Le développement de lasers solides de puissance-moyenne élevée doit faire face à des problèmes très spécifiques. La gestion de la thermique et de l'amplification de l'émission spontanée (ASE) pour de larges amplificateurs lasers deviennent des points clés lorsque l'augmentation de l'énergie de vient conséquente. Lucia est une chaîne laser de forte puissance moyenne qui repose sur le concept du miroir actif avec un cristal ou une céramique d'Yb:YAG comme milieu à gain. Comme pour d'autres systèmes lasers comparables, la distribution des ions actifs du milieu à gain est homogène en volume. Un profil variable du taux de dopage présente des avantages significatifs en termes de gain et par conséquent ouvre le chemin à une minimisation efficace des effets délétères de l'ASE et de l'échauffement. Cette thèse concerne la fabrication de tels milieux à gain. La méthode de croissance cristalline Bagdasarov, grâce à plusieurs de ses particularités, a permis d'obtenir plusieurs cristaux d'Yb:YAG avec profils de dopage variables contrôlés jusqu'à des valeurs de gradient de 3 at%/cm. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les modèles mathématiques. Des simulations complémentaires de la température et du profil de gain montre que même avec des gradients plus faibles, les performances énergétiques des amplificateurs Lucia peuvent être améliorées jusqu'à 30%. Il est aussi alors possible d'utiliser des milieux à gain plus fins ce qui a pour conséquence positive une meilleure extraction de la chaleur. De larges cristaux d'Yb:YAG de 90 mm de diamètre ont été produits.

Utiliser des milieux nanostructurés pour confiner la lumière permet d'augmenter l'interaction entre un émetteur et le rayonnement électromagnétique. Dans cette thèse, nous utilisons un formalisme classique (présenté au Chap. 1) pour décrire cette interaction dans différents contextes, qui peuvent être regroupés en deux parties (respectivement Parties II et III). <br /> Dans un premier temps, nous étudions l'apparition de modes localisés en champ proche de structures complexes. Nous nous intéressons à deux différents types de structures: des nanoantennes d'or et des films d'or désordonnés. Nos résultats nous permettent de discerner les modes radiatifs et non-radiatifs. Nous introduisons le concept de Cross Density Of States (CDOS) pour décrire quantitativement la cohérence spatiale intrinsèque associée à la structure modale d'un milieu complexe. Nous démontrons ainsi une réduction de l'extention spatiale des modes au voisinage de la percolation électrique des films d'or désordonnés. <br /> Nous nous intéressons ensuite à des milieux fortement diffusants. En éclairant de telles structures par une source cohérente, on obtient une figure d'intensité complexe appelée speckle. Nous utilisons une méthode diagrammatique pour démontrer une corrélation négative entre les figures de speckle réfléchie et transmise à travers une tranche dans le régime mésoscopique. Nous nous intéressons ensuite à la corrélation C0, qui apparait lorsque la source est enfouie dans le milieu. Nous proposons une démonstration générale de l'égalité entre la corrélation C0 et les fluctuations normalisées de la LDOS, et soulignons le rôle fondamental des interactions de champ proche. Finalement, nous observons numériquement le régime de couplage fort entre un diffuseur résonnant et un mode localisé d'Anderson au sein d'un milieu désordonné 2D.

Cette thèse expérimentale s'est attachée à l'étude des effets induits par l'extension spatiale desplasmons de surface sur l'émission de matériaux organiques et inorganiques. Le système estformé d'un ensemble d'émetteurs localisés émettant principalement des plasmons de surfacedélocalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'imagerie par microscopieplasmon, technique de plus en plus utilisée dans divers domaines, notamment la biologie. Nousavons montré que l'émission détectée en un point provient essentiellement de l'environnementet non du point observé, définissant ainsi un cercle d'influence lié à la longueur de propagationdu plasmon de surface. Quand le plasmon interagit plus fortement avec des émetteurs, ilpeut entrer en régime de couplage fort. Ce couplage fort se traduit par un changement dansles énergies du système et par l'apparition de nouveaux états hybrides excitons-plasmons, lespolaritons. Les différents émetteurs localisés (des chaines de colorants agrégés) ne sont alorsplus indépendants entre eux. Des mesures de diffusion montrent un effet collectif induit par lecouplage fort. Ces expériences ont été confirmées par des mesures de cohérence spatiale, réaliséesen ajoutant une expérience de fentes d'Young au dispositif de microscopie plasmon. Ilapparait qu'un état cohérent étendu sur plusieurs microns se forme, conformément aux prévisionsthéoriques. L'ensemble d'émetteurs se comporte alors comme une macromolécule, dontl'interaction est induite par le plasmon de surface.

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

Ce travail de thèse concerne l'étude du processus d'instabilité modulationnelle (MI) dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion périodique. La MI est un phénomène bien connu mais la majorité des études réalisées dans le contexte des fibres optiques concerne le cas de dispersion uniforme axialement. L'objectif de ces travaux est de démontrer expérimentalement l'établissement de la MI dans une fibre optique micro-structurée (PCF) dont la dispersion varie de façon sinusoïdale. La première partie présente les principales caractéristiques des fibres optiques et les principaux processus physiques mis en jeu, ainsi que les outils de simulations numériques employés. La seconde partie débute par une présentation du contexte de l'étude et est ensuite consacrée aux résultats. Tout d'abord, nous introduisons le concept du mécanisme de quasi-accord de phase (QPM) dans les systèmes périodiques longitudinaux. Ensuite, nous présentons la démonstration expérimentale du processus de MI dans ce type de fibre. Le spectre obtenu est composé de dix lobes de MI sur 10 THz. De plus, nous proposons une description détaillée de la dynamique de formation des différents lobes de MI. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement la génération d'une nouvelle famille de lobes de MI due à une combinaison entre la dispersion oscillante et la dispersion d'ordre quatre. Enfin, cette seconde partie est clôturée par l'élaboration d'un outil analytique, basé sur le modèle à trois ondes tronqué. Il permet d'interpréter simplement la dynamique de formation des lobes de MI et de contrôler le spectre de MI d'une fibre à dispersion oscillante.

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

L'optimisation du couplage lumière-matière requiert la connaissance de l'orientation du dipôle émetteur associé à une source de photons, ainsi que de la distribution de champ électrique du mode excité. Afin de maximiser le couplage entre des émetteurs fluorescents et des nanostructures, nous avons établi une méthode qui permet de déterminer l'orientation d'un dipôle d'émission. Les calculs en champ électrique, associés à une analyse en polarisation, constituent une modélisation complète, pouvant être généralisée à diverses situations expérimentales. Nous appliquons ensuite la méthode proposée à des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et CdSe/ZnS sphériques, ainsi qu'à des nanobâtonnets de CdSe/CdS. Nous avons déterminé, par une analyse en polarisation, l'orientation complète d'un dipôle émetteur individuel. Nous avons ensuite étudié le couplage de la lumière à des plasmons grâce à des réseaux périodiques métalliques. Des mesures de réflectivité spéculaire ont mis en évidence un couplage efficace de la lumière incidente à des plasmons de surface sur une large gamme de longueurs d'onde. Des mesures de microscopie électronique par photoémission (PEEM), basées sur la collection d'électrons photoémis à la surface du métal, ont permis d'étudier le couplage de la lumière aux modes plasmons de surface, avec une haute résolution spatiale (25 nm). L'excitation de l'échantillon par un laser, dont on varie la longueur d'onde et la polarisation, fournit une cartographie de la distribution du champ à la surface. Les échantillons étudiés ont mis en évidence différentes signatures de couplage du faisceau incident aux modes plasmoniques (franges d'interférences, points chauds).

Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif basé autour d'un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d'une part, la conception d'un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d'autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence

Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l'utilisation d'une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l'extrémité d'une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d'unpoint de vue théorique par l'utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d'unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d'échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l'effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d'un NE, nous démontrons théoriquementl'effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l'état excité et l'augmentation de lafluorescence d'un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l'état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire.

Ce mémoire présente diverses expériences d'amplification d'impulsions lumineuses brèves ou mono fréquences réalisées avec des milieux laser solides. Une étude théorique de l'amplification laser en régime de saturation est présentée dans la première partie. Les effets de déformation des profils spatial et temporel par la saturation du gain sont étudiés a partir d'un modèle théorique simple considérant le milieu comme un ensemble de cibles éphémères. Il est démontré par ailleurs que le temps de relaxation du niveau inférieur de la transition laser peut avoir une certaine incidence sur le rendement effectif de l'amplification. La deuxième partie est entièrement consacrée a la description d'un amplificateur régénératif nanoseconde utilisant du yag dope au néodyme ou de l'alexandrite comme milieux actifs. Ce dispositif permet de produire des impulsions monofréquences par injection d'une cavité esclave. Une étude détaillée de ce dispositif montre qu'un asservissement de la longueur de la cavité est inutile avec ce type de fonctionnement. Un nouveau matériau solide accordable aux propriétés exceptionnelles est présenté dans la dernière partie de ce mémoire: il s'agit du saphir dope titane. Une mesure précise de l'énergie de saturation a permis d'aborder l'amplification de plusieurs types de signaux lumineux et de réaliser divers oscillateurs aux caractéristiques variées. De nombreux amplificateurs utilisant le saphir dope titane comme milieu actif sont également présentés. Ils permettent d'amplifier des impulsions monomodes ainsi que des impulsions brèves.