Imager un milieu diffusant épais par voie optique interdit l'utilisation des techniques d'imagerie optique conventionnelles du fait de la faiblesse du signal balistique. L'imagerie acousto-optique de la lumière diffusée permet d'obtenir une imagerie de l'absorption optique locale avec une résolution transverse millimétrique. Elle s'appuie sur un faisceau acoustique focalisé qui engendre par interaction acousto-optique une modulation de la phase du champ lumineux diffusé. Les détections cohérentes du signal optique modulé acoustiquement se trouvent cependant souvent limitées par la faiblesse de leur étendue optique ou de leur bande passante. Notre expérimentation s'appuie sur une détection photoréfractive hétérodyne reposant sur une holographie dynamique à 1064nm construite autour d'un cristal photoréfractif massif d'Arsenure de Gallium, pour pallier à ces deux limitations. Par ailleurs, pour obtenir une résolution millimétrique selon l'axe de propagation ultrasonore, nous avons développé une technique de modulation aléatoire de phase du faisceau acoustique et du faisceau lumineux qui crée une zone de cohérence temporelle contrôlée au sein même du milieu diffusant. La mise en oeuvre de ces techniques ont permis d'imager avec des résolutions millimétriques des échantillons diffusants de caractéristiques proches des tissus biologiques sur une épaisseur de 3cm.

Cette thèse, réalisée au sein du département de Physique et de Métrologie des Oscillateurs de l'institut FEMTO-ST sous la direction de Vincent Laude et d'Abdelkrim Khelif, s'inscrit dans le courant de recherche dédié depuis quelques années à l'étude de la propagation des ondes dans les matériaux à bandes interdites pour les ondes élastiques, ou cristaux phononiques.<br />La première partie de ces travaux a consisté à mettre expérimentalement en évidence l'existence de phénomènes de filtrage, guidage et couplage des ondes dans des structures périodiques de dimension millimétrique constituées de tiges d'acier dans de l'eau, opérant à une fréquence de l'ordre de la dizaine de kilohertz.<br />La seconde partie de cette thèse a été consacrée à la fabrication et à la caractérisation de cristaux phononiques à l'échelle de la dizaine de microns en niobate de lithium pour des applications aux ondes de surface à plus haute fréquence (quelques centaines de mégahertz). La caractérisation électrique comme optique des cristaux phononiques a permis de mettre en évidence l'existence d'une bande interdite complète pour les ondes de surface dans cette structure périodique. Des expériences similaires menées sur des structures en silicium ont encore confirmé ces résultats expérimentaux.<br />Enfin, la dernière partie de ces travaux a été dédiée à l'étude théorique des interactions acousto-optiques dans des matériaux présentant des bandes interdites à la fois photoniques et phononiques. Elle a permis de révéler l'importance du formalisme mathématique employé, dans cette configuration particulière où ondes optiques et élastiques sont fortement confinées.

La technologie d'échange d'ions sur verre, développée et maîtrisée à l'IMEP il y a quelques années, a permis la réalisation de nombreuses fonctions optiques pour les télécommunications, pour l'astrophysique et pour la mesure de grandeurs physiques, chimiques et biologiques. Aujourd'hui les recherches sont poussées vers les verres dopés et les structures hybrides pour la réalisation de composants actifs. L'ajout de fonctions optiques non linéaires donne de nouvelles perspectives à cette technologie. Un exemple de non linéarité est une contrainte mécanique exercée sur un guide d'onde. Cette contrainte va changer l'indice de réfraction du guide. Une onde acoustique qui se déplace dans ou sur le verre va changer localement son indice de réfraction. Ce travail de thèse est dédié à l'interaction acousto-optique sur verre. Deux types d'ondes acoustiques sont étudiés, les ondes de volume et les ondes de surface. Le résultat de cette recherche nous a permis de simplifier un capteur de déplacement développé antérieurement au sein du laboratoire et de concevoir un nouvel analyseur de polarisation intégré sur verre. Les perspectives de ce travail sont d'introduire l'effet acousto-optique en optique intégrée sur verre, de l'exploiter et de l'améliorer pour la réalisation de nouvelles fonctions optiques.

Ces travaux de thèse visent à proposer un nouveau type de modulateur acousto-optique intégré exploitantdes ondes élastiques guidées à la surface du niobate de lithium. Ce matériau piézoélectrique permet en effet deréaliser des guides d’ondes optiques intégrés ainsi que des transducteurs à ondes élastiques efficaces. La modulationacousto-optique y reste cependant classiquement limitée par le recouvrement partiel des deux types d’ondes. J’aicherché à développer un nouveau type de guide d’ondes élastiques de surface exploitant les résonances d’épaisseurd’électrodes épaisses et permettant une meilleure exploitation de la conversion d’énergie électrique en énergieélastique dans les dispositifs intégrés.Dans un premier temps, j’ai développé un moyen de confiner l’énergie acoustique en surface afin de l’utiliserplus efficacement. Je me suis tourné vers la réalisation de transducteurs à peignes interdigités pour les ondes acoustiquesde surface permettant de confiner l’énergie qu’ils génèrent dans des électrodes à haut facteur de forme. Lacaractérisation de ces dispositifs a permis de démontrer un fort confinement de l’énergie mécanique, concomitantd’une absence de diffraction à la surface du matériau. Ces dispositifs acoustiques permettent ainsi un guidage del’énergie acoustique dans les trois dimensions de l’espace avec une largeur transverse aussi petite que la longueurd’onde.Dans un second temps, j’ai réalisé des modulateurs acousto-optiques utilisant les transducteurs précédents. Cesmodulateurs sont fondés sur un interféromètre de Mach-Zehnder dont un bras est soumis à l’interaction acoustooptique.Les expériences réalisées ont permis de montrer une modulation de l’onde optique aux fréquences de résonancedes transducteurs à haut facteur de forme. La transmission spectrale de ces interféromètres est par ailleurscannelée en raison d’une légère asymétrie des bras de l’interféromètre. Nous avons observé, à fréquence nulle, unfort décalage en longueur d’onde du spectre cannelé d’environ 20 nm. Ce décalage reste encore inexpliqué. / This thesis intended to propose a new kind of integrated acousto-optical modulator exploiting guided elasticwaves on the surface of a lithium niobate substrate. This piezoelectric material makes it possible to integrate opticalwaveguides as well as efficient elastic waves transducers. Classically, the acousto-optical modulation remainslimited by the partial overlap of the two kind of waves. I have sought to develop a new kind of surface elasticwaveguide exploiting the thickness resonances of thick electrodes allowing a better exploitation of electric energyto elastic energy conversion in integrated devices.First, I have developed a way to confine the acoustic energy at the surface to use it more efficiently. I turnedtowards the realization of interdigitated transducers for surface acoustic waves allowing to confine the generatedenergy in the high aspect ratio electrodes. The characterization of such devices allowed to demonstrate a strongconfinement of the mechanical energy at the surface of the material. These acoustic devices allowed for diffractionlessguiding of the acoustic energy in the three dimensions of space over a transverse width as small as thewavelength.The second part of this thesis was dedicated to the realization of acousto-optical modulators using the previoustransducers. These modulators are based on a Mach-Zehnder interferometer including one arm subjectd to theacousto-optical intercation. Due to a slight asymmetry of the interferometer arms, the spectrale transmission with awhite light source gives a channeled spectrum. Experiments have shown an optical wave modulation at resonancesfrequencies of the high aspect ratio transducers. We have observed, at zero frequency, a strong wavelength shift ofchanneled spectrum of about 20 nm. This shift remains unexplained.

Une description des différentes configurations d’interaction ayant lieu dans les matériaux usuellement employés dans le domaine acousto-optique est proposée. Un exemple d’application illustre les caractéristiques déterminantes propres à chaque fonction que permet l’interaction acousto-optique, à savoir la modulation, la déviation, le décalage en fréquence et le filtrage d’un faisceau optique. Cette thèse est plus particulièrement consacrée aux interactions acousto-optiques anisotropes dans le cristal de Paratellurite, matériau majoritairement employé pour les applications de déflexion et de filtrage de par ses qualités photo-élastiques remarquables et son large domaine de transparence optique. Ces propriétés optiques, acoustiques et acousto-optiques sont décrites en détail. Nous nous intéressons plus particulièrement aux caractéristiques de l’interaction NPM (Narrow Phase Mismatch) et TPM (Tangent Phase Mismatch), respectivement employées pour le filtrage et la déflexion. Ceci nous conduit à l’étude de la bande passante spectrale d’un déflecteur et de sa potentielle application en tant que réseau de diffraction à bande passante et périodicité spatiale modulable. Ensuite nous proposons la mise en cascade d’un déflecteur et d’un filtre dans le but de concevoir un décaleur de fréquence variable à faible décalage. Enfin, nous proposons une configuration originale pour répondre aux contraintes d’utilisation rencontrées avec l’interaction NPM pour les applications de filtrage. La conception et la réalisation d’un composant multiélectrodes à interaction double est alors présentée dans la gamme spectrale [400; 650 nm]. La configuration proposée permet à la fois de réduire de 50% l’intensité des lobes secondaires tout en homogénéisant la bande passante optique du filtre sur sa bande spectrale de travail. / The different configurations of acousto-optic interactions taking place in usual employed materials are presented. For each function (modulation, deflection, shifting and filtering), an exemple of application highlights the decisive characteristics of the component. This thesis is particularly devoted to the anisotropic interactions occuring in Paratellurite crystal. Such material is widely used for filtering and deflection applications due to its high figure of merit and also for its large optical transparency domain, from Ultra-Violet to Infra-Red. Optical, acoustical and acoustooptical properties of Paratellurite cristal are detailed. More precisely, we are interested in anisotropic interactions, in particular NPM (Narrow Phase Mismatch) and TPM (Tangent Phase Mismatch), respectively employed for Acousto-Optic Tunable Filters (AOTF) and Acousto-Optic Deflectors (AOD). This leads to the study of the optical bandwidth of a deflector with a potential application as a tunable transmissive grating beam splitter for multiple laser line separation. Then, we propose to cascade an AOTF with an AOD in order to get a wide bandwidth tunable optical low frequency shifter. Finally, we present the design and fabrication of a multi-transducer component based on dual anisotropic interaction in the visble spectral range, from 400 to 650 nm. A significative reduction of sides lobes is observed (-50%) with an homogenisation of the optical bandwidth of the filter on its spectral working range.

Imager à travers un milieu diffusant épais est difficile en utilisant des techniques d'imagerie optique conventionnelles. L'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie multimodale basée sur l'interaction entre une onde lumineuse et une onde acoustique. Cette dernière module la phase du champ lumineux. Il est alors possible d'accéder à un contraste optique local à la résolution millimétrique des ultrasons. Plusieurs méthodes sont utilisées pour détecter les " photons marqués " par les ultrasons. Elles peuvent être de nature cohérente ou incohérente et tentent de répondre aux différentes problématiques qu'impose l'imagerie en régime de diffusion multiple. Dans cette thèse nous avons exploré trois techniques de détection à 800 nm, dans la fenêtre thérapeutique optique (région du spectre où l'absorption est minimale dans les tissus biologiques). Le phénomène de \textit{holeburning} spectral dans un cristal dopé ion terre rare nous a permis de réaliser un filtre spectral hyperfin centré sur la fréquence des photons marqués à basse température. Une détection sensible des photons marqués a ensuite été réalisée par holographie numérique hétérodyne hors-axe couplée à un laser longues impulsions. Des profils acousto-optiques ont été obtenus à travers plusieurs centimètres d'épaisseur. L'adaptation de front d'onde par holographie phototoréfractive dans un cristal de SPS :Te (Hypothiodiphosphate d'étain dopé tellure) nous a enfin permis de faire une imagerie en temps réel. Des images en deux et trois dimensions ont été réalisées à travers plusieurs centaines d'épaisseurs optiques. Le processus de conjugaison de phase par mélange à quatre ondes a aussi été exploré en perspective.

Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons "marqués" décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l'holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l'holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d'un système multimodal d'imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l'imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon. / Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a phase conjugation setup for acousto-optic detection. The second one is a wavefront adaption setup, also for acousto-optic detection. Finally, the third setup is an adaptive vibrometry setup for photoacoustic detection. In each setups the measured response time is between 15 μs and 50 μs.

En combinant des techniques de microscopie et de spectroscopie, il est possible de réaliser des images résolues spectralement. Ces images apportent des réponses à de nombreux problèmes en chimie, biologie, et médecine. La diffusion Raman cohérente (CRS) s'est révélée capable de surpasser la diffusion Raman spontanée dans l'analyse chimique d'échantillons, en offrant une meilleure résolution spatiale et un temps d'acquisition plus faible. La vitesse d'acquisition de l'information spectrale demeure toutefois un facteur limitant en imagerie CRS, et de nombreuses recherches se concentrent sur le développement de nouvelles méthodes d'acquisition. Le présent travail s'inscrit dans cette démarche. En combinant la diffusion Raman stimulée (une branche de la CRS), la focalisation spectrale d'impulsions optiques, ainsi qu'une ligne à délai acousto-optique, nous réalisons les premières mesures à de telles vitesses d'acquisition. Le cadre théorique, technologique, ainsi que l’ingénierie nécessaire pour parvenir à ce résultat sont détaillés. Cette technique d'acquisition rapide est illustrée par le suivi de réaction chimique, le contrôle qualité pharmaceutique, en biologie, et en histologie / Combining microscopy and spectroscopy, one can achieve spectrally resolved imaging, and provide a solution to various chemical, biological, or medical challenges. Coherent Raman scattering (CRS) has proven extremely valuable in providing chemical information, with a higher resolution and shorter acquisition time than spontaneous Raman scattering. The acquisition rate of the spectral information from a sample remains the limiting factor of CRS imaging, and several experimental schemes are being investigated to push the technology toward higher imaging frame rates. This work develops one such scheme. Combining stimulated Raman scattering (a CRS technique), spectral focusing with chirped pulses, and a fast acousto-optic delay line, we achieved unprecedented spectral acquisition rates. The theoretical, technological, and engineering frameworks enabling such acquisition are described in details. The application to pharmaceutical quality control, time resolved chemical transformations, biology, and histology are demonstrated

L’exploration expérimentale de l’intrication quantique est un domaine de recherche très actif actuellement. Les systèmes d’électrodynamique quantique en cavité permettent notamment de générer de l’intrication dans des ensembles de plusieurs dizaines de particules, grâce à l’interaction à longue portée fournie par un mode du champ électromagnétique. Mon travail de thèse a consisté à mettre en place un nouveau dispositif expérimental afin d’assurer le chargement rapide et fiable d’une cavité optique miniaturisée à l’intérieur de laquelle l’adressage et la détection d’atomes uniques viennent s’ajouter à l’interaction collective fournie par le mode de la cavité. La tomographie quantique des états intriqués requière l’acquisition d’un grand nombre de données expérimentales, un soin tout particulier doit donc être porté quand à la stabilité et à la rapidité de répétition de l’expérience. Pour satisfaire à ces critères, un système de lasers particulièrement compacts et robustes, a été conçu et fabriqué afin d’assurer le refroidissement et l’interaction avec les atomes. Pour permettre la rapidité de répétition de l’expérience, une source de rubidium est utilisée en mode impulsionnel dans l’unique cellule à vide. Elle permet de moduler temporellement la pression atomique en fonction des besoins de l’expérience. Un chargement prompt du piège magnéto-optique est alors possible sans réduire la durée de vie des atomes dans la cavité, au moment où se déroulent les expériences. Le transport des atomes entre leur position de capture et le centre de la cavité s’effectue grâce à un piège dipolaire, déplacé selon son axe fort de confinement à l’aide d’un déflecteur acousto-optique. Cela permet un déplacement rapide, de l’ordre de la centaine de millisecondes pour une distance de 1,5 cm. Grâce à cette combinaison de techniques, ce nouveau dispositif expérimental devrait donner accès à la physique riche des systèmes intriqués à plusieurs dizaines de particules. / The study of quantum entanglement is a very active research field. Cavity quantum electrodynamics systems are versatile tools allowing for instance entanglement in mesoscopic systems, that is to say with about a hundred particles. The purpose of the new experimental setup built during this thesis is to reach the single atom manipulation and detection level while working with mesoscopic ensembles, collectively coupled to the cavity mode. Toward this goal, three new experimental techniques have been developed to enable reliable and fast data acquisition rate, essential to reconstruct entangled states by quantum tomography means. First, robust extended cavity diode lasers have been constructed, allowing acquisitions that last for days. Then, a pulsed atomic source has been set up, it combines the advantages of fast magneto-optical trap loading and long lifetime in conservative traps by modulating the pressure inside a single vacuum chamber apparatus on a short timescale. Finally, to ensure the fast transport of cold atomic ensembles from the magneto-optical trap to the cavity position, a dipole trap moved with an acousto-optic deflector has been built. This allows a transport over few centimetres leaving the full optical access to the atomic cloud for other manipulations. Thanks to this new experimental setup, we hope to contribute to the understanding of the rich physics lying beyond multi-particle entangled systems.