Optical microlasers have been used in different engineering fields and for sensing various applications. They have been used in biomedical fields in applications such as for detecting protein biomarkers for cancer and for measuring biomechanical properties. The goal of this work is to propose a microfluidic-based fabrication method for fabricating optical polymer based microlasers, which has advantages, over current methods, such us the fabrication time, the contained cost, and the reproducibility of the microlaser's size. The microfluidic setup consisted of microfluidic pumps and a flow focusing droplet generator chip made of polydimethylsiloxane (PDMS). Parameters such as the flow rate (Q) and the pressure (P) of both continuous and dispersed phases are taken into account for determining the microlaser's size and a MATLAB imaging tool is used to reduce the microlaser's diameter estimation. In addition, two applications are discussed: i) electric field measurements via resonator doped with Di-Anepps-4 voltage sensitive dye, and ii) strain measurements in a 3D printed bone-like structure to mimic biomedical implantable sensors.

This thesis covers the construction and characterisation of microlasers based on whispering gallery modes in ytterbium-doped microsphere resonators. The microlasers were made by drawing and fusing Yb-doped silica optical fibre into microspheres of approximately 100 μmin diameter using CO2 laser-induced melting. Access to whispering gallery modes was accomplished using a prism coupled to the evanescent field of the internal cavity modes. Microspheres with Q-factors of up to 10^7 were made using this technique. CW multimode lasing was observed at 1050 nm, with a pump threshold required for lasing estimated to be of the order of 100 μW for a 900 nm pump. Both TE and TM modes were identified in the laser emission and the ability to selectively excite each mode family (TE or TM) is shown to be directly controlled by the pump. Pulsed lasing was also observed at 975 nm and 1050 nm.

Le contrôle des polluants environnementaux présents à faible concentration a conduit à la création de détecteurs miniaturisés, à bas coûts et ultra-sensibles, capables d’identifier spécifiquement certaines substances. Dans cette thèse, la méthode de détection explorée repose sur la sensibilité de micro-lasers polymères à une variation d’indice de réfraction. Cette approche a été mise en application pour détecter des métaux lourds (mercure – Hg2+, cadmium – Cd2+ et plomb – Pb2+) dans l’eau potable. En effet les fréquences de résonance de ces micro-cavités sont particulièrement sensibles à l’indice de réfraction du milieu extérieur et se déplacent lorsque celui-ci est modifié. Ce système permet ainsi une détection sans marqueur (« label ») en recouvrant la cavité d’une couche de reconnaissance spécifique de l’espèce recherchée. L’originalité de ce travail repose sur l’utilisation de micro-cavités actives, ou micro-lasers, fabriquées avec des polymères dopés par des colorants lasers. En effet les micro-lasers permettent d’augmenter le rapport signal/bruit et de profiter de pics de résonance étroits, même pour des facteurs de qualité de l’ordre de quelques milliers seulement. Le choix de matériaux organiques comme milieu à gain a été dicté par les nombreux avantages qu’ils offrent. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques, les polymères peuvent être fonctionnalisés de manière relativement aisée et l’utilisation de matériaux poreux devrait augmenter la sensibilité en faisant circuler le fluide à tester à l’intérieur même du résonateur. De plus le protocole de fabrication des micro-lasers organiques reste d’un coût modéré et permet une intégration aisée en micro-fluidique. Deux voies différentes ont été explorées dans cette thèse : détection d’une variation d’indice de réfraction avec des cavités non-fonctionnalisées et détection d’ions lourds avec des cavités fonctionnalisées. Dans le premier cas, la sensibilité obtenue est comparable à ce qui est publié pour des micro-résonateurs passifs. Dans le second cas, nous avons réussi à mettre en évidence la présence d’ions mercure jusqu’à 10-6 M. Quelques approches ont été envisagées pour diminuer encore le seuil de détection dont certaines ont été vérifiées expérimentalement. Ainsi, cette étude propose un prototype de composant sur puce pour la détection d’espèces chimiques ou biologiques. / Monitoring of environmental pollutants present at low concentrations requires creation of miniature, low-cost, and highly sensitive detectors that are capable to specifically identify target substances. In this thesis, a detection approach based on refractive index sensing with polymer micro-lasers is proposed and its application to the detection of heavy metal pollutants in water (mercury – Hg2+, cadmium – Cd2+ and lead – Pb2+) is studied. The resonance frequencies of the microcavity are highly sensitive to the refractive indices of the resonator surrounding: the resonances shift by a small amount when the surface refractive index changes, resulting from the interaction of the mode evanescent field with the surrounding medium. This permits label-free detection by coating the resonator with a suitable recognition species. The originality of this work lies in the utilization of active microcavities, or microlasers, created of the dye-doped polymers. Active microcavities offer an enhanced signal/noise ratio as compared to the passive ones and very narrow resonance peaks even at moderate quality factors (Q &#8805- 6000). The choice of polymers as an active medium is connected with a number of advantages they offer: as opposite to semiconductors, polymers can be easily functionalized, integrated in microfluidic circuits and are cheaper in processing. Moreover, the use of porous polymer matrices may allow accumulation of analyte ions inside the microcavity and thus enhance the sensitivity. Two possible applications of microlasers are investigated in the thesis: refractive index variation sensing with non-functionalized cavities and heavy metal ion detection with functionalized cavities. In the first case, the sensitivity values have been obtained, comparable with the reported in literature for planar passive microresonators. In the second case, the experimental proofs of specific detection of mercury ions in liquid are presented. The ways of sensitivity improvement are discussed and verified and a foundation is layed for the creation of integrated Lab-on-Chip microfluidic biochemical detector.

Les microlasers à base de polymères peuvent constituer un apport précieux pour le renouvellement des technologies et des fonctionnalités respectivement en amont et en aval de la photonique intégrée. Leur relative facilité de fabrication, leur compatibilité avec d'autres technologies (telle que celle des semi-conducteurs inorganiques), leur flexibilité structurelle à différentes échelles, de la molécules au sous-sytème, permettant d'élaborer plusieurs types d'émetteurs selon une grande diversité de cahiers des charges, ainsi que le faible indice de réfraction des matériaux qui facilite l'émission laser, prédestinent ces microlasers organiques à des applications potentielles allant des télécommunications optiques à la microdétection. Dans le présent travail, nous rapportons les résultats obtenus concernant la fabrication et la caractérisation des propriétés d'émission spectrales et spatiales de ces microlasers. La géométrie des cavités joue un rôle crucial dans ces dernières. Nous avons analysé quelques géométries standard telles que celle des polygones réguliers et avons identifié celles qui sont susceptibles d'exploitation dans la pratique. Nous avons ainsi étudié l'influence de la qualité de gravure sur des microlasers carrés dont la courbure des coins est contrôlée. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence la robustesse des résonances dans ce type de cavité et de préciser le rôle des coins sur le couplage externe. Une configuration assez originale a été proposée pour réaliser un microlaser unidirectionnel, combinant deux types de perturbation du disque : une déformation externe (en jouant sur la forme du contour) et une déformation interne (par introduction d'une ou plusieurs vacances circulaires). Cette étude a bénéficié de simulations numériques avec une modèle de rayons qui s'est révélé très prédictif et en bon accord avec les résultats expérimentaux. Quelques caractéristiques ayant trait plus spécifiquement à l'effet laser dans ces microrésonateurs organiques ont été également observées.

Du fait de leur compacité, leur robustesse et leur faible coût, les microlasers impulsionnels nanosecondes constituent des sources particulièrement attractives pour de nombreux systèmes de détection et d'analyse, en particulier les cytomètres en flux ou les dispositifs pour la spectroscopie CARS (Coherent Raman Anti Stokes Scattering). Cependant, ces applications nécessitent des performances améliorées en ce qui concerne la gigue temporelle et la cadence de répétition accessible. Dans sa première partie, cette thèse propose des solutions originales pour atteindre les performances requises à partir de microlasers passivement déclenchés, grâce à la mise en oeuvre d'une cavité hybride couplée, pompée par une onde modulée en intensité. Une cadence de répétition supérieure à 30 kHz avec une gigue demeurant inférieure à 200 ns est atteinte. Le potentiel de microlasers à fibres déclenchés par modulation du gain pour monter en cadence est aussi évalué, montrant que des impulsions à faible gigue, à une cadence de plus de 2 MHz peuvent être produites. Enfin, la dernière partie est consacrée à la mise au point et à l'exploitation d'un nouveau système de spectroscopie CARS assisté par une excitation électrique haute tension. Ce dispositif, réalisé à partir d'un microlaser amplifié, permet de s'affranchir du bruit de fond non résonnant des mesures et de réaliser une analyse spectroscopique fine de la réponse de différents milieux d'intérêt sous champ continu ou impulsionnel, pouvant conduire à une nouvelle méthode de microdosimétrie de champ. Diverses applications, dont la granulométrie à l'échelle micro ou nanométrique ou l'identification de marqueurs pour la biologie, sont démontrées. / Thanks to their compactness, robustness and low cost, pulsed nanosecond microlasers are particularly attractive sources for different detection and analysis systems, particularly flow cytometers or devices for CARS (Coherent Anti Raman Stokes Scattering) spectroscopy. However, these applications require reduced time jitter and increased repetition rate. The first part of this thesis proposes novel solutions to achieve the required performance from passively Q-switched microlasers, which are based on an hybrid coupled-cavity and intensitymodulated pump wave. A repetition rate greater than 30 kHz with jitter remaining lower than 200 ns is reached. Pulsed fiber microlasers operating by gain switching are also studied, showing that pulses with low timing jitter, at a repetition rate of more than 2 MHz can be obtained. The last part is devoted to the development and the implementation of a new system of CARS spectroscopy assisted by a high-voltage electrical stimulation. This device, based on an amplified microlaser, allows to substract the non-resonant background noise in the measurements. Thus, a fine spectroscopic analysis of the response of different environments of interest in continuous or pulsed field can be achieved. It may lead to a new method for field microdosimetry. Various applications, including granulometry at the micro or nanometric scale and the identification of markers for biology, are shown.

Actuellement, un besoin croissant de techniques de détection et de quantification des gaz se manifeste, que ce soit pour la caractérisation de polluants atmosphériques, pour le contrôle de la qualité de l'air intérieur ou encore pour des aspects de sécurité en milieu industriel. Pour répondre à cette problématique, nous avons développé et caractérisé une source optique compacte, nanoseconde, constituée d'une architecture innovante d'oscillateur paramétrique optique doublement résonant (Dropo). La compréhension du rôle de la phase relative des ondes en interaction a été primordiale pour maîtriser le contenu spectral émis par ce type de sources paramétriques. Au cours de ce travail nous avons abouti à la maîtrise de cette phase, et réalisé une nouvelle architecture, dite nested-cavity OPO (NesCOPO). Avec cette cavité originale, un contrôle achromatique de la phase relative est réalisé pour toute la bande de gain paramétrique, permettant de démontrer le façonnage de cette dernière. Nous avons ainsi mis en évidence deux modes de fonctionnement suivant que la bande de gain présente un lobe unique ou deux lobes séparés d'environ un térahertz. Dans la dernière configuration, une émission bifréquence de l'OPO a été démontrée. Dans la première configuration, une émission monofréquence a été obtenue de manière contrôlée. Cette nouvelle architecture d'OPO - NesCOPO - a ouvert la voie à de nouveaux types d'accord en fréquence, particulièrement intéressants pour des expériences de spectroscopie. En tirant parti de l'imbrication de deux cavités optiques, nous avons ainsi été en mesure de réaliser des balayages fréquentiels automatisés sur toute la bande de gain avec une résolution ajustable. Une autre technique de balayage, promettant des balayages sur plusieurs dizaines de cm-1, a conduit à une évolution de l'architecture du NesCOPO et a été brevetée. Afin de valider son potentiel pour des applications de spectroscopie, et tirant parti du seuil d'oscillation très bas (1 µJ), nous avons pu implanter le NesCOPO, pompé par microlaser, dans des instruments compacts de mesure de gaz locale (technique photoacoustique) et à distance.

Les sources laser font désormais partie intégrante des outils permettant d'étudier finement la matière ou le vivant. En particulier, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps est une technique d'importance pour les biologistes. Elle nécessite de disposer de sources laser impulsionnelles (typiquement picoseconde) fonctionnant dans le visible ou l'ultraviolet. De plus, un taux de répétition de quelques MHz est nécessaire si l'on cherche à étudier des temps de vie " longs " (plusieurs dizaines de nanosecondes). Pour atteindre ce régime " picoseconde-MHz " tout en conservant simplicité et compacité à la source, il faut bâtir des cavités laser de dimension inhabituelles. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc mis au point deux types de laser : un laser déclenché ou " Q-switched " à cavité ultra courte (200 µm) et un laser à verrouillage de mode ou " modelock " à cavité ultra longue (150 m). Le fonctionnement impulsionnel est obtenu dans les deux cas via un absorbant saturable à semiconducteur (" SESAM "). Les cristaux laser utilisés (Nd :YVO4) permettent une émission dans l'infrarouge proche à 1064 nm :si la durée des impulsions produites ainsi que leur cadence satisfont au cahier des charges, leur longueur d'onde doit être convertie vers el visible et l'UV. Pour ce faire, nous avons développé une structure amplificatrice originale basée sur l'utilisation tridimensionnelle de la zone de gain dans un amplificateur solide multipassage. Grâce à cet amplificateur original (qui a donné lieu au dépôt d'un brevet avec JDS Uniphase), l'énergie de nos lasers est suffisante pour pouvoir utiliser un certain nombre d'effets non-linéaires. Nous avons mis au point des étages de doublement, triplement et quadruplement de fréquence pour atteindre l'UV ainsi qu'un étage de génération paramétrique optique dans un cristal de niobate de lithium périodiquement polarisé (ppLN) pour avoir accès à une large accordabilité dans la gamme visible du spectre.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optiques

Monitoring of environmental pollutants present at low concentrations requires creation of miniature, low-cost, and highly sensitive detectors that are capable to specifically identify target substances. In this thesis, a detection approach based on refractive index sensing with polymer micro-lasers is proposed and its application to the detection of heavy metal pollutants in water (mercury - Hg2+, cadmium - Cd2+ and lead - Pb2+) is studied. The resonance frequencies of the microcavity are highly sensitive to the refractive indices of the resonator surrounding: the resonances shift by a small amount when the surface refractive index changes, resulting from the interaction of the mode evanescent field with the surrounding medium. This permits label-free detection by coating the resonator with a suitable recognition species. The originality of this work lies in the utilization of active microcavities, or microlasers, created of the dye-doped polymers. Active microcavities offer an enhanced signal/noise ratio as compared to the passive ones and very narrow resonance peaks even at moderate quality factors (Q &#8805- 6000). The choice of polymers as an active medium is connected with a number of advantages they offer: as opposite to semiconductors, polymers can be easily functionalized, integrated in microfluidic circuits and are cheaper in processing. Moreover, the use of porous polymer matrices may allow accumulation of analyte ions inside the microcavity and thus enhance the sensitivity. Two possible applications of microlasers are investigated in the thesis: refractive index variation sensing with non-functionalized cavities and heavy metal ion detection with functionalized cavities. In the first case, the sensitivity values have been obtained, comparable with the reported in literature for planar passive microresonators. In the second case, the experimental proofs of specific detection of mercury ions in liquid are presented. The ways of sensitivity improvement are discussed and verified and a foundation is layed for the creation of integrated Lab-on-Chip microfluidic biochemical detector.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de structures à plasmons Tamm actives, composées d'une couche d'argent déposée sur un miroir de Bragg semiconduc­ teur AlGaAs/GaAs contenant des puits quantiques InGaAs. Après une description des modes Tamm et de leurs propriétés planaires, nous nous sommes intéressés plus parti­ culièrement aux structures à plasmons Tamm confinés par un micro-disque de métal. Des mesures de photoluminescence ont permis de mettre en évidence un effet laser dans ces structures. Une étude approfondie a montré une évolution du seuil laser en fonction du diamètre du disque, résultant d'un compromis entre confinement et pertes. Dans un second temps, nous avons étudié la réponse optique de structures à plasmon Tamm asy­ métriques, où le plasmon Tamm est confiné par des micro-rectangles. Cette asymétrie lève la dégénérescence en énergie qui existe entre les deux modes linéairement polarisés de la structure. Ceci, associé à un fort désaccord spectral entre l'émission des puits et le plasmon Tamm, permet d'obtenir une émission laser linéairement polarisée . Enfin, nous présentons l'étude d'une structure à plasmon Tamm comportant un réseau permettant le couplage du plasmon Tamm au plasmon de surface de l'interface air/argent. Grâce à des mesures tirant parti de l'aspect propagatif des modes, nous avons mis en évidence un battement entre plasmon Tamm et plasmon de surface / This thesis focuses on the experimental study of actives Tamm plasmons structures, consisting in a layer of silver deposited on a AlGaAs/GaAs semiconductor Bragg mir­ ror which con.tains InGaAs quantum wells. After describing Tamm planar modes and their properties, we focused particularly on structures where Tamm plasmons are la­ terally confined by a metallic micro-disk. Photoluminescence measurements have been carried out in order to demonstrate lasing in these structures. A comprehensive study has shown a change in the lasing threshold with the diameter of the disk, resulting from a compromise between the confinement and the lasses. Secondly, we studied the optical response of asymmetric Tamm plasmon structures, where the Tamm plasmon is confined by micro-rectangles. This asymmetry lifts the degeneracy of energy between the two linearly polarized modes of the structure. Combined with a strong spectral de­ tuning between the quantum wells emission and the Tamm plasmon, this allows linearly polarized laser emission to set-up. Finally, we present the study of a Tamm plasmon structure comprising a gratting to couple the Tamm plasmon to the surface plasmon at the silver/air interface. Thanks to propagation measurements, we have highlighted the beating between Tamm plasmon and surface plasmon modes