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Alkali vapors confined in nano-scale cells are promising tools for future integrated atom-based sensor. In this thesis, we investigate the interaction between light and an ensemble of atoms confined in a nano-geometry. We focus on the different processes that can modify the optical response of the atomic ensemble and possibly affect the sensitivity of a sensor based on that technology. First, we study the non-local response of atoms to a light excitation due the atomic motion in thermal vapors. When the distance over which the atoms relaxes is larger than the size of the cell, the optical response depends on the size of the system. We have observed that for transmission spectroscopy, this leads to a periodic modification of the optical response with a period equal to the wavelength of the optical transition. Subsequently we showed that when the density ofatom increases, the atomic response becomes local again. In this dense regime, the resonant dipole-dipole interaction in a sub-wavelength geometry leads to collective frequency shifts of the spectral lines. We demonstrate that these shifts were induced by the cavity formed by the cell walls, hence clarifying a long-standing issue. We developed a model to extract the density shifts deconvolved from the cavity effects. Close to a surface, the optical response is also affected by the van der Waals atom-surface interaction. We introduced a new method to extract precisely the strength of this interaction. We also developed a new generation of super-polished glass nano-cells and we presented promising spectroscopic signals. Finally, using these cells, we have compared transmission and off-axis spectroscopic techniques.; Les vapeurs atomiques confinées dans des cellules nanométriques constituent une plateforme intéressante pour la réalisation de senseurs atomiques. Dans cette thèse, nous étudions l’interaction entre la lumière et un ensemble d’atomes d’alcalins dans une telle cellule. Nous nous concentrons sur les phénomènes qui pourraient modifier la réponse optique du système et ainsi affecter la sensibilité du senseur. Premièrement, nous étudions la réponse non locale à la lumière induite par le mouvement des atomes dans la vapeur thermique. Quand la distance de relaxation des atomes excède la taille de la cellule, la réponse optique dépend de la taille du système. En transmission, nous avons montré que cela entraine une modification des propriétés de la vapeur avec une période égale à la longueur d’onde de la transition optique. Nous avons ensuite montré que lorsque la densité augmente, la réponse redevient locale. De plus, dans ce régime dense, l’interaction dipôle-dipôle résonnante engendre des déplacements de fréquences collectifs pour des ensembles sub-longueur d’onde. Nous avons démontré que ces shifts sont induits par la cavité formée par la cellule, clarifiant ainsi un débat de plus de 40 ans. Pour ce faire, nous avons développé un modèle pour extraire les effets de la densité déconvolués de ceux de la cavité. Proche des surfaces, la réponse optique des atomes est aussi impactée par l’interaction de van der Waals. Nous avons introduit une nouvelle méthode pour extraire avec précision la force de cette interaction. Nous avons également construit une nouvelle génération de nano-cellules super-polies en verre et enfin comparé les propriétés spectrales en transmission et spectroscopie hors d’axe.

Alkali vapors confined in nano-scale cells are promising tools for future integrated atom-based sensor. In this thesis, we investigate the interaction between light and an ensemble of atoms confined in a nano-geometry. We focus on the different processes that can modify the optical response of the atomic ensemble and possibly affect the sensitivity of a sensor based on that technology. First, we study the non-local response of atoms to a light excitation due the atomic motion in thermal vapors. When the distance over which the atoms relaxes is larger than the size of the cell, the optical response depends on the size of the system. We have observed that for transmission spectroscopy, this leads to a periodic modification of the optical response with a period equal to the wavelength of the optical transition. Subsequently we showed that when the density ofatom increases, the atomic response becomes local again. In this dense regime, the resonant dipole-dipole interaction in a sub-wavelength geometry leads to collective frequency shifts of the spectral lines. We demonstrate that these shifts were induced by the cavity formed by the cell walls, hence clarifying a long-standing issue. We developed a model to extract the density shifts deconvolved from the cavity effects. Close to a surface, the optical response is also affected by the van der Waals atom-surface interaction. We introduced a new method to extract precisely the strength of this interaction. We also developed a new generation of super-polished glass nano-cells and we presented promising spectroscopic signals. Finally, using these cells, we have compared transmission and off-axis spectroscopic techniques.; Les vapeurs atomiques confinées dans des cellules nanométriques constituent une plateforme intéressante pour la réalisation de senseurs atomiques. Dans cette thèse, nous étudions l’interaction entre la lumière et un ensemble d’atomes d’alcalins dans une telle cellule. Nous nous concentrons sur les phénomènes qui pourraient modifier la réponse optique du système et ainsi affecter la sensibilité du senseur. Premièrement, nous étudions la réponse non locale à la lumière induite par le mouvement des atomes dans la vapeur thermique. Quand la distance de relaxation des atomes excède la taille de la cellule, la réponse optique dépend de la taille du système. En transmission, nous avons montré que cela entraine une modification des propriétés de la vapeur avec une période égale à la longueur d’onde de la transition optique. Nous avons ensuite montré que lorsque la densité augmente, la réponse redevient locale. De plus, dans ce régime dense, l’interaction dipôle-dipôle résonnante engendre des déplacements de fréquences collectifs pour des ensembles sub-longueur d’onde. Nous avons démontré que ces shifts sont induits par la cavité formée par la cellule, clarifiant ainsi un débat de plus de 40 ans. Pour ce faire, nous avons développé un modèle pour extraire les effets de la densité déconvolués de ceux de la cavité. Proche des surfaces, la réponse optique des atomes est aussi impactée par l’interaction de van der Waals. Nous avons introduit une nouvelle méthode pour extraire avec précision la force de cette interaction. Nous avons également construit une nouvelle génération de nano-cellules super-polies en verre et enfin comparé les propriétés spectrales en transmission et spectroscopie hors d’axe.

For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented.; Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée.

For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented.; Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée.

It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity.; Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital.

It is known since the beginning of the 20th century that any medium shows a birefringence in the presence of atransverse magnetic field. This birefringence is usually known as the Cotton-Mouton effect. Concerning vacuum, whereas no non-linear effect is possible in the framework of classical physics due to the linearity of Maxwell's equations, the Cotton-Mouton effect is predicted in the framework of quantum electrodynamics (QED). This effect can be seen as the result of the interaction of the magnetic field with quantum vacuum fluctuations.The value of the vacuum magnetic birefringence predicted by QED is extremely small and its observation is an experimental challenge. To be able to observe it for the first time, a setup has been built at the High Magnetic Field National Laboratory in Toulouse, based on intense pulsed magnetic fields and a high finesse Fabry-Perot cavity. This manuscript describes the current status of the project, also known as the BMV project.; Depuis le début du 20ème siècle, il est connu que n'importe quel milieu devient biréfringent lorsqu'il est soumis à un champ magnétique transverse. Cette biréfringence est appelée effet Cotton-Mouton. Concernant le vide, alors qu'aucun effet non-linéaire n'est autorisé dans le cadre classique du fait de la linéarité des équations de Maxwell, l'effet Cotton-Mouton du vide est permis dans le cadre de l'électrodynamique quantique (QED). Celui-ci peut être vu comme le résultat de l'interaction entre le champ magnétique et les fluctuations du vide quantique.La biréfringence magnétique du vide prédite par la QED est extrêmement faible ce qui rend son observation particulièrement difficile. Pour tenter de l'observer, un dispositif expérimental de grande sensibilité a été mis en place au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse. Il est basé sur l'utilisation de champs magnétiques intenses pulsés et d'une cavité Fabry-Perot de très haute finesse. Ce manuscrit présente les avancées sur ce projet, connu sous le nom de projet BMV.

It is known since the beginning of the 20th century that any medium shows a birefringence in the presence of atransverse magnetic field. This birefringence is usually known as the Cotton-Mouton effect. Concerning vacuum, whereas no non-linear effect is possible in the framework of classical physics due to the linearity of Maxwell's equations, the Cotton-Mouton effect is predicted in the framework of quantum electrodynamics (QED). This effect can be seen as the result of the interaction of the magnetic field with quantum vacuum fluctuations.The value of the vacuum magnetic birefringence predicted by QED is extremely small and its observation is an experimental challenge. To be able to observe it for the first time, a setup has been built at the High Magnetic Field National Laboratory in Toulouse, based on intense pulsed magnetic fields and a high finesse Fabry-Perot cavity. This manuscript describes the current status of the project, also known as the BMV project.; Depuis le début du 20ème siècle, il est connu que n'importe quel milieu devient biréfringent lorsqu'il est soumis à un champ magnétique transverse. Cette biréfringence est appelée effet Cotton-Mouton. Concernant le vide, alors qu'aucun effet non-linéaire n'est autorisé dans le cadre classique du fait de la linéarité des équations de Maxwell, l'effet Cotton-Mouton du vide est permis dans le cadre de l'électrodynamique quantique (QED). Celui-ci peut être vu comme le résultat de l'interaction entre le champ magnétique et les fluctuations du vide quantique.La biréfringence magnétique du vide prédite par la QED est extrêmement faible ce qui rend son observation particulièrement difficile. Pour tenter de l'observer, un dispositif expérimental de grande sensibilité a été mis en place au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse. Il est basé sur l'utilisation de champs magnétiques intenses pulsés et d'une cavité Fabry-Perot de très haute finesse. Ce manuscrit présente les avancées sur ce projet, connu sous le nom de projet BMV.

National audience

Over the past 20 years, the RFID (Radio Frequency Identification) technology is having a huge expansion. Nowadays, it is frequently used in different areas as the health, the security and the logistic. A lot of researches are ongoing on this topic, especially in order to reduce the reading zone of the readers and to locate the tags. This thesis focuses on the development of new antennas for Readers RFID devices and is part of the SPINNAKER project supported by OSEO. The antennas requirements are circular polarization, high directivity and gain with low profile. The helix antennas meet all these requirements except the axial length. In this manuscript, we propose three solutions to reduce the helix antenna axial length. The first one uses a cylindrical or conical optimal reflector to reduce the length by four. This reduction affects directly the surface witch increases up to 2.3λ. The second solution uses the helix antenna as a circular polarization feed for a Fabry-Perot (FP) cavity. The final antenna presents a cavity height of 0.5λ and a 2λ diameter. The last solution conserves the FP cavity in which we include an Artificial Magnetic Conductor (AMC) to reduce the cavity height to 0.25λ. All these solutions are validated by measurements.; La technologie RFID (Radio Frequency Identification) prend une place de plus en plus importante dans la société d'aujourd'hui notamment dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité, la logistique... Le développement de cette technologie met en évidence de nouvelles contraintes comme la réduction des zones de lecture et la géo-localisation pour le stockage et le suivi de marchandises. Dans ce contexte, la thèse s'est focalisée sur le développement d'antennes pour lecteur RFID dans le cadre du projet SPINNAKER piloté par TAGSYS RFID et soutenu par OSEO. L'objectif de cette étude est de concevoir des antennes compactes et directives à polarisation circulaire en bande UHF et SHF. L'antenne hélice présente toutes ces caractéristiques à l'exception de la hauteur, très importante dès que l'on souhaite obtenir des performances élevées surtout en gain. Dans ce manuscrit, trois solutions sont proposées pour réduire la hauteur de l'antenne hélice tout en répondant aux cahiers des charges. La première solution consiste à utiliser un réflecteur de forme cylindrique ou conique qui permet de réduire la hauteur d'une antenne hélice classique d'un facteur quatre pour atteindre 0,9λ. La réduction de la hauteur se traduit par une augmentation de la surface autour de l'antenne avec une dimension latérale de 2,3λ. La seconde solution consiste à utiliser l'antenne hélice avec une cavité Fabry-pérot. La hauteur du système antennaire obtenue est de 0,5λ avec un diamètre de 2λ. La dernière solution développée dans la thèse introduit une surface CMA à la solution précédente qui permet de réduire la hauteur à 0,25λ. Toutes les solutions proposées ont été validées expérimentalement.

Over the past 20 years, the RFID (Radio Frequency Identification) technology is having a huge expansion. Nowadays, it is frequently used in different areas as the health, the security and the logistic. A lot of researches are ongoing on this topic, especially in order to reduce the reading zone of the readers and to locate the tags. This thesis focuses on the development of new antennas for Readers RFID devices and is part of the SPINNAKER project supported by OSEO. The antennas requirements are circular polarization, high directivity and gain with low profile. The helix antennas meet all these requirements except the axial length. In this manuscript, we propose three solutions to reduce the helix antenna axial length. The first one uses a cylindrical or conical optimal reflector to reduce the length by four. This reduction affects directly the surface witch increases up to 2.3λ. The second solution uses the helix antenna as a circular polarization feed for a Fabry-Perot (FP) cavity. The final antenna presents a cavity height of 0.5λ and a 2λ diameter. The last solution conserves the FP cavity in which we include an Artificial Magnetic Conductor (AMC) to reduce the cavity height to 0.25λ. All these solutions are validated by measurements.; La technologie RFID (Radio Frequency Identification) prend une place de plus en plus importante dans la société d'aujourd'hui notamment dans des domaines aussi variés que la santé, la sécurité, la logistique... Le développement de cette technologie met en évidence de nouvelles contraintes comme la réduction des zones de lecture et la géo-localisation pour le stockage et le suivi de marchandises. Dans ce contexte, la thèse s'est focalisée sur le développement d'antennes pour lecteur RFID dans le cadre du projet SPINNAKER piloté par TAGSYS RFID et soutenu par OSEO. L'objectif de cette étude est de concevoir des antennes compactes et directives à polarisation circulaire en bande UHF et SHF. L'antenne hélice présente toutes ces caractéristiques à l'exception de la hauteur, très importante dès que l'on souhaite obtenir des performances élevées surtout en gain. Dans ce manuscrit, trois solutions sont proposées pour réduire la hauteur de l'antenne hélice tout en répondant aux cahiers des charges. La première solution consiste à utiliser un réflecteur de forme cylindrique ou conique qui permet de réduire la hauteur d'une antenne hélice classique d'un facteur quatre pour atteindre 0,9λ. La réduction de la hauteur se traduit par une augmentation de la surface autour de l'antenne avec une dimension latérale de 2,3λ. La seconde solution consiste à utiliser l'antenne hélice avec une cavité Fabry-pérot. La hauteur du système antennaire obtenue est de 0,5λ avec un diamètre de 2λ. La dernière solution développée dans la thèse introduit une surface CMA à la solution précédente qui permet de réduire la hauteur à 0,25λ. Toutes les solutions proposées ont été validées expérimentalement.

In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses, En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm

In this thesis, we initiate the demonstration, at a reduced scale, of the feasibility of the almost-complete laser photodetachment of negative hydrogen ion beams in a Fabry-Perot optical cavity for future neutral beam injectors for the heating of fusion power plants plasmas.We develop a new method to measure a photodetachement cross section, the knowledge of which at the exciting wavelength is needed to scale the Fabry-Perot cavity, based on the observation of the saturation in a pulsed lighting regime. The analytical calculus of the detachment signal growth produced while illuminating a negative ion beam with a Gaussian laser pulse bring out a mathematical constraint on the required flux to pass through the saturated regime. This constraint is the signature of the transition toward the saturation for all experiment carried out in Gaussian beam and for all linear light-matter interaction processes. With this method, we measure the photodetachement cross section of H- at 1064 nm – selected wavelength for future neutral beam injectors – in slight disagreement with theoretical predictions.To reduce the technological requirement on the Fabry-Perot cavity and the laser, we study Landau resonances which appear in the photodetachement spectrum. Locking the laser on one of these resonances would allow increasing the photodetachment probability at a given flux.We also present our phosphorus, selenium and tin electron affinity measurements carried out with the photodetachment microscope. The photodetachment microscopy experiment of phosphorus is the first one where the neutral atom is left in an excited term.; Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d’un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d’une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d’onde d’excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l’observation de la saturation en régime d’éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l’accroissement du signal de détachement produit lors de l’éclairement d’un jet d’ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d’interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm – longueur d’onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres – en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S’asservir sur l’une de ces résonances permettrait d’augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l’étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l’atome neutre est laissé dans un terme excité.

The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.; La nécessité de prouver l’existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d’étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d’une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d’autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d’amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d’une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l’expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l’utilisation conjointe d’un laser à fibre optique et d’une cavité Fabry-Perot dans le cadre d’un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d’évolution pour le système dans une conclusion générale.

Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine., Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de laRelativité Générale. Elles sont des perturbations de l’espace-temps que lon essaie de mettre en évidence parinterférométrie laser. Plus précisément les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs kmde long combinés avec des cavités Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilité de linstrument. La premièregénération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n’a pas permis d’obtenir une détection directe malgré plusieursphases d’observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde g´enération de détecteurs estactuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo. Ce détecteur devraitavoir une sensibilité améliorée d’un ordre de grandeur par rapport à linterféromètre Virgo. Les miroirs del’interféromètre jouent un rôle primordial dans la sensibilité d’Advanced Virgo puisque celle-ci est limitéeà dans les fréquences médianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes fréquences par la quantitéde photons que lon arrive à collecter dans les cavités de linterféromètre. La haute puissance contenue dansles cavités Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette thèse s’intéresse dans unpremier temps aux effets de lentille thermique dans linterféromètre pour différentes configurations optiques.Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définitiondes besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirsdoit être sub-nanométrique de faon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi r´eduireles effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de laplanéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l’uniformité dudépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l’obtention de surface hautement réfléchissante avec enparticulier l’étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.

In this work, we present a metrology experiment whose goal is to measure the vacuum magnetic birefringence. It consists in measuring the ellipticity induced by a pulsed transverse magnetic field on a laser beam initially linearly polarized. This ellipticity is proportional to the square of the magnetic field, to the length of the optical path in the medium, and to its magnetic birefringence. In particular, quantum electrodynamics theory predicts a value for the birefringence of the vacuum that is extremely small; its measurement is thus an experimental challenge. This thesis presents the detailed characterization of the high precision ellipsometer. It combines a very high finesse Fabry-Perot cavity, on which is locked a Nd:YAG laser, with pulsed magnets delivering strong transverse magnetic field. We then show the results of our measurements of nitrogen Cotton-Mouton effect. These measurements allow us to precisely calibrate our experimental setup. A detailed error budget is given, and the the entirety of the systematic effects is identified. In the end we give the results of the first magnetic field pulses that have been carried out in vacuum, as well as the sensitivity of the experimental setup, and the improvements that have to be brought on it. We finally present a further work to this experiment, making an excursion beyond the Standard Model. We study the possibility of oscillations of photons into massive particles called axions. We particularly give the results of the "light shinning through the wall experiment" using X-rays and carried out at the ESRF of Grenoble.; Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

In this work, we present a metrology experiment whose goal is to measure the vacuum magnetic birefringence. It consists in measuring the ellipticity induced by a pulsed transverse magnetic field on a laser beam initially linearly polarized. This ellipticity is proportional to the square of the magnetic field, to the length of the optical path in the medium, and to its magnetic birefringence. In particular, quantum electrodynamics theory predicts a value for the birefringence of the vacuum that is extremely small; its measurement is thus an experimental challenge. This thesis presents the detailed characterization of the high precision ellipsometer. It combines a very high finesse Fabry-Perot cavity, on which is locked a Nd:YAG laser, with pulsed magnets delivering strong transverse magnetic field. We then show the results of our measurements of nitrogen Cotton-Mouton effect. These measurements allow us to precisely calibrate our experimental setup. A detailed error budget is given, and the the entirety of the systematic effects is identified. In the end we give the results of the first magnetic field pulses that have been carried out in vacuum, as well as the sensitivity of the experimental setup, and the improvements that have to be brought on it. We finally present a further work to this experiment, making an excursion beyond the Standard Model. We study the possibility of oscillations of photons into massive particles called axions. We particularly give the results of the "light shinning through the wall experiment" using X-rays and carried out at the ESRF of Grenoble.; Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

National audience; L'objectif du présent article est de démontrer l'efficacité de la technique de gravure par faisceau d'ions focalisés (FIB, Focused ion Beam) dans l'élaboration d'une cavité Fabry-Pérot formée par deux réflecteurs de Bragg (RBs) gravés à la surface d'un guide d'onde optique. Après réalisation, la cavité a été caractérisée au moyen d'un banc optique approprié. La courbe de transmission obtenue est en accord avec la fonction de transfert d'une cavité Fabry-Pérot

Refractive indices of electro-optic (EO) crystals (e.g. LiTaO3) have the particularity to be linearly dependent, via the Pockels' effect, on the magnitude of a unique component of an applied electric field. This nonlinear property makes those crystals good candidates to develop fully-dielectric made probes dedicated to non-invasive vectorial E-field measurements, as long as the E-field to be measured is strong enough. The poor sensitivity of those probes can be improved of several orders of magnitude using a Fabry-Pérot cavity. Unfortunately, the optical properties of the EO crystals depend also on the temperature involving temporal instability of the EO response of the probe under outdoor conditions.The EO transducer developed within the IMEP-LAHC laboratory, in association with the centre d'étude de Gramat, and described in this report, has permitted to perform the first simultaneous measurements of one E-field component and temperature with an accuracy of about 40 mK during several minutes under drastic experimental conditions. The EO transducer has a flat response over a bandwidth from quasi DC to 16 GHz, a spatial resolution of about 100 microns and selectivity better than 25 dB., Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain». Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

An interferometer with suspended mirrors converts gravitational waves, space-time metric perturbations, in photon time of flight variations between two inertial masses at rest.I describe the laser frequency stabilization setup to measure these time of flight variations. The obtained relative stability, in-loop, is 1e-21 on a 100 ms timescale. I show that the specifications are met. I study the stability conditions for a system with multiple servo loops.The Virgo optical resonant cavities are the elementary bricks to convert a gravitational wave. I study the properties of a Fabry-Perot cavity. I show how the properties can be measured in situ with the transfer function used to lock the cavity. Fabry-Perot cavities are reference oscillators. I list the possible perturbations that perturb the phase stability.; Un interféromètre à miroirs suspendus convertit les ondes gravitationnelles, perturbations de la géométrie de l'espace temps, en une variation de temps de vol d'aller-retour de photons entre deux masses inertielles au repos.J'ai réalisé l'asservissement en fréquence du laser pour mesurer ces variations de temps de vol. La stabilité relative de fréquence en boucle du laser est de 1e-21 sur 100 ms ; je montre que le système obtenu respecte les spécifications. J'étudie dans le mémoire les propriétés d'un système où les boucles d'asservissements sont imbriquées.Les cavités optiques résonnantes de l'interféromètre Virgo sont les éléments essentiels de la conversion d'une onde gravitationnelle. J'étudie l'ensemble des propriétés d'un oscillateur Fabry-Perot. Je montre comment elles peuvent être évaluées in situ à partir de mesures des fonctions de transfert utilisées pour leur verrouillage. Les cavités Fabry-Perot sont les oscillateurs de référence. Je fais un état des lieux de l'ensemble des perturbations susceptibles de perturber la stabilité de phase.

This thesis enters upon the localization and the handling of the light at the wavelength scale. The work initially concerned microcavities with high quality factors (Q) integrated on ridge waveguides relying on a substrate (SOI). Thanks to a mode engineering based on modes profiles adaptation, the optimization of mirrors permits us to achieve Q factors up to 60000 for a modal volume of 0,6 (lambda/n)3. Optical confinement could be observed by near-field microscopy and we showed that it was possible to control these cavities by a SNOM tip. Lastly, we investigate the slow modes approach by tackling theoretically the issue of the injection of light in slow modes.; Cette thèse porte sur la localisation et la manipulation de la lumière à l'échelle de la longueur d'onde. Les travaux ont d'abord porté sur des micro-cavités à grands facteurs de qualité (Q) intégrées sur des guides rubans reposant sur un substrat (SOI). L'optimisation des miroirs grâce à une ingénierie de mode basée sur l'adaptation des profils des modes, a permis d'obtenir des Q allant jusqu'à 60000 pour un volume modal de 0,6(lambda/n)3. Le confinement a pu être observé par microscopie en champ proche et nous avons montré qu'il était possible de contrôler ces cavités par une pointe SNOM. . Enfin, nous nous sommes intéressés aux modes lents en abordant de façon théorique l'injection efficace de la lumière dans un mode lent.

This thesis enters upon the localization and the handling of the light at the wavelength scale. The work initially concerned microcavities with high quality factors (Q) integrated on ridge waveguides relying on a substrate (SOI). Thanks to a mode engineering based on modes profiles adaptation, the optimization of mirrors permits us to achieve Q factors up to 60000 for a modal volume of 0,6 (lambda/n)3. Optical confinement could be observed by near-field microscopy and we showed that it was possible to control these cavities by a SNOM tip. Lastly, we investigate the slow modes approach by tackling theoretically the issue of the injection of light in slow modes.; Cette thèse porte sur la localisation et la manipulation de la lumière à l'échelle de la longueur d'onde. Les travaux ont d'abord porté sur des micro-cavités à grands facteurs de qualité (Q) intégrées sur des guides rubans reposant sur un substrat (SOI). L'optimisation des miroirs grâce à une ingénierie de mode basée sur l'adaptation des profils des modes, a permis d'obtenir des Q allant jusqu'à 60000 pour un volume modal de 0,6(lambda/n)3. Le confinement a pu être observé par microscopie en champ proche et nous avons montré qu'il était possible de contrôler ces cavités par une pointe SNOM. . Enfin, nous nous sommes intéressés aux modes lents en abordant de façon théorique l'injection efficace de la lumière dans un mode lent.

Les réseaux de diffraction sont largement utilisés dans le traitement optique de l'information. Toutefois, les applications nécessitent des efficacités de diffraction importantes, d'excellentes résolutions dans le domaine des fréquences spatiales et des temps de réponses appropriés à la fonction recherchée (grande durée de vie pour les mémoires, temps de réponses rapide pour les opérations de traitements de l'information...). Ces qualités étant difficiles à obtenir à l'aide des matériaux existants, une solution consiste à placer le matériau non-linéaire à l'intérieur d'une cavité Fabry-Pérot, avec le double avantage d'obtenir une efficacité de diffraction fortement accrue et une résolution dans le domaine des fréquences spatiales améliorée. Le mémoire rapporte comment l'utilisation d'un milieu intracavité amplificateur permet d'accroître encore davantage la puissance du faisceau diffracté, avec des efficacités de diffraction largement supérieures à l'unité. Les propriétés diffractives des réseaux d'indice et/ou de gain insérés dans un résonateur de Fabry-Pérot amplificateur de longueur supérieure ou égale à l'épaisseur du réseau sont analysées théoriquement et expérimentalement. Un modèle analytique a été élaboré et a permis de montrer l'immense potentiel de tels dispositifs, en terme de sélectivité angulaire et d'efficacité de diffraction, cette dernière pouvant être très largement supérieure à l'unité. Un dispositif expérimental a ensuite été conçu afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire intracavité est un cristal de Nd:YVO4. Le réseau est inscrit optiquement par absorption de la figure d'interférence de deux faisceaux d'écriture. La diffraction du signal de lecture est analysée autour de la double résonance de Bragg et de Fabry-Pérot, ainsi qu'à proximité de l'une ou de l'autre résonance séparément, afin de remonter aux propriétés diffractives du réseau. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par la cavité amplificatrice: l'efficacité de diffraction est augmentée d'un facteur 5000 et la sélectivité angulaire d'un facteur proche de 20. Ces résultats sont très encourageants pour une application de ce type de dispositif au traitement optique de l'information, surtout dans le cas où une très forte sortance est nécessaire.

The work carried out during this PhD focus on the fabrication and the investigation of an InP-based saturable absorber (SA) device for high bit rate all-optical reshaping. The principle of operation of this all-optical and passive device is based on the non-linear absorption of quantum well (QW) suitably inserted inside a Fabry-Perot microcavity. Besides its polarisation-insensitive operation and its response time compatible with the futures high bit rate signals, the SA device may process several wavelength simultaneously thanks to its large bandwidth, making it as a promising candidate for future low cost all-optical regenerator for high bit rate WDM links.Due to an optimised structure, we were able to make a device with a response time as short as the picoseconde and with a saturation fluence of only a few µJ/cm2. The experimental results allowed us to validate the SA-based microcavity autosaturation model developed during this work, as well as the one describing the SA device working at high bit rate by taking into account the important thermal effects.Thanks to its optimisation and to a better management of the thermal effect, we were able to demonstrate for the first time the extinction ratio enhancement of a 160 GHz signal (+6 dB on 8 nm bandwidth) and the reshaping of a 160 Gbits/s signal with a SA device. Finally, 2R regeneration results got from a recirculating loop experiment at 10 Gbits/s and 43 Gbits/s are also presented and show a factor enhancement of the propagation distance of 9.5 (on 13 nm) and of 6 respectively., Ce manuscrit est consacré à la réalisation et à l'étude d'un composant à base d'absorbants saturables (AS) sur InP pour la remise en forme de signaux optiques à très hauts-débits. Le fonctionnement de ce composant tout-optique et passif est basé sur la non-linéarité d'absorption de puits quantiques (PQ) insérés dans une microcavité Fabry-Perot. Outre son insensibilité à la polarisation et son temps de réponse compatible avec les futurs signaux à hauts-débits, le composant AS présente aussi une large bande passante (BP) lui permettant de traiter plusieurs longueurs d'onde simultanément, faisant de lui un bon candidat pour les futurs dispositifs de régénération tout-optique à faible coût pour les liaisons à hauts-débits multiplexés en longueur d'onde (WDM).Grâce à une structure optimisée, nous avons pu obtenir un composant avec un temps de réponse aussi court que la picoseconde et une fluence de saturation de seulement quelques µJ/cm2. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle de l'autosaturation des PQ en microcavité développé lors de cette thèse, ainsi que celui décrivant le fonctionnement du composant AS à hauts-débits et tenant compte des effets-thermique.Grâce à son optimisation et à une meilleure gestion des effets thermo-optiques, nous avons pu démontrer pour la 1iére fois l'amélioration du taux d'extinction de signaux à 160 GHz (+6 dB sur une BP de 8 nm) et la remise en forme à 160 Gbits/s par un composant AS. Enfin, des résultats de régénération 2R en boucle de recirculation à 10 Gbits/s et à 43 Gbits/s sont aussi présentés et montrent une amélioration de la distance de propagation de 9,5 (sur 13 nm) et de 6 respectivement.

Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications ; in the last few years their prospective use for space applications has been growing, fundamental physics experiments, geodesy...This work concerns the stable lasers for the LISA project; in view of the potential space application, many criteria- compactness, mechanical stability, robustness and reliability- must be satisfied.The possible references useful for the long term (iodine) and the short term (FP cavity) time intervals will be described together with their principal limitations. The discussion leading to their choice is coupled with the analysis of the stabilisation techniques to be implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer).Among the stabilisation techniques, the state of the art Pound-Drever-Hall (PDH) technique will be compared to the DC, active components poor Tilt Locking in the case of a monolithic Fabry-Perot reference.For each technique and each reference, the description of noise sources and the expected error signals will be shown trhough simulation. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques.The second part gives the schematic principles of the experiences and the results obtained for lasers stabilised on Fabry-Perot oscillators and molecular iodine. To calibrate the Fabry-Perot drifts, its resonance frequency will be measured vs. the molecular transition, this will coupled with analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference.Finally in the appendices details about noise order of magnitudes for LISA (leading to laser specification), a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations will be shown.; Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications ; in the last few years their prospective use for space applications has been growing, fundamental physics experiments, geodesy...This work concerns the stable lasers for the LISA project; in view of the potential space application, many criteria- compactness, mechanical stability, robustness and reliability- must be satisfied.The possible references useful for the long term (iodine) and the short term (FP cavity) time intervals will be described together with their principal limitations. The discussion leading to their choice is coupled with the analysis of the stabilisation techniques to be implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer).Among the stabilisation techniques, the state of the art Pound-Drever-Hall (PDH) technique will be compared to the DC, active components poor Tilt Locking in the case of a monolithic Fabry-Perot reference.For each technique and each reference, the description of noise sources and the expected error signals will be shown trhough simulation. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques.The second part gives the schematic principles of the experiences and the results obtained for lasers stabilised on Fabry-Perot oscillators and molecular iodine. To calibrate the Fabry-Perot drifts, its resonance frequency will be measured vs. the molecular transition, this will coupled with analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference.Finally in the appendices details about noise order of magnitudes for LISA (leading to laser specification), a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations will be shown.; Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

This work is in the scope of the present research concerning all-optical data processing in high-speed telecommunication networks. One possible way to provide all-optical data routing is spatial switching by holographic deflection. The deflection of picosecond laser pulses by the spatial modulation of the density of a photogenerated electron-hole plasma (due to the interference of two optical beams) is theoretically and experimentally studied. After describing the experimental setup and characterizing its performances, we present the results of diffraction experiments on two II-VI samples, CdZnTe (at a wavelength of 0,8micron) and HgCdTe (at a wavelength of 1,55micron). The first order diffraction efficiency amounts up to seven percent in the spectral domain of the Urbach tail of the two investigated semiconducting alloys. The experimental results are explained by a model based on the static screening of local electrical microfields inside the crystal due to LO phonons. Furthermore, diffraction in InGaAs / InGaAsP multiquantum wells embedded in a Fabry-Pérot cavity is investigated. The results are analyzed by a model which takes into account the cavity effects. These give rise to a diffraction enhancement, the limits of which are discussed. Finally, we present results of optical transmission modulation experiments on CdTe / CdZnTe multiquantum wells with an applied external electric field. It is shown that the photogenerated carriers screen the electric field. This gives rise to an absorption variation due to the extinction of the Stark effect in the multiquantum wells. Defining figures of merit, diffraction properties of all studied structures are compared.; Notre travail s'intègre dans les recherches actuelles sur la continuité optique du traitement et du transport de l'information. Une des techniques visant à assurer cette continuité optique consiste à réaliser une commutation de voies par déflexion holographique. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement la déflexion d'impulsions laser d'une durée voisine de 20 picosecondes par des réseaux photoinduits dans les semiconducteurs. Après avoir décrit et caractérisé les dispositifs expérimentaux, nous présentons les performances de deux matériaux massifs II-VI, CdZnTe (à la longueur d'onde 0,8micron) et HgCdTe (à la longueur d'onde 1,5micron). Dans le domaine spectral de la queue d'Urbach, l'efficacité de diffraction au premier ordre atteint sept pour cent pour les deux matériaux. L'ensemble des résultats expérimentaux est expliqué par un modèle basé sur l'écrantage statique des microchamps électriques locaux dus aux phonons LO. Dans un second temps, nous étudions les réseaux plasma photogénérés dans des puits quantiques InGaAs / InGaAsP inclus dans une cavité de Fabry-Pérot. Les résultats sont comparés à une modélisation prenant en compte les effets de cavité. Ceux-ci induisent une amplification du signal diffracté dont les limites sont discutées. Nous présentons enfin des résultats de modulation de transmission optique dans des puits quantiques CdTe / CdZnTe sous polarisation externe. Nous montrons que les porteurs photogénérés écrantent le champ électrique appliqué produisant ainsi une variation d'absorption par disparition de l'effet Stark dans les puits. Après avoir introduit des coefficients de mérite, nous comparons les performances des différentes structures.

Quantum noise is one of the main limitations for interferometric gravitational-wave (GW) detectors as Virgo and LIGO. Reducing quantum noise has a direct impact on the science reach of future GW detectors (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). Quantum noise originates from the quantum nature of light, especially from the vacuum fluctuations entering by the interferometer detection stage. The current injection of vacuum squeezed states (frequency-independent squeezing) into Virgo and LIGO leads to the quantum noise reduction in the spectral detection region corresponding to one of the two components of quantum noise. This so-called quantum shot noise is present at frequencies higher than 100 Hz. The other quantum noise component, the so-called quantum radiation pressure noise, manifests itself at lower frequencies. Shot noise arises from the uncertainty on the phase, while the latter arises from the uncertainty on the amplitude. Heisenberg's uncertainty principles induce that the shot noise reduction, thanks to the injection of vacuum squeezed states, results in a radiation pressure noise increase. This squeezed state of light can be depicted with an ellipse, representing the squeezed states in a phase-amplitude space, with inequal uncertainties for the phase and the amplitude. Nonetheless, during the data-taking period called O3, this subsequent noise increase started to degrade the Virgo and LIGO interferometers' sensitivities. To achieve a broadband reduction of quantum noise, it is necessary to inject a frequency-dependent squeezing inside the interferometer, i.e., injecting vacuum squeezed states in a frequency-dependent way, which will have a smaller uncertainty accordingly to the concerned quantum noise component. For the next upgrade of the current detectors Advanced Virgo and Advanced LIGO, called Advanced Virgo+ and Advanced LIGO+, frequency-dependent squeezing is obtained by adding a suspended 300-meter filter cavity, with very high finesse. My thesis engages in the development of squeezing techniques for quantum noise reduction in future GW detectors. First, I contributed to an experimental work based on the automation and the improvement of a frequency-independent squeezed vacuum source located on the Virgo site, at Pisa. This was a preparatory work for the conception of a table-top experiment to study a frequency-dependent squeezing technique, alternative compared to the one proposed previously and based on Einstein-Podolsky-Rosen entanglement. The theory being brought forward in 2017, this technique offers significant advantages for future GW detectors, due to the absence of an external cost-intensive filter cavity. In this framework, I participated to the realization of a complete optical design for this experimental demonstrator, that can be implemented into the detector Virgo. I designed, realized, and tested a monolithic Fabry-Perot cavity (a solid etalon), at the optical laboratory of APC, necessary for the separation and detection of two entangled beams. More precisely, this cavity was optically characterized and its thermal stabilization was evaluated, which allowed to check its performances.; Le bruit quantique est une des limitations principales des détecteurs interférométriques d'ondes gravitationnelles, comme Virgo et LIGO. Réduire le bruit quantique a un impact direct sur la portée scientifique des futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles (Advanced Virgo +, Advanced LIGO+, Einstein Telescope, Cosmic Explorer). L'origine du bruit quantique réside dans la nature quantique de la lumière, et en particulier dans les fluctuations du vide qui entrent par la sortie de l'interféromètre. Actuellement, l'injection d'états de vide comprimé (squeezing indépendant de la fréquence) dans Virgo et LIGO permet de réduire le bruit quantique dans la bande spectrale de détection correspondante à une des deux composantes de ce bruit, le bruit de photons, ou shot noise, pour des fréquences supérieures à environ 100 Hz. La pression de radiation, l'autre composante, se manifeste quant à elle à de plus basses fréquences. Le shot noise émane de l'incertitude sur la phase tandis que la pression de radiation, de l'incertitude sur l'amplitude. Le principe d'incertitude d'Heisenberg impose que la réduction du shot noise grâce à l'injection d'états du vide comprimé sur la phase, se traduise nécessairement par une augmentation de la pression de radiation. Cet état comprimé peut être représenté par une ellipse, illustrant l'état comprimé du vide dans l'espace phase-amplitude, où les incertitudes sur la phase et l'amplitude sont inégales. Cependant, cet effet a commencé à dégrader la sensibilité des interféromètres Virgo et LIGO, durant la prise de données appelée O3. Afin de réduire le bruit quantique sur toute la bande spectrale de détection (et donc aussi à basse fréquence), il est nécessaire d'introduire dans l'interféromètre un squeezing dépendant de la fréquence, c'est-à-dire un état du vide comprimé, tantôt sur l'amplitude et tantôt sur la phase, permettant de réduire à la fois la pression de radiation et le shot noise. Pour Advanced Virgo+ et Advanced LIGO+ (les projets d'améliorations en cours, pour les détecteurs actuels, appelés Advanced Virgo et Advanced LIGO), l'ajout d'une cavité de filtrage quantique suspendue de 300 mètres et avec une très grande finesse, permettra de réaliser ce squeezing dépendant de la fréquence. Ma thèse porte sur le développement de techniques de squeezing pour la réduction du bruit quantique dans les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles. J'ai d'abord contribué à un travail expérimental sur l'automatisation et l'amélioration d'une source de squeezing indépendant de la fréquence et situé sur le site de Virgo, à Pise. Ce travail préparatoire a été réalisé pour la conception d'un banc de démonstration pour l'étude d'une technique de squeezing dépendant de la fréquence, alternative à celle proposée ci-dessus et basée sur l'intrication quantique (de type Einstein-Podolsky-Rosen). Les fondements théoriques de ce squeezing EPR ayant été proposés en 2017, cette technique présente des avantages pour les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, notamment liés à l'absence de cavité de filtrage. Dans ce cadre, j'ai participé au design optique complet de cette expérience, qui pourra être implémentée sur le détecteur Virgo. J'ai conçu, réalisé et testé dans le laboratoire optique de l'APC, une cavité Fabry-Perot monolithique (de type étalon) nécessaire pour la séparation et la détection de deux faisceaux intriqués. Plus précisément, j'ai effectué des mesures de caractérisation optique et sur la stabilisation thermique de cette cavité, permettant de conclure sur les performances de cet étalon.

This thesis explores the properties of the transmission of light through subwavelength slits in metal films. Theoretical and experimental studies on the transmission through slits in metals are presented. In addition, the potential use of these slits for different applications is investigated. The theoretical aspect concentrates on the study of the transmission of light through slit arrays. It is observed that high transmission is due to the coupling of two modes: one whose properties depend on the slit geometry and the other one whose properties depend on the grating periodicity. To determine the exact nature of these hybrid modes an analytical model is derived. The simplified model gives accurate analytical expressions for the transmission and also for the dispersion relations of the hybrid modes responsible for high transmission. The dispersion relations give a clear picture of the role played by the different resonances in the transmission process. We find that the high transmission modes are hybrid in nature between that of a Fabry-Pérot mode and a surface plasmon polariton mode. These hybrid modes have either symmetric or antisymmetric profiles. These findings are important as they clarify the nature of the modes responsible for high transmission, and therefore can be useful as a design tool for metal gratings for various applications. The light transmission through single slits, slit and groove structures and slit arrays is optically characterized. Also, slit and groove structures covered by a thin dielectric layer are fabricated. With this type of structure, transverse electric (TE) polarized dielectric waveguide modes can be excited inside the dielectric film, which strongly increases the TE polarized transmission as compared to conventional slit and groove structures, which only gives high transmission for transverse magnetic (TM) polarization. These structures demonstrate an efficient way to enhance light transmission through subwavelength apertures as both TE and TM polarization can be efficiently transmitted. The transmission measurements for the different types of structures are compared with theory. This gives an idea of the validity of the theoretical tools considered, which is necessary to address the potential of subwavelength slits in metals for applications. Taking advantage of the theoretical and experimental work developed in this thesis, the use of slits in metals is considered for three different optical devices: biosensors, light emitting diodes and image sensors. In the case of biosensors, slit arrays whose optical transmission is highly sensitive to refractive index changes could be useful to design compact and portable sensors. Our work show that a high sensitivity to refractive index changes can be obtained in the case of suspended slit arrays. As an example, theoretically an adsorption of a 1.6 nm thick layer of bovine serum albumin on a slit array could provide a 3% intensity change. Slit arrays are also investigated for light emitting diodes in order to obtain transparent metal contacts. It is shown that light transmission through slit arrays on a high refractive index substrate, characteristic of light emitting diode, can be very efficient. Light can be extracted even for angles of incident larger than the critical angle due to grating coupling. Preliminary calculations show that a metal contact with arrays of slit can give twice the extraction efficiency of a planar GaP-air interface. Finally, slit arrays and slit and groove structures have been integrated as a post process onto pixels of image sensors. In the case of a pixel with a slit array, a polarization extinction ratio higher than 200 over a bandwidth of 200 nm is measured, which means that slit arrays can be used as very efficient micro-polarizers in view of polarization imaging. In the case of pixels with slit and groove structures, measurements show that the slit and groove structure could improve by a factor of eight the signal measured on the pixel. Such structure could be used to replace current optical systems or to improve device performances by increasing the signal to noise ratio and allowing polarization and colour selectivity.