Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d'imagerie " sans lentille " sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d'ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d'imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d'imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d'harmoniques d'ordre élevé d'un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d'une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l'objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d'onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d'imageries " sans lentille " : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l'imagerie sur la ligne harmonique. Il s'agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l'échelle femto seconde. Perspective des techniques d'imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d'harmoniques sont présentés à la fin.

Nous avons démontré que la correction de fronts d'onde de faisceaux lasers impulsionnels (nanoseconde) pouvait être réalisée par mélange d'ondes dans un cristal photoréfractif. Nous avons commence par déterminer le matériau photoréfractif le mieux adapte pour cette application. Pour des raisons d'efficacité photoréfractive et de tenue en puissance, notre choix s'est porte sur le titanate de baryum. Cela a conditionne le choix de la longueur d'onde utilisée (532 nm) pour cette démonstration. Nous avons étudié un premier dispositif de correction base sur le transfert d'énergie d'un faisceau fort vers un faisceau faible qui, par mélange d'ondes photoréfractif, peut être obtenu sans qu'il y ait de transfert de phase. Dans cette étude nous avons mesure les variations de l'amplification en fonction de différents paramètres (cohérence temporelle, rapport des énergies des faisceaux) et observe les variations de l'effet photorefractif en fonction de la densité de puissance dans le titanate de baryum. Nous avons aussi démontré la correction des déformations introduites par un objet de phase et cela pour différentes densités d'énergie incidente. Une deuxième méthode de correction est basée sur la compensation d'un aberrateur de phase par double passage. On a commence par préciser la notion de conjugaison de phase. Puis, nous avons étudié en particulier un miroir a conjugaison de phase auto pompe, l'oscillateur a boucle de réaction, qui fonctionne sur le principe du mélange a quatre ondes dans un cristal photoréfractif. Nous avons montre expérimentalement que des transformations des faisceaux dans la boucle de réaction améliorent la qualite de la conjugaison de phase et nous avons réalisé la compensation d'objets de phase par double passage en régime impulsionnel. La dernière partie est consacrée a l'étude comparative des deux dispositifs tels qu'ils pourront être mis en oeuvre pour la correction dynamique des lentilles thermiques dans les amplificateurs lasers solides.

Mon travail s'inscrit dans un contexte de préparation aux futures expériences haute-sensibilité et haute-résolution sensibles à la polarisation du fond diffus cosmologique et à l'effet de lentilles gravitationnelles. Le premier chapître se veut une introduction à la polarisation du rayonnement de fond et aux expériences à venir dédiées à sa mesure. Ensuite, je présente l'expérience Planck et décris la chaîne de simulations rapides de signaux temporels que j'ai développé pour faciliter l'élaboration et le test des algorythmes d'analyse des données Planck. Les deux derniers chapitres sont consacrés à l'effet de lentille gravitationnelle sur le rayonnement de fond. Tout d'abord, j'évalue la capacité des futures expériences précédemment décrites à mesurer le spectre de puissance des Grandes Structures à partir d'une estimation de l'effet de lentille. J'en déduis leur sensibilité à une masse non-nulle des neutrinos -- suggérée par les expériences d'oscillation -- supprimant les petites échelles angulaires au sein du spectre angulaire de la matière. Enfin, je développe une méthode pour caractériser les effets délétères des avant-plans sur l'estimation de l'effet de lentille. Je valide cette méthode, mettant en oeuvre le meilleur estimateur linéaire de lentilles décrit dans la littérature, grâce à une simulation numérique de cartes du rayonnement de fond diffus affecté par les lentilles et de l'émission des sources radio extra-galactiques. Je trouve que la présence de sources amoindris la sensibilité des expériences au potentiel gravitationnel de la Matière Noire et entraîne la surestimation de son spectre de puissance angulaire.

Nous présentons dans ce manuscrit des mesures de corrélations spatiales à un et deux corps effectuées sur un gaz de bosons unidimensionnel et ultra-froid piégé à la surface d'une microstructure. Les corrélations à deux corps sont mises en évidence par des mesures de fluctuations de densité in situ ; les corrélations à un corps sont sondées grâce à des mesures de distributions en impulsion. Nous avons observé des fluctuations de densité sub-poissoniennes dans le régime d'interactions faibles, mettant ainsi en évidence pour la première fois le sous-régime du régime de quasi-condensat dans lequel la fonction de corrélation à deux corps est dominée par les fluctuations quantiques. Nous avons également observé des fluctuations sub-poissoniennes quelle que soit la densité dans le régime d'interactions fortes ; notre mesure constitue la première observation d'un unique gaz de bosons unidimensionnel dans ce régime. Le piège magnétique que nous avons utilisé est un piège modulé qui possède la propriété remarquable de découplage entre confinements transverse et longitudinal. Cette spécificité nous a permis de façonner à volonté la forme du confinement longitudinal. En particulier, nous avons pu obtenir des pièges harmoniques et quartiques. Nous avons également utilisé les propriétés de ce piège modulé afin de réaliser une lentille magnétique longitudinale. Cette technique nous a permis de mesurer la distribution en impulsion du gaz, dans le régime d'interactions faibles. Nous présentons deux résultats, obtenus de part et d'autre de la transition molle entre les régimes de gaz de Bose idéal et de quasi-condensat. Sur le plan théorique, nous montrons qu'une théorie de champ classique ne suffit pas à décrire quantitativement cette transition molle pour les paramètres typiques de l'expérience. Nous avons donc recours à des calculs Monte-Carlo quantiques. La température extraite de l'ajustement de nos donnée par ces calculs est en bon accord avec celle obtenue en ajustant les fluctuations de densité in situ avec la thermodynamique de C. N. Yang et C. P. Yang. Enfin, nous démontrons une méthode de compensation de la gravité (piégeage harmonique résiduel) lors de la phase de lentille magnétique, qui nous permet d'améliorer considérablement la résolution en impulsion de cette technique.

Dans les systèmes optiques modernes, l'importance des composants holographiques ne cesse d'augmenter. Parmi les matériaux holographiques disponibles, la gélatine bichromatée se distingue par la très bonne qualité des hologrammes obtenus. Cette thèse décrit la mise au point de techniques de fabrication et de caractérisation de composants holographiques en gélatine bichromatée. L'interprétation des mesures de caractérisation s'appuie sur une modélisation approfondie de la diffraction par des structures périodiques: une nouvelle méthode de résolution de la théorie d'ondes couplées, plus stable numériquement que les précédentes, est proposée. De plus, la théorie de la diffraction par des réseaux est étendue a des cas importants de restitution en lumière quasi-monochromatique. Les dispositifs expérimentaux développés ont permis l'étude et la réalisation de quatre nouveaux types d'hologrammes: réseaux pour la compression temporelle d'impulsions ultra brèves, hologramme synthétique séparateur et uniformiseur de faisceau laser, lentille holographique pour diode laser infrarouge et hologramme en ligne pour la réplication globale de disques compacts.

Cette thèse est issue d’un accord CIFRE entre le groupe de recherche EnCoV de l’Université Clermont Auvergne et la société Quantel Medical (www.quantel-medical.fr). Quantel Medical est une entreprise spécialisée dans le développement innovant des ultrasons et des produits laser en ophtalmologie. Cette thèse présente un travail de recherche visant à l’application du diagnostic assisté par ordinateur et du traitement des maladies de la rétine avec une utilisation du prototype industriel TrackScan développé par Quantel Medical. Plus précisément, elle contribue au problème du mosaicing précis de l’image de la lampe à fente (SLIM) et du recalage automatique et multimodal en utilisant les images SLIM avec l’angiographie par fluorescence (FA) pour aider à la photo coagulation pan-rétienne naviguée. Nous abordons trois problèmes différents.Le premier problème est lié à l’accumulation des erreurs du recalage en SLIM., il dérive de la mosaïque. Une approche commune pour obtenir la mosaïque consiste à calculer des transformations uniquement entre les images temporellement consécutives dans une séquence, puis à les combiner pour obtenir la transformation entre les vues non consécutives temporellement. Les nombreux algorithmes existants suivent cette approche. Malgré le faible coût de calcul et la simplicité de cette méthode, en raison de sa nature de ‘chaînage’, les erreurs d’alignement s’accumulent, ce qui entraîne une dérive des images dans la mosaïque. Nous proposons donc d’utilise les récents progrès réalisés dans les méthodes d’ajustement de faisceau et de présenter un cadre de réduction de la dérive spécialement conçu pour SLIM. Nous présentons aussi une nouvelle procédure de raffinement local.Deuxièmement, nous abordons le problème induit par divers types d’artefacts communs á l’imagerie SLIM. Ceus-sont liés à la lumière utilisée, qui dégrade considérablement la qualité géométrique et photométrique de la mosaïque. Les solutions existantes permettent de faire face aux blouissements forts qui corrompent entièrement le rendu de la rétine dans l’image tout en laissant de côté la correction des reflets spéculaires semi-transparents et reflets des lentilles. Cela introduit des images fantômes et des pertes d’information. En outre, les méthodes génériques ne produisent pas de résultats satisfaisants dans SLIM. Par conséquent, nous proposons une meilleure alternative en concevant une méthode basée sur une technique rapide en utilisant une seule image pour éliminer les éblouissements et la notion de feux spéculaires semi-transparents en utilisant les indications de mouvement pour la correction intelligente de reflet de lentille.Finalement, nous résolvons le problème du recalage multimodal automatique avec SLIM. Il existe une quantité importante de travaux sur le recalage multimodal de diverses modalités d’image rétinienne. Cependant, la majorité des méthodes existantes nécessitent une détection de points clés dans les deux modalités d’image, ce qui est une tâche très difficile. Dans le cas de SLIM et FA ils ne tiennent pas compte du recalage précis dans la zone maculaire - le repère prioritaire. En outre, personne n’a développé une solution entièrement automatique pour SLIM et FA. Dans cette thèse, nous proposons la première méthode capable de recolu ces deux modalités sans une saisie manuelle, en détectant les repères anatomiques uniquement sur une seule image pour assurer un recalage précis dans la zone maculaire. (...) / This thesis arises from an agreement Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) between the Endoscopy and Computer Vision (EnCoV) research group at Université Clermont Auvergne and the company Quantel Medical (www.quantel-medical.fr), which specializes in the development of innovative ultrasound and laser products in ophthalmology. It presents a research work directed at the application of computer-aided diagnosis and treatment of retinal diseases with a use of the TrackScan industrial prototype developed at Quantel Medical. More specifically, it contributes to the problem of precise Slit-Lamp Image Mosaicing (SLIM) and automatic multi-modal registration of SLIM with Fluorescein Angiography (FA) to assist navigated pan-retinal photocoagulation. We address three different problems.The first is a problem of accumulated registration errors in SLIM, namely the mosaicing drift.A common approach to image mosaicking is to compute transformations only between temporally consecutive images in a sequence and then to combine them to obtain the transformation between non-temporally consecutive views. Many existing algorithms follow this approach. Despite the low computational cost and the simplicity of such methods, due to its ‘chaining’ nature, alignment errors tend to accumulate, causing images to drift in the mosaic. We propose to use recent advances in key-frame Bundle Adjustment methods and present a drift reduction framework that is specifically designed for SLIM. We also introduce a new local refinement procedure.Secondly, we tackle the problem of various types of light-related imaging artifacts common in SLIM, which significantly degrade the geometric and photometric quality of the mosaic. Existing solutions manage to deal with strong glares which corrupt the retinal content entirely while leaving aside the correction of semi-transparent specular highlights and lens flare. This introduces ghosting and information loss. Moreover, related generic methods do not produce satisfactory results in SLIM. Therefore, we propose a better alternative by designing a method based on a fast single-image technique to remove glares and the notion of the type of semi-transparent specular highlights and motion cues for intelligent correction of lens flare.Finally, we solve the problem of automatic multi-modal registration of FA and SLIM. There exist a number of related works on multi-modal registration of various retinal image modalities. However, the majority of existing methods require a detection of feature points in both image modalities. This is a very difficult task for SLIM and FA. These methods do not account for the accurate registration in macula area - the priority landmark. Moreover, none has developed a fully automatic solution for SLIM and FA. In this thesis, we propose the first method that is able to register these two modalities without manual input by detecting retinal features only on one image and ensures an accurate registration in the macula area.The description of the extensive experiments that were used to demonstrate the effectiveness of each of the proposed methods is also provided. Our results show that (i) using our new local refinement procedure for drift reduction significantly ameliorates the to drift reduction allowing us to achieve an improvement in precision over the current solution employed in the TrackScan; (ii) the proposed methodology for correction of light-related artifacts exhibits a good efficiency, significantly outperforming related works in SLIM; and (iii) despite our solution for multi-modal registration builds on existing methods, with the various specific modifications made, it is fully automatic, effective and improves the baseline registration method currently used on the TrackScan.

La plasmonique vise à utiliser des nanostructures métalliques très petites devant la longueur d’onde pour manipuler la lumière. Les structures métalliques sont particulières parce qu’elles contiennent un plasma d’électrons libres qui conditionne complètement leur réponse optique. Notamment, lorsque la lumière se propage à proximité des métaux, sous forme de mode guidés comme les plasmons et les gap-palsmons, elle est souvent lente, présentant une vitesse de groupe faible. Dans ce travail, nous présentons une analyse physique qui permet de comprendre cette faible vitesse en considérant le fait que l’énergie se déplace à l’opposé de la lumière dans les métaux. Nous montrons que la vitesse de groupe est égale à la vitesse de l’énergie pour ces modes guidés, et proposons la notion de ralentissement plasmonique. Finalement, nous étudions comment cette « trainée plasmonique » rend une structure aussi simple qu’un coupleur à prisme sensible à la répulsion entre les électrons du plasma. / The field of plasmonics aims at manipulating light using deeply subwavelength nanostructures. Such structures present a peculiar optical response because of the free electron plasma they contain. Actually, when light propagates in the vicinity of metals, usually under the form of a guided mode, it presents a low group velocity. Such modes, like plasmons and gap-plasmons, are said to be slow. In this work we present a general physical analysis of this phenomenon by studying how the energy propagates in metals in a direction that is opposite to the propagation direction of the mode. We show that the group velocity and the energy velocity are the same, and finally introduce the concept of plasmonic drag. Finally, we study how slow guided modes make structures as simple as prism couplers sensitive to the repulsion between electrons inside the plasma.

Les travaux de cette thèse portent sur la conception d'antennes multi-faisceaux. Ces dernières permettent à plusieurs faisceaux de partager la même partie rayonnante et offrent la possibilité d'avoir simultanément un fort gain et une grande couverture angulaire. Pour leur fonctionnement, ces antennes se basent sur des réseaux à formation de faisceaux, qui peuvent être groupés en deux catégories : les réseaux formateurs de faisceaux de type quasi-optique et les réseaux formateurs de faisceaux de type circuit. Plusieurs structures antennaires reposant sur ces types de réseaux à formation de faisceaux sont proposés dans cette thèse : structures pillbox simples intégrant les deux variantes de la technique mono-pulse pour augmenter la résolution angulaire de l'antenne, lentilles de Rotman bicouche et multicouche, pour le cas quasi-optique ; réseaux phasés pour applications SATCOM (projet ANR) et matrice de Butler avec circuit de contrôle des niveaux de lobes secondaires pour le cas circuit. Les différents concepts ont été étudiés dans différentes bandes de fréquences : Ku, K et V. Pour des raisons de coût essentiellement, deux technologies ont été retenues : La technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide), qui associe les avantages de la technologie des circuits imprimés et celles de la technologie guide d'ondes. Des efforts particuliers ont été faits pour l'implémentation de structures multicouches car nous arrivons à ce stade à la limite du savoir faire industriel national dans ce domaine. La technique de « Diffusion Bounding » développée au « Ando and Hirokawa lab » du TIT (Tokyo Institute of Technology) et qui consiste à assembler de fines couches métalliques sous haute température et haute pression. Cette technique permet le développement d'antennes en guides creux avec des efficacités supérieures à 80% en bande millimétrique. / This PhD thesis deals with the design of multi-beam antennas. A single radiating aperture is used to generate several beams with high gain and a large field of view. The multi beam operation is achieved by using two topologies of Beam Forming Networks (BFN): quasi optical BFN, and circuit-based BFN. For each category, several solutions have been proposed and validated experimentally. In particular, for the quasi-optical configurations, pillbox structures, mono-pulse antennas in pillbox technology, and multi-layer Rotman lenses have been considered. On the other hand, for circuit-based multi-beam antennas, two solutions have been analyzed: a phased array for SATCOM applications in the framework of a national ANR project and a Butler matrix with controlled side-lobe levels for the radiated beams within a collaboration with the Tokyo Institute of Technology, Japan. The proposed concepts and antenna solutions have been considered in different frequency bands: Ku, K and V. Two technologies have been mainly adopted for the fabrication of the various prototypes: Substrate Integrated Waveguide technology (SIW) which combines the advantages in terms of cost of the printed circuit board (PCB) fabrication process with the efficiency of classical waveguide technology. Considerable efforts have been devoted to the implementation of multilayer SIW structures to overcome and go beyond the current state of the art at national level on PCB fabrication process. Diffusion Bounding Technique, developed at “Ando and Hirokawa lab” at the Tokyo Institute of Technology, which consists of bonding laminated thin metal plates under high temperature and high pressure. This technique allows the fabrication of planar hollow waveguide structures with efficiencies up to 80% in the millimeter wave-band.

De nombreuses applications civiles et militaires (faisceaux hertziens, futurs réseaux mobiles, communications par satellite, radars automobiles, systèmes d’imagerie haute résolution) nécessitent des antennes à faisceau reconfigurable (dépointage de faisceau, faisceaux multiples, faisceaux formés). Les antennes à réseaux transmetteurs apparaissent comme une alternative aux réseaux phasés classiques ou aux réseaux réflecteurs pour ces applications. L’objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité de réseaux reconfigurables fabriqués avec des technologies standards en bande Ka (20-30 GHz). Divers cellules élémentaires utilisant des diodes p-i-n et fonctionnant en polarisation linéaire ou circulaire ont été conçues, optimisées et caractérisées. Les mesures en guide d’onde montrent des pertes minimales de 1,09 dB à 29,0 GHz et une bande passante à 3 dB de 14,7%. Une méthode de simulation hybride a été développée afin d’analyser efficacement des réseaux de grandes dimensions utilisant des rotations séquentielles d’éléments pour optimiser la qualité de polarisation et les diagrammes de rayonnement. Un réseau de 400 cellules élémentaires fonctionnant en polarisation circulaire a été réalisé et testé en chambre anéchoïque. Un dépointage électronique de ±60° et la possibilité de commuter entre les deux polarisations circulaires (droite/gauche) ont été démontrés. / Several civil and military applications (hertzian beams, satellite communications, automotive radars, high resolution imaging systems) require antennas with reconfigurable beam capabilities (beam-scanning, beamshaping, multiple beam generation). Transmitarray antennas are good candidates and represent an alternative to classical phased arrays or reflect-arrays for these applications. The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of reconfigurable transmitarrays fabricated with standard technologies in Ka-band (20-30 GHz). Different unit-cell designs based on p-i-n diodes have been developed to work in linear and circular polarization. Their optimization and experimental characterization have been performed. Waveguide measurements show insertion losses of 1.09 dB at 29.0 GHz with a 3-dB bandwidth of 14.7%. A hybrid simulation technique has been developed in order to analyze efficiently large transmitarrays in which the sequential rotation technique has been applied to optimize the polarization quality and the radiation patterns. A 400-elements transmitarray operating in circular polarization has been realized and tested in anechoic chamber. A beam-scanning angular coverage of ±60° and circular polarization selection (left/right) have been demonstrated.

Nous présentons dans ce manuscrit des mesures de corrélations spatiales à un et deux corps effectuées sur un gaz de bosons unidimensionnel et ultra-froid piégé à la surface d'une microstructure. Les corrélations à deux corps sont mises en évidence par des mesures de fluctuations de densité in situ ; les corrélations à un corps sont sondées grâce à des mesures de distributions en impulsion. Nous avons observé des fluctuations de densité sub-poissoniennes dans le régime d'interactions faibles, mettant ainsi en évidence pour la première fois le sous-régime du régime de quasi-condensat dans lequel la fonction de corrélation à deux corps est dominée par les fluctuations quantiques. Nous avons également observé des fluctuations sub-poissoniennes quelle que soit la densité dans le régime d'interactions fortes ; notre mesure constitue la première observation d'un unique gaz de bosons unidimensionnel dans ce régime. Le piège magnétique que nous avons utilisé est un piège modulé qui possède la propriété remarquable de découplage entre confinements transverse et longitudinal. Cette spécificité nous a permis de façonner à volonté la forme du confinement longitudinal. En particulier, nous avons pu obtenir des pièges harmoniques et quartiques. Nous avons également utilisé les propriétés de ce piège modulé afin de réaliser une lentille magnétique longitudinale. Cette technique nous a permis de mesurer la distribution en impulsion du gaz, dans le régime d'interactions faibles. Nous présentons deux résultats, obtenus de part et d'autre de la transition molle entre les régimes de gaz de Bose idéal et de quasi-condensat. Sur le plan théorique, nous montrons qu'une théorie de champ classique ne suffit pas à décrire quantitativement cette transition molle pour les paramètres typiques de l'expérience. Nous avons donc recours à des calculs Monte-Carlo quantiques. La température extraite de l'ajustement de nos donnée par ces calculs est en bon accord avec celle obtenue en ajustant les fluctuations de densité in situ avec la thermodynamique de C. N. Yang et C. P. Yang. Enfin, nous démontrons une méthode de compensation de la gravité (piégeage harmonique résiduel) lors de la phase de lentille magnétique, qui nous permet d'améliorer considérablement la résolution en impulsion de cette technique. / In this manuscript, we present spatial one and two-body correlation measurements performed on a one-dimensional gas of ultra-cold bosons trapped at the surface of a microstructure. Two body correlations are highlighted by measurements of in situ density fluctuations and one-body correlations are probed through measurements of momentum distributions.We observed sub-Poissonian density fluctuations in the regime of weak interactions, thus demonstrating for the first time the regime of quasi-condensate in which the two-body correlation function is dominated by quantum fluctuations. We also observed sub-Poissonian fluctuations regardless of the density in the regime of strong interactions. Our measurement is the first observation of a single one-dimensional gas of bosons in this regime.The magnetic trap that we used is a modulated trap that has the remarkable property of decoupling between transverse and longitudinal confinements. This specificity has enabled us to engineer at will the shape of the longitudinal confinement. In particular, we were able to obtain harmonic and quartic traps.