Le sujet de la thèse initié dans le cadre de l'ANR UV-Borate s'inclut dans le projet UV-Conversion labellisée par 2 pôles de compétitivité (Matériala - Lorraine - et Route des lasers - Aquitaine -) soumis à l'ANR en 2011. Les études se portent particulièrement sur les borates YxLaySc4-(x+y)(BO3)4 (LYSB) et YAl3(BO3)4 (YAB), cristaux Optiques Non Linéaires (ONL) possédant la même structure cristallographique (R32). La croissance de ces cristaux est effectuée par les collaborateurs industriels et universitaires de l'ANR. Ces deux matériaux présentent en effet des possibilités de conversion de fréquence jusqu'à des longueurs d'onde λ < 300 nm, de plus une non hygroscopicité procure une plus grande durée de vie des échantillons et par conséquent un net intérêt pour les applications industrielles. L'endommagement laser étant lié à l'absorption et ainsi, en partie, aux impuretés, une étude de la qualité cristalline et de l'homogénéité de nos cristaux a été effectuée. Les résultats ont permis de relier des défauts de structure (dislocations et etch pits) à la croissance de la maille rhomboédrique via des caractérisations par ombre portée (Photography Schlieren) et par attaque chimique suivi d'une observation par microscopie optique, MEB et MFA. Par ailleurs, des études théoriques et expérimentales d'accord de phase (détermination de θ et φ) lors de conversions de type I principalement ont été réalisées sur les cristaux de YAB, LYSB ainsi que sur des cristaux de référence tel que β-BaB2O4 (β-BBO). L'aspect de l'endommagement laser dans les matériaux ONL a été abordé dans les locaux de l'Institut Fresnel de Marseille au sein de l'équipe Interaction Laser Matière (ILM) sur des échantillons de Li2B4O7 (LTB). L'équipe a effectivement développé un dispositif de mesure de la probabilité d'endommagement laser et de mesure de tenue du seuil d'endommagement laser des matériaux optiques. Par ailleurs, un effort a été mené dans la conception d'un dispositif de mesure de la transmission optique et absorption à température ambiante et aux basses températures afin de révéler des défauts absorbants. Des premiers résultats ont été obtenus et discutés sur des échantillons de β-BBO et LYSB.

Ce mémoire rapporte diverses expériences de spectroscopie visant à étudier le comportement d'une vapeur atomique soumise à un confinement tridimensionnel sub-micrométrique. Nous présentons notamment les spectres expérimentaux de réflexion (raies D1 et D2) réalisées sur des cellules macroscopiques contenant une vapeur de césium et une opale constituée d'un nombre contrôlé de couches de nano-billes de silice (déposé par la technique Langmuir-Blodgett). En fonction de l'angle incidence du faisceau illuminant l'opale, deux types de signaux sub-Doppler sont observés via une détection par modulation de fréquence : l'un observable à des angles d'incidence faibles, rappelant les formes de raies habituelles d'une réflexion sélective sur une interface plane de verre, et l'autre, superposé à un signal de fond large, pour des angles d'incidence importants. Cette structure, inédite pour des expériences de réflexion sélective, peut être isolée par une expérience pompe-sonde ou une détection 2f. Elle pourrait être la signature d'un rétrécissement Dicke, conséquence du confinement des atomes sur une distance équivalente à une fraction de longueur d'onde.

Cette étude s'attache a l'optimisation de faisceaux par mélange a deux ondes dans des cristaux photorefractifs et a leur emploi dans des dispositifs d'amplification d'images et dans un système de déflexion. Dans un premier temps, nous démontrons que l'application au cristal d'un champ électrique pulse périodique renforce le transfert d'énergie dans le mélange a deux ondes. L'étude analytique du phénomène montre que la technique des champs pulses permet de dépasser la limite d'amplification commune aux autres méthodes d'amplification. Cette technique ne permet pas cependant d'amplifier simultanément toutes les fréquences spatiales d'une image de haute résolution. Pour étudier l'amplification d'images, nous avons employé la technique classique du mélange a deux ondes sous champ alternatif carre. L'examen théorique et expérimental de l'amplification nous permet d'optimiser la forme du champ électrique a appliquer et la nature du dopage du cristal a employer pour obtenir une image amplifiée de haute résolution. Ensuite, nous concevons un système de déflexion de faisceaux s'intégrant dans un dispositif de commutation holographique. Les principaux éléments du système (cristal amplificateur de titanate de baryum et matrice de microlentilles) sont étudiés. On s'intéresse aux aberrations optiques, aux mécanismes physiques responsables du bruit dans le cristal photorefractif et on montre comment réduire ces sources de bruit. Enfin, nous présentons des amplifications d'images dans différents cristaux photorefractifs. Nous comparons les amplifications, les résolutions et les rapports signal a bruit obtenus dans différents échantillons de bi12geo20 et un échantillon de batio3.

Actuellement, un intense travail de recherche a lieu dans le domaine de la conception optique, tant au niveau industriel qu'académique. Cette thèse de doctorat s'incrit dans ce contexte général en abordant l'extension et l'utilisation de programmes commerciaux de conception optique dans de nouvelles branches de l'ingénierie optique, incluant l'optique intégrée, la mise en forme de faisceau et les sytèmes optiques hybrides diffractifs/conventionnels. Afin de modéliser ces nouveaux systèmes, j'ai développé de nouvelles techniques permettant de rendre leur analyse et leur conception plus "puissantes" que par les méthodes précédemment en usage, par la précision, la rapidité de calcul, la convivialité ou les degrés de liberté à la disposition du concepteur. Ces travaux ont parfois nécéssité la mise en place de nouvelles descriptions des phénomènes physiques mis en jeu, mais ils ont sutout été axés sur la recherche d'une mise en oeuvre efficace (usuellement basée sur le tracé exact de rayons) d'approches déjà connues...

Ce mémoire pressente l'étude et la réalisation d'un laser a colorant a blocage de mode passif produisant des impulsions de 100 femtosecondes (10##1#3 s). Dans une cavite en anneau contenant un milieu amplificateur (rhodamine 6g) et un absorbant saturable (dodci), un système de prismes permettant de contrôler la dispersion de vitesse de groupe réalise une mise en phase de toutes les fréquences du spectre des impulsions. Nous avons ensuite étudie la possibilité de produire des impulsions femtosecondes a d'autres longueurs d'onde directement avec l'oscillateur. Des impulsions de 60 fs a 685 nm et inférieures a 50 fs entre 775 nm et 800 nm ont ete produites pour la première fois par blocage de mode passif. Les impulsions dans le proche infrarouge nous ont permis d'étudier la cinetique de la saturation de l'absorption dans des semi-conducteurs du type multipuits quantiques gaas/algaas. Un regime de fonctionnement particulier du laser a ete observe et analyse en termes de solitons optiques. Afin de realiser des expériences de spectroscopie résolue dans le temps avec des impulsions encore plus brèves, nous avons étudie un système de compression d'impulsions suivi d'une amplification pour augmenter leur énergie. Des impulsions de 20 fs avec une énergie de 10 micro joules (puissance crete: 0,5 gw) ont ete utilisées pour étudier la cinétique de la saturation de l'absorption dans un colorant organique (le vert de malachite).

L'objet de ce travail de thèse a été de mettre au point un capteur biologique base sur l'utilisation de phénomènes optiques. Un capteur biologique se compose d'une couche réceptrice d'un transducteur et d'un système de lecture. Nous avons impose un cahier des charges relatif a ce capteur en termes de sensibilité par le biais du transducteur, de détection en parallèle de plusieurs interactions biologiques, et enfin, en termes d'optimisation de la couche réceptrice. L'étude de la sensibilité a consiste a comparer théoriquement et expérimentalement deux transducteurs optiques : la résonance des plasmons de surface (RPS) et le miroir résonant. Ce dernier possède une meilleure sensibilité que l'autre en théorie, mais la comparaison expérimentale nous a fait préférer la RPS. Puis, il a fallu adapter le détecteur à la détection en parallèle. Nous avons fait l'image de la couche réceptrice sur une camera CCD, nous permettant ainsi de suivre l'évolution de la totalité de la surface du capteur. Une première série d'expériences a été réalisée pour la reconnaissance entre des antigènes et des anticorps, ces derniers étant adsorbés passivement sur le capteur. Les résultats obtenus nous amenèrent à développer des procèdes biochimiques pour immobiliser les molécules sur la couche réceptrice. C'est ainsi que nous avons essaye différentes voies d'immobilisation pour les fragments d'ADN, pour ne retenir que le polypyrrole, optimisant la densité de surface des sondes d'ADN sur le capteur. De plus l'utilisation de ce polymère conducteur était tout a fait compatible avec l'adressage de plusieurs séquences d'ADN différentes sur le capteur. Le capteur biologique pouvait alors suivre toutes les interactions relatives aux séquences immobilisées. Nous avons alors applique le capteur a un problème clinique : la détection de mutations ponctuelles au sein d'un gène. Nous avons des lors montre que notre capteur était à même de discriminer la présence d'une base mutée sur toute une séquence.

L'effet photorefractif permet de réaliser de nombreuses opérations dans le domaine du traitement optique. Les semiconducteurs sont des matériaux photorefractifs qui possèdent de grandes mobilités et pour lesquels le temps d'établissement de cet effet devrait etre tres court. Nous avons réalise une étude tant expérimentale que théorique du mélange a deux ondes dans inp:fe et gaas:cr en régime d'excitation nanoseconde. Nous avons tout d'abord mis en évidence un transfert d'énergie du a l'effet photorefractif dans ces deux cristaux. De plus un second effet, absorption non lineaire, se superpose a l'effet photorefractif dans le cristal d'inp:fe. Les deux phénomènes peuvent être isoles en utilisant les symétries de l'effet photorefractif. Nous présentons une analyse complète de ces deux effets non linéaires. Pour le couplage d'onde photorefractif, deux types de porteurs de charges sont impliques dans le modelé de transport de charge. Ces porteurs (électrons et trous) sont photoexcites a partir d'un seul piège profond (fe#2#+/fe#3#+ ou cr#2#+/cr#3#+). L'absorption non linéaire ou absorption non linéaire ou absorption induite résulte de la redistribution des charges dans les différents niveaux du fer. Des simulations numériques décrivent d'une part l'évolution temporelle et la dépendance en énergie nous donnent quelques paramètres des cristaux.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode.

Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.

Le niveau de sécurité requis dans l'aviation civile a conduit à l'utilisation de plusieurs chaînes séparées de mesures pour une même information. Il est désormais recommandé de les compléter par une chaîne de mesure dissemblable. Ainsi, THALES Avionics développe depuis 2006 un anémomètre laser dont l'injecteur est réalisé en optique intégrée sur verre pour la mesure de la vitesse de l'avion. Ce travail de thèse vise à poursuivre la miniaturisation en hybridant sur une puce de verre la diode laser de pompe qui alimente l'injecteur optique. L'architecture proposée repose sur le verrouillage d'une diode laser à ruban large sur son mode fondamental grâce à une cavité externe planaire. Celle ci est constituée d'un convertisseur modal réalisé par échange d'ions sur verre intégrant un réseau de Bragg à sa sortie monomode. Le travail réalisé dans cette thèse comporte trois étapes principales. Dans un premier temps, un modèle analytique a permis de dimensionner la rétroaction optique à imposer sur la diode. L'échange d'ions sélectivement assisté par champ électrique a permis dans un second temps de réaliser un convertisseur modal adapté à la liaison entre la diode ruban et la fibre optique monomode de récupération. Finalement, le verrouillage modal a été démontré grâce à l'utilisation d'une fibre optique à réseau de Bragg. L'émission spectrale de la diode laser a été stabilisée autour de la longueur d'onde de Bragg sur une largeur spectrale de 0,3 nm tandis que la puissance en sortie de la fibre monomode a atteint 100 mW. Le réseau de Bragg a alors été intégré sur la puce optique et l'émission de la diode laser ruban a également été stabilisée par la rétroaction intégrée. La forte réflexion du réseau a limité la puissance en sortie du dispositif et une émission sur deux modes transverses a été constatée. Les perspectives de cette étude portent, d'une part, sur l'augmentation de la puissance en sortie du dispositif et, d'autre part, sur la réalisation d'un système de pompage monolithique d'un milieu actif placé au sein de la cavité externe.