Les réseaux de diffraction sont largement utilisés dans le traitement optique de l'information. Toutefois, les applications nécessitent des efficacités de diffraction importantes, d'excellentes résolutions dans le domaine des fréquences spatiales et des temps de réponses appropriés à la fonction recherchée (grande durée de vie pour les mémoires, temps de réponses rapide pour les opérations de traitements de l'information...). Ces qualités étant difficiles à obtenir à l'aide des matériaux existants, une solution consiste à placer le matériau non-linéaire à l'intérieur d'une cavité Fabry-Pérot, avec le double avantage d'obtenir une efficacité de diffraction fortement accrue et une résolution dans le domaine des fréquences spatiales améliorée. Le mémoire rapporte comment l'utilisation d'un milieu intracavité amplificateur permet d'accroître encore davantage la puissance du faisceau diffracté, avec des efficacités de diffraction largement supérieures à l'unité. Les propriétés diffractives des réseaux d'indice et/ou de gain insérés dans un résonateur de Fabry-Pérot amplificateur de longueur supérieure ou égale à l'épaisseur du réseau sont analysées théoriquement et expérimentalement. Un modèle analytique a été élaboré et a permis de montrer l'immense potentiel de tels dispositifs, en terme de sélectivité angulaire et d'efficacité de diffraction, cette dernière pouvant être très largement supérieure à l'unité. Un dispositif expérimental a ensuite été conçu afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire intracavité est un cristal de Nd:YVO4. Le réseau est inscrit optiquement par absorption de la figure d'interférence de deux faisceaux d'écriture. La diffraction du signal de lecture est analysée autour de la double résonance de Bragg et de Fabry-Pérot, ainsi qu'à proximité de l'une ou de l'autre résonance séparément, afin de remonter aux propriétés diffractives du réseau. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par la cavité amplificatrice: l'efficacité de diffraction est augmentée d'un facteur 5000 et la sélectivité angulaire d'un facteur proche de 20. Ces résultats sont très encourageants pour une application de ce type de dispositif au traitement optique de l'information, surtout dans le cas où une très forte sortance est nécessaire.

Le travail de thèse présenté s'inscrit dans le vaste domaine des biocapteurs appliqués au secteur biomédical.<br /> Le biocapteur développé est destiné à la mesure de concentration de substances chimiques. De nombreux biocapteurs optiques ont déjà été mis au point pour la détection de ces substances. L'originalité de notre travail réside dans l'utilisation d'une réaction biochimique à proximité du coeur d'une fibre optique pour modifier les conditions de résonance d'une cavité Fabry-Pérot par couplage évanescent.<br /> Le principe de ce capteur s'articule autour de deux techniques de<br />metrologie optique :<br />• Fonctionnalisation biochimique de l'interface cavité-milieu extérieur pour que la concentration de la substance cible modifie l'indice effectif de l'onde se propageant dans la cavité Fabry-Pérot par couplage évanescent.<br />• Interférométrie : mesure précise de la longueur optique de la cavité pour suivre l'évolution de l'indice effectif.<br /> L'intérêt d'un tel système est d'offrir un capteur de dimensions très réduites (taille proche d'une fibre optique). La réalisation sur une même fibre de plusieurs capteurs avec différentes longueurs de cavité fournit une sonde multiparamétrique, interrogeable par les<br />techniques classiques d'interférométrie (modulation de cohérence).

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la cryptographie, et plus précisément de la cryptographie quantique. Le but est de concevoir un système permettant de transmettre simultanément une clé de cryptage et un signal horloge dans une même fibre optique (à la longueur d'onde des télécommunications soit 1550 nm) en essayant d'éviter les effets de la dispersion chromatique. En effet le signal représentant la clé de cryptage doit être réalisé sous forme d'impulsions fortement atténuées simulant des photons uniques et dans ces conditions il est nécessaire de disposer au niveau du détecteur d'un signal horloge donnant l'instant d'arrivée des impulsions. Nous fabriquons deux signaux de longueurs d'onde très proches (écart de 0,88 pm) grâce à un modulateur acousto-optique, chacune servant de porteuse à un des deux signaux. A la réception il est nécessaire de séparer ces deux longueurs d'ondes et pour cela un filtre basé sur un interféromètre de Fabry-Pérot a été conçu, réalisé, testé et mis en oeuvre au laboratoire. Puis nous avons aussi réalisé un photodétecteur basé sur une photodiode à avalanche, dont nous pouvons abaisser la température de fonctionnement jusqu'à environ 0°C. Le système a été entièrement réalisé et nous avons pu montrer la faisabilité de cette technique. Des améliorations restent à apporter en particulier sur la stabilité du filtre optique et sur le fonctionnement du détecteur en mode comptage de photons.

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

Afin de répondre aux contraintes des nouveaux champs d'applications des biocapteurs, le laboratoire LISA a développé un lecteur optique de fluorescence pour des immunoanalyses permettant une détection en continue. Cet instrument, dont le support de la réaction biologique est une lame de verre, utilise le couplage de la fluorescence en champ proche dans celle-ci. Mon travail de thèse a consisté à rechercher les possibilités d'améliorer les performances de compacité, de robustesse et d'adaptabilité du système en cherchant à intégrer les sources d'excitation de type OLED dans la lame de verre. La recherche d'une configuration adaptée à nos contraintes de détection nous a d'autre part poussé à étudier la répartition de l'émission de molécules fluorescentes à l'interface d'un substrat stratifié.<br />Pour ce faire, un modèle théorique basé sur la décomposition en ondes planes de l'émission d'un dipôle a été développé. Ce modèle nous a permis d'étudier à la fois les propriétés d'émission de sources organiques de types OLED ainsi que celles de molécules fluorescentes situées à l'interface d'un milieu massif recouvert ou non par une couche mince. <br />Une étude expérimentale et théorique de sources organique situées à l'intérieur d'une cavité Fabry Pérot a permis de fournir des réponses concrètes aux deux principaux défauts inhérents aux OLED pour leur intégration, la directivité angulaire d'émission et la largeur spectrale. Enfin, l'étude de lame de verre recouverte par une couche mince de Nitrure de Silicium a montré qu'il était possible d'améliorer le rapport signal sur bruit du détecteur et a permis de valider la configuration de l'instrument mis au point au laboratoire.

Notre travail s'intègre dans les recherches actuelles sur la continuité optique du traitement et du transport de l'information. Une des techniques visant à assurer cette continuité optique consiste à réaliser une commutation de voies par déflexion holographique. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement la déflexion d'impulsions laser d'une durée voisine de 20 picosecondes par des réseaux photoinduits dans les semiconducteurs. Après avoir décrit et caractérisé les dispositifs expérimentaux, nous présentons les performances de deux matériaux massifs II-VI, CdZnTe (à la longueur d'onde 0,8micron) et HgCdTe (à la longueur d'onde 1,5micron). Dans le domaine spectral de la queue d'Urbach, l'efficacité de diffraction au premier ordre atteint sept pour cent pour les deux matériaux. L'ensemble des résultats expérimentaux est expliqué par un modèle basé sur l'écrantage statique des microchamps électriques locaux dus aux phonons LO. Dans un second temps, nous étudions les réseaux plasma photogénérés dans des puits quantiques InGaAs / InGaAsP inclus dans une cavité de Fabry-Pérot. Les résultats sont comparés à une modélisation prenant en compte les effets de cavité. Ceux-ci induisent une amplification du signal diffracté dont les limites sont discutées. Nous présentons enfin des résultats de modulation de transmission optique dans des puits quantiques CdTe / CdZnTe sous polarisation externe. Nous montrons que les porteurs photogénérés écrantent le champ électrique appliqué produisant ainsi une variation d'absorption par disparition de l'effet Stark dans les puits. Après avoir introduit des coefficients de mérite, nous comparons les performances des différentes structures.

La technologie RFID (Radio Frequency Identification) prend une place de plus en plus importante dans la société d'aujourd'hui notamment dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité, la logistique... Le développement de cette technologie met en évidence de nouvelles contraintes comme la réduction des zones de lecture et la géo-localisation pour le stockage et le suivi de marchandises. Dans ce contexte, la thèse s'est focalisée sur le développement d'antennes pour lecteur RFID dans le cadre du projet SPINNAKER piloté par TAGSYS RFID et soutenu par OSEO. L'objectif de cette étude est de concevoir des antennes compactes et directives à polarisation circulaire en bande UHF et SHF. L'antenne hélice présente toutes ces caractéristiques à l'exception de la hauteur, très importante dès que l'on souhaite obtenir des performances élevées surtout en gain. Dans ce manuscrit, trois solutions sont proposées pour réduire la hauteur de l'antenne hélice tout en répondant aux cahiers des charges. La première solution consiste à utiliser un réflecteur de forme cylindrique ou conique qui permet de réduire la hauteur d'une antenne hélice classique d'un facteur quatre pour atteindre 0,9λ. La réduction de la hauteur se traduit par une augmentation de la surface autour de l'antenne avec une dimension latérale de 2,3λ. La seconde solution consiste à utiliser l'antenne hélice avec une cavité Fabry-pérot. La hauteur du système antennaire obtenue est de 0,5λ avec un diamètre de 2λ. La dernière solution développée dans la thèse introduit une surface CMA à la solution précédente qui permet de réduire la hauteur à 0,25λ. Toutes les solutions proposées ont été validées expérimentalement. / Over the past 20 years, the RFID (Radio Frequency Identification) technology is having a huge expansion. Nowadays, it is frequently used in different areas as the health, the security and the logistic. A lot of researches are ongoing on this topic, especially in order to reduce the reading zone of the readers and to locate the tags. This thesis focuses on the development of new antennas for Readers RFID devices and is part of the SPINNAKER project supported by OSEO. The antennas requirements are circular polarization, high directivity and gain with low profile. The helix antennas meet all these requirements except the axial length. In this manuscript, we propose three solutions to reduce the helix antenna axial length. The first one uses a cylindrical or conical optimal reflector to reduce the length by four. This reduction affects directly the surface witch increases up to 2.3λ. The second solution uses the helix antenna as a circular polarization feed for a Fabry-Perot (FP) cavity. The final antenna presents a cavity height of 0.5λ and a 2λ diameter. The last solution conserves the FP cavity in which we include an Artificial Magnetic Conductor (AMC) to reduce the cavity height to 0.25λ. All these solutions are validated by measurements.

Cette thèse propose une nouvelle méthode pour générer des spectres continus avec des applications possibles dans les réseaux d'accès optiques WDM. Cette nouvelle méthode devrait permettre le développement d'une structure laser type continuum avec de meilleures performances en termes de coût et de simplicité comparées aux sources supercontinuum actuelles. Dans ce but, nous avons analysé la possibilité d'élargir les modes résonants d'une cavité Fabry-Perot en n’agissant que sur la conception de l'un des miroirs de la cavité. La conception du miroir est réalisée avec un algorithme génétique en ciblant un spectre de réflectivité souhaitée. Un milieu actif est alors ajouté à l'intérieur de la cavité formée avec un tel miroir synthétisé et son comportement en dessous du seuil est simulé. Les spectres des cavités ainsi obtenues sont continus sur une bande de 5 à 15nm. / This thesis proposes a new method for the generation of continuous spectra with possible applications in optical WDM access networks. This new method would allow the development of a continuum laser type structure with better performances in terms of cost and simplicity compared to the current supercontinuum sources. For this purpose, we have analyzed the possibility of extending the resonant modes of a Fabry-Perot cavity acting only on the design of one of the cavity mirrors. The design of the mirror is generated with a genetic algorithm targeting a desired reflectivity spectrum. An active medium is then added inside the cavity formed with the synthesized mirror and the cavity’s emission is simulated below the lasing threshold. The spectra thus obtained are continuous on an interval of 5 to 15 nm.

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm / In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses