La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un processus d’interaction lumière-matière hautement non-linéaire permettant la synthèse d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as = 10⁻¹⁸ s). Mes travaux de thèse portent sur l’étude du transfert de moment angulaire lors de ce processus, afin de contrôler les caractéristiques spatiales et de polarisation du rayonnement émis dans l’extrême ultraviolet. Comme pour la matière, le moment angulaire de la lumière peut être séparé en une composante de spin, associée à l’état de polarisation du faisceau, et une composante orbitale, reliée à la forme du front d’onde. La maitrise complète du moment angulaire des harmoniques nécessite de recourir à des schémas de génération à deux faisceaux non-colinéaires, créant un réseau de diffraction dans le milieu générateur. Nous avons montré que, bien que les règles de transfert obéissent à des lois de conservation du moment angulaire, la description fine du phénomène requiert une analyse précise du champ laser dans le milieu de génération. Ces travaux ouvrent des perspectives de mise en forme avancée des impulsions attosecondes. / High-order harmonic generation is a highly nonlinear laser-matter interaction process which allows the synthesis of sub-femtosecond pulses, also called attosecond (1 as = 10⁻¹⁸ s) pulses. My PhD is centered around the study of angular momentum transfer during this process, in order to control spatial and polarization features of the radiation which is emitted in the extreme ultraviolet. As for matter, the angular momentum of light can be divided into a spin component, associated with the beam’s polarization, and an orbital component, related to the shape of the wavefront. The control of high harmonics’ angular momentum requires generating schemes involving two crossing beams, thus creating a diffraction grating in the generating medium.We have shown that, although the transfer rules obey conservation laws of the angular momentum, the fine description of the phenomenon requires an accurate analysis of the laser field in the generation medium. This work opens the road for advanced shaping of attosecond pulses.

Les impulsions ultra-brèves de rayonnement ultraviolet extrême (UVX) ont un grand champ d’application dans les domaines tels que le diagnostic de plasmas, la spectroscopie ou l’étude de la dynamique ultrarapide dans les atomes et les molécules.Aujourd’hui, il existe trois sources délivrant ce genre d’impulsions. Les harmoniques d’ordre élevé (HHG, en anglais) générés dans les gaz rares ou sur les solides peuvent fournir des impulsions attosecondes. Cependant, leur énergie, le plus souvent de l’ordre du nanojoule, limite les applications. L’amplification des impulsions harmoniques dans les plasmas créés par laser (SXRL, en anglais) a démontré pouvoir fournir des énergies de plusieurs dizaines de microjoules. Des énergies plus élevées peuvent être obtenues avec les lasers à électrons libres (LEL) UVX injectés, mais ce sont des Très Grandes Infrastructures ayant un accès limité.Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisé avec chacune des ces sources, avec pour objectif la génération d’impulsions plus brèves. Il est devenu nécessaire de développer des nouvelles techniques de métrologie temporelle des impulsions UVX ultra-brèves. De plus, beaucoup d’expériences, comme ceux impliquant des phénomènes non-linéaires, nécessitent de hautes intensités UVX. La focalisation efficace des impulsions de faibles énergies peut significativement augmenter le domaine d’application. De bons fronts d’onde sont nécessaires pour focaliser les impulsions UVX à haute intensité, et les optiques doivent aussi être de bonne qualité et alignées avec précision.Dans cette thèse, les propriétés spatiales des harmoniques d’ordre élevé ont été extensivement étudiées grâce à un senseur de front d’onde UVX. Cet appareil couplé à une source HHG a démontré être utile pour la caractérisation de table et à la longueur d’onde ainsi que pour l’optimisation de systèmes optiques UVX.Le problème de la mise en place de la complète caractérisation temporelle d’impulsions UVX est aussi discuté en détail, et deux nouveaux schémas pour la reconstruction d’impulsions de LEL injectés et de lasers X à plasma sont présentés. Finalement, la première implantation d’un système d’amplification à dérive de fréquence (CPA, en anglais) sur un LEL UVX est présentée et son implantation pour les lasers X à plasmas est aussi discutée. / Ultrashort pulses of extreme-ultraviolet (XUV) radiation have a wide range of applications in fields such as plasma probing, spectroscopy, or the study of ultrafast dynamics in atoms and molecules.Nowadays, there are three main sources of such pulses. High-order harmonic generation (HHG) in rare gases or solid surfaces is able to provide attosecond pulses. However, their limited energy, of the order of nanojoules, limits its number of applications. The amplification of high-harmonic pulses in laser-driven plasmas (SXRL) has been demonstrated to provide energies of tens of microjules. Higher pulse energies can be obtained from seeded XUV free-electron lasers (FELs), large-scale facilities with more limited accessibility.In recent years, significant progress has been made with each of these sources towards the generation of shorter pulses. It is thus necessary to develop new techniques for full temporal metrology of ultrashort XUV pulses. Additionally, many experiments, such as those involving nonlinear phenomena, require high XUV intensities. Efficient focusing of low-energy pulses can significantly increase their range of application. Good wavefronts are required in order to focus XUV pulses to high intensities, and the optics must be of high quality and precisely aligned.In this thesis, the spatial properties of high-harmonic pulses are extensively explored thanks to the use of an XUV Hartmann wavefront sensor. This device is also proven here to be useful for tabletop, at-wavelength characterization and optimization of XUV optical systems with HHG sources.The problem of performing full temporal characterization of XUV pulses is also discussed in detail, and two new schemes for complete pulse reconstruction for seeded XUV FELs and seeded SXRLs are presented. Finally, the first implementation of chirped pulse amplification (CPA) in a seeded XUV FEL is reported, and its implementation in seeded SXRLs is discussed as well.

Le besoin tant en haute qualité d'imagerie qu'en structures légères est l'un des principaux moteurs pour la conception des télescopes spatiaux. Un contrôle e fficace du front d'onde va donc devenir indispensable dans les futurs grands observatoires spatiaux, assurant une bonne performance optique tout en relâchant les contraintes sur la stabilité globale du système. L'optique active consiste à contrôler la déformation des miroirs, cette technique peut être utilisée afin de compenser la déformation des grands miroirs primaires, afin de permettre l'utilisation d'instrument reconfigurable ou afin de fabriquer des miroirs asphériques avec le polissage sous contraintes. Dans ce manuscrit, la conception de miroirs actifs dédiés à l'instrumentation spatiale est présentée. Premièrement, un système compensant la déformation d'un grand miroir allégé dans l'espace est conçu et ses performances sont démontrées expérimentalement. Avec 24 actionneurs, le miroir MADRAS (Miroir Actif Déformable et Régulé pour Applications Spatiales) e ffectuera une correction e fficace du front d'onde dans un relais de pupille du télescope. Deuxièmement, un harnais de déformation pour le polissage sous contraintes des segments du télescope géant européen de 39 m (E-ELT) est présenté. La performance du procédé est prédite et optimisée avec des analyses éléments finis et la production en masse des segments est considérée. Troisièmement, deux concepts originaux de miroirs déformables avec un nombre minimal d'actionneurs ont été développés. VOALA (Variable O ff-Axis parabola) est un système à trois actionneurs et COMSA (Correcting Optimized Mirror with a Single Actuator) est un système à un actionneur. Les systèmes actifs présentés dans ce manuscrit off rent de nombreux avantages pour une utilisation dans les futurs grands observatoires spatiaux: nombre de degrés de liberté limités, compacité, légèreté, robustesse et fiabilité. Ils permettront d'importantes ruptures technologiques et l'apparition d'architectures de télescope innovantes.

Les travaux exposés portent sur les techniques d'imagerie optique à haute résolution et plus particulièrement sur les méthodes, dites d'inversion, de traitement des données associées à ces techniques. Ils se situent donc à la croisée des chemins entre l'imagerie optique et le traitement du signal et des images. Ces travaux sont appliqués à l'astronomie depuis le sol ou l'espace, l'observation de la Terre, et l'imagerie de la rétine. Une partie introductive est dédiée au rappel de caractéristiques importantes de l'inversion de données et d'éléments essentiels sur la formation d'image (diffraction, turbulence, techniques d'imagerie) et sur la mesure des aberrations (analyse de front d'onde). La première partie des travaux exposés porte sur l'étalonnage d'instrument, c'est-à-dire l'estimation d'aberrations instrumentales ou turbulentes. Ils concernent essentiellement la technique de diversité de phase : travaux méthodologiques, travaux algorithmiques, et extensions à l'imagerie à haute dynamique en vue de la détection et la caractérisation d'exoplanètes. Ces travaux comprennent également des développements qui n'utilisent qu'une seule image au voisinage du plan focal, dans des cas particuliers présentant un intérêt pratique avéré. La seconde partie des travaux porte sur le développement de méthodes de traitement (recalage, restauration et reconstruction, détection) pour l'imagerie à haute résolution. Ces développements ont été menés pour des modalités d'imagerie très diverses : imagerie corrigée ou non par optique adaptative (OA), mono-télescope ou interférométrique, pour l'observation de l'espace ; imagerie coronographique d'exoplanètes par OA depuis le sol ou par interférométrie depuis l'espace ; et imagerie 2D ou 3D de la rétine humaine. Enfin, une dernière partie présente des perspectives de recherches.

La révolution en cours des outils optogénétiques - des protéines photosensibles génétiquement induites qui peuvent activer, inhiber et enregistrer l'activité neuronale - a permis d'ouvrir une nouvelle voie pour relier l'activité neuronale et la cognition. Néanmoins, pour profiter au mieux de ces outils nous avons besoin de méthodes optiques qui peuvent projeter des schémas d'illumination complexes dans le cerveau. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur deux nouveaux systèmes complémentaires pour la stimulation de l'activité neuronale. Le premier système combine des déflecteurs acousto-optiques et une illumination Gaussienne à faible ouverture numérique pour produire une photo activation rapide des outils optogénétiques. La capacité d'accès aléatoire du système permet de délivrer des séquences d'illumination spatialement et temporellement complexes qui simulent avec succès les schémas physiologiques de l'activité des fibres moussues dans des tranches de cerveaux. Ces résultats démontrent que les schémas de stimulation optogénétique peuvent être utilisés pour recréer l'activité en cours et étudier les microcircuits du cerveau dans un environnement physiologique. Alternativement, l'holographie générée par ordinateur (HGO) permet d'améliorer grandement les stimulations optogénétiques en répartissant efficacement la lumière sur plusieurs cibles cellulaires simultanément. Néanmoins, le confinement axial se dégrade pour des schémas d'illuminations larges. Afin de d'améliorer ce point, l’HGO peut être combinée avec une technique de focalisation temporelle qui confine axialement la fluorescence sans dépendre de l'allongement latéral. Les précédentes configurations maintiennent l'excitation non linéaire à un unique plan focal spatiotemporel. Dans cette thèse, je décris deux méthodes différentes qui permettent de dépasser ces limitations et de permettre la génération de schémas focalisés tridimensionnellement, à la fois spatialement et temporellement. / The ongoing revolution of optogenetic tools – genetically encoded light-sensitive proteins that can activate, silence and monitor neural activity – has opened a new pathway to bridge the gap between neuronal activity and cognition. However, to take full advantage of these tools we need optical methods that can deliver complex light patterns in the brain. During my doctorate, I worked on two novel and complementary optical systems for complex spatiotemporally neural activity stimulation. The first system combined acousto-optic deflectors and low numerical aperture Gaussian beam illumination for fast photoactivation of optogenetic tools. The random-access capabilities of the system allowed to deliver complex spatiotemporal illumination sequences that successfully emulated physiological patterns of cerebellar mossy fiber activity in acute slices. These results demonstrate that patterned optogenetic stimulation can be used to recreate ongoing activity and study brain microcircuits in a physiological activity context. Alternatively, Computer Generated Holography (CGH) can powerfully enhance optogenetic stimulation by efficiently shaping light onto multiple cellular targets simultaneously. Nonetheless, the axial confinement degrades for laterally extended illumination patterns. To address this issue, CGH can be combined with temporal focusing that axially confines fluorescence regardless of lateral extent. However, previous configurations restricted nonlinear excitation to a single spatiotemporal focal plane. In this thesis, I describe two alternative methods to overcome this limitation and enable three-dimensional spatiotemporal focused pattern generation.