Les lasers et amplificateurs à base de fibres optiques dopées constituent aujourd'hui une alternative sérieuse aux milieux cristallins traditionnellement utilisés pour la réalisation d'amplificateurs laser de puissance de par leur faible sensibilité aux problèmes thermiques et leur rendement optique-optique élevé. Les performances des fibres restent néanmoins limitées en régime impulsionnel du fait de l'apparition d'effets non-linéaires. Une solution pour passer outre ces limitations consiste à distribuer l'amplification sur plusieurs fibres monomodes distinctes et à les mettre en phase de manière à réaliser une combinaison cohérente. Ces systèmes nécessitent un contrôle précis de la phase optique des différentes voies et sont relativement difficiles à mettre en œuvre lorsque le nombre de voies augmente. Dans ce manuscrit de thèse, une solution originale de combinaison cohérente en architecture intégrée est présentée. Une mise en phase des modes d'une fibre multimode et des cœurs d'une fibre multi-cœurs est ainsi réalisée à l'aide d'un modulateur spatial de lumière. Plusieurs techniques de mise en phase ont été étudiées : mise en phase par holographie numérique dynamique, utilisation d'une boucle de contre-réaction par algorithme évolutionnaire, mesure directe du contenu modal en sortie de fibre multimode à l'aide d'un analyseur de front d'onde. Ces techniques ont permis de produire des faisceaux amplifiés en régime impulsionnel proches de la limite de diffraction. Des modélisations numériques d'amplification dans des fibres multimodes et de correction par algorithme évolutionnaire dans ces mêmes fibres ont également été développées.

Cette thèse étudie la faisabilité d'une mesure qui vise à vérifier quantitativement un effet quantique. La mesure est proposée pour un gaz d'hélium métastable refroidi dans la gamme du microkelvin.<br /><br />Il est connu que les atomes obéissent à une statistique quantique qui, si les atomes sont des bosons, est similaire à celle des photons. L'effet de groupement de bosons en est une conséquence: sur un détecteur, les bosons arrivent préférentiellement groupés. On le met en évidence en mesurant la probabilité de détection d'un boson dans une fenêtre de temps, retardée par rapport à l'arrivée d'un premier boson. Ceci nous donne la fonction de corrélation du flux de particules. Ce signal a été observé avec des photons. Il doit pouvoir l'être avec des atomes : c'est précisément ce que ce travail démontre.<br /><br />On étudie donc la réalisation expérimentale d'une mesure de groupement de bosons, effectuée sur des atomes d'hélium métastable refroidis au voisinage de la température de transition (vers le condensat de Bose-Einstein). Pour ce faire, nous partons d'un dispositif expérimental qui a montré la condensation de l'hélium métastable. On prévoit quantitativement comment l'effet se manifeste sur un tel montage. On justifie notamment que le signal est observable après temps de vol des atomes, et on prédit sa forme dans le cas d'atomes condensés ou non : la fonction de corrélation s'aplatit quand les atomes se condensent. On présente ensuite le détecteur utilisé : c'est un système de comptage d'atomes sensible en position et très bien résolu en temps, à base de lignes à retard. On décrit enfin le travail expérimental sur le montage, travail qui a permis d'aboutir à la mesure de l'effet de groupement.

Etude des propriétés thermiques et themo-optique des cristaux de Yb:CaF2, Yb:SrF2 et Yb:CALGO avec pour but de réaliser des lasers femtoseconde de forte puissance moyennes.

Les atomes sont des candidats intéressants pour l'information quantique, car leur neutralitée électrique devrait leur assurer un long temps de cohérence. Afin de pouvoir les manipuler un par un, nous avons choisi de les placer dans un piège dipolaire microscopique. Une analyse détaillée du nombre d'atomes piégés montre que celui-ci peut être compris entre 1 et 30, avec un réegime préférentiel de travail dans lequel les collisions inélastiques le limitent à un. Il est également possible de placer deux pièges dipolaires côte à côte, et donc de disposer de deux atomes, à quelques microns de distance. Dans le but d'intriquer ces deux atomes, il est important de connaître l'amplitude du mouvement des atomes piégés. Celle-ci se caractérise avec le paramètre de Lamb-Dicke, paramètre qui dépend des fréquences d'oscillation du potentiel dipolaire, mais aussi de la température des atomes. Ces deux grandeurs ont été mesurées expérimentalement, et montrent que le confinement est actuellement insuffisant. Il est donc nécessaire de refroidir les atomes davantage. Un autre champ d'investigation de cette expérience concerne le régime où le nombre d'atomes piégés est de l'ordre d'une trentaine. Nous avons alors démontré la possibilité d'évaporer le nuage atomique, et donc de le refroidir. Il devrait alors être possible d'obtenir des condensats de Bose-Einstein à très petit nombre d'atomes, et en régime de Lamb-Dicke.

Nous avons étudié les collisions assistées par la lumière entre deux jets atomiques croisés. Les<br />sections efficaces différentielles de collisions K-Ar sont mesurées et utilisées pour calculer les<br />parties répulsives des potentiels XΣ et BΣ. La précision sur les potentiels ainsi obtenus n'avait<br />jamais été atteinte auparavant dans des expériences de diffusion. Une analyse de l'état final en<br />fonction de l'énergie de collision nous permet de sonder la population relative entre les niveaux<br />fins K(4p1/2) et K(4p3/2). Cette différence relative de population dépend en détail de la structure<br />externe des potentiels. Les calculs à partir des potentiels déterminés sont en accord avec nos<br />résultats expérimentaux. Nous avons également étudié la population relative entre les états fins<br />d'atomes de sodium après des collisions Na-N2 et Na-O2. Les résultats pour N2 sont en très bon<br />accord avec la théorie. Nous avons mesuré les sections efficaces différentielles de collision pour<br />des collisions Ca-Ar assistées par la lumière pour une transition asymptotiquement interdite. La<br />dépendance spectrale de l'intensité du signal présente un maximum caractéristique. Les données<br />expérimentales sont en bon accord avec des calculs ab initio.<br />Nous avons utilisé des fils microfabriqués pour créer un potentiel magnétique dans lequel nous<br />avons obtenu un condensat de Bose-Einstein de 87Rb. Nous avons caractérisé la rugosité du potentiel<br />magnétique en mesurant le profil de densité d'un nuage d'atomes froids. Nous comparons<br />la rugosité mesurée avec la rugosité calculée par la géométrie du fil.

"Que peut-on apprendre en collant des atomes sur des agrégats ?". Le travail présenté ici répond (partiellement) à cette question. Grâce à un dispositif expérimental original, nous pouvons contrôler les réactions de collage entre un atome et un agrégat libre, sélectionné en masse et thermalisé. Cela nous permet mesurer des sections efficaces absolues pour ces réactions de collage. Nous montrons que, dans le cas d'agrégats de sodium, la section efficace mesurée suit une loi différente de celle prévue par le modèle géométrique généralement utilisé : le modèle de sphères dures. Nous expliquons en partie cette différence dans le cadre d'un modèle de harponnage et nous discutons l'influence de cette loi d'échelle non-géométrique sur la description des processus de nucléation et dans le cadre des théories<br />microréversibles décrivant l'évaporation des agrégats.<br />La maîtrise de réactions de collage ouvre d'autre part la possibilité de réaliser des expériences de nanocalorimétrie et donc de caractériser des transitions de phase dans les agrégats. Nous montrons en effet qu'il est possible de déterminer la capacité calorifique d'un agrégat en comptant simplement le nombre d'atomes que l'on peut coller dessus.<br />La méthode de mesure qui en découle s'avère au moins aussi précise que les deux autres méthodes existantes. Dans le cas des agrégats de sodium, nous pouvons ainsi mesurer les températures et chaleurs latentes de fusion pour des agrégats aussi petits que Na30+. Les résultats obtenus sont discutés dans le cadre d'un modèle à deux niveaux pour la fusion.

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.

Dans la configuration dite " NSOM à ouverture ", la résolution optique est dans le meilleur des cas comprise entre 50 et 100 nm. Afin de sonder les propriétés optiques de nanosystèmes, aux dimensions toujours plus petites, une résolution optique plus fine est souhaitable. Pour remplir cet objectif, la solution que nous proposons est l'utilisation d'une sonde active. Une telle sonde repose sur le greffage d'un nano-objet fluorescent à l'apex d'une pointe optique classique. En théorie, la résolution latérale en champ proche devrait être dictée par la taille de ce nano-émetteur (<< 50 nm). Sur la base des travaux réalisés précédemment dans le laboratoire, nous présentons ici deux nouvelles méthodes pour réaliser une telle sonde. Celles-ci impliquent deux types de nanoparticules complémentaires à la taille et aux propriétés optiques attrayantes (forte émission dans le visible, photostabilité). Une première approche a été développée à partir d'un ensemble de nanoparticules de YAG, dopées par des ions cérium, produites et déposées en bout de pointe par LECBD (Low Energy Cluster Beam Deposition). La seconde approche consiste à sélectionner et à fixer en bout de pointe de manière contrôlée (grâce à un polymère) un nanodiamant, contenant des centres colorés (NV), déposé sur une lame de microscopie. L'avancement des travaux est présenté pour les deux types de nano-objets. La mise au point et l'utilisation pour l'imagerie NSOM d'une sonde active à photons uniques, basée sur nanodiamant de 20 nm contenant un seul centre NV et fonctionnant à température ambiante, sont aussi discutées. Au-delà du gain en résolution que peut apporter une telle sonde, ce nouveau type de pointe à photons uniques ouvre de nouvelles perspectives aussi bien en optique et plasmonique quantiques qu'en magnétométrie à haute résolution et haute sensibilité.

Les excitons-polaritons sont des particules mixtes de lumière et de matière. Ils peuvent être le futur des applications optoélectoniques, en vertu de leur réponse optique non-linéaire qui est extrêment forte. Cette thèse est consacrée aux effets non-linéaires et aux applications variées des excitons-polaritons dans les nanostructures à base de semi-conducteurs. Les microcavités planaires et les polaritons 2D sont étudiés dans les premiers chapitres, alors que le dernier chapitre est consacré à l'étude du système de boites quantiques en cavité (polaritons 0D). L'oscillateur paramétrique et la bi stabilité sont le sujet de la première partie de la thèse. Une approche mathématique intermédiaire entre les approches semi-classiques et purement cohérente est présentée. L'impact des fluctuations proches du seuil de bi stabilité est étudié. La deuxième partie est consacrée à la présentation de différentes applications basées sur les propriétés des polaritons. Un laser à polaritons basé sur une cavité de ZnO est modélisé et les résultats soulignent les avantages de l'utilisation de ce matériau pour la réalisation de ce type d'application à température ambiante. La structure de spin particulière des polaritons est par la suite utilisée pour proposer deux nouvelles applications. La première est un analogue optique du transistor de spin pour les électrons, appelé transistor Datta et Das. La deuxième propose d'utiliser le comportement chaotique d'une jonction Josephson polaritonique afin d'implémenter un système de crytage chaotique d'un signal. Le dernier chapitre est consacré aux polaritons 0D. Nous montrons comment la réalisation du régime de couplage fort permet de réaliser une source de photons intriqués basée sur le déclin du bi exciton dans une boite quantique en résolvant un certain nombre de difficultés par rapport au système constitué d'une boite quantique simple.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.