Academic literature on the topic '[PHYS:PHYS:PHYS_OPTICS] Physics/Physics/Optics'

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à étudier une géométrie de lasers XUV inspirée des lasers de puissance. Cette architecture, consistant en un injecteur (une source d'harmoniques d'ordre élevé) couplé à un amplificateur (plasma créé par laser), correspond à celle d'une chaîne laser de puissance dans la gamme spectrale de l'XUV. Le laser à 32,8 nm étudié ici, est produit par l'injection d'harmonique d'ordre élevé dans un plasma de krypton créé par Optical Field Ionisation (OFI). Ce schéma, initialement testé par T. Ditmire en 1995, a été validé en 2003 au Laboratoire d'Optique Appliquée avec un amplificateur plasma créé par l'interaction d'un laser intense et d'un milieu gazeux. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de ce dernier travail en tentant d'aborder différents aspects liés, non seulement à une meilleure compréhension des processus physiques impliqués, mais aussi à la caractérisation spatio-temporelle de ce type de source.Nous avons démontré expérimentalement et pour la première fois qu'une source dans le domaine de l'XUV peut être à la fois très compacte, énergétique (1 µJ par impulsion), proche de la limite de diffraction et de celle de Fourier. En effet, grâce au filtrage spatial des harmoniques par le milieu amplificateur, le laser XUV injecté à 32,8 nm montre un profil spatial gaussien avec une divergence de 0,7 mrad (à 1/e2). Le front d'onde a été mesuré avec un senseur de type Hartmann et atteint une valeur de lambda/17 en écart quadratique moyen, démontrant que cette source XUV est limitée par la diffraction. Les caractérisations temporelles du laser montrent que le temps de cohérence est de l'ordre de la durée d'émission spontanée de l'amplificateur. Les résultats de la mesure de la cohérence temporelle présentent un profil gaussien de largeur spectrale relative delta lambda/lambda égale à 10-5 (à mi-hauteur) correspondant à une durée d'impulsion de l'ordre de 5 ps.

The PhD dissertation is organized in two parts. In the first part, we present an experimental study of stimulated Raman scattering in a silicon-on-insulator (SOI) nanowire. We demonstrate that the Raman amplification of a narrow-band Stokes wave experiences a saturation effect for high pump intensities because of self phase modulation of the pump beam. Moreover, an analytical model is presented that describes the experimental results remarkably well. The model furthermore provides an estimation of the Raman gain coefficient γR of silicon. The second part is devoted to the experimental study of stimulated Raman scattering in a doubly resonant planar GaAs microcavity. The nonlinear measurements clearly show some totally unexpected results. We experimentally demonstrate that the relaxation of the electrons in the conduction band of GaAs is significantly modified through the interaction with coherently excited Raman phonons.

Les progrès des techniques de nanofabrication des dix dernières années ont permis la mise en place de protocoles visant à manipuler les charges uniques dans les nanostructures. Ces nouvelles techniques permettent d'envisager la réalisation d'expériences d'optique quantique avec des électrons. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Le but de ce travail a été la construction d'un formalisme adapté à la description de telles expériences. Ce formalisme, construit en analogie avec la théorie de la cohérence quantique du champ électromagnétique de Glauber, souligne les similitudes et différences entre les photons se propageant dans le vide, et le transport électronique dans des conducteurs balistiques unidimensionnels. En particulier, il rend compte de la décohérence et de la relaxation en énergie des excitations électroniques en présence d'interactions. Un autre aspect de cette thèse a été la proposition de protocoles permettant de mesurer des quantités directement reliées aux propriétés de cohérence décrites par le formalisme de l'optique quantique électronique. En particulier, un protocole de tomographie quantique reposant sur l'effet Hanbury Brown et Twiss a été proposé pour reconstruire la cohérence à un corps d'une source monoélectronique. Ce protocole peut aussi être envisagé pour obtenir des informations sur les mécanismes de décohérence.

Nonlinear coherent scattering phenomena from single nanoparticles have been recently proposed as alternative processes for fluorescence in multiphoton microscopy staining. Commonly applied nanoscale materials, however, have reached a certain limit in size dependent detection efficiency of weak nonlinear optical signals. None of the recent efforts in detection of second-harmonic generation (SHG), the lowest order nonlinear process, have been able to cross a ~40 nm size barrier for nanoparticles (NPs), thus remaining at the level of "large" nanoscatterers, even when resorting to the most sensitive detection techniques such as single-photon counting technology. As we realize now, this size limitation can be significantly lowered when replacing dielectric insulators or wide gap semiconductors by direct-gap semiconducting quantum dots (QDs). Herein, a new type of highly nonlinear nanoprobes is engineered in order to surpass above mentioned size barrier at the single nanoparticle scale. We consider two-photon resonant excitation in individual zinc-blende CdTe QDs of about 12.5 nm diameter, which provide efficient coherent SHG radiation, as high as 105 Hz, furthermore exhibiting remarkable sensitivity to spatial orientation of their octupolar crystalline lattice. Moreover, quantum confinement effects have been found to strongly contribute to the second-order nonlinear optical susceptibility χ(2) features. Quantitative characterization of the χ(2) of QDs by way of their spectral dispersion and size dependence is therefore undertaken by single particle spectroscopy and ensemble Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) studies. We prove that under appropriate conditions, χ(2) of quantum confined semiconducting structures can significantly exceed that of bulk. Furthermore, a novel type of semiconducting hybrid rod-on-dot (RD) QDs is developed by building up on crystalline moieties of different symmetries, in order to increase their effective quadratic nonlinearity while maintaining their size close to a strong quantum confinement regime. The new complex hybrid χ(2) tensor is analyzed by interfering the susceptibilities from each component, considering different shape and point group symmetries associated to octupolar and dipolar crystalline structures. Significant SHG enhancement is consequently observed, exceeding that of mono-compound QDs, due to a coupling between two nonlinear materials and slower decoherence, which we attribute to the induced spatial charge separation upon photoexcitation.

A new catalyst-free method has been developed to grow self-assembled GaN wires on c-plane sapphire substrates by metal-organic vapour phase epitaxy. This approach, based on in situ deposition of thin SiNx layer (~2 nm), enables epitaxial growth of c-oriented wires with 200-1500 nm diameters and a large length/diameter ratio (&gt;100) on c-plane sapphire substrate. The detailed study of the growth mechanisms shows that a combination of key parameters is necessary to obtain vertical growth. In particular, the duration of SiNx deposition prior to the wire growth is critical for controlling the epitaxy with the substrate. The GaN seed nucleation time determines the mean-size diameter and structural quality and a high Si-dopant concentration promotes the vertical growth. Such GaN wires exhibit UV-light emission centered at about 350 nm and a weak yellow band (~550 nm) at low temperature. This approach may be viewed as a fast and reproducible technique to grow GaN wires by MOVPE. Compared to other techniques, it allows studying quite systematically the influence of the growth parameters without being dependent on time consuming ex situ surface preparations like surface patterning used in selective area growth (SAG). The growth of heterostructures, as longitudinal n-u and n-p wires (using Si and Mg dopants) as well as a core-shell InGaN/GaN MQW using the wires as templates has been demonstrated. The growth occurs on the non-polar m-plane facets of the wire and not on c-plane as it is the case on 2D materials with the same sapphire substrate. It gives different piezoelectric contributions to the wires optical properties, which have been studied by cathodo- and photo-luminescence. The fundamental building blocks of wire-based blue LED were demonstrated during this thesis. The realization of an efficient device still requires a deeper understanding and optimization of the parameters controlling the material growth and an optimization of the electrical contacts<br>Une méthode originale de croissance non catalysée a été développée pour faire croître des fils auto-assemblés de GaN sur des substrats de saphir par épitaxie en phase gazeuse d'organo-métalliques (MOVPE). Cette approche, basée sur le dépôt et le perçage, in situ, d'une fine couche de SiNx (~2 nm), permet la croissance épitaxiale de fils orientés le long de l'axe c sur des substrats de saphir. L'étude détaillée des mécanismes de croissances montre qu'une combinaison de paramètres clés est nécessaire pour obtenir la croissance verticale des fils. En particulier, la durée du dépôt de SiNx avant la croissance des fils est critique pour contrôler l'épitaxie avec le substrat. Le temps de nucléation des germes de GaN détermine la taille moyenne et la qualité structurale, enfin une forte concentration de dopant Si permet d'obtenir la croissance verticale. Les fils obtenus ont une émission UV centrée sur environ 350 nm et une faible bande jaune de défaut (~550 nm) à basse température. Cette approche fournit une méthode rapide et reproductible pour faire croître des fils de GaN en MOVPE et a permis d'explorer les paramètres de croissance sans avoir à préparer spécifiquement les surfaces comme c'est le cas dans les croissances sélectives. La croissance d'hétérostructures dopées longitudinales de type n-u et n-p a été démontrée en utilisant des précurseurs de Si et de Mg. De plus les fils ont été utilisés comme gabarits pour faire croître des structures cœur/coquille de puits quantiques InGaN/GaN. Ces structures ont été étudiées par cathodo- et photo-luminescence pour avoir une caractérisation spatiale et spectrale de l'émission lumineuse. Cette croissance se fait notamment sur les plans m non-polaires ce qui modifie les contributions des champs électriques sur l'émission de lumière. Les briques technologiques pour obtenir une diode électroluminescente bleue à base de fils ont donc été démontrées. La réalisation de composants nécessite un contrôle plus poussé de la qualité du matériau et des contacts pour une injection électrique

Le besoin d'une très grande précision lors du traitement des matériaux par laser a fortement encouragé le développement des études de l'effet des impulsions ultra brèves pour la structuration des matériaux à une échelle micro et nano métrique. Une diffusion d'énergie minimale et une forte non linéarité de l'interaction permet un important confinement énergétique à des échelles les plus petites possibles. La possibilité d'introduire des changements de phases rapides et même de créer de nouveaux états de matière ayant des propriétés optimisées et des fonctions améliorées donne aux impulsions ultra brèves de sérieux arguments pour être utilisées dans des dispositifs très précis de transformation et de structuration des matériaux. L'étude de ces mécanismes de structuration et, en particulier, de leurs caractéristiques dynamiques, est une clé pour l'optimisation de l'interaction laser-matière suivant de nombreux critères utiles pour les procédés laser : efficacité, précision, qualité. Ce mémoire synthétise les travaux de l'auteur sur l'étude statique et dynamique du dépôt d'énergie ultra rapide, avec application aux procédés laser. La connaissance de la réponse dynamique des matériaux après irradiation laser ultra brève montre que les temps de relaxation pilotent l'interaction lumière-matière. Il est alors possible d'adapter l'énergie déposée à la réponse du matériau en utilisant les toutes récentes techniques de mise en forme spatio temporelle de faisceaux. Un couplage optimal de l'énergie donne la possibilité d'orienter la réponse du matériau vers un résultat recherché, offrant une grande flexibilité de contrôle des procédés et, sans doute, la première étape du développement de procédés « intelligents ».

L'imagerie moléculaire occupe une place majeure dans le domaine de la recherche préclinique. Parmi les modalités existantes, les techniques optiques fondées sur la détection d'un rayonnement visible ou proche infrarouge sont les plus récentes et sont principalement représentées par les méthodes de tomographie optique de luminescence. Ces méthodes permettent une caractérisation 3D d'un milieu biologique par la reconstruction de cartes de concentration ou la localisation de marqueurs luminescents sensibles à des processus biologiques et chimiques se déroulant à l'échelle de la cellule ou de la molécule. La tomographie de luminescence se fonde sur un modèle de propagation de la lumière dans les tissus, un protocole d'acquisition du signal en surface du milieu et une procédure numérique d'inversion de ces mesures afin de reconstruire les paramètres d'intérêts. Ce travail de thèse s'articule donc autour de ces trois axes et apporte un élément de réponse à chacun des problèmes. L'objectif principal de cette étude est d'introduire et de présenter des outils d'évaluation des performances théoriques d'une méthode de tomographie optique. L'un des aboutissements majeurs est la réalisation de reconstructions tomographiques expérimentales à partir d'images acquises par un imageur optique conçu pour l'imagerie planaire 2D et développé par la société Quidd. Dans un premier temps nous abordons la théorie du transport en milieu diffusant afin de poser les concepts et outils sur lesquels vont s'appuyer l'ensemble des travaux. Nous présentons particulièrement deux modèles de propagation différents ainsi que les méthodes de résolution et les difficultés théoriques qui leur sont liées. Dans une deuxième partie nous introduisons les outils statistiques utilisés pour caractériser les systèmes tomographiques et leur résolution potentielle. Nous définissons une procédure et nous l'appliquons à l'étude de quelques situations simples en tomographie de luminescence. La dernière partie de ce travail présente la mise au point d'une procédure d'inversion. Après avoir présenté le cadre théorique dans lequel cette procédure s'inscrit nous la validons à partir de données numériques avant de l'appliquer avec succès à des mesures expérimentales.

L'objectif de cette thèse concerne la manipulation à l'échelle quantique du champ électromagnétique dans le cadre de l'information quantique à variables continues. Pour ce faire nous mélangeons les outils de l'optique quantique à variables discrètes, où la lumière est décrite en termes de photons, avec l'approche continue, traitant des quadratures du champ. Cette technique permet de produire des états non-classiques décrits par des fonctions de Wigner prenant des valeurs négatives. Nous avons pu générer des états intriqués à partir d'impulsions lumineuses initialement indépendantes et pouvant être séparées par une longue distance, l'intrication s'effectuant au travers d'un canal acceptant de fortes pertes. Nous avons ensuite démontré et caractérisé expérimentalement un protocole non-déterministe permettant d'amplifier de faibles signaux sans en amplifier le bruit quantique, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit. Puis nous avons mis en œuvre et comparé expérimentalement différentes mesures de non-gaussianité d'un état quantique : ce caractère propre à une description continue de la lumière est d'un intérêt capital pour l'information quantique. Enfin nous avons développé et testé deux améliorations pour notre dispositif. La première est un amplificateur femtoseconde pour notre laser impulsionnel, qui permettra d'obtenir de meilleurs états de départ pour nos expériences. La deuxième est un appareil capable de discriminer le nombre de photon, donnant ainsi des résultats plus précis que ceux des détecteurs dont nous disposons actuellement qui sont uniquement capable de détecter la présence de photons.