Dans cette thèse, nous avons appliqué les outils modernes de la théorie des systèmes dynamiques à l'étude des lasers. Le but de ce travail était de mieux comprendre les sources cohérentes existantes en vue de les améliorer et de proposer de nouveaux mécanismes d'amplification lumineuse. Motivé par de récentes expériences menées sur des lasers miniatures avec absorbant saturable, nous en avons repris la description théorique. Les nouvelles valeurs de paramètres suggérées par l'expérience nous ont amenés à découvrir de nouveaux comportements dynamiques pour ces systèmes. En particulier, nous avons décrit comment l'intensité délivrée par ces lasers devenait temporellement sinusoïdale, puis impulsionnelle sur un très petit intervalle de paramètres. Par la connaissance acquise du laser à absorbant saturable, nous avons pu comprendre comment s'établissait un régime impulsionnel semblable dans un autre laser. Il s'agissait du laser multimode à pompage longitudinalement inhomogène. Il est apparu en effet qu'une partie du milieu emprisonné dans la cavité optique agissait à la manière d'un absorbant saturable, déstabilisant ainsi l'émission continue de ce laser. Nous avons également montré que, dans certaines circonstances, son état dynamique présentait des effets de mémoire. Une autre propriété importante de la dynamique du laser multimode a été mise en évidence: pour de petites perturbations, l'intensité totale présente un comportement plus régulier que les intensités modales prises séparément. Ce type intrigant d'auto organisation fut rencontré plus tard, lorsque nous avons envisagé la dynamique d'un réseau de lasers à semi conducteur couplés par un feedback optique. Le retard accumulé par la lumière au cours de ce feedback est un paramètre essentiel du problème. Ce système important sur le plan technologique s'est révélé extrêmement riche sur le plan dynamique. Nous avons pu montrer que plus le retard était grand, plus les lasers avaient tendance à se synchroniser. Cela fut observé aussi bien en régime continu qu'en régime périodique ou chaotique. Par une telle synchronisation, la qualité du rayon optique émis par le réseau de lasers augmente spectaculairement, élargissant par là ses possibilités d'application. Au début des années 1990, les physiciens commencèrent à étudier systématiquement les effets d'interférence quantique dans l'interaction lumière matière. Ceci faisait suite à l'annonce fracassante que de tels effets devaient permettre de construire des lasers sans inversion de population. Récemment, une série d'expériences a montré que de telles interférences quantiques étaient à l’œuvre dans le laser miniature LNP. Une partie de cette thèse y fut consacrée. Nous avons montré que le comportement dynamique observé résultait d'un renforcement quantique de l'absorption stimulée par les niveaux énergétiques inférieurs. Nous avons poursuivi notre étude des effets d'interférence quantique sur un schéma électronucléaire. Nous avons montré que pour ce système, un rayon gamma peut être amplifié sans inversion de population. Ce résultat est très important, compte tenu du fait qu'une telle inversion est techniquement impossible à réaliser pour ces très hautes fréquences électromagnétiques, empêchant jusqu'ici la réalisation de lasers gamma. Afin d'atteindre l'amplification sans inversion, un rayonnement d'appoint dans le domaine optique s'avère nécessaire. Tenant compte de la décroissance de ce champ optique en cours de propagation, et donc de la diminution des effets quantiques associés, nous avons déterminé une distance optimale de propagation. Au-delà de cette distance, l'amplification se mue en absorption. Une telle information est dès lors cruciale sur le plan expérimental.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du transport dynamique cohérent dans des conducteurs mésoscopiques. Nous avons mis en oeuvre un dispositif expérimental permettant de mesurer pour la première fois l'admittance complexe de circuits quantiques à très basse température (30 mK) dans la gamme de fréquence 1-2 GHz avec une résolution en phase inférieure au degré. Nous avons alors répondu expérimentalement aux travaux théoriques de A. Prêtre, H. Thomas et M. Büttiker concernant le transport dynamique cohérent<br />à travers un circuit RC mésoscopique quantique. Nous avons confirmé que la résistance de relaxation de charge d'un tel circuit est constante et égale au demi quantum de résistance h/2e^2. Cette étude a été suivie de la mesure de l'admittance d'un contact ponctuel quantique (CPQ) où nous avons mis en évidence un effet inductif des barres de Hall reliant le CPQ aux<br />contacts ohmiques et mesuré une inductance cinétique quantifiée. Une dernière partie de ce travail de thèse concerne la caractérisation de la statistique de photons émis par un conducteur à l'équilibre thermique. Nous avons démontré qu'il est possible, à l'aide d'une expérience de type Hanbury-Brown & Twiss sur des photons GHz, d'étudier la statistique quantique<br />des photons émis par un conducteur quantique.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dynamique subnanoseconde de charges<br />dans un conducteur quantique modèle : le circuit RC quantique. En appliquant des tensions<br />hyperfréquence sur une grille située au dessus d'une boîte quantique de taille submicronique,<br />on peut sonder la dynamique de transfert de charges de la boîte vers son réservoir. Dans<br />le régime linéaire, elle est caractérisée par une capacité quantique reliée à la densité d'états<br />de la boîte et une résistance de relaxation de charge constante et égale au demi quantum<br />de résistance h/2e^2 lorsqu'un seul mode de conduction est transmis du réservoir à la boîte. Je<br />me suis plus largement consacré à l'étude du régime non linéaire obtenu en appliquant des<br />tensions créneau d'amplitude comparable à l'énergie d'addition de la boîte (énergie nécessaire<br />pour ajouter une charge élémentaire). J'ai mis en évidence dans ce régime une quantification<br />du courant alternatif en unité de 2ef qui traduit l'émission et l'absorption par la boîte d'une<br />charge unique à chaque période du signal d'excitation. Ce dispositif fonctionne alors comme<br />une source d'électrons uniques analogue aux sources de photons uniques en optique. L'évolution<br />du temps d'émission de la charge par effet tunnel en fonction des différents paramètres<br />contrôlables (couplage de la boîte au réservoir, potentiel de la boîte ...) a été déterminée dans<br />une large gamme temporelle, de la centaine de picosecondes à la dizaine de nanosecondes. Ces<br />résultats sont en excellent accord avec un modèle théorique simple que j'ai développé durant<br />ma thèse. Ils ouvrent la voie à des expériences d'optique électronique à une seule particule.

Ce travail de thèse, constitué de deux parties apparemment très différentes, a pour objectif commun de modéliser et simuler certaines interfaces non classiques en mécanique des fluides et en mécanique des solides. Dans la première partie qu'est la partie principale du travail, l'écoulement de Stokes d'un fluide dans un canal encadré par deux parois solides parallèles est étudié. La surface d'une paroi étant supposée lisse, la condition d'adhérence parfaite classique est adoptée pour l'interface fluide-solide homogène correspondante. La surface de l'autre paroi étant supposée rugueuse et capable de piéger de petites poches d'air, l'interface liquide-solide correspondante est donc hétérogène. La première partie de ce travail consiste à homogénéiser l'interface liquide-solide hétérogène de façon à remplacer cette dernière par une interface fluide-solide homogène imparfaite caractérisée par une longueur de glissement effective. Le problème essentiel de déterminer la longueur de glissement effective est résolu par le développement : (i) d'une approche semi-analytique dans le cas où la surface rugueuse est périodique; (ii) d'une approche basée sur la méthode de solution fondamentale dans le cas où la surface rugueuse est aléatoire. Les résultats obtenus par les approches développées sont systématiquement comparés avec ceux délivrés par la méthode des éléments finis. La deuxième partie du travail est de déterminer les modules élastiques effectifs d'un composite fibreux dans lequel les interfaces entre la matrice et les fibres sont imparfaites et décrites par le modèle membranaire. Une méthode numérique efficace basée sur la transformée de Fourier est ainsi développée et implantée pour traiter le cas général où la section d'une fibre peut avoir une forme quelconque / The present work, consisting of two seemingly very different parties, aims at modeling and simulating some non-classical interfaces in fluid mechanics and solid mechanics. In the first part which is the main part of the work, the Stokes flow of a fluid in a channel bounded by two parallel solid walls is studied. The surface of a solid wall being assumed to be smooth, the classic perfect adherence condition is adopted for the corresponding homogeneous fluid-solid interface. The surface of the other wall being taken to be rough and capable of trapping small pockets of air, the corresponding liquid-solid interface is heterogeneous. The first part of this work is to homogenize the heterogeneous liquid-solid interface so as to replace it by an imperfect homogeneous fluid-solid interface characterized by an effective slip length. The essential underlying problem of determining the effective slip length is achieved by developing: (i) a semi-analytical approach when the rough surface is periodic; (ii) an approach based on the fundamental solution method when the surface is randomly rough. The results obtained by the developed approaches are systematically compared with those issued from the finite element method. The second part of the work is to determine the effective elastic moduli of a fiber composite in which the interfaces between the matrix and fibers are imperfect and described by the membrane model. An efficient numerical method based on the fast Fourier transform is developed and implemented to treat the general case where the section of a fiber can be of any shape

L’imagerie sans lentille a élargi le champ d’applications de l’imagerie aux sources cohérentes de courte longueur d’onde dans le domaine XUV, pour lequel les systèmes optiques pour l’imagerie ne sont pas facilement disponibles. En outre, les sources pulsées ultra brèves XUV et X basées sur la génération d’harmoniques laser d’ordre élevé (HHG) et les lasers à électrons libres (FEL) offrent une très bonne résolution temporelle (femto 10-15s - atto 10-18s). Ce sont donc les outils indispensables pour suivre les dynamiques ultrarapides à l’échelle nanométrique. Il est donc nécessaire de disposer de techniques d’imagerie en un tir unique pour profiter pleinement des capacités de ces sources XUV. Les techniques d’imagerie sans lentille sont basées sur la mesure directe du champ électromagnétique diffracté lors de l’interaction de la source avec l’échantillon. La diffraction est liée à la transmittance de l’objet mais aussi à la cohérence spatiale de la source et à son front d’onde. La caractérisation en un tir unique de ces propriétés permet l’amélioration de la résolution de la reconstruction de l’objet.Les résultats de cette thèse sont présentés en deux parties dans ce manuscrit. La première partie est consacrée à la caractérisation des sources XUV et la deuxième au développement de nouvelles techniques d’imagerie multidimensionnelle. Nous présentons différentes applications de la mesure du front d’onde en un tir unique des sources XUV. Les résultats sont le produit de différentes campagnes expérimentales, sur des sources HHG et les FEL LCLS (Stanford) et FERMI (Trieste). Nous présentons également une nouvelle méthode pour la caractérisation en simple tir de la cohérence spatiale qui ne nécessite pas la connaissance de la distribution d’intensité du faisceau incident. De plus, nous présentons une nouvelle technique d’imagerie basée sur l’holographie par transformée de Fourier pour améliorer la résolution dans la reconstruction de l’objet dans le cas de l’utilisation d’une source partialement cohérente.La deuxième partie est consacrée à deux techniques d’imagerie multidimensionnelle développées pendant cette thèse. Une nouvelle technique d’imagerie 3D en simple tir, facile à implémenter et réduisant fortement la dose de rayonnement reçu par l’échantillon, est présentée. Différents schémas expérimentaux pour la génération de deux sources XUV synchronisées pour cette technique d’imagerie stéréographique 3D sont proposés. D’autre part, nous présentons une technique holographique compatible avec une source de large bande spectrale. Deux applications sont envisagées. La première est l’imagerie ultrarapide résolue spectralement, la deuxième est l’imagerie attoseconde. A la fin du manuscrit des conclusions générales du travail accompli pendant la thèse, ainsi que des perspectives sont présentées. / Lensless imaging techniques have broadened imaging applications to coherent sources in the short wavelength XUV domain, where optical systems to create an image are still not readily available. Furthermore, high harmonic generation sources (HHG) and free electron lasers (FEL) have the advantage of providing short temporal resolutions (atto 10-18s - femto 10-15s), opening the way towards ultrafast time resolved nanoscale imaging. Single shot imaging techniques are then highly important to exploit the shortest temporal resolution that can be reached with XUV sources. Lensless imaging is based on the direct measurement of the electric field diffracted by the sample. The diffraction pattern depends on the object transmittance but also on the source spatial coherence and wavefront. Single shot characterization of those properties thus leads to an improvement of the resolution of the object reconstruction.The results presented in this thesis are divided in two parts; the first one is focused on the characterization of the sources and the second on the development of new multidimensional imaging techniques. We will present different applications of single shot wavefront sensing of XUV sources. The results presented are the product of different experimental campaigns performed during this thesis using HH sources and FEL facilities at LCLS (Stanford) and FERMI (Trieste). Furthermore, a new method for single shot characterization of the spatial coherence that does not require the simultaneous measurement of the intensity distribution is presented. Additionally, we present a new holographic technique to improve the resolution of the object reconstruction when a partially coherent source is used.The second part is dedicated to two new multidimensional imaging techniques developed during the thesis. A new tri-dimensional imaging technique that is single shot, easy to implement and that lowers drastically the X-ray dose received by the sample, is presented. Different experimental setups for the generation of two synchronized XUV sources suitable for this ultrafast single shot 3D stereo imaging technique are presented. In addition, we present a holographic technique to extend imaging using a broadband source towards spectrally resolved single shot imaging and attosecond applications. Finally, we present the general conclusions from the work done during the thesis, together with the perspectives drawn from this work.

Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d’émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l’échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s’approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d’émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu’à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau. / During the last 10 years, the quantum cascade lasers performances in the mid-infrared have been considerably improved: the wall plug efficiency has reached values superior to 20%, with output power up to 5W in continuous wave operation, at room temperature. Those values have been achieved due to the reduction of the temperature sensibility of the lasers, with characteristic temperature T0 reaching 300K. The output power is now limited to the injected power, which is proportional to the gain region size. This thesis reports an innovating solution consisting on beam combining an array of narrow emitters, monolithically. We experimentally demonstrate for the first time devices of up to 32 emitters of 2µm width emitting in phase by evanescent coupling. Moreover, we show record thermal resistance. Those results highlight the possibility to fabricate high power sources (superior to 10 W) in the mid-infrared, with a good beam quality.

Les systèmes de transmission optiques (STOs) déployés actuellement utilisent la détection cohérente pour les débits de 40 Gb/s et 100 Gb/s. Une modulation QPSK ( « Quadrature Phase Shift Keying »), c’est à dire avec 4 niveaux de phase, associée à un multiplexage de polarisation (« PDM » pour « Polarization Division Multiplexing ») permet de transporter 4 bits par symbole. L’utilisation des formats de modulation plus complexes, tels que le 16QAM (pour « Quadrature Amplitude Modulation »), avec 16 états possibles, permet d’augmenter le débit transmis. Cependant, cette méthode réduit fortement la portée de transmission. Par exemple, si on passe de 100 Gb/s PDM-QPSK à 200 Gb/s PDM-16QAM, la portée est réduite par un facteur cinq. Une approche nouvelle et en rupture afin d’augmenter la capacité est le multiplexage en mode (MDM, pour « Mode Division Multiplexing »). Cette approche est investiguée dans le cadre de ma thèse. Je commence ma thèse avec des généralités sur les STOs, suivi d’une présentation de leur évolution historique dans le contexte de la demande de capacité croissante dans les réseaux de télécommunications. Ensuite je montre plusieurs options pour continuer la croissance de capacité dans les STOs avant de me focaliser sur le MDM. Je décris tous les nouveaux éléments clés d’un système MDM typique, notamment la fibre et l’amplificateur légèrement multimodaux, le multiplexeur / démultiplexeur de modes et le nouveau système de réception, en me fondant sur des résultats théoriques, numériques et expérimentaux. Je termine avec une présentation des expériences de transmission MDM, où nous étions parmi les premières équipes mondiales à réaliser une telle démonstration / Currently deployed optical transmission systems use coherent detection for data rates of 40 Gb/s and 100 Gb/s. Quadrature phase shift keying (QPSK) modulation using four phase levels in combination with polarization division multiplexing (PDM) allows transmitting four bits per symbol. The use of more complex modulation formats, such as 16 level quadrature amplitude modulation (16QAM) allows increasing the data rate. However, this method reduces dramatically the transmission reach. For example, when passing from 100 Gb/s PDM-QPSK to 200 Gb/s PDM-16QAM, the reach is reduced by a factor of five. A new and disruptive approach in order to increase the capacity is mode division multiplexing (MDM), and this approach is investigated in the frame of my thesis. I start my thesis with some generalities on optical transmission systems followed by a presentation of their historical evolution against the background of the increasing capacity demand in the worldwide telecommunication networks. Afterwards I show some ways to continue the capacity growth in optical transmission systems before focusing on MDM. I describe the new key elements, notably the few-mode fiber and the few-mode amplifier, the mode-multiplexer / -demultiplexer and the new receiver system. I finish with a presentation of some experiments using entire MDM systems, which allowed us to be among the first research teams worldwide to realize a successful MDM transmission

Le bruit peut avoir un rôle bénéfique sur les processus non linéaires en charge du traitement de l'information. Depuis quelques années, des études dans divers domaines mettent en évidence différents mécanismes par lesquels cet effet de bruit utile se produit. Dans ce mémoire, nous montrons de nouveaux mécanismes d'amélioration par le bruit en traitement du signal et en imagerie, plus particulièrement dans les réseaux de capteurs et dans les systèmes d'imagerie cohérente. L'analyse de ces mécanismes est réalisée au moyen d'études analytiques, de simulations numériques et de mises en oeuvre expérimentales. Nous prenons en compte les non-linéarités avec seuil et saturation présentes dans les processus considérés, en interaction avec différents mélanges signal–bruit. Ces travaux peuvent avoir une portée dans des domaines variés tels que l'électronique ou l'imagerie optique. Nous étudions également l'influence du bruit sur le traitement de l'information par les processus neuronaux.

Ce mémoire rassemble des résultats concernant le transport ondulatoire dans les systèmes complexes. La première partie concerne les systèmes quantiques dont la dynamique classique est chaotique, comme par exemple l'atome d'hélium ou l'atome d'hydrogène en champ magnétique intense. A partir d'études, soit d'un point de vue statistique (distribution des écarts d'énergie), soit d'un point de vue semi-classique (formule de trace), on peut caractériser l'impact de la dynamique chaotique sur les propriétés quantiques. La deuxième partie concerne la propagation d'onde dans les milieux désordonnés. Dans le cas de la diffusion de la lumière par des nuages de diffuseurs ponctuels (atomes froids...), j'étudie l'impact des effets non-linéaires, d'une part sur les phénomènes de localisation comme la rétro-diffusion cohérente et, d'autre part sur la stabilité dynamique des figures de speckle.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur la diffusion multiple de la lumière, avec les nécessaires introductions : bases théoriques et préparation des échantillons. L'emphase est placée sur les effets de la diffusion multiple d'ondes, où les effets d'interférence existent et sont significatifs, dans la recherche pour la localisation d'Anderson.<br />En réflection des milieux désordonnés soumis au moyennage d'ensemble, il existe un cone de lumière, superposé au fond diffusé, dans la direction exacte de rétrodiffusion, dû à l'interférence constructive des chemins réciproques. Ce cone de rétrodiffusion cohérente donne des informations sur la diffusion multiple et la localisation. Le régime de diffusion multiple de la lumière est étudié dans un semiconducteur poreux, le phosphure de gallium (GaP), connu à présent comme le materiau le plus fortement diffuseur de la lumière visible. L'indice de réfraction effectif des échantillons très diffusants de GaP poreux est determiné par une technique de transmission résolue en angle. Un tel indice de réfraction dans le régime de diffusion forte ne s'accorde pas aux théories connues de milieu effectif.<br />Les échantillons les plus fortement diffuseurs, proche de la transition attendue vers le régime de localisation, sont toujours parfaitement décris par les résultats du régime de diffusion. La diffusion macroscopiquement anisotrope de ces échantillons poreux est étudiée, par des techniques stationaires et dynamiques. Dans ces échantillons, la lumière diffuse plus vite et plus loin le long des pores, qu'à travers eux. Le GaP poreux montre en même temps une forte diffusion et une forte anisotropie.<br />Dans une dernière partie, le sujet de la capture totale d'une impulsion lumineuse dans une courte cavité optique est considérée. En adaptant de façon dynamique la réflectivité du miroir d'entrée à la forme temporelle de l'impulsion incidente, la lumière réfléchie par la cavité peut être complètement annulée par interférence destructive. Alors qu'aucune lumière n'est réfléchie par la cavité, toute la puissance incidente est couplée à l'intérieur de la cavité, n'excitant qu'un seul mode de petite largeur spectrale. Aussi bien la théorie que les mesures expérimentales supportent le processus proposé.