Dans cette thèse de doctorat, nous menons des investigations théoriques et expérimentales relatives aux structures localisées dans des lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs), aussi appelées solitons de cavité. Elles consistent en des pics d'intensité lumineuse dans le plan transverse à la propagation du faisceau lumineux. Ils ont été notoirement proposés pour deux applications :stockage tout optique de l'information, et le traitement de l'information optique.Dans la première partie de cette thèse, nous investigons les aspects théoriques des structures localisées dans un VCSEL à grande surface d'émission soumis à une injection optique et à un retour retardé. Nous dérivons une équation de Swift-Hohenberg généralisée à retard, d'application lorsque le système est proche du régime de bistabilité optique. En premier lieu, nous caractérisons les structures localisées stationnaires, en construisant leur diagramme de bifurcation en serpentage, typique de leur regroupement dans la zone d'accrochage des paramètres. Ensuite, nous montrons que le retour retardé peut induire un mouvement spontané de structures localisées à deux dimensions dans une direction arbitraire du plan transverse. Nous caractérisons ces structures mobiles en estimant le seuil de ce mouvement, ainsi que sa vitesse.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous rapportons la formation spontanée de structures localisées dans un VCSEL de 80 micromètres de diamètre, pompé au delà de son seuil d'émission laser, et soumis à une injection optique. Ces structures sont bistables en la puissance du faisceau d'injection, ainsi qu'en le courant électrique. Nous étudions expérimentalement leur formation pour différents décalages en fréquence avec le faisceau de pompe optique. Nous rapportons la première mesure expérimentale mettant en évidence le caractère vectoriel des structures localisées générées dans un laser à grande surface d'émission: la polarisation de la structure localisée n'est pas celle de l'injection optique, dans la mesure où cette dernière est elliptique. Nous apportons un éclairage théorique sur cette expérience, en prenant en compte la dynamique de retournement de spin propre aux VCSELs à puits quantique. Ces résultats laissent entrevoir la possibilité de multiplexer l'information transmise en utilisant les propriétés de polarisation des structures localisées, utilisées comme pixels à la surface du VCSEL. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Étude de la propagation lumineuse dans un cristal liquide en phase nématique.

Les copépodes sont des petits crustacés de longueur autour de 1 mm en stade adulte. Leurs réponses à différents facteurs de stress tels que la salinité et la température peuvent être observées à différentes échelles d’organisation allant du gène, cellule jusqu’à l’organisme. Jusqu'à présent, aucune observation des effets de stress de température ou de salinité sur les copépodes n’a été faite par microscopie optique. Dans ce travail, nous avons mis en œuvre pour l'étude de ces copépodes les techniques de microscopie linéaire et non linéaires. D’abord avec la technique CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) nous avons pu étudier, caractériser et quantifier les effets de stress appliqués sur le copépode calanoïde Pseudodiaptomus marinus maintenu en culture pendant plusieurs générations dans le laboratoire à des conditions favorables et stables de salinité (30 psu) et de température (18 °C). Ces différents stress appliqués sont: une forte diminution de la température (18 à 4 ° C), des diminutions mineure et majeure de la salinité (de 30 respectivement à 15 PSU et à 0 PSU) et enfin, un stress mélangé d’une baisse simultané de la température et de la salinité (de 18 ° C et 30 psu à 4 ° C et 0 PSU). Nos observations ont été concentrées sur le muscle du copépode.Cette étude a été complétée par la technique SHG/TPEF qui nous a répondu à quelques questions à propos de la disparition des stries musculaires. Cette technique a été suivie par la technique de transformation de Fourier (FFT) appliquée sur les profils des stries musculaires pour mieux comprendre l’état des stries dans chaque stress. Enfin, nous avons appliqué la microscopie CARS qui a été développée dans notre laboratoire à l'imagerie de ces échantillons. Avec cette technique d’imagerie on a pu identifier les stries musculaires et les réserves lipidiques. / Copepods are small crustaceans with length about 1mm in adult stage. Their responses to different external strain factors such as salinity and temperature can be observed at different scales from genes to organism (individual). Until now, no observation of the effects of temperature or salinity stresses on copepods has been done by light microscopy In this work we exploited optical imaging techniques and specifically nonlinear microscopy linear and nonlinear. First of all CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) allow studying, characterisation and quantifying stress effect applied on calanoid Pseudodiaptomus marinus copepod maintained during several generations in the laboratory at favorable and stable condition of salinity (30 psu) and temperature (18° C). These stresses applied were: a sharp decrease in temperature (18 to 4°C), a moderate and a major decrease in salinity (from 30 respectively to 15 psu and 0 psu), and finally a mixed stress with a decrease both in temperature and salinity (from 18°C and 30 psu to 4°C and 0 psu). Our observations are concentrated on copepod muscles regions.This study has been completed with SHG/TPEF techniques to answer some questions about stripes disappearance. This technique was followed by Fourier transformation (FFT) applied on the stripes muscles profiles to more understanding about stripes situations in each stress. Finally, we applied CARS microscopy which was developed in our laboratory to image these samples. With this technique we were able to identify these muscles stripes and also lipid reserves.

Experimental observation of the 1D Kerr-Type cavity soliton Temporal cavity solitons constitute a remarkable family of light pulses. They don’t spread nor suffer losses and circulate indefinitely, round-trips after round-trips, along the closed path of a nonlinear cavity. To maintain their shape and power, they simply draw some energy from a continuous-wave external beam. Being robust attracting states, they can be easily written by an external pulse and naturally provide reshaping and wavelength conversion functionalities. We experimentally demonstrated the generation of such solitons. We were able to provide precise temporal and spectral characterization along with long-term observation. We also wrote the solitons in pairs and in data streams, showing that our fiber cavity could potentially be used as an all- optical buffer capable of storing 45,000 bits at 25G bits/s. These results have been recently published in Nature Photonics High repetition-rate pulse train generation through dissipative modulation instability in a passive fiber resonator In the early 90’s, a cavity configuration which allows for the generation of stable pulse trains through dis- sipative modulational instability was proposed. The experimental implementation of the so-called MI laser was demonstrated a few years later. Although the ideal parameters for the generation of a pulse train with a repetition rate in the THz range are easily deduced from the theory, no realization in that frequency range has been reported due to practical issues. Thanks to the tuning of the overall cavity dispersion based on the use of special fibers, we recently demonstrated the generation of a 1.6 THz repetition-rate optical pulse-train. Theoretical and experimental study of nonlinear symmetry breaking induced by the order dispersion in a passive fiber resonator In the regime of dissipative modulational instability, the repetition-rates of the generated pulse train can be tuned by changing the group-velocity dispersion (GVD) of the fiber. To reach the THz range, one has to drastically reduced the total GVD in the cavity. In that case, the next order of dispersion has to be included in the theoretical model describing the evolution of the intracavity field (here the mean field model). The third-order dispersion induces a drift of the pattern and an asymmetry in the spectrum. Both these effects can be precisely calculated by a multi-scale model describing the field evolution above threshold. This theoretical work has been confirmed by experimental measurements of the spectral asymmetry.

L'objectif de ce travail est de développer des matériaux pour une conversion efficace de fréquences. Deux types de matériaux ont été étudiés. Le premier type concerne des matériaux pour le doublage de fréquence par la génération de second harmonique. Nous avons sélectionné des vitrocéramiques de chalcogénures GeS₂+βGeS₂ et Ge₂₀Sb₁₂S₆₈+Cds pour cette étude avec une différence d'indice faible entre la phase vitreuse et les cristaux. Ces vitrocéramiques ont été élaborées avec une technique originale en associant la mécano-synthèse et le pressage flash (Spark Plasma Sintering). Elles présentent une grande compacité supérieure à 99,9%. Les pertes optiques par diffusion, en particulier dans les courtes longueurs d'onde, doivent encore être améliorées pour rend possible les mesures de génération de second harmonique. Cette nouvelle technique de synthèse a également permis la fabrication des verres de chalcogénures qui ont une forte tendance à cristalliser. L'exemple a été donné par la synthèse du verre Ge₁₅Ga₂₀S₆₅, situé en dehors du domaine vitreux déterminé par la méthode de synthèse classique (fusion-trempe). Le deuxième type de matériaux étudiés concerne des matériaux luminescents à large bande d'absorption et d'émission. Les ions de métaux de transition Fe, Ni et Mn et l'ion de terre rare bivalent Eu ont été sélectionnés en raison des transitions électroniques impliquant des électrons de la couche d. Des émissions larges et parfois intenses ont été obtenues avec des ions Eu²⁺ dans les céramiques SrS/ZnS et CaS/ZnS. La largeur à mi-hauteur peut même dépasser 100 nm. Il a été démontré que la position de l'émission dépend fortement de l'environnement chimique des ions Eu²⁺. Afin d'ajuster continuellement la position de cette émission, des couches minces contenant différents rapports Sr/Ca ont été déposées par co-pulvérisation cathodique assistée par un magnétron. Des émissions larges et ajustables ont été obtenues. / The objective of this work is to develop materials for efficient frequency conversion. Two types of materials were studied. The first type relates to materials for frequency doubling by using second harmonic generation. We selected chalcogenide glass ceramics GeS₂+βGeS₂ and Ge₂₀Sb₁₂S₆₈+Cds for this study with a low difference of refractive index between the glass phase and the crystals. These ceramics were synthesized by melt-quenching technique and by combination of mechanical milling and Spark Plasma Sintering. The obtained glass ceramics have a high compactness greater than 99.9%. The optical losses due to scattering, particularly at shorter wavelengths, must be further improved before measurement of second harmonic generation. This new synthesis technique also allowed the manufacture of chalcogenide glasses which have a strong tendency to crystallize. The example was given by the synthesis of the glass Ge₁₅Ga₂₀S₆₅, located outside of the glass forming region determined by using the conventional melt-quenching method. The second type of the studied materials was related to luminescent materials with broadband absorption and emission. Transition metal ions, Fe, Ni and Mn, and divalent rare earth ion Eu were selected for its electronic transitions involving d-shell electrons. Wide and intense emissions were obtained with Eu²⁺ ions in CaS/ZnS and SrS/ZnS ceramics. The FWHM may exceed 100 nm. It has been demonstrated that the position of the emission strongly depends on the chemical environment of Eu²⁺ ions. In order to continuously adjust the position of the emission, thin films containing different Sr/Ca ratios were deposited by magnetron sputtering. Wide and adjustable emissions were obtained.

Dans le cadre de cette thèse un verre phosphate de zinc dopé avec des cations d’argent a été irradié par laser femtoseconde. Cette irradiation induit l’apparition dans le voxel de focalisation, d’une émission de fluorescence et une génération de second harmonique au sein du verre. La fluorescence a été attribuée à la création d’agrégats fluorescents composé d’une dizaine d’atomes d’argent. Une étude spectrale a été réalisée permettant de distinguer les différents types d’agrégats générés. Par ailleurs, la génération de seconde harmonique est attribuée à la présence d’un champs électrique enterré dans la zone irradié par effet EFISH (electric field induced second harmonic). La direction et la répartition de ce champ électrique, ont été étudié optiquement et conduisent à sa représentation spatiale.Les effets des paramètres expérimentaux, tels que le nombre d’impulsions laser, l’énergie par impulsion, la température du verre et le recuit sur les caractéristiques de la GSH et de la fluorescence, ont été étudiés. Enfin un processus global est proposé, expliquant les différentes étapes de la structuration, de la création du champ enterré par migration d’électrons à la réduction des cations d’argent et la croissance des agrégats. / In this work, a phosphate-zinc glass doped with silver ions was irradiated with a femtosecond laser. This irradiation causes the appearance of sub-micron features in the glass. Those features exhibit fluorescence and second harmonic generation. Fluorescence is linked to the aggregations of silver clusters in the glass. Second Harmonic Generation is linked to the creation of a buried electric field inducing an EFISHG effect.Polarization and spectroscopic studies were performed on these features. Those studies allowed us to produce a three-dimensional representation of the features. A phenomenological model, from the interaction of the laser pulses with the glass, to the movement of charges enabling the buried field, is developed to explain the overall process, therefore linking the migration of the electrons to the reduction of silver ion and the cluster growth.

La synthèse de caténanes et rotaxanes remonte aux années 60. Aujourd'hui la plupart de ces molécules enchevêtrées, synthétisées comportent jusqu'à 4 éléments et ce nombre continu de croître. Toutefois, ces molécules restent relativement petites, comparées `a celles trouvées dans la nature tels que les caténanes présents dans l'ADN. Les caténanes et rotaxanes sont des molécules mécaniquement assemblées, composées de pièces mobiles, liées, ou non (ou plus d'elles), pouvant se mouvoir et/ou se déplacer par rapport aux autres. Cette architecture unique les rend très intéressants et fait d'eux des candidats potentiels pour les machines moléculaires, ainsi que pour des applications dans le domaine de l'optique non linéaire, en particulier dans la photonique, l'optoélectronique et le stockage de données optique. Dans ce travail, nous exposons les résultats de nos recherches portant sur les propriétés optiques non-linéaires de quelques caténanes et rotaxanes. Ces propriétés non-linéaires ont été abordées par différentes techniques. Les résultats montrent une importante contribution électronique dans la susceptibilité non-linéaire de troisième ordre confirmée par des calculs théoriques au niveau moléculaire. Nous exposons également les résultats des propriétés optiques non linéaires de l'ADN fonctionnalisé. Ces résultats montrent une recrudescence des non linéarités quand l'ADN modifiée est utilisé. Par ailleurs, on a observé les meilleurs résultats dans des expériences d'holographie quand l'ADN-CTMA est utilisé comme matrice pour le dopage du disperse red 1.

Ce travail concerne des guides d'ondes semiconducteurs pour la génération et l'oscillation paramétrique. Dans de tels guides, la conversion de fréquence est accordée en phase grâce à un noyau multicouche biréfringent GaAs/AlOx. Cette technique d'accord de phase a déjà permis la réalisation de plusieurs interactions optiques non linéaires, telles que la génération de seconde harmonique et de différence de fréquence, ainsi que la fluorescence paramétrique. A présent, l'objectif est la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré semiconducteur. Notre travail dans cette direction a porté principalement sur deux points.<br />Le premier point est l'optimisation du processus de fabrication. Le principal inconvénient des guides d'ondes GaAs/AlOx sont les larges pertes par diffusion provoquées par la rugosité des couches oxydées. De telles pertes ont pénalisé l'efficacité de dispositifs nonlinéaires intégrés déjà démontrés et empêché jusqu'à présent l'accomplissement de l'oscillation paramétrique. Dans le but d'améliorer la transmission des guides, un nouveau schéma de fabrication et d'oxydation a été introduit, et les résultats obtenus ont été systématiquement vérifiés par des mesures des pertes. Celles-ci ont été réduites, de manière reproductible, à 0.4 cm-1.<br />Le deuxième point est la caractérisation nonlinéaire des guides. Nous avons démontré la fluorescence paramétrique avec une accordabilité entre 1.7 et 2.7 micron et une efficacité de conversion comparable à celle des meilleurs guides en niobate de lithium. En plus de cela, nous avons exploité les interactions de génération de seconde harmonique et d'amplification paramétrique pour étudier précisément le gain paramétrique dans nos guides. A la dégénérescence nous avons mesuré un coefficient de gain paramétrique ≈ 4 cm-1 W-1/2 et démontré une amplification paramétrique G = Ps(L)/Ps(0) - 1 ≈ 4.5%.<br />Ces résultats sont très encourageants pour la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré. Sur la base de nos valeurs de pertes et de gain paramétrique nous estimons que la réflectivité des facettes requise pour atteindre le seuil d'oscillation, dans une configuration doublement résonante, est inférieure à 90%. Un premier essai de fabrication de miroirs intégrés a été effectué et le travail dans cette direction se poursuit actuellement au sein du laboratoire MPQ.

Mon projet de doctorat s'est déroulé au Laboratoire d'Optique Appliquée de l'Ecole Polytechnique, ENSTA, CNRS à Palaiseau, en collaboration avec le Laboratoire Biotechnologie et Oeil, Université Paris V, Hôpital Hôtel Dieu à Paris. Il porte sur l'étude des phénomènes d'interaction du rayonnement à impulsions ultracourtes avec le tissu et notamment sur les applications des lasers femtoseconde (dont les impulsions durent 10-15 s) en chirurgie de la cornée. Environ 100.000 greffes de cornée sont réalisées annuellement dans le monde. La première cause de greffe de cornée est l'œdème, pathologie due à un disfonctionnement cellulaire ; le tissu devient perméable et perd ses propriétés de transparence. Le degré d'œdème progresse très rapidement et, si non interrompu par une greffe, entraîne une opacification totale de la cornée et une baisse drastique de l'acuité visuelle. Les techniques chirurgicales de kératoplastie (greffe de cornée) pratiquées aujourd'hui présentent un risque de rejet élevé ou un risque d'échec car elles sont délicates et difficiles. Face à ces problématiques, la technologie des lasers femtoseconde représente la seule alternative intéressante en remplacement des méthodes chirurgicales classiques. Des systèmes à but clinique sont déjà présents sur le marché, cependant leurs performances sont réduites dans le cas de traitements de cornées fortement pathologiques. De nature parfaitement interdisciplinaire, le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon doctorat a permis d'établir un bilan très complet du potentiel et des limites de l'application de la technologie laser actuelle à la greffe de cornées pathologiques. Il a apporté des solutions d'optimisation de l'interaction laser-tissu et indiqué les différentes pistes possibles pour le développement d'une technologie future plus performante.

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