L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence.

Dans cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de microscopie holographique digitale hétérodyne pour détecter et localiser en trois dimensions des nanoparticules d'or utilisées comme marqueurs biologiques dans des cellules vivantes. On combine la géométrie hors-axe et l'interférométrie par décalage de phase, où deux modulateurs Acousto-Optique minutieusement synchronisés sont utilisés, afi n d'obtenir des hologrammes sans alias. La détéction hétérodyne permet d'atteindre la limite de bruit théorique (shot-noise). Nous avons aussi élaboré une méthode de reconstruction numérique astucieuse : les images reconstruites ne souff rent pas de distortions longitudinales, les parmètres de reconstruction sont obtenus sans avoir besoin de les mesurer en e ffectuant une calibration expérimentale supplémentaire, la compensation des aberrations et les corrections de courbure de phase sont automatiquement obtenus. Nous avons pu imager et localiser, pour la première fois dans le contexte de la microscopie holographique digitale, des billes d'or de 40 nm de diamètre, attachées aux récepteurs transmembrannaires intégrine de fibroblastes 3T3 vivantes avec une précision de localization de 5 nm latéralement et 100 nm en profondeur quand un moyennage sur 32 images est eff ectué. De plus, une exploration 3D, dans un volume relativement grand (90x90x90) microm, de la totalité du champ diff usé est obtenu. Finalement, nous avons pu caractériser les régimes de di ffusion des marqueurs d'or et des structures cellulaires en analysant la forme 3D des motifs de diff usion correspondants qui sont facilement accessible par holographie digitale.

La décohérence dans les solides est un problème majeur vers la réalisation d'un processeur quantique basé sur l'utilisation de boîtes quantiques (BQs) semiconductrices comme qubits optiquement actifs. Mesurer et contrôler la cohérence optique de tels qubits s'avère donc primordial, tant d'un point de vue technologique que fondamental. Cependant, leurs tailles nanométriques, associées aux temps de vie sub-nanosecondes de leurs transitions optiques, rendent les mesures expérimentales très délicates.Ce travail de thèse propose une étude détaillée des mécanismes de déphasage et de couplage cohérent de complexes excitoniques fortement confinés dans des BQs InAs/GaAs individuelles. Pour réaliser ces mesures, j'ai développé une expérience de mélange à quatre ondes hétérodyne sensible à l'amplitude et à la phase du champ électrique émis par une BQ unique. Ce dispositif permet de mesurer le temps de vie et de cohérence d'un exciton unique, même en présence d'élargissement inhomogène. Pour augmenter l'interaction lumière-matière et l'efficacité d'extraction du signal, l'utilisation de nanostructures photoniques s'est avérée indispensable. La sensibilité optique du dispositif m'a permis d'étudier en détail les mécanismes d'interaction exciton-phonon, source importante de décohérence dans les solides, comme la formation du polaron acoustique, le couplage quadratique aux phonons acoustiques, et le déphasage induit pendant l'excitation. Par ailleurs, la réalisation de spectres bidimensionnels m'a permis de révéler le couplage cohérent entre différentes transitions excitoniques. Enfin, je présente un nouveau protocole de mélange multi-ondes permettant de contrôler la réponse cohérente d'un exciton unique que je propose d'appliquer sur une paire de BQs pour contrôler le couplage radiatif longue distance, étape fondamentale vers la réalisation d'une porte logique quantique dans les solides. / Decoherence in solids is a major issue towards the realization of a quantum processor based on semiconductor quantum dots (QDs) as optically active qubits. Measuring and controlling the optical coherence of such qubits is required in their fundamental studies, paving a way for technological applications. However, their nanometer size combined to the sub-nanosecond lifetime of their optical transitions, render experimental measurements very challenging.This thesis presents a detailed study of the dephasing mechanisms and the coherent coupling of excitonic complexes strongly confined in individual InAs/GaAs QDs. To achieve these measurements, I developed an heterodyne four-wave mixing experiment sensitive to the amplitude and phase of the electric field emitted by a single QD. With this setup one can measure the lifetime and the coherence time of a single exciton, even in the presence of inhomogeneous broadening. To increase the light-matter interaction and the extraction efficiency of the signal, the use of photonic nanostructures has proved to be necessary. The optical sensitivity of the setup allowed me to study in detail the mechanisms of exciton-phonon interaction, which is an important source of decoherence in solids, like the acoustic polaron formation, the quadratic coupling to acoustic phonons, and the excitation-induced dephasing. Furthermore, by inferring two-dimensional spectra, I demonstrate coherent couplings between various exciton complexes. Finally, I highlight a new multi-wave mixing protocol to control the coherent response of a single exciton, and I propose to employ it to control long-range radiative coupling between two QDs, which is a fundamental step towards achieving a quantum logic gate in solids.

Nous étudions un mélangeur d'ondes térahertz (THz) réalisé avec le supraconducteur à haute température critique YBaCuO en couches ultraminces (10 à 50 nm). Le travail vise à concevoir un démonstrateur portable pour la détection hétérodyne térahertz passive, avec une cryogénie simplifiée à 60-80 kelvin (projet ANR MASTHER).Le principe de détection est le bolomètre à électrons chauds (HEB) jusqu'à présent développé avec des supraconducteurs à basse température critique. L'effet HEB est mis en ¿uvre dans une constriction en YBaCuO (quelques centaines de nm de dimensions latérales). Cette structure conduit à un détecteur THz sensible et rapide (bande passante instantanée de 100 GHz). Le rayonnement THz est couplé à la constriction par une antenne planaire large bande.En premier lieu, les échanges thermiques entre réservoirs d'électrons et de phonons (YBaCuO et son substrat) sont modélisés. Nous établissons ainsi les conditions optimales pour le HEB en termes de dimensions de la constriction et de puissance de l'oscillateur local requises pour un mélange performant (gain et bruit). Par rapport aux modèles antérieurs, nous introduisons une approche de "point chaud" nouvelle incluant l'influence de la fréquence THz dans YBaCuO, ainsi que l'adaptation d'impédance entre la constriction et l'antenne. En second lieu, nous décrivons l'optimisation des étapes de micro-fabrication des HEB, en particulier les lithographies électronique et optique, pour obtenir des constrictions de 300 nm de côté. De premiers dispositifs ont été testés en détection directe infrarouge. Les performances entre des couches d'YBaCuO ultraminces préparées suivant différentes techniques sont comparées. / We report on the development of a terahertz (THz) wave mixer made from high critical temperature superconducting YBaCuO ultrathin films (10 to 50 nm). The work is part of the MASTHER ANR project aiming at a portable demonstrator for passive terahertz heterodyne detection, implementing simplified cryogenics (60 to 80 kelvin). The detection principle is that of the hot electron bolometer (HEB) so far mainly developed with low critical temperature superconductors. The HEB effect is implemented in an YBaCuO constriction (a few hundred nm in lateral dimensions). This structure can lead to a sensitive and fast THz detector (theoretical instantaneous bandwidth of 100 GHz). The THz radiation is coupled to the YBaCuO constriction by means of a wideband planar antenna. The new aspects first concern the modeling of heat exchange between electrons and phonons reservoirs (YBaCuO and its substrate). Our results establish the optimum operating conditions in terms of dimensions of the constriction and the local oscillator power required for high performance THz mixing (conversion gain and noise temperature). We are introducing in particular a new "hot spot" modeling approach, which takes into account the influence of the terahertz frequency in the YBaCuO material and the impedance matching between the antenna and the constriction. Second, we have developed and optimized the HEB micro-fabrication process in clean room, especially the electronic and optical lithography steps, to obtain constrictions of 300 nm lateral size. Our first devices have been tested by direct detection in the infrared. The performance between YBaCuO ultrathin films prepared using various techniques are compared.

Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques. / Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.