Ce manuscrit présente le rayonnement de second harmonique provenant de plusieurs milieux diélectriques allant de la réponse interfaciale à la réponse volumique. Ce travail de thèse constitue une première étape dans le but d'étudier une bulle de savon dans un piège optique par génération de second harmonique. Deux axes de recherche sont ainsi explorés : d'une part l'étude de la génération de second harmonique sur deux tensioactifs le TTAB et le SDS, constituants de base d'une bulle de savon, et de l'autre l'élaboration d'un nouveau dispositif expérimental permettant d'allier un piège optique à une excitation de second harmonique par un laser femtoseconde. Dans un premier temps, on explicite le montage optique reposant sur le principe d'un microscope confocal inversé et les mesures associées de la réponse harmonique d'interface air/verre et air/eau. Dans un second temps, on s'intéresse comme objet modèle, en lieu et place de la bulle, à une microparticule de silice. Ainsi, on commence par analyser sa réponse harmonique en microscopie non linéaire quand celle-ci se trouve déposée sur une matrice de verre. L'étude de cet objet met en avant l'interdépendance entre les aspects d'optique linéaire mesurés à la longueur d'onde fondamentale et l'intensité harmonique mesurée. Par la suite, cette microsphère est placée au sein du piège optique réalisé par un second faisceau. Malgré la faible taille et la symétrie de la particule diélectrique, on parvient à mettre en évidence la réponse harmonique d'une particule unique piégée. Enfin, dans une dernière partie, on s'intéresse à caractériser la génération de second harmonique pour des solutions savonneuses, première étape dans la réalisation d'une bulle. Les mesures de diffusion de second harmonique en volume pour des solutions de TTAB et SDS de diverses concentrations montrent un comportement similaire et une singularité lors du passage de la concentration micellaire critique. Lors de l'étude du signal de second harmonique à l'interface air/eau savonneuse en revanche, on mesure des comportements différents pour des tensioactifs anioniques et cationiques, provenant de la charge de surface et de l'orientation de l'eau sous-jacente / This thesis reports an experimental study of harmonic radiation from various dielectric media. We both study second harmonic generation on interfaces and hyper Rayleigh scattering in solutions. We present the first step for the realization of the following project : the study of the second harmonic generation on an optically trapped soapy bubble. To do so, two main axis of investigation are developped. Firstly, we study the harmonic response of two commonly used surfactants such as TTAB, a cationic one and SDS carrying a negative charge. This study consits of understanding the main component of a soapy bubble. We investigate how harmonic intensity is modified with an increase of soap concentration. These experiements are carried both in volume and at the air/water interface. The harmonic scattered intensity shows similar features for SDS and TTAB, as a sudden drop appearing at the critical micelar concentration. However, on the surface, the two oppositely charged surfactants give a radically different evolution of second harmonic signal versus their concentration. Indeed, the water molecules of the surroundings behaves in an opposite manner with negative or positive charged surfactants. The second axis of research that we work on in this thesis, is on a novel experimental development. We combine an optical tweezer to trap microsized particles with a femtosecond laser probe to generate the second harmonic. This is a first step in order to trap a bubble and study it with second harmonic generation. This non linear inverted confocal microscope is used to study harmonic profil of an silica bead stuck on a sample. This study gives a glance of the complexity of the correlation between linear optics effects on the laser probe beam and the created harmonic intensity. We also perform experiments on a trapped particle and we measure the harmonic response of an unique particle

Les composés organiques et organométalliques représentent des matériaux prometteurs pour leurs applications dans divers domaines tels que l'optique non linéaire, l'optoélectronique, la photonique et le stockage des données par voie optique. Dans ce travail,nous avons étudié les propriétés optiques non linéaires(ONL) de deux familles de composés à savoir des molécules organiques à base de BODIPY et des complexes organométalliques à base de ruthénium (II)et de fer (II). Pour cette étude nous avons utilisé un laser pulsé en régime picoseconde qui délivre deux longueurs d'ondes : 1064 nm et 532 nm. Nous avons utilisé 1064nm pour les techniques de la génération de la seconde harmonique (SHG) et la génération de la troisième harmonique (THG) et 532 nm pour celle de Zscan.Les résultats obtenus sont intéressants et originaux et montrent bien que la réponse non linéaire dépend du nombre de groupements donneurs d’électrons pour les molécules organiques à base de BODIPY. Le même comportement a été observé dans le cas des complexes organométalliques à base de ruthénium (II) et de fer (II) mettant en évidence la modulation de la réponse optique non linéaire en fonction de la nature du métal de transition utilisé(Ru(II)ou Fe(II)) et de la nature des ligands auxiliaires autour du fragment organométallique (Ru(II)). / Organic and organometallic compounds represent an important potential in many fields such as optics, optoelectronics, photonics and optical data storage. In this work, we have studied the nonlinear optical properties of two types of compounds; organic molecules based on BODIPY and organometallic complexes based on ruthenium (II) and iron (II). For this, the experimental techniques used were based on SHG, THG and onZ-scan techniques. For this study, we used a pulsed picosecond laser delivering two wavelengths: 1064 nm and 532 nm. 1064 nm for SHG and THG techniques and 532 nm for Z-scantechnique were used, respectively. The results obtained are interesting and original and show that the nonlinear optical response of organic molecules based on BODIPY depends in particular on the number of electron donor groups. The same behavior has been observed in the case of organometallic complexes based on ruthenium (II) and iron (II), highlighting the modulation of the nonlinear optical response as a function of the nature of the transition metal used (Ru ( II) or Fe (II)) and the nature of the ancillary ligands around the organometallic moiety (Ru (II)).

This thesis deals with the fabrication and the characterization of periodically-poled crystals for use in lasers to generate visible and UV radiation by second-harmonic generation (SHG) through quasi-phasematching (QPM). Such lasers are of practical importance in many applications like high-density optical storage, biomedical instrumentation, colour printing, and for laser displays. The main goals of this work were: (1) to develop effective monitoring methods for poling of crystals from the KTiOPO4 (KTP) family, (2) to develop useful non-destructive domain characterization techniques, (3) to try to find alternative crystals to KTP for easier, periodic poling, (4) to investigate the physical mechanisms responsible for optical damage in KTP. The work shows that the in-situ SHG technique used together with electro-optic monitoring, makes it possible to obtain reliable, real-time information regarding the poling quality over the whole crystal aperture during the electric-field poling process. Using this combined monitoring method, both KTP and Rb-doped KTP (RKTP) crystals were successfully poled. By comparing these two crystals, we found that a low-doped KTP has a substantially reduced ionic conductivity and, thus, a high-quality periodic poling can be obtained without otherwise affecting the properties of the crystal. RKTP is a good alternative candidate to KTP for poling purpose. We have also shown that Atomic Force Microscopy (AFM) is an informative tool for investigating domain nucleation, growth, and merging. Furthermore, we have demonstrated a simple technique for 3D characterization of QPM samples. It utilizes a group-velocity mismatched, type-II SHG of femtosecond pulses for layer-by-layer monitoring of the effective nonlinearity along the propagation direction of the beam. The quality of these crystals was finally reflected in a number of SHG experiments with a variety of laser sources. High energies and high efficiencies were thus demonstrated using CW, mode-locked and Q-switched lasers. Gratings with pitches smaller than 3 µm, were demonstrated for first-order UV generation. Type-II QPM SHG was demonstrated as a technique for reducing the fabrication constraints. High intensity light in the visible and the UV leads to modification of the material properties and, eventually, to optical damage. In KTP and its isomorphs, the first sign of material change is an optically-induced absorption. We have used thermal-lens spectroscopy with a common-path interferometer for high-sensitivity measurements of green light-induced infrared absorption dynamics in single-domain and periodically-poled KTP (PPKTP). The saturated, green light-induced absorption has been shown to be consistently higher in periodically-poled crystals, and is attributed to the creation of stoichiometric and interstitial defects in the crystals during the poling process. Finally, irreversible bulk damage thresholds in PPKTP have been determined for pulsed frequency converters. As the characteristics of optical damage are closely related to the material quality, this investigation can provide useful information for crystal manufactures and will help to optimise the crystal growth conditions.

<p>This thesis deals with the fabrication and the characterization of periodically-poled crystals for use in lasers to generate visible and UV radiation by second-harmonic generation (SHG) through quasi-phasematching (QPM). Such lasers are of practical importance in many applications like high-density optical storage, biomedical instrumentation, colour printing, and for laser displays.</p><p>The main goals of this work were: (1) to develop effective monitoring methods for poling of crystals from the KTiOPO₄ (KTP) family, (2) to develop useful non-destructive domain characterization techniques, (3) to try to find alternative crystals to KTP for easier, periodic poling, (4) to investigate the physical mechanisms responsible for optical damage in KTP. The work shows that the in-situ SHG technique used together with electro-optic monitoring, makes it possible to obtain reliable, real-time information regarding the poling quality over the whole crystal aperture during the electric-field poling process. Using this combined monitoring method, both KTP and Rb-doped KTP (RKTP) crystals were successfully poled. By comparing these two crystals, we found that a low-doped KTP has a substantially reduced ionic conductivity and, thus, a high-quality periodic poling can be obtained without otherwise affecting the properties of the crystal. RKTP is a good alternative candidate to KTP for poling purpose. We have also shown that Atomic Force Microscopy (AFM) is an informative tool for investigating domain nucleation, growth, and merging. Furthermore, we have demonstrated a simple technique for 3D characterization of QPM samples. It utilizes a group-velocity mismatched, type-II SHG of femtosecond pulses for layer-by-layer monitoring of the effective nonlinearity along the propagation direction of the beam. The quality of these crystals was finally reflected in a number of SHG experiments with a variety of laser sources. High energies and high efficiencies were thus demonstrated using CW, mode-locked and Q-switched lasers. Gratings with pitches smaller than 3 µm, were demonstrated for first-order UV generation. Type-II QPM SHG was demonstrated as a technique for reducing the fabrication constraints.</p><p>High intensity light in the visible and the UV leads to modification of the material properties and, eventually, to optical damage. In KTP and its isomorphs, the first sign of material change is an optically-induced absorption. We have used thermal-lens spectroscopy with a common-path interferometer for high-sensitivity measurements of green light-induced infrared absorption dynamics in single-domain and periodically-poled KTP (PPKTP). The saturated, green light-induced absorption has been shown to be consistently higher in periodically-poled crystals, and is attributed to the creation of stoichiometric and interstitial defects in the crystals during the poling process. Finally, irreversible bulk damage thresholds in PPKTP have been determined for pulsed frequency converters. As the characteristics of optical damage are closely related to the material quality, this investigation can provide useful information for crystal manufactures and will help to optimise the crystal growth conditions.</p>

La fibrose hépatique est un problème de santé publique. Cette pathologie est caractérisée par une accumulation excessive de matrice extracellulaire, composée principalement de collagène, augmentant la rigidité du foie. Environ 90% des hépatocarcinomes se développent sur un foie fibrotique / cirrhotique, laissant présager une relation entre la rigidité tissulaire et le développement tumoral. Pour étudier le rôle des forces exercées par la matrice extracellulaire sur le phénotype des cellules hépatiques, nous avons développé un modèle de culture 3D de cellules hépatiques dans des gels de collagène de rigidités variables. Dans ces conditions, les cellules hépatiques présentent une forte prolifération et un maintien de la différenciation dans les matrices les plus rigides. En parallèle, les cellules hépatiques transformées peuvent modifier la matrice de collagène pour former des signatures de collagène TACS (Tumor Associated Collagen Signatures). Une analyse des voies de signalisation impliquées dans la formation des TACS 3 nous a permis de déterminer 2 voies indispensables pour ces mécanismes: MEK/ERK et MLCK. Le bon maintien des fonctions différenciées et de biotransformation des cellules hépatiques font des cultures 3D en gel de collagène un excellent modèle pour des applications en biotechnologie. Nous avons également développé une technique de quantification standardisée et automatisée du collagène, dans un modèle murin de fibrose hépatique, par utilisation de la microscopie SHG, qui permet de détecter de faibles variations de quantité de collagène. Cette technique permet également de caractériser qualitativement, après analyse d'images, le collagène et de renforcer la discrimination entre les différents stades fibrotiques. La caractérisation des cross-links de collagène, par cette approche, est actuellement en cours d'étude et permettrait d'appréhender les capacités de réversion. / Liver fibrosis is a real public health problem. This pathology is characterized by an excessive accumulation of extracellular matrix, mainly composed of collagen, increasing liver rigidity. Approximately 90% of hepatocellular carcinomas develop from a fibrotic/cirrhotic liver, suggesting a relationship between tissue rigidity and tumor development. To investigate the role of stiffness on the hepatic phenotype, we have developed a 3D culture model of collagen gels of varying stiffness. Our results show a better survival, an increase of proliferation and differentiation of liver cells in rigid matrices. In addition, the cells are able to modify the collagen matrix and to form collagen signatures TACS (Tumor Associated Collagen Signatures). An analysis of the signaling pathways involved in the formation of TACS 3 allowed us to determine that 2 pathways are important for these mechanisms: MEK/ERK and MLCK. The high level of differentiated functions and biotransformation of the hepatic cells make 3D collagen cultures an excellent model for applications in biotechnology. Using the SHG microscopy, we have also developed a standardized and automated quantification of collagen to detect small amount of collagen in a mouse liver fibrosis model. This technique allows us to characterize qualitatively the collagen and to strengthen the discrimination between fibrotic scores. The characterization of the collagen cross-links by this approach is under study and would allow to study the reversion capacity.

This thesis presents studies on III-V semiconductor waveguides with particular emphasis on second-order optical nonlinearity. The nonlinear processes that were investigated in this thesis are the Second Harmonic Generation (SHG) and the Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC). The optical waveguides are made of InGaP and the waveguide design includes tapered parts for in- and out-coupling of guided light. Simulation of light propagation and modal solutions were done using Lumerical MODE, FDTD, and COMSOL Multiphysics software. The in- and outcoupling for the design of tapered waveguide that utilize the bulk non-linearity is 65 % when the waveguide is 145 nm thick and 2.60 μm wide having PMMA as top cladding. The SHG conversion efficiency for this configuration when the waveguide length is 2 μm long, is found 31 %/W. Three cases of the utilization of the surface non-linearity are proposed too. Preliminary steps toward the fabrication of the waveguide structures are also reported. The particular mesa-isolated substrates are fabricated having a side wall with a negative angle profile that result to a significant undercut. InGaP waveguides were transferred to the target substrates successfully and the process that was used can enable heterogeneous integration of InGaP and SOI platform. / Denna avhandling presenterar studier av III-V-halvledarvågledare med särskild tonvikt på andra ordningens optisk olinjäritet. De olinjära processer som undersöktes i denna avhandling är SHG och SPDC. De optiska vågledarna är gjorda av InGaP och vågledardesignen inkluderar avsmalnande delar för in- och utkoppling av styrt ljus. Simulering av ljusutbredning och modala lösningar gjordes med Lumerical MODE, FDTD och COMSOL Multiphysics mjukvara. In- och utkopplingen för konstruktionen av avsmalnande vågledare som utnyttjar bulkolinjäriteten är 65 % när vågledaren är 145 nm tjock och 2,60 μm bred med PMMA som toppbeklädnad. SHGkonverteringseffektiviteten för denna konfiguration när vågledarlängden är 2 μm lång, är 31 %/W. Tre fall av utnyttjande av ytolinjäriteten föreslås också. Preliminära steg mot tillverkningen av vågledarstrukturerna rapporteras också. De speciella mesa-isolerade substraten är tillverkade med en sidovägg med en negativ vinkelprofil som resulterar i en betydande underskärning. InGaP-vågledare överfördes till målsubstraten framgångsrikt och processen som användes kan möjliggöra heterogen integration av InGaP och SOI-plattformen.

In this thesis, 60 crystal structures which have been synthesised by the solvothermal method are reported, with 57 of them representing novel materials. The remaining three materials have previously been reported but have been made by a new and milder method of synthesis. Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta and Mo have all been used to make fluoride or oxyfluoride materials at temperatures ranging from 60C to 200C. Both inorganic and organic moieties ("templates") have been used to direct the formation of the (oxy)fluoride materials, usually as an anionic species. These materials have then been studied for their magnetic properties, where relevant. Initially, 10 vanadium-based compounds were made at 100C using a range of templates. Through variations in water content, temperature and cation ratio, a further 19 compounds were synthesised. The inorganic species in these structures ranged from monomers, to dimers, tetramers and chains, to infinite 2D sheets. A family of vanadium compounds has been synthesised, with piperazine as a template, which shows an increase in covalent connectivity through the increase of the reaction temperature, with a decrease in oxidation state as a result. These materials are also interrelated through the use of a "Y" shaped motif in their structural composition. Through a change in cation content a novel trigonal chain compound (related to the structure of CsCrF₄) has been synthesised with piperazine which possibly shows strong geometric frustration. Vanadium oxyfluoride analogues of (VO)₂P₂O₇ have been made, which show interesting magnetic properties with a range of different templates, ranging from alkali metal cations to the bulky protonated template trans 1,2 bis (4-pyridyl) ethene. The best fits to the magnetic susceptibility data are obtained with an antiferromagnetic Heisenberg chain model. Nine molybdenum-based structures have also been synthesised, with five of the structures being made through changes in the temperature and cation ratio of the reactions. An example of this is the formation of tetrameric units with ammonium, through the condensation of monomers as a result of an increase in the reaction temperature. A further 22 structures have also been made with metals, M = Ti, Zr, Hf, Nb and Ta. These structures have a tendency to form isolated polyhedral units under the conditions studied in this work. Several examples of isolated [MF₆][superscript n-] and [MF₇][superscript n-] monomers are reported and also one example of a trans-connected [TiOF₄]²⁻ infinite chain structure.

La microscopie multiphoton est une technique d'imagerie optique dont une des caractéristiques les plus remarquables est de fournir une information micrométrique en profondeur dans les tissus intacts. Un autre intérêt est la possibilité de visualiser la structure d'une cellule ou d'un tissu en utilisant des sources de contraste endogènes qui permettent une imagerie très peu invasive. De plus, divers modes de contrastes tels que la fluorescence excitée à deux photons (2PEF), la génération de seconde harmonique (SHG) ou la génération de troisième harmonique (THG) sont facilement combinables, et les applications de la microscopie multiphoton sont ainsi nombreuses et variées, dans des domaines comme les neurosciences, la cancérologie, l'embryologie,... Cependant, des progrès sont encore nécessaires dans la compréhension des contrastes optiques non-linéaires endogènes observés dans les tissus. Dans ce contexte, la génération de seconde harmonique par le collagène fibrillaire soulevait différentes questions au début de ce travail, notamment sur la spécificité de la SHG en fonction du type de collagène et sur le rôle de sa structure chirale en triple hélice dans la forte amplitude des signaux observés. L'étude du collagène est particulièrement intéressante car il représente 30 % du contenu total du corps humain en protéines. Constituant principal de la matrice extracellulaire d'une grande variété de tissus et d'organes, le collagène est impliqué dans tout remodelage de la matrice extracellulaire et dans de nombreuses pathologies, mais on manque actuellement d'outils performants pour visualiser son architecture tridimensionnelle à l'échelle micrométrique. Dans ce contexte, la microscopie SHG est un outil prometteur pour visualiser la distribution du collagène dans les tissus. Ce travail de thèse a débuté avec des expériences de génération de seconde harmonique en surface résolue en polarisation sur des films minces de molécules de collagène de type I et IV, qui nous ont permis de démontrer que la microscopie SHG est une sonde de l'organisation macromoléculaire du collagène et non pas du type de collagène. Nous avons appliqué ensuite ces résultats à l'étude de la fibrose collagénique pulmonaire et rénale dans des modèles murins, une accumulation pathologique de collagène fibrillaire qui peut conduire à une insuffisance rénale terminale ou à une insuffisance respiratoire souvent létale à terme. Nous avons démontré que la microscopie multiphoton permet de visualiser la morphologie de ces tissus, de mettre en évidence toutes les caractéristiques de ces pathologies et d'évaluer quantitativement le remodelage de la matrice extracellulaire au cours de l'évolution de la fibrose. Finalement, nous avons proposé des scores de fibrose basés sur des densités volumiques de pixels SHG qui nous ont permis d'apprécier le rôle de certains facteurs (cellules/enzymes d'assemblage) responsables de la fibrose. Ce travail devrait ainsi permettre de proposer de nouvelles approches thérapeutiques pour ces pathologies fibrosantes.

Ce mémoire de thèse s'inscrit dans le contexte du projet FUTUR financé par l'ANR et concernant le développement de Fonctions optiqUes pour les Transmissions à très haUt débit dans le Réseau coeur et porte sur la génération de sources optiques fibrées très hautes cadences et la caractérisation de fibres optiques microstructurées en verre de Chalcogénure. A cet effet, nous étudions les caractéristiques linéaires et non-linéaires au sein de fibres microstructurées en verre de chalcogénures conçue et réaliser via différentes collaborations dans le cadre du projet de l'ANR FUTUR. Pour cela un grand nombre de méthodes de caractérisations ont été mises au point donnant une comparaison entre une fibre SMF standard et ces fibres microstructurées chalcogénures. Par exemple, un montage interférométrique pour la mesure de la dispersion chromatique pour échantillon court, ou encore de nombreux banc expérimentaux permettant la caractérisations des propriétés non-linéaires des ces fibres (diffusion Raman, diffusion Brillouin, Coefficient non linéaire Kerr...). La seconde partie de ce mémoire présente la mise au point de méthode de conversion d'un battement sinusoïdal en un train d'impulsions hautement cadencé. Il est montré dans ce manuscrit que cette technique a été exploitée au plus prêt de ses limites, par l'obtention d'impulsions extrêmement courtes et par des débits très élevés. Les trains d'impulsions à très hautes cadences ont été caractérisés par un dispositif expérimental SHG-FROG. Une démonstration de la multiplication du débit par deux a été démontrée par l'effet Talbot.

La mise en forme en amplitude, phase spectrale et polarisation des impulsions laser ultracourtes dans le régime femtoseconde peut fortement influencer le résultat d'une expérience d'optique non-linéaire. Dans cette thèse nous présentons un dispositif de façonnage d'impulsions basé sur l'utilisation de deux modulateurs spatiaux de lumière (SLM) pour contrôler ces trois propriétés simultanément et ce pour toutes les fréquences présentes dans l'impulsion. Une méthode basée sur la génération de second harmonique (SHG) est développée pour lire individuellement les composantes de la susceptibilité non-linéaire du deuxième ordre dans les milieux cristallins et biomoléculaires. Une approche similaire a été utilisée pour la diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS). Pour cette étude, l'ordre d'orientation des molécules peut être déterminé par des mesures d'impulsion unique. Une approche polarimétrique basée sur la fluorescence à deux photons (TPEF) est présentée pour quantifier les distorsions introduites par tous les éléments optiques dans le trajet du faisceau. Des distorsions de la phase spectrale sont déterminées et corrigées soit par une stratégie évolutive ou par une méthode SPIDER (interférométrie de phase spectrale pour la reconstruction directe du champ électrique) homodyne d'impulsion unique. De plus, l'exaltation des signaux non-linéaires par des structures photoniques est caractérisée par SHG pour des nano-ouvertures dans un film métallique et par impulsion unique CARS pour des microsphères diélectriques avec un façonnage en amplitude, phase et polarisation.