donc les mécanismes de formations de ces structures extrêmes dans le cadre de la propagation guidée de la lumière dans les fibres optiques. Dans une première partie, nous commençons par explorer les ondes scélérates optiques dans les supercontinuums générés par instabilité modulationnelle d'ordre 4 et proposons une méthode de stabilisation basée sur l'utilisation de deux germes continus. Puis, nous continuons avec une étude approfondie sur les amplificateurs Raman à fibre où des conditions d'apparitions des structures géantes sont déterminées. En effet, en présence d'une pompe partiellement incohérente comme le laser Raman fibré, un gain quasi-instantané et un faible walk-off mènent à des statistiques extrêmes. Cela a pu être vérifié que le signal soit continu ou impulsionnel et dans le cadre d'un amplificateur paramétrique basé sur l'instabilité modulationnelle d'ordre 2 incohérente. Dans la dernière partie, un système turbulent est étudié en fonction de l'incohérence ce qui nous a permis d'identifier trois régimes avec, en particulier, le second où il existe des quasi-solitons intermittents. Enfin, nous nous intéressons à des structures non-linéaires appelées Breathers d'Akhmediev, qui présentent des cycles de compression-décompression, et portons notre attention sur leur limite asymptotique : le soliton de Peregrine. Ce dernier est vu comme un prototype très intéressant des vagues scélérates. Nos études expérimentales, menées aux longueurs d'ondes des communications optiques et utilisant différentes méthodes de caractérisations spectro-temporelles, sont complétées par des études numériques et analytiques.

Leur grande efficacité et leur directivité font des lasers des sources optiques extrêmement dangereuses pour l' oeil humain. Cependant il existe une bande spectrale s'étendant de 1,5 à 1,55 µm où le seuil d'endommagement de l'oeil est plus élevé et où les risques encourus sont moins importants. Cette bande spectrale est dite à " sécurité oculaire ". Un laser solide pompé par diode laser émettant dans cette bande spectrale doit trouver de nombreuses applications dans les domaines de la détection d' obstacles et de la télémétrie. Ce travail a donc pour objectif d' étudier théoriquement et de valider expérimentalement un tel laser à sécurité oculaire pompé par diode laser de puissance fondé sur l'utilisation d'un verre codopé erbium et ytterbium. Ce laser fonctionne en régime continu et déclenché mécaniquement. En régime continu une puissance de 100 mW avec un faisceau gaussien parfait a été obtenue pour une puissance de pompe absorbée de 650 mW. En régime déclenché par insertion dans la cavité d'un disque tournant, nous avons obtenu une puissance crête de 120W sur une impulsion de 35 ns de largeur à mi-hauteur et en régime déclenché par insertion d'un diapason dans la cavité, nous avons obtenu une puissance crête de 50 W sur une impulsion de 60 ns de largeur à mi-hauteur. Les résultats intéressants obtenus en régime déclenché nous ont permis de réaliser un télémètre à sécurité oculaire.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Brett D. DePaola / In many experiments involving a magneto-optical trap (MOT) it is of great importance to know the fraction of atoms left in an excited state due to the trapping process. Generally speaking, researchers have had to use overly simplistic and untested models to estimate this fraction. In this work, the excited fraction of 87Rb atoms in a MOT is measured using a model-free approach. A simple model is fit to the fractions which were obtained for a range of MOT parameters. Using the results of this work, the excited fraction of 87Rb atoms trapped in a MOT can be accurately estimated with knowledge of only the trapping laser intensity and detuning. The results are only weakly dependent on other MOT parameters.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Charles L. Cocke / An underlying goal of studying atomic or molecular dynamics with short laser pulses is to reach a time scale short enough to study the evolution of the system in the time domain. In this thesis, the strong field ionization of atoms and molecules has been investigated with the highly resolved technique known as cold target recoil momentum spectroscopy (COLTRIMS). The thesis can be divided into two parts: single and double ionization. In the first part, we studied the momentum vectors of low energy electrons generated by short laser pulses of wavelengths varying from 400 to 800 nm with atomic and molecular targets with intensities in the tunneling region. Most of the structures observed in the momentum spectra of atomic and molecular targets can be explained as due to above-threshold ionization, and Freeman resonances. The most significant structure in our observed spectra is the angular structure in the lowest part of the momentum image, and this is attributed to the diffraction pattern evolved by tunneling electrons. Surprisingly, we observed that the structure produced by the electrons from high Rydberg states is independent of the internal structure of the target atom and molecules. The same work is extended to aligned molecules. The basic idea of this part of the work is to see whether the angular distribution of electrons from aligned molecules resembles the orbital structures of the molecules. The rotational revival structure was used to align the molecules. We observed pronounced energy and angular structures of the momentum images which show a dependence on the alignment of the molecule. The last part of this work mainly focuses on double ionization, i.e. the removal of two electrons from the target atoms sequentially by a short laser pulse. Measuring the complete momentum vector of Ar2+ and Ne2+, we demonstrate that these can be used to extract the angular correlation between two electrons sequentially released in the circularly polarized pulse. We demonstrate how the measurement of full momentum vectors of the doubly ionized argon and neon ions can be used to extract the time gap of the two emissions.