Dans le cadre d'une thèse financée par la région Bretagne, nous nous sommes attachés à mettre en évidence la possibilité d'utiliser la polarimétrie de Mueller comme outil d'investigations biomédicales. Cette technique, utilisant les propriétés de la polarisation de la lumière, permet une exploration non invasive des tissus biologiques en s'appuyant sur des agents de contraste naturels. La première partie de notre étude a été le développement du polarimètre, montage expérimental complet permettant la mesure de la matrice de Mueller du milieu d'étude. Après avoir choisi les éléments optiques adéquats (polariseurs en verre dichroïque, lames de phase entrainées en rotation par des moteurs pas à pas) ainsi que la source (diode laser à 808 nm) et le détecteur (caméra CCD 795x596 pixels avec objectif de 28 mm), nous nous sommes concentrés à optimiser le système d'acquisition de la matrice de Mueller. En effet, lors de la mesure, des perturbations qui constituent le " bruit expérimental " viennent limiter la précision du système. Nous distinguons deux sources d'incertitude distinctes : les erreurs aléatoires, inhérentes à l'expérience, et les erreurs systématiques, liées à la qualité intrinsèque des composants optiques et à leurs défauts de positionnement. En interférant avec le signal étudié, ces erreurs de mesure justifient l'importance d'un étalonnage rigoureux du polarimètre. Nous avons alors appliqué différentes méthodologies permettant de réduire grandement les effets néfastes de ces erreurs de mesure. D'un côté, une méthode de surdétermination du système (64 mesures d'intensités en réalisant 64 combinaisons angulaires des orientations des lames quart d'onde) permet de minimiser les erreurs aléatoires. Ces 64 combinaisons angulaires ont été judicieusement choisies grâce à la minimisation du nombre de conditionnement associé à la matrice de passage du système. Pour atténuer l'influence des erreurs systématiques, nous avons réalisé un repérage des axes neutres des lames quart d'onde précis au millième de degré près. Puis, nous avons utilisé une méthode de recherche des paramètres réels des lames de phase (retard et ellipticité). Pour pouvoir estimer les incertitudes de mesure liées à une matrice de Mueller expérimentale, nous pouvons mettre sous la forme d'une matrice de Mueller les écarts type statistiques mesurés pour chacune des 64 intensités. Nous pouvons alors évaluer les matrices de Mueller des erreurs aléatoires et systématiques. En réduisant au maximum ces matrices d'erreurs lors d'une mesure de la matrice de Mueller du système à vide, nous pouvons considérer notre polarimètre comme étant correctement étalonné. La dernière étape de ce travail a consisté à implanter un système imageur sur notre polarimètre. Grâce à des systèmes de mise en forme du faisceau (système de diaphragme et d'un couple de lentilles convergentes) et de réduction du bruit de speckle (film diffuseur homogène sur disque tournant), nous pouvons alors utiliser notre polarimètre en imagerie afin de pouvoir caractériser des milieux biologiques. La deuxième partie de notre étude s'est portée sur l'analyse et l'interprétation de la matrice de Mueller. Une fois celle-ci mesurée, il faut introduire des techniques d'extraction de l'information polarimétrique. Pour cela, nous utilisons la technique de décomposition de la matrice de Mueller en éléments simples de polarisation. L'information de polarisation contenue dans la matrice est alors modélisée en termes de dichroïsme (modifications d'amplitude du champ électrique), de biréfringence (modifications de phase du champ électrique) et de dépolarisation (action non déterministe). Pour l'étude de milieux complexes que sont les tissus biologiques, il est impératif d'utiliser une décomposition qui modélise au mieux les propriétés du milieu (configuration expérimentale, nombre et ordre des effets optiques simples) et qui minimise l'influence des erreurs de mesure. Nous avons pour cela introduit une procédure de génération de bruit pseudo expérimental afin de pouvoir inspecter, sur des matrices théoriques et expérimentales, la propagation des erreurs sur les paramètres polarimétriques calculés grâce aux quatre algorithmes existants (classique, inverse, normal et symétrique). Notre étude a alors montré qu'aucune de ces décompositions n'étaient adapté à l'étude de milieux diffusants en rétrodiffusion (configuration expérimentale choisie pour l'étude des tissus biologiques). Nous avons alors opté pour l'utilisation d'une nouvelle décomposition dite " hybride " qui permet à la fois de modéliser parfaitement la géométrie des milieux biologiques et de propager les erreurs expérimentales de manière satisfaisante. Cet algorithme hybride nous a également permis de mettre au point une procédure de détermination de la décomposition adéquate. En effet, si cet algorithme permet de traiter tous les systèmes physiques, il peut également servir à identifier le nombre et l'ordre des effets optiques élémentaires et ainsi minimiser l'influence des incertitudes expérimentales en utilisant des décompositions plus simples (classique et inverse). La troisième et dernière partie de notre étude s'est donc attachée à l'étude polarimétrique de tissus biologiques. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'étude du syndrome cutané d'irradiation aiguë. Les différentes études ont montré que le phénomène d'irradiation engendrait une baisse de la dépolarisation ainsi qu'une perte de son caractère anisotrope, phénomènes constatés lors d'altérations des fibres de collagène. Nous avons également mis en évidence la dépendance de la réponse polarimétrique à la longueur d'étude. En effet, la discrimination entre échantillon sain et échantillon irradié (même faiblement) se fait plus efficacement en utilisant des hautes longueurs d'onde (λ > 800 nm). En revanche, pour discriminer les échantillons irradiés suivant la dose reçue, une investigation plus en surface (λ < 600 nm) semble donner des résultats plus satisfaisants. Enfin, nous avons utilisé l'imagerie polarimétrique pour l'étude de la fibrose hépatique. L'interprétation statistique des images acquises a permis de montrer que la polarimétrie de Mueller semble permettre la discrimination des différents stades de fibrose. Les paramètres de dépolarisation semblent permettre la discrimination entre le foie sain et les premiers stades de fibrose (F1-F2). L'information de dispersion sur les paramètres de retard (retardance et azimut associé) permet la discrimination entre échantillons cirrhosés (F4) et non cirrhosés (F0 à F3).

L’injection tout optique des porteurs de charges libres dans un matériau semi-conducteur peut changer la fréquence de résonance d’une cavité optique pendant quelques picosecondes et permet une modification ultra-rapide de l’interaction lumière-matière. Dans cette thèse, nous étudions la commutation de différents types de cavités basés sur les matériaux GaAs/AlAs et explorons des applications possibles.Quand la longueur d’onde de résonance est changée sur une échelle de temps inférieure à son temps de stockage, lumière stockée subit un décalage vers les hautes fréquences. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cet effet pour des microcavités planaires à haut facteur de qualité, étant capables de stocker la lumière pendant plusieurs dizaines de picosecondes et observons un décalage important (environ 17 largeurs de raie) de la lumière stockée. Conformément à nos simulations numériques, nous mettons en évidence un comportement adiabatique et une efficacité proche de 100% pour ce procédé de conversion.Étant au sein d’une cavité, des boîtes quantiques (BQ) peuvent servir comme source de lumière interne pour sonder les modes de la cavité et la dynamique de la commutation. Nous utilisons cette approche pour étudier deux types de cavités différents.D’un côté, nous injectons une distribution inhomogène de porteurs de charge libres dans des micropiliers, dont l’intérêt pour des expériences d’optique quantique est bien reconnu. A cause des recouvrements différents entre les distributions des porteurs libres et des intensités des champs, nous observons des comportements de la commutation des modes radicalement différents. Ce comportement est compris quantitativement sur la base des simulations prenant en compte la diffusion et la recombinaison des paires électron-trou.D’un autre côté, nous explorons les propriétés d’un nouveau type de microcavité, des résonateurs en forme d’anneau ovoïde. Nous présentons une caractérisation de leurs propriétés optiques et des expériences de commutation. Ces objets présentent des perspectives prometteuses pour la fabrication des microlasers et pour des expériences d’optique, telles que le contrôle dynamique de l’effet Purcell. / The all-optical injection of free charge carriers into a semiconductor material can change the resonance frequency of an optical microcavity within few picoseconds and allows an ultrafast modification of light-matter interaction. In this PhD thesis, we study the switching of different types of cavities based on GaAs/AlAs materials and explore possible applications.When the resonance wavelength of a cavity is shifted on a timescale shorter than its storage time, the frequency of the stored light is up-converted. In this work, we study this effect experimentally for high Q planar microcavities, able to store light during several tens of picoseconds. Upon ultrafast switching, we observe a large frequency shift (around 17 mode linewidths) of stored light.In agreement with numerical simulations, we evidence an adiabatic behavior and an efficiency close to 100% for this conversion process.When embedded in a cavity, quantum dots can serve as an internal light source for probing cavity modes and their switching dynamics. We use this approach to study two different kinds of microcavities.On one hand, we inject an inhomogeneous distribution of free charge carriers into micropillars, whose interest for quantum optics experiments is well recognized. We observe drastically different switching behaviors for their cavity modes, due to the different overlaps between free carriers and field intensity distributions. This behavior is understood in a quantitative way on the basis of simulations taking into account the diffusion and recombination of electron-hole pairs.On the other hand, we explore the properties of a novel type of microcavity, ovoid ring resonators. We present a characterization of their optical properties, as well as switching experiments. These objects offer appealing perspectives for the fabrication of microlasers, and for quantum optics experiments such as controlling the Purcell effect in real time.

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées. / Raman spectroscopy is a useful and non-destructive tool for material characterization. It uses inelastic light scattering interaction with matter to investigate materials. The major part of the performances in a Raman spectroscopy system comes from two light filter units: the first shapes the light source (usually a laser) and the other attenuates the elastic scattered light in the signal beam. In resonant Raman spectroscopy (RRS), the excitation energy (wavelength) is tuned to match an electronic transition of the sample. When in resonance, the Raman cross section is increased by a factor up to 106. Current RRS setups are limited by filtering devices technology. RRS is a complex technique which, for the moment, remains tedious to implement. This master thesis presents the construction of a tunable Raman spectroscopy system based on volume Bragg gratings light filters. The setup is designed to operate in the near infrared region so as to study carbon nanotubes resonances. Steps leading to the operation of the system are described. They cover conceptualization, fabrication, characterization and optimisation of the setup. Collaboration with a local small company, Photon etc, led to the building of two new light filters that allow to tune easily the excitation wavelength. These filters have been adapted to work with a tunable titanium-sapphire laser (tunable from 700 to 1100 nm) and assembled with a homemade microscope and a detection system combining a CCD camera with a grating spectrometer. This document is arranged as follow: First are presented the theoretical aspects surrounding RRS. Carbon nanotubes (CNT) are than described to illustrate the relevance of such technique applied to material science. Principles behind the use of the Bragg filters are described to be followed by a scientific paper in which the main results of this work are presented. These include the optical characterisation of the filters and measurements with the system. Low frequency limits of the system are demonstrated using a sulphur powder where the 27 cm-1 line is clearly resolved. The tunability of the setup is also demonstrated using a bulk carbon nanotube sample. By changing the excitation wavelength, different nanotube chiralities become resonant, leading to different signals in the Raman spectra. Finally, clarifications regarding the alignment, optimisation and operation of the system are described. Low angular acceptance has been found to be the main drawback of the system leading to attenuation problems especially critical for the notch filter. Possible improvements on this limitation are discussed.

Ce mémoire présente différentes techniques permettant de produire des impulsions lumineuses très brèves. Dans un premier temps, nous avons conçu et réalisé un laser nd:yag continu a modes couples activement et double en fréquence. Ce laser délivre des impulsions dont la largeur a mi-hauteur en intensité est voisine de 60 picosecondes a 532 nanomètres, repetitives a 82 mhz. La puissance moyenne des impulsions est suffisante pour permettre le pompage d'un laser a colorant en mode synchrone. Ce dernier délivre des impulsions lumineuses dont la durée est voisine de 10 picosecondes et répétitives a 82 mhz. L'ensemble du système a été caractérise en utilisant des caméras a balayage de fente en mode sinusoïdal ou en mode monocoup. Nous avons ensuite étudié la possibilité de produire des impulsions femtosecondes (10##1#5 s) en comprimant les impulsions délivrées par un laser a colorant a deux jets (milieu amplificateur rh6g), absorbant saturable (dodci). Avant compression, ces impulsions ont une largeur a mi-hauteur en intensité voisine de une picoseconde et sont répétitives a environ 80 mhz. Nous avons pu comprimer ces impulsions jusqu'a des durees voisines de 130 femtosecondes. Les résultats expérimentaux sont très proches des prévisions théoriques. Enfin, nous avons produit directement des impulsions lumineuses femtosecondes a partir d'une cavité laser dont le milieu amplificateur est un cristal de saphir dope au titane (ti:al#2o#3). Dans un premier temps, le couplage des modes est réalisé a l'aide d'un modulateur acousto-optique. Dans cette configuration, le laser produit des impulsions dont la durée est aussi courte que 10 picosecondes, répétitives a 125 mhz et dont le domaine d'accord en longueur d'onde est limite par les miroirs entre 72 et 800 nanomètres. Dans un second temps, le couplage des modes est réalisé en utilisant un absorbant saturable (hitci) et la dispersion intracavite est aju.