ilieu, dans le but de déterminer ses propriétés de dichroïsme, de biréfringence et de dépolarisation. Jusqu'à présent, ces instruments utilisaient une génération séquentielle des multiples états de polarisation nécessaires au calcul d'une matrice de Mueller, leur temps d'acquisition étant donc limité à la milliseconde. Nous proposons dans cette thèse de développer le premier polarimètre de Mueller dont le codage de la polarisation est effectué dans le domaine spectral, ce qui permet une génération parallèle des états de polarisation. Le temps d'acquisition d'une matrice de Mueller est alors limité par le temps d'intégration du détecteur, qui peut être potentiellement très court. L'objet de la thèse a été dans un premier temps de valider expérimentalement un polarimètre de Mueller par codage en longueur d'onde, que nous avons dénommé "le polarimètre de Mueller instantané". Il s'agit d'utiliser une source large bande (10nm), des lames de phases d'ordre élevé et un spectromètre couplé à une caméra CCD pour disperser tous les états de polarisation. L'étalonnage de l'instrument a été effectué, et s'appuie sur une modélisation détaillée des composants optiques utilisés dans le montage. La précision du polarimètre a été évaluée à 3%, grâce à des mesures sur des milieux connus. La stabilisation du polarimètre a également été envisagée, pour prendre en compte les dérives dues à la température et aux contraintes appliquées à la fibre optique. Enfin, deux pistes théoriques d'optimisation ont été proposées, à savoir le choix idéal de la configuration d'épaisseur des lames de phase et l'utilisation d'un polarimètre à deux voies de détection. L'instrument a ensuite été utilisé pour caractériser de manière statique et dynamique des cellules à cristaux liquides ferroélectriques (pure et stabilisée par polymère) en dispositif SSFLC. Cela a permis d'une part, de prouver que l'exploitation de la matrice de Mueller est avantageuse pour évaluer des organisations moléculaires dans ces échantillons, grâce à la variété d'information qu'elle propose. Puis, ces études ont également prouvé la faisabilité d'acquérir simplement et avec une bonne résolution temporelle des dynamiques de réorientations rapides ( ∼ 100μs ) avec le polarimètre instantané. Nous avons ainsi été capables en particulier de mettre en évidence le mouvement des couches smectiques lors d'une transition "up"/"down" dans une cellule SSFLC.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Étude de la propagation lumineuse dans un cristal liquide en phase nématique. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Il est actuellement bien connu que les molécules non sphériques peuvent former des mésophases (ou cristaux liquides), c'est-à-dire des phases dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des cristaux. La mésophase la plus connue est la phase nématique. Il s'agit d'une phase caractérisée par une distribution aléatoire des centres de masse des molécules, mais dans laquelle l'orientation des molécules présente une direction préférentielle, désignée par un vecteur unité appelé le directeur du nématique. Une telle phase possède donc la fluidité d'un liquide tout en présentant, tel un cristal, une biréfringence. C'est cette dernière propriété qui est exploitée dans les applications technologiques, principalement dans les dispositifs d'affichage.<p>Dans un tel dispositif, le liquide nématique est contenu dans une cellule (il y a une cellule par pixel), et son directeur est manipulé à l'aide d'un champ extérieur, électrique ou magnétique. Pour une bonne compréhension du fonctionnement de ce dispositif, il est essentiel de connaître le profil du directeur à travers la cellule en l'absence de champ extérieur. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié un nématique torsadé, c'est-à-dire dont le directeur décrit une hélice à travers la cellule. <p>Ce profil est déterminé principalement par les propriétés d'ancrage du liquide nématique sur les parois solides de la cellule. En effet, celles-ci peuvent posséder une direction d'ancrage privilégiée, qui favorise l'alignement du directeur dans une direction particulière. Nous avons considéré ici le cas de directions d'ancrage planaires, c'est-à-dire que le directeur est dans le plan des parois. Alors que l'ajout de parois identiques dans le système induit toujours une non-uniformité spatiale dans la densité du nématique (en comparaison avec un nématique en coeur de phase), l'utilisation de directions d'ancrage différentes induit une non-uniformité orientationnelle dans le directeur du nématique; dans notre cas une torsion. C'est principalement ce profil de directeur torsadé qui nous intéresse ici. <p>L'objectif général de ce travail consiste donc à étudier les propriétés d'ancrage d'une phase nématique confinée et torsadée, d'une part par une théorie microscopique (théorie de la fonctionnelle de la densité), et d'autre part sur le plan de simulations de Monte Carlo, en particulier dans le cas où les molécules ont la forme de disques (discotiques).<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif du projet est la mesure du rapport de la masse de l'électron à celle du proton par spectroscopie vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler de H2+. Le refroidissement des ions H2+ est nécessaire et ne peut être fait que par refroidissement sympathique par des ions Be+ refroidis par laser. La première partie présente la conception et la réalisation d'un piège linaire adapté au confinement des ions H2+ et Be+ et permettant les accès optiques nécessaires pour les lasers et l'imagerie. La seconde partie décrit les sources laser à 626 (à base de diodes laser ou de lasers à fibres) ainsi que la cavité de doublage de fréquence utilisés pour obtenir le faisceau à 313 nm pour refroidir les ions Be+. La dernière partie expose les premiers résultats obtenus qui montrent que le montage est opérationnel. Elle présente l'observation et la caractérisation de cristaux de Coulomb de Be+ ainsi que des cristaux de Coulomb mixtes Be+/H2+ où les ions H2+ sont créés par impact électronique à partir du gaz résiduel. Ces résultats montrent que le montage est prêt pour réaliser la spectroscopie de H2+. / The objective of the project is to perform high-resolution Doppler-free two-photon vibrational spectroscopy of the H2+ molecular ion for accurate electron to proton mass ratio determination. Trapping and laser-cooling of the H2+ ions is necessary. Since H2+ molecular ions cannot be directly laser cooled, a solution is the implementation of sympathetic cooling via a laser cooled Be+ ions. In the first part of this thesis the design and implementation of a linear Paul trap is presented. This trap is suitable to confine H2+ and Be+ ions while allowing good optical access for multiple laser sources and the imaging system. The second part describes a low power, diode based laser system to provide narrow linewidth 626nm light, and a high power, fiber laser based laser system. Subsequently, a bow-tie cavity is presented to frequency double the 626nm light to obtain 313nm light for Be+ Doppler-cooling. In the last part the operational readiness of the trap and the fiber laser based 313nm laser source is demonstrated by the observation of Be+ Coulomb crystals. Electron impact ionization of H2 present in the residual gas allows to observe sympathetic cooling and shows that the developed setup can provide the experimental conditions for precision spectroscopy of H2+.

De part sa structuration en hélice, un Cristal Liquide Cholestérique (CLC) possède des propriétés optiques singulières. La lumière incidente sur un CLC est réfléchie sélectivement, avec une longueur d'onde λ0 associée proportionnelle au pas hélicoïdal et ceci sur une largeur spectrale de quelques dizaines de nm autour de λ0. La quantité de lumière réfléchie est par ailleurs limitée à 50% de la lumière ambiante (non polarisée). <br /><br />Les travaux de thèse se sont focalisés sur l'obtention de propriétés de réflexion de cholestériques gélifiés atypiques, avec deux objectifs de recherche: l'élargissement de la bande de réflexion et l'accroissement de la quantité de lumière réfléchie. <br /><br />La première partie du manuscrit de thèse propose un procédé d'élaboration permettant un élargissement de la bande de réflexion de gels de CLC. Cet objectif est atteint par l'utilisation d'un CLC absorbant la lumière UV, à l'origine d'un gradient d'intensité lors de la gélification. Des études par microscopie optique, spectrophotométrie et microscopie électronique en transmission ont permis de déterminer la distribution structurale à l'origine de la distribution des longueurs d'onde de réflexion observée.<br /><br />La seconde partie du manuscrit se focalise sur l'augmentation de la quantité de lumière réfléchie par un gel réalisé à partir d'un mélange cholestérique qui voit son sens d'hélicité changer avec la température. L'impact de l'histoire de la polymérisation et du parcours en température après gélification sur les propriétés du profil de réflexion sera analysé avec une attention particulière sur la nature et la quantité de la polarisation du faisceau réfléchi.

Une compréhension fine des interactions de la lumière avec des matériaux structurés à l'échelle de la longueur d'onde est nécessaire pour parvenir à contrôler les photons (émission, propagation et détection) dans de petits volumes de l'ordre de quelques lambda cube. Les applications de ce contrôle couvrent des domaines très variés, allant des interconnexions optiques à la réalisation d'expériences d'électrodynamique quantique à l'état solide. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les interactions de la lumière avec des structures à base de cristaux photoniques bidimensionnels gravés dans un empilement de couches minces, structures qui peuvent être utilisées aussi bien en optique guidée qu'en optique en espace libre. Pour cela, des outils de simulation numérique tridimensionnelle performants ont été développés. <br />Tout d'abord, nous avons réalisé une étude théorique et numérique de la propagation de la lumière dans des guides à cristaux photoniques. Nous nous sommes intéressés à un système modèle, le guide à une rangée manquante, ainsi qu'à trois quantités physiques essentielles, l'atténuation, la durée de vie et le coefficient de réflexion du mode fondamental.<br />Nous avons également étudié le confinement de la lumière dans des microcavités à cristaux photoniques. Nous avons en particulier montré que, même à l'échelle de la longueur d'onde, la physique du confinement est essentiellement gouvernée par des quantités classiques : les pertes radiatives à l'interface des miroirs et la vitesse de groupe du mode de Bloch guidé à l'intérieur de la cavité.<br />Finalement, nous avons étudié une application des cristaux photoniques à l'optique diffractive en espace libre. Leurs propriétés de dispersion structurale originales nous ont permis de concevoir des optiques diffractives qui restent efficaces sur une large bande spectrale.

Les propriétés spectroscopiques des monocristaux de α-ZnAl2S4, semi-conducteurs de type spinelle avec une large bande interdite, dopées par les ions des métaux de transition sont investigués et leur interprétation est donnée. Les monocristaux, obtenus par la méthode de transport chimique en phase vapeur avec la concentration des impuretés dopantes compris entre 0.01 – 0.1% at., représentent des octaèdres homogènes optique avec des faces orientent (111). Les analyses par les rayons X ont confirmé que tous les échantillons ont cristallisés dans une structure normale de type spinelle avec la symétrie cubique Fd3m (Oh7). Les monocristaux de α-ZnAl2S4 : Ti manifestent des propriétés radiatives dans le domaine spectral du proche infrarouge 0.8–1.4μm. Les résultats spectroscopiques obtenus dans l’intervalle des températures 10-300K (les spectres de la photoluminescence stationnaire et résolue en temps, de l’absorption et de l’excitation de la photoluminescence) sont interprétés dans les termes d’un cluster composé par un ion de Ti4+ dans une configuration octaédrique des six ions de soufre. Les bandes spectrales observées sont attribuées à des transitions électroniques survenues d’un transfert de charge ligand Ti4+ pour les sites octaédriques de titane, qui est en concordance avec la évidence expérimentale de l’absence du RPE signale des ions de Ti. Les constantes vibroniques des niveaux excités et l’auteur de la barrière potentielle entre eux ont étés calculés. La structure des spectres d’absorption et de la luminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 :Co est déterminé par les transitions électroniques des ions de Co2+ localisés dans des sites tétraédriques. Quatre composantes spectrales radiatifs sont révélés en utilisant la spectroscopie résolue en temps sous différentes longueur d’onde d’excitation et il est montré que la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 : Co est dû aux transitions électroniques entre les niveaux excités des ions de Co2+. Les valeurs calculées des constantes de l’interaction spin – orbite des niveaux excités indiquent une faible influence du part de champ cristallin et une forte interaction spin – orbite. L’absorption optique et la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAI2S4 : V sont déterminées des transitions électroniques du vanadium trivalent situé dans des sites octaédriques. L’augmentation de la température est accompagnée par l’amplification de la luminescence intégrale et l’élargissement du spectre centré à λ =1.4μm. Trois composantes spectrales radiatifs de α-ZnAI2S4 : V révélés aux basses températures sont dû aux transitions électroniques des ions de V3+. D’après l’analyse comparative des propriétés spectroscopiques des monocristaux de type spinelle de α-ZnAl2S4 dopés par les ions des métaux de transition Ti, Co, et V, le plus favorable comme milieux actifs laser, est le composée α-ZnAl2S4 : V3+, qui pourrais assurer l’émission dans le domaine des longueurs d’ondes 1.2-1.6μm, ce qui correspondent à la région spectrale utilisée par les systèmes des communications sur fibre optique. / Spectroscopic properties of α-ZnAl2S4 spinel-type single crystals of the wide band gap semiconductor doped by the transition metals Ti, Co and V are investigated and their interpretation is presented. The crystals, grown by the chemical vapour transport method, with activator impurities concentrations 0.01 – 0.1% at., correspond to optically homogeneous octahedrons with (111) - oriented mirror-like faces. The x-ray analyses confirm that all samples crystallised into the normal spinel type structure with Fd3m (Oh7) cubic symmetry. It is found out that α-ZnAl2S4:Ti single crystals exhibit luminescence in the IR spectral range 0.8–1.4μm. The spectroscopic results obtained in the temperature range 10-300K (steady-state and time resolved photoluminescence, optical absorption and excitation luminescence spectra) are interpreted in terms of a cluster composed of the central Ti4+ ion in an octahedral coordination of six sulphur ions. The observed spectral bands are assigned to the electronic transitions arising from the ligand – Ti4+ charge transfer for octahedral sites of titanium that is in agreement with the experimental evidence for the absence of the EPR signal from Ti ions. The vibronic coupling constant for the excited levels and the barrier height between them are calculated. The structure of the absorption and luminescence spectra of α-ZnAl2S4:Co crystals is determined by the electronic transitions of Co2+ ions located in tetrahedral sites. Four radiative spectral components are revealed using the time-resolved spectroscopy at different excitation wavelengths and it is shown that the luminescence of α-ZnAl2S4:Co crystals is due to the electronic transitions between the excited levels of Co2+ ions. The calculated values of the spin-orbit coupling constants of the excited levels indicate a weak crystal field influence and a strong spin-orbit coupling. It is determined that the absorption and luminescent properties of α-ZnAl2S4:V spinel type crystals are the result of electronic transitions of trivalent vanadium ions located in octahedral sites. The rise of temperature leads to the enhancement of the integral luminescence intensity and to the broadening of the spectrum centered at λ =1.4μm. Three main spectral components of the α-ZnAI2S4:V IR spectra revealed at low temperatures are caused by electronic transitions of V3+ ions. The coexistence of a broad band with the narrow lines at low temperatures, when the thermal energy kBT is much less than the height of the potential barrier between the excited states, is explained assuming that there is a phonon assisted tunnelling between these states. On the base of the comparative analysis of spectroscopic properties of α-ZnAl2S4 spinel type crystals doped with transition metals Ti, Co, and V it is established that α-ZnAl2S4:V3+ compounds are the most appropriate for applications as active media for solid state IR-lasers tunable in the 1.2-1.6μm wavelength range, which corresponds to the spectral region used in the fibre-optics communication systems.

These days, organic photovoltaic devices (OPV) have received a large interest from both academic and industrial researchers as alternative energy source to replace petroleum and nuclear fission. New organic semi-conductors (OSC) are actively researched since these materials can be purified and processed by solution techniques that are cheaper than those required for silicon. The current record efficiency is 8.3%. Further improvement of the OPV performances is desired in order to decrease both the pay-back time of the device and the price of the energy produced. On that purpose, academic research is focused on two main axes: (i) develop new organic materials characterized by high charge mobilities for both p-type (holes) and n-type (electrons) semi-conduction and (ii) increase as much as possible the contact surface between both p-type and n-type OSC (p-n junction), where the electric charges are created. <p>In the frame of this PhD thesis, we proposed to investigate this second aspect by building the interface at a nanoscopic scale, creating a molecular heterojunction. Liquid crystalline (LC) materials composed of donor-acceptor dyads were chosen as OSC since they can lead to complex supramolecular structures made of two interpenetrated networks: the first one is related to the donor and provides holes transport, while the second one is related to the acceptor and affords electrons conduction. In this context, we decided to synthesize new donor-acceptor molecules composed of a phthalocyanine (donor) covalently connected to a fullerene (acceptor) through a non-conjugated bridge and to investigate their supramolecular assembly in solution and solid state. This specific molecular structure was inspired from a mesogenic phthalocyanine developed earlier in our laboratory and the very popular fullerene derivative referred to as PCBM. <p>Four dyads with different bridge lengths were prepared via multi-step synthesis. Two key steps are: (i) the formation of low-symmetry A3B phthalocyanines bearing three mesogenic substituents and one hydroxyl-terminated chain and (ii) the esterification of these phthalocyanines with the carboxylic acid homologue of PCBM.<p>In solution, no electron transfer from the phthalocyanine to the fullerene is evidenced in the ground state. On the contrary fluorescence quenching indicates that a photo-induced charge transfer takes place. Also, cyclic voltammetry measurements confirmed that both phthalocyanine and fullerene moieties act as independent & / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise, une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée, une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité, un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mise à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. Cela a mené à la réalisation d'une série de composants. / Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two-dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 µm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single-mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid-wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 µm and from 3.4 to 4 µm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 µm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single-mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 µm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.