Cette thèse présente le développement d'un système de balayage de caméra à balayage de fente parfaitement synchronisé avec un laser impulsionnel femtoseconde. Cette application des photoconducteurs rapides ("commutateurs Auston") haute tension, permet d'obtenir des résolutions de caméra à balayage de fente subpicoseconde en mode d'accumulation d'images, avec des lasers d'énergie quelques centaines de microJoules par impulsion. Deux autres applications de ces photoconducteurs haute tension sont étudiées : - La commutation optique par une cellule de Pockels ultra-rapide de temps de montée inférieure à 100ps ayant une gigue temporelle inférieure à 2ps. - La stabilisation en énergie des impulsions laser ultrabrèves, coup par coup, à l'aide d'une cellule de Pockels commandée par un photoconducteur. Le photoconducteur (commandé en avance par une impulsion extraite de l'impulsion principale) commande la cellule de Pockels à diminuer les fluctuations. Une première expérience montre une amélioration d'un ordre de grandeur (de 7% à 0.7%). Parallèlement, une application du filtre acousto-optique dispersif programmable (Dazzler TM) à la mesure de la phase spectrale des impulsions femtosecondes est présentée. Les méthodes de mesures temporelles résultant d'un filtrage linéaire suivi d'une détection non linéaire, il est possible de réaliser la fonction de filtrage linéaire par le Dazzler TM remplaçant le montage optique souvent complexe. Il a été ainsi réalisé expérimentalement pour la première fois des mesures d'autocorrélation en bande de base et d'interférométrie spectrale à décalage par transformée de Fourier (Time-domain SPIDER).

L'accélération de protons par laser a connu une expansion exponentielle ces dernières années principalement grâce à une amélioration des lasers de puissance associée à une diminution de la taille et du coût de telles installations. Les applications envisagées de ces faisceaux sont nombreuses, tant dans le domaine médical (proton thérapie, création d'isotopes pour la TEP...) que dans le domaine énergétique (fusion inertielle, allumeur rapide...). L'interaction entre un faisceau laser intense et une cible solide permet de générer différents types de rayonnement ionisant, notamment des électrons, ions, neutrons, rayons X et protons. L'intérêt de ma thèse est de caractériser les faisceaux de protons produits par laser (divergence, energie, spectre, stabilité...) en fonction des différents paramètres laser, afin d'optimiser la conversion de l'énergie laser en protons énergétiques, pour, à plus long terme, une utilisation éventuelle de ce faisceau lors de traitements en proton thérapie. Ceci nous a amené, dans un premier temps, à développer des diagnostics adaptés pour une détection en temps réel du faisceau de protons puis, dans un deuxième temps, à ouvrir une discussion sur les paramètres laser d'intérêt intervenant dans la génération du faisceau de protons. L'énergie maximale des protons atteinte avec des impulsions courtes est de 10 MeV (LOA), en utilisant des impulsions plus longues (et plus d'énergie laser), le record est de 58 MeV (LNL). Ces résultats sont prometteurs et encourageants pour l'avenir, mais encore bien loin de la gamme 70 - 200 MeV nécessaire pour des traitements en proton thérapie.

Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.

L'avenir des communications quantiques réside dans le développement de répéteurs pour lesquels une mémoire quantique est nécessaire et permet de chaîner plusieurs transferts d'intrication. Ces mémoires exigent une largeur spectrale très étroite (< 100MHz), ce qui impose des contraintes fortes sur la qualité des sources de paires de photons intriqués. Dans le cadre de cette faible largeur spectrale, nous étudions les performances des sources de photons jumeaux basées sur la fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Pour assurer la propagation sur de longues distances, les photons sont émis à 1550 nm et couplés dans des fibres optiques. Pour les besoins de synchronisation, nous nous intéressons au cas de sources impulsionnelles. Après une étude de l'effet de leurs différents degrés de liberté sur leurs performances, nous apportons deux contributions utiles à la réalisation de sources optimales. La première, basée sur une étude théorique confirmée par l'expérience, est un résultat nouveau et général donnant les conditions optimales d'interaction paramétrique en vue de maximiser non pas la brillance de la source, mais l'efficacité d'extraction des paires, critique du point de vue de la qualité. La seconde contribution consiste en une technique originale de mesure directe de cette efficacité d'extraction. Outre les mesures de taux de détection (coups simples et coïncidences) effectuées par exemple lors d'une mesure de Bell, cette technique ne fait appel qu'à la connaissance de la forme spectrale du filtrage des photons jumeaux. Ces résultats théoriques de portée générale, et la technique simple développée, constituent deux éléments d'une étude détaillée des sources basée sur la fluorescence paramétrique.

Pour répondre à une demande croissante des nanotechnologies, et plus particulièrement en nanométrologie dimensionnelle, une méthode originale de mesure et de contrôle de position à l'échelle sub-nanométrique a été développée et mise en œuvre. Cette méthode est basée sur un interféromètre de Michelson combiné à un polarimètre et une électronique de contrôle. Le déplacement du miroir mobile est relié à l'état de polarisation en sortie de l'interféromètre. Une fois l'expérience mise en œuvre, nous avons réalisé des déplacements avec des pas de positions nanométriques. La répétabilité obtenue est sub-nanométrique sur des déplacements allers-retours pour des courses micrométriques. L'étude de l'influence de l'état de polarisation à la sortie de l'interféromètre sur la mesure et le contrôle de la position a été menée. Les autres sources d'erreurs classiques ont également été étudiées pour établir un bilan d'erreur complet. Dans un environnement contrôlé, la méthode développée pourrait s'appliquer à des déplacements de courses millimétriques, conduisant à de très nombreuses applications en nanotechnologie.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte du contrôle de l'émission spontanée de fluorescence par des structures photoniques. Elle porte sur l'étude de cristaux photoniques et plasmoniques auto-organisés ainsi que sur le couplage de nanocristaux semi-conducteurs photoluminescents aux cristaux plasmoniques. La démarche adoptée consiste en une description des phénomènes observés par le biais de modèles simples permettant de mettre l'accent sur leur interprétation physique. Les structures étudiées sont réalisées à partir d'opales de silice auto-organisées. Il s'agit d'agencements 3D de micro-sphères de silice. Du fait de leur périodicité, ces objets présentent des propriétés optiques particulières et sont appelés "cristaux photoniques". Les outils théoriques permettant de comprendre leurs propriétés sont présentés et utilisés pour interpréter des résultats expérimentaux dont la compréhension n'était jusque là pas entièrement établie. Des "cristaux plasmoniques" sont aussi fabriqués en déposant une couche d'or sur des opales. Ici, ce sont les propriétés des plasmons polaritons de surface - des modes électromagnétiques de surface se propageant à la surface de métaux tels que l'or, l'argent et le cuivre - qui sont modifiées par la périodicité. Ces surfaces d'or aux structures micrométriques ont des propriétés plasmoniques originales et très large-bandes. Elles peuvent être réalisées sur des surfaces de dimensions macroscopiques, ce qui présente un intérêt pour des applications telles que le photovoltaïque, les LEDs, etc. Enfin, le couplage en champ proche de la photoluminescence de nanocristaux de CdSe/CdS aux cristaux plasmoniques est étudiée. La ré-émission des plasmons en champ lointain par le réseau est mise en évidence et un modèle est proposé pour quantifier le taux d'extraction associé.

Nous avons étudié le processus de simple capture électronique à basse énergie pour le système Na++87Rb(5s,5p) à l'aide d'un piège magnéto-optique et d'un spectromètre d'impulsion d'ion de recul. La mesure complète de l'impulsion des ions de recul permet de mesurer les sections efficaces relatives ainsi que les distributions associées en angle de diffusion. Grâce à la très bonne résolution du dispositif, des structures oscillantes, telles que les figures de diffraction attendues pour certaines transitions ont pu être observées. Nous avons également réalisé des calculs semi-classiques basés sur la méthode MOCC auxquels sont confrontés les résultats expérimentaux. Un très bon accord a été obtenu entre résultats expérimentaux et calculs théoriques. Afin de pousser le test des calculs théoriques encore plus loin, nous avons par la suite préparé les cibles dans les états orientés. C'est la première fois que l'étude de l'échange de charge sur cible orientée est réalisée avec un dispositif permettant d'avoir une aussi bonne résolution. L'asymétrie droite-gauche attendue dans les distributions en angle de diffusion du projectile a été observée et l'accord entre les calculs théoriques et les résultats expérimentaux est très satisfaisant. La fiabilité des calculs permet alors de discuter de la validité de modèles plus simples.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des propriétés quantiques d'un Oscillateur Paramétrique Optique pompé en mode synchrone (SPOPO) en dessous du seuil. Les relations d'entrée-sortie du champ quantique sont établies pour un tel dispositif en utilisant un formalisme symplectique à la fois en temps et en fréquence. On prédit que le champ produit est dans un état fortement multimode où les modes comprimés sont des peignes de fréquences de différents profils spectraux/temporels. On le démontre expérimentalement à l'aide d'un SPOPO composé d'une cavité en anneau et un cristal non-linéaire pompé par un train d'impulsions femtoscondes à 400 nm. Les états générés sont mesurés par une détection homodyne avec mise en forme de l'oscillateur local. Cela permet la construction d'une matrice de covariance dans une base de pixels de fréquences et la mise en évidence des corrélations quantiques entre les différentes régions du spectre optique. La diagonalisation de cette matrice donne les modes décorrélés en bruit et les niveaux de compression de bruit respectifs. La génération d'états décrits par au moins 4 modes décorrélés dans des états comprimés se propageant dans le même faisceau a été démontrée. Les résultats plus récents montrent des états à 8 modes, ouvrant la voie à la génération extensible d'états fortement multimodes de la lumière.

<p>Developmental biology is a field in which explorations are made to answer how an organism transforms from a single cell to a complex system made up of trillions of highly organized and highly specified cells. This field, however, is not just for discovery, it is crucial for unlocking factors that lead to diseases, defects, or malformations. The one key ingredient that contributes to the success of studies in developmental biology is the technology that is available for use. Optical coherence tomography (OCT) is one such technology. OCT fills a niche between the high resolution of confocal microscopy and deep imaging penetration of ultrasound. Developmental studies of the chicken embryo heart are of great interest. Studies in mature hearts, zebrafish animal models, and to a more limited degree chicken embryos, indicate a relationship between blood flow and development. It is believed that at the earliest stages, when the heart is still a tube, the purpose of blood flow is not for convective transport of oxygen, nutrients and waster, bur rather to induce shear-related gene expressions to induce further development. Yet, to this date, the simple question of "what makes blood flow?" has not been answered. This is mainly due limited availability to adequate imaging and blood flow measurement tools. Earlier work has demonstrated the potential of OCT for use in studying chicken embryo heart development, however quantitative measurement techniques still needed to be developed. In this dissertation I present technological developments I have made towards building an OCT system to study chick embryo heart development. I will describe: 1) a swept-source OCT with extended imaging depth; 2) a spectral domain OCT system for non-invasive small animal imaging; 3) Doppler flow imaging and techniques for quantitative blood flow measurement in living chicken embryos; and 4) application of the OCT system that was developed in the Specific Aims 2-5 to test hypotheses generated by a finite element model which treats the embryonic chick heart tube as a modified peristaltic pump.</p> / Dissertation

<p>This research presents the development of a phase-based lithographic system for three-dimensional micropatterning and manipulation. The system uses a spatial light modulator (SLM) to display specially designed phase holograms. The use of holograms with the SLM provides a novel approach to photolithography that offers the unique ability to operate in both serial and single-shot modes. In addition to the lithographic applications, the optical system also possesses the capability to optically trap microparticles. New advances include the ability to rapidly modify pattern templates for both serial and single-shot lithography, individually control three-dimensional structural properties, and manipulate Janus particles with five degrees of freedom.</p><p>A number of separate research investigations were required to develop the optical system and patterning method. The processes for designing a custom optical system, integrating a computer aided design/computer aided manufacturing (CAD/CAM) platform, and constructing series of phase holograms are presented. The resulting instrument was used primarily for the photonic excitation of both photopolymers and proteins and, in addition, for the manipulation of Janus particles. Defining research focused on the automated fabrication of complex three-dimensional microscale structures based on the virtual designs provided by a custom CAD/CAM interface. Parametric studies were conducted to access the patterning transfer rate and resolution of the system.</p><p>The research presented here documents the creation of an optical system that is capable of the accurate reproduction of pre-designed microstructures and optical paths, applicable to many current and future research applications, and useable by anyone interested in researching on the microscale.</p> / Dissertation