Cette thèse a pour but de déterminer dans un certain nombre de cas l'importance de la prise en compte des effets transverses dans les modélisations des dispositifs lasers. Dans un premier temps, il est démontré la possibilité de mettre en forme le profil radial d'intensité d'un faisceau laser en utilisant des optiques diffractives de phase dites binaires. Trois applications concrètes seront développées : la « circularisation » d'un faisceau elliptique, la « rectangularisation » d'un faisceau circulaire et la génération d'un anneau de lumière polarisé radialement. Dans un second temps, nous montrons qu'une prise en compte rigoureuse des effets transverses est en mesure d'expliquer le comportement auto-déclenché d'un laser Cr:LiSAF, de justifier la présence d'une zone de bistabilité optique dans la caractéristique puissance de sortie en fonction de la puissance de pompe pour les lasers à base de verres phosphates codopés erbium et ytterbium fortement dopés. De plus, la prise en compte de la diffraction sur le profil de gain a permis d'expliquer l'apparition d'un mode fondamental annulaire dans un laser Nd:YVO4. La dernière partie de la thèse est consacrée à l'étude des lasers déclenchés passivement fonctionnant à 1,5µm. Une base de données expérimentales a été constituée avec un grand nombre d'absorbants saturables de nature différente testés. Cette base de données a permis de tester la fiabilité des modèles intégrant des degrés de complexité croissants dans la prise en compte des effets transverses.

Les procédés de fabrication de composants optiques ont un impact sur leur capacité à soutenir de forts flux laser. Nous présentons les travaux menés sur les procédés de polissage et l'optique diffractive pour en comprendre et améliorer les performances.

De nombreux travaux de recherche sont actuellement menés afin de rendre les caméras infrarouges plus compactes et moins chères. En infrarouge refroidi, le défi est de proposer un système cryogénique compact pouvant être intégré sur un système à faible capacité d’emport tel qu’un drone. Dans ce cadre, l’utilisation d’une lentille mince en remplacement du filtre froid du cryostat permettrait de limiter la masse supplémentaire à refroidir et de maintenir constant le temps de descente en froid. En infrarouge non refroidi, l’objectif est de concevoir un petit capteur infrarouge bas coût « grand public » que l’on pourra inviter dans nos maisons, nos voitures, voire nos smartphones. L’utilisation d’une lentille mince ouvrirait la voie à des imageurs infrarouges peu onéreux.Dans ce contexte, j’ai choisi d’étudier le comportement d’une lentille de Fresnel dite d’ordre élevé intégrée dans une configuration optique de type landscape lens. J’ai montré que cette architecture optique mince peut fonctionner sur une large bande spectrale et sur un grand champ de vue. Cependant, les lentilles de Fresnel d’ordre élevé étant mal modélisées dans la littérature, j’ai développé mes propres algorithmes de modélisation afin de prévoir les performances d’un tel système. Grâce à cette étude, j’ai ensuite proposé deux systèmes d’imagerie, l’un refroidi et l’autre non refroidi. Chacun des deux systèmes a fait l’objet d’un prototype et a été entièrement caractérisé expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus m’ont permis de valider les performances anticipées théoriquement et de mettre en évidence un phénomène de chromatisme diffractif latéral. Ces systèmes ouvrent la voie à deux nouvelles générations de caméras infrarouges. J’ai montré que l’imageur infrarouge refroidi possède une qualité image satisfaisante pour des applications d’aide au pilotage. Le prototype non refroidi est lui entièrement compatible avec des applications domotiques. Il a suscité l’intérêt de différents acteurs industriels. / Miniaturizing infrared optical systems is a research area of great interest nowadays in order to make them lighter and cheaper. In the cooled infrared domain, the objective is to design a compact cryogenic camera that could be integrated in a small-capacity carrier like a drone. To that purpose, replacing the cold filter of the dewar by a thin lens would limit the cooled down mass and would stabilize the cool down time. In the uncooled infrared domain, the objective is to design a small general use camera at a low cost. Its use could be generalized in houses, cars or even smartphones. The use of a thin lens would also pave the way for low-cost infrared imagers. In this context, I chose to study the imagery properties of a high order Fresnel lens integrated in a landscape lens architecture. I have demonstrated that this architecture can be used within a wide spectral range and over a wide field of view. However, current optical design software perform poorly on high order Fresnel lenses. Therefore, I have developed my own algorithms to model the performances of such a system. With that study, I have been able to design two prototypes with their own objectives: the first one is cooled and the second one is uncooled. Both systems have been demonstrated and entirely characterized. The experiment results have validated the theoretical performances of the systems and they highlighted an original kind of lateral chromatic aberration.These two systems pave the way to two new generations of infrared cameras. Indeed, on one hand I have proved that the cooled infrared quality may be good enough to qualify for an aircraft piloting aid. On the other hand, the uncooled prototype is fully compatible with low cost surveillance applications and the system raised the interest of various companies.

Ces travaux de thèse ont pour but d’analyser les outils de photolithographies permettant d’inscrire des réseaux des diffractions et d’identifier ceux qui sont suffisamment flexibles pour être adapté à des substrats non conventionnels tel que des cylindres ou des tubes. Les outils de photolithographies développés ont aussi été ajustés afin d’inscrire directement un réseau de diffraction dans une couche fonctionnelle de TiO2, apporté par la voie sol-gel. Cette thèse est une étude prospective car la périodicité ou le motif des structures diffractantes inscrites n’ont pas été définis pour une application spécifique. Deux outils de photolithographies ont été adaptés avec succès aux substrats cylindriques. Ils seront présentés ici et s’accompagneront d’une perspective en vue d’une application particulière. Enfin, le dernier chapitre se distincte des précédents car il ne porte pas sur le développement d’un outil de photolithographie mais sur la transformation chimique du TiO2 (diélectrique) en TiN (métal), il reste néanmoins dans la continuité de ses travaux de thèse car cette transformation est adaptée à tous types de substrats / The aim of this thesis is to analyze the photolithography tools used to print diffraction gratings and to identify those that are sufficiently flexible to be adapted to unconventional substrates such as cylinders or tubes. The photolithography tools developed have also been adjusted in order to write directly a diffraction grating in a functional layer of TiO2, supplied by the sol-gel pathway. This thesis is a prospective study because the periodicity or the pattern of the registered diffracting structures has not been defined for a specific application. Two photolithography tools have been successfully adapted to cylindrical substrates. They will be presented here and will be accompanied with a perspective for a specific application. Finally, the last chapter is distinct from the previous ones because it does not concern the development of a photolithography tool but on the chemical transformation of TiO2 (dielectric) into TiN (metal), it nevertheless remains in the continuity of its thesis because this transformation is adapted to all types of substrates

Une compréhension fine des interactions de la lumière avec des matériaux structurés à l'échelle de la longueur d'onde est nécessaire pour parvenir à contrôler les photons (émission, propagation et détection) dans de petits volumes de l'ordre de quelques lambda cube. Les applications de ce contrôle couvrent des domaines très variés, allant des interconnexions optiques à la réalisation d'expériences d'électrodynamique quantique à l'état solide. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les interactions de la lumière avec des structures à base de cristaux photoniques bidimensionnels gravés dans un empilement de couches minces, structures qui peuvent être utilisées aussi bien en optique guidée qu'en optique en espace libre. Pour cela, des outils de simulation numérique tridimensionnelle performants ont été développés. <br />Tout d'abord, nous avons réalisé une étude théorique et numérique de la propagation de la lumière dans des guides à cristaux photoniques. Nous nous sommes intéressés à un système modèle, le guide à une rangée manquante, ainsi qu'à trois quantités physiques essentielles, l'atténuation, la durée de vie et le coefficient de réflexion du mode fondamental.<br />Nous avons également étudié le confinement de la lumière dans des microcavités à cristaux photoniques. Nous avons en particulier montré que, même à l'échelle de la longueur d'onde, la physique du confinement est essentiellement gouvernée par des quantités classiques : les pertes radiatives à l'interface des miroirs et la vitesse de groupe du mode de Bloch guidé à l'intérieur de la cavité.<br />Finalement, nous avons étudié une application des cristaux photoniques à l'optique diffractive en espace libre. Leurs propriétés de dispersion structurale originales nous ont permis de concevoir des optiques diffractives qui restent efficaces sur une large bande spectrale.

Il s'agit ici du bilan de plus de 10 ans d'enseignement et de recherche dans le domaine de la micro et de l'opto électronique, et plus particulièrement des dernières années passées au sein de l'Ecole Centrale Marseille et de l'institut Fresnel. <br />Deux thématiques de recherche sont abordées : <br />- La caractérisation optique de défauts submicroniques dans les matériaux, qui a constitué, dans la continuité de ma thèse, la première partie de mes activités : caractérisation de précipités dans le Silicium par le développement d'un microscope infrarouge à balayage ; développement d'un microscope photo thermique pour la détection de nano défauts absorbants précurseurs d'endommagement dans les couches minces optique.<br />- L'optique pour la microélectronique, thématique initiée en 2000 au laboratoire, qui aborde la modélisation optique de capteurs d'images en technologie CMOS en vue d'adapter leur structure aux contraintes de réflexion et diffraction optique liées à la réduction de taille des pixels imposée par le marché.<br />Sont aussi concernés les masques avancés pour la photolithographie optique, et l'adaptation de techniques de traitement du signal et des images à la modélisation de corrections optiques de proximité (OPC) qu'il faut appliquer sur les masques pour corriger les effets de la diffraction dans le cadre de la diminution de taille des composants.<br />Des projets de recherche orientés sur l'application des capteurs et du traitement multidimensionnel du signal pour des applications médicales et de sécurité sont aussi présentés.

Actuellement, la presbytie peut être corrigée chirurgicalement à l’aide d’implants intraoculaires réfractifs ou diffractifs multifocaux (chirurgie endoculaire invasive et irréversible) ou en intracornéen avec une correction multifocale réfractive (correction laser irréversible, ou insertion d’un implant dans le stroma). L’objectif de ce travail est de développer un nouvel implant permettant de corriger la presbytie, qui allie l’innocuité et la réversibilité d’une correction intracornéenne, à l’efficacité du diffractif. Le design des profils optiques bifocaux a été permis grâce au développement d’outils de simulation optique. Les efficacités de diffraction sont calculées à partir de la propagation du champ électrique par spectre angulaire. La qualité optique est déterminée d’après les simulations de Fonction de Transfert de Modulation obtenues sous Zemax. Des simulations de rendu d’images permettent de visualiser les effets de différents profils envisagés. Les paramètres critiques du design optique sont déterminés. Le choix du matériau dépend des contraintes de biocompatibilité de l’implant et des techniques de fabrication. La solution retenue est un hydrogel à forte teneur en eau, couplé à une nouvelle architecture de l’implant. L’hydrogel est obtenu par polymérisation radicalaire de macromonomères difonctionnels de poly(éthylène glycol) de masses molaires de l’ordre de 8000 g.mol‐1 qui conduisent à des propriétés mécaniques et une perméabilité aux nutriments compatibles avec l’application. La réalisation, la stérilisation et la caractérisation optique de prototypes ont abouti à la preuve du concept d’un implant bifocal diffractif intracornéen / Presbyopia can be corrected with surgery by means of refractive or diffractive multifocal intraocular lenses (which imply an irreversible and invasive endocular surgery) or by intracorneal multifocal refractive correction (irreversible laser correction, or insertion of an intrastromal implant). This work aims at developing a new implant to correct presbyopia, which takes advantage of both the harmlessness and the reversibility of an intracorneal correction, and the efficiency of diffractive optics. The design of the bifocal optical profiles was based on the development of optical simulation tools. The diffractive efficiencies are calculated from the distribution of the electric field with the method of angular spectrum. The optical quality is determined according to the simulations of Modulation Transfer Function obtained with Zemax. Images simulations show the effects of the different profiles studied. The critical parameters of the optical design are also determined. The choice of the material depends on several constraints such as biocompatibility and techniques of manufacturing. The adopted solution relies on the used of an hydrogel with high water content and the design of a new implant architecture. The hydrogel is obtained by radical polymerization of difunctional macromonomers of poly(ethylene glycol) with molar masses around 8000 g.mol‐1, allowing mechanical properties and permeability to nutriments compatible with the application. The realization, the sterilization and the characterization of prototypes showed the proof of the concept of a diffractive bifocal intracorneal implant

Ce travail de thèse est une contribution à l'étude du rayonnement UVX cohérent produit par génération des harmoniques d'ordre élevé d'une impulsion laser intense focalisée dans un gaz rare. <br />Dans une première partie, nous présentons une étude approfondie de l'optimisation du flux harmonique produit soit dans une fibre creuse soit dans un jet. Dans chacun des cas, nous déterminons les facteurs limitant l'émission : accord de phase, absorption, ionisation, défocalisation. La comparaison des profils d'émission avec les simulations démontre le rôle crucial de la phase du dipôle atomique pour la génération dans une fibre. L'optimisation dans un jet conduit à des efficacités de conversion allant de 10-5 à 50nm (1010 ph/imp) à 10-7 à 15nm (5.107 ph/imp). <br />Dans une deuxième partie, nous étudions la focalisation du rayonnement harmonique par une lentille de Bragg-Fresnel, qui permet une focalisation efficace hors axe, sans aberration. Nous mesurons pour l'harmonique 39 une tache focale de l'ordre de 2µm. Compte tenu du flux élevé et de la courte durée (femtoseconde) des harmoniques, des éclairements élevés dans l'UVX peuvent être atteints.<br />Finalement, nous présentons les premières expériences de diagnostic de plasma par interférométrie UVX utilisant le rayonnement harmonique. Une technique originale est développée à partir de 2 sources harmoniques mutuellement cohérentes séparées spatialement. L'analogue temporel de l'interférométrie spatiale, qui utilise 2 impulsions harmoniques séparées en temps, est également démontré. Cette interférométrie fréquentielle a permis le premier diagnostic UVX de l'évolution temporelle d'un plasma avec une résolution femtoseconde. Une extension du schéma de 2 à 4 impulsions permet de mesurer avec une sensibilité extrême un déphasage équivalent à une demi-période harmonique, soit des écarts temporels à l'échelle attoseconde (1as=10-18s).