L'observation directe des exoplanètes est rendue difficile par l'énorme contraste entre la planète et l'étoile autour de laquelle elle gravite, ainsi que la faible séparation angulaire entre ces deux corps. Un tel niveau de contraste aussi proche de l'étoile être atteint en couplant l'imagerie à haute résolution angulaire et la coronographie, qui atténue le flux en provenance de l'étoile ; les performances ultimes d'un instrument d'imagerie à haut contraste sont alors limitées par ses aberrations quasi-statique. Au cours de cette thèse a été conçu un ASO plan focal dédié à la calibration des aberrations quasi-statiques dans les systèmes d'imagerie à haut contraste. Cet ASO, baptisé COFFEE, permet d'estimer les aberrations en amont et en aval du coronographe à partir d'images coronographiques acquises en plan focal différant d'une phase de diversité connue introduite en amont du coronographe. Au cours de cette thèse, COFFEE a été conçu et validé par simulations numérique et démontré expérimentalement sur banc. L'identification de plusieurs facteurs limitant la précision de l'estimation des aberrations a ensuite induit une modification du formalisme sur lequel repose COFFEE pour l'adapter à l'estimation d'aberrations de hautes fréquences spatiales avec une précision nanométrique. Cette version hauts ordres de COFFEE a été utilisée avec succès sur l'instrument SPHERE, où la compensation des aberrations estimées par COFFEE a permis d'optimiser le contraste. Enfin, une nouvelle méthode de compensation a été développée pour permettre d'atteindre de très hauts niveaux de contraste sur le détecteur scientifique. / Performing an exoplanet direct detection means being able to image an object as faint as an extra-solar planet very close to its parent star. After compensation of the turbulence by the XAO loop and most of the star light removed by a coronagraph, the ultimate limitation of high contrast imaging systems lies in its quasi-static aberrations that creates a residual signal which limit the achievable contrast on the scientific detector. To increase the achievable contrast on the detector, these aberrations must be compensated for, ideally using focal plane data recorded from the scientific detector to avoid differential aberrations. The aim of this thesis was to develop a focal-plane wavefront sensor (WFS) dedicated to the estimation of quasi-static aberrations in high contrast imaging systems. This WFS, called COFFEE, estimates the aberrations both upstream and downstream of the coronagraph using coronagraphic focal plane images that differ from a known diversity aberrations introduced upstream of the coronagraph. During this research work, COFFEE has been developed, tested using numerical simulations and demonstrated on an in-house bench. Considering the limitations of the estimation accuracy, COFFEE's formalism has then been modified to allow it to estimate high frequencies aberrations with nanometric precision. This extended version of COFFEE has been successfully used on SPHERE to optimize the contrast on the scientific detector of the instrument using COFFEE in a dedicated compensation process. Lastly, a new compensation method has been developed in order to reach very high contrast levels on the scientific detector.

Nous nous ici intéressons à la propagation d'états non-classiques de la lumière à travers des milieux désordonnés, comme les couches de peinture ou les fibres multimodes. Ces milieux sont généralement considérés comme des obstacles à la propagation de la lumière: par exemple, la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques diminue considérablement les capacités des systèmes d'imagerie optique. C'est donc un phénomène duquel on souhaite généralement s'affranchir. Au contraire, dans notre étude nous exploitons ce désordre et utilisons ces milieux comme des "mélangeurs" de lumière. La lumière qui y pénètre est fortement diffusée et ses propriétés spectrales, spatiales et de polarisation sont complètement redistribuées. Cette redistribution est associée à un phénomène de propagation d'onde et d'interférence complexe qui est donc déterministe. Nous pouvons alors utiliser des méthodes de manipulation de front d'onde pour étudier ou contrôler ce mélange. Associés à des états non-classiques, ces systèmes permettent de réaliser des marches aléatoires quantiques dans des environnements bien plus complexes que ceux qui existent actuellement. Les méthodes de contrôle de front d'onde nous ont permis d'étudier et de manipuler ces marches aléatoires. Nous avons notamment montré qu'il est possible de guider les photons en manipulant les interférences classiques et quantiques. Ce travail nous a permis d'étudier de nouveaux aspects de la physique des milieux complexes, mais aussi d'explorer un nouveau type de plateformes pour marches aléatoires quantiques qui pourraient jouer un rôle important dans le développement des nouvelles applications pour traitement de l'information. / Light is not only an ideal medium to transmit information, but also a very interesting physical system to process it. In this respect, quantum optics has recently emerged as a highly promising domain for the development of new computing applications that can surpass the performances of currently available systems. In this respect, quantum walk of photons has recently emerged as a very powerful model for quantum information science, and integrated photonic devices have proven a versatile architecture for their implementation. While these waveguide structures allow only near-neighbor coupling between up to a few tens of modes, complex linear systems, such as white paint layer or multimode fiber, enable to couple efficiently a huge numbers of optical modes. Unstable and lossy, these systems have always been considered unpractical for quantum optics experiments. Wavefront shaping methods, developed in the last decade to control light propagating in complex media, allow moving beyond these limitations and make them exploitable with non-classical light. In our work, we demonstrate the implementation of quantum walks in a layer of paint and a multimode fiber using single-photons and photon-pairs. For this purpose, we extend wavefront shaping methods, originally developed to control classical light propagation in complex media, to non-classical light. This capability to manipulate photons allows building new controllable highly multimode optical platforms. Such systems pave the way for the next generation of quantum information processing devices.

Les miroirs multicouches trouvent de nombreuses applications utilisant les rayons X produits par les synchrotrons et les lasers à électrons libres et doivent relever de nouveaux challenges apparus avec l'amélioration de ces sources de rayonnement. Pour étudier les causes des contrastes d'intensité produits dans le faisceau réfléchi, des mesures expérimentales et une modélisation numérique ont été effectuées.Plusieurs méthodes d’analyse de la structure des multicouches et du front d’onde réfléchi par un miroir multicouches ont été mises en œuvre sur la ligne de lumière BM05 de l'ESRF. Les méthodes de mesure de 'Rocking Curve Imaging' et 'theta/2theta Imaging' ont été appliquées et adaptées pour la première fois aux miroirs multicouches. Des mesures du front d'onde réfléchi par une multicouche ont aussi été effectuées à partir des techniques d’holographie et de tavelure en champ proche. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre les effets de phase produits par les multicouches ainsi que leurs origines et de reconstruire la topographie de défauts de hauteur d'un miroir multicouches par l'utilisation du modèle numérique développé durant cette thèse.Un modèle numérique basé sur les équations de Takagi-Taupin a été modifié pour tenir compte de défauts dans la structure multicouches d'un miroir. Des simulations de défauts simples ont été effectuées afin de caractériser les performances et les limites du modèle numérique. La propagation et la cohérence de faisceau réfléchi ont été simulées. Les résultats expérimentaux et simulés ont alors permis de montrer que les défauts de hauteur dans la structure multicouches des miroirs constituent la cause principale des contrastes d'intensité. Les simulations effectuées conduisent à conclure que les effets induits par les défauts de hauteur dans une multicouche sont analogues aux effets de phase produits par ces même défauts de hauteur sur une surface réfléchissante.Ces modèles et ces simulations peuvent être utiliser pour spécifier les caractéristiques des défaut de hauteur qui minimise la production du contraste d'intensité. Les techniques expérimentales développées permettront de caractériser avec les rayons X les futures multicouches. / Multilayer mirrors find numerous X-ray applications in synchrotron and X-rays free electron lasers. These multilayers optical devices must take up new challenges raised with the upgrade these radiation sources. To study the origin of intensity contrast in reflected beam, experimental measurements and numerical modeling were performed.Several techniques for multilayer structure charactérization have been implemented at the ESRF beamline BM05. Measurements methods based on 'Rocking Curve Imaging' and 'theta/2theta' Imaging were performed and applied for the first time to multilayer mirrors. Measurements of the wavefront reflected by multilayers were performed using holography and near field speckle techniques. The results obtained allowed a better understanding of the phase effects induced by multilayer reflection of their origin and to reconstruct the topography of the height defects within a multilayer mirror using the numerical model developped in the course of this PhD thesis.A numerical model based on Takagi-Taupin equations was modified to account for defects present in the multilayer mirror structure. Simulations for simple defects were performed to evaluate performance and limits of the numerical model. The propagation and the coherence of the reflected beam were simulated. The measurement and simulation results show the main influence of defect heights on the generation of the intensity contrast observed. The simulations also lead to conclude the equivalency phase effect resulting of the same height defects in multilayers mirror structure and reflecting surface.These modelization and simulations results can be usefull to specify defect feature which minimise reflected intensity contrast. The new developped experimental technics will allows X-rays caracterization for next multilayer mirrors.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.<br />La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.<br />La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

Ce document présente une synthèse de mes travaux de recherche postérieurement à la thèse de doctorat. Depuis le début de mes travaux de thèse en 1992 et jusqu'au début de l'année 2000, mes recherches ont été effectuées dans le domaine du traitement optique du signal. Depuis, mes principales activités de recherche concernent le domaine de la microsonique, et plus précisément des ondes élastiques guidées ou de surface. Je présente successivement mes contributions à ces deux domaines, puis les perspectives de cette thématique de recherche, et les directions que j'entends prendre dans les années à venir. A partir de 1995, à la suite de ma thèse, j'ai poursuivi mes travaux en corrélation optique. Je me suis intéressé aux aspects théoriques de la corrélation optique, ainsi qu'à des moyens pratiques d'utiliser les solutions optimales obtenues dans les corrélateurs existants. J'ai également étudié de nouvelles applications des modulateurs spatiaux de lumière pour le traitement optique du signal, et plus particulièrement des systèmes originaux d'imagerie programmable et un capteur de front d'onde à balayage. Par la suite, je me suis intéressé au traitement des impulsions laser ultrabrèves, domaine dans lequel le contrôle de la forme temporelle des impulsions présente un intérêt considérable. J'ai étudié plus particulièrement des moyens de contrôler et de mesurer la dispersion des impulsions ultrabrèves. J'ai également mené des études sur la possibilité d'obtenir des temps de groupe superluminaux pour les ondes optiques. Dans le domaine de la microsonique, mes travaux sont orientés vers la compréhension de la propagation des ondes électro-acoustiques (liées aux milieux piézoélectriques) dans les microstructures.

L'émission d'ultrasons focalisés à forte puissance peut être utilisée pour réaliser l'ablation non-invasive de zones pathogènes, de type cancéreuses par exemple. On distingue deux régimes d'ablations : ablation thermique appelée HIFU (" High Intensity Focused Ultrasound ") et ablation mécanique appelée histotripsie utilisant des ondes de chocs focalisées. Au cours de ma thèse, nous avons développé des méthodes de suivi ultrasonore en temps réel à partir d'une technique d'élastographie quantitative (Supersonic Shear wave Imaging). Nous montrerons que des mesures précises des changements d'élasticité au cours des traitements fournissent un suivi et un guidage avec une robustesse aux mouvements du patient. En effet, l'élastographie nous a permis d'une part de cartographier la température et d'autre part de suivre la formation de lésion en temps réel qu'elle soit de type thermique (HIFU) ou mécanique (histotripsie). Nous aborderons aussi une technique d'inversion totale du front d'onde appliquée à SSI qui améliore la sensibilité à la perte d'information due au bruit et à l'hypoéchogénicité existante dans certaines lésions. Enfin, nous présenterons un nouveau concept de cavité à retournement temporel " réglable " pour l'émission d'impulsions de très fortes pressions à partir d'un nombre limité de transducteurs. Notre prototype a permis de générer des ondes de chocs focalisées au sein d'une étendue considérable et de multiplier par 17 la pression d'une sonde d'imagerie conventionnelle. Ainsi, à partir d'électroniques basse-puissance à faible coût, ce dispositif thérapeutique pourrait avoir de nombreuses applications thérapeutiques limitées actuellement par des contraintes géométriques.

Ce travail a comme but l'étude de nouveaux cristaux dopés à l'ion ytterbium, pour le développement de lasers efficaces (et éventuellement accordables) émettant vers 1 µm. La première partie traite des performances laser en pompage par diode de forte puissance (10-15 W) de nouveaux cristaux : l'Yb:GGG, l'Yb:GdCOB, l'Yb:BOYS (et l'Yb:CaBOYS), l'Yb:SYS et l'Yb:YSO. L'efficacité, l'accordabilité, et le comportement thermique de ces matériaux est discutée, et illustrée, lorsque cela est pertinent, par une comparaison entre matériaux voisins. Les effets thermiques limitent la montée en puissance dans la plupart de ces nouveaux matériaux : leur étude détaillée fait l'objet de la seconde partie. Nous commençons par une synthèse théorique sur les effets thermiques et thermomécaniques dans les lasers solides. Après une description des différentes méthodes expérimentales d'investigation des effets thermiques, nous décrivons le banc de mesure que nous avons mis en place. Il est basé sur un analyseur de front d'onde de Shack-Hartmann, et il permet la mesure des lentilles thermiques (et de leurs aberrations) dans des configurations de pompage longitudinal, en présence (ou non) d'effet laser. Nous décrivons les caractéristiques et les limitations de cet outil en détail. Des mesures de lentilles thermiques sont ensuite rapportées, pour la première fois, dans des matériaux dopés à l'ytterbium. Nous avons mis en évidence d'importants effets non radiatifs qui contribuent à la charge thermique, contrairement à ce qui est généralement admis. Nous détaillons alors comment, avec un modèle analytique simple, on peut déduire de ces mesures le rendement quantique et le coefficient thermo-optique des matériaux considérés. Nous avons également mis en évidence expérimentalement l'influence de la longueur d'onde laser sur la charge thermique, la réduction des effets thermiques dans des cristaux composites, ou encore la contribution significative de l'effet photoélastique à la lentille thermique dans l'Yb:GdCOB.

Dans le cadre du projet européen SESAR, la nécessité d'accroître la capacité du trafic aérien a motivé la planification de trajectoires avions 4D (espace + temps). Afin de mettre en place une planification pré-tactique (évitement de zones avec une mauvaise météo ou congestionnées pour un avion) et de mettre en place une planification tactique (générer des ensembles de trajectoires 4D sans conflit), nous introduisons un nouvel algorithme : l'algorithme de propagation de la lumière (APL). Cet algorithme est basé sur une méthode de propagation de front d'onde qui s'inspire de l'analogie avec la propagation de la lumière et qui est adapté au problème de planification de trajectoires. L'APL donne des résultats satisfaisant pour une journée de trafic réel sur la France tout en satisfaisant les contraintes spécifiques à la gestion du trafic aérien. L'APL a ensuite été adapté pour prendre en compte les incertitudes qui concernent la vitesse réelle des avions. Ainsi adapté aux incertitude, l'APL a été testé sur la même journée de trafic avec mise en place de points RTA (Real Time Arrival). Les points RTA permettent de réduire l'incertitude dans le cas où l'APL n'arrive pas à résoudre les conflits. Les résultats obtenus sont très encourageants.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses. La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée. La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.<br />La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.<br />La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.