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Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a coherent interaction process in which light is scattered from optically generated acoustic waves. It is a powerful tool for microwave and optical signal processing, distributed sensing and spectroscopy. Brillouin lasers are attracting a lot of interest for their ability to produce ultra coherent linewidths.This thesis is devoted to the understanding of noise properties of Brillouin fiber ring lasers, operating with multiple Stokes orders. First, we present a technique based on the cavity ringdown method, which allows to characterize the Brillouin gain coefficient directly from probing the laser cavity. Its advantages are to obtain parameters from a single experiment with low optical powers (some 10 milliwatts) for short cavities (a few meters long, or integrated cavities).Secondly, it is shown that an intrinsic linewidth of a few tens of mHz can be easily obtained by cascading two non-resonant Brillouin lasers (for which the pump performs a single pass inside the cavity). In order to obtain these results, the long-term stability has been improved by using a Pound-Drever-Hall servo loop, which allows us to compare our analytical and experimental results. Unfortunately, we were unable to explore the fundamental limits of noise reduction due to the noise floor of our bench.Thirdly, one of the major works of this thesis is the theoretical and experimental study of the noise properties, including frequency noise and relative intensity noise, of a resonant Brillouin laser (for which pump and Stokes waves are resonant inside the cavity). In particular, the impacts of the fiber-ring-cavity quality factor, Brillouin gain detuning, are evaluated very precisely on the laser RIN features such as amplitude noise reduction and relaxation frequency.We emphasize the fact that many characteristics of the frequency noise are related to the RIN properties by a coupling between intensity and phase. We show that the cascade process modifies the dynamics of the Brillouin laser when compared to those of a single-mode Brillouin laser with a single first-order Stokes component. Our experimental results are in excellent agreement with our numerical simulations, obtained thanks to our non-linear system describing the operation of a multi-Stokes Brillouin laser. This good match is mainly due to our ability:* to obtain very precise values of the cavity parameters and the Brillouin gain coefficient using the CRDM technique;* to achieve long-term stability (hours);* to finely control the detuning between the laser Stokes resonance and the frequency of the Brillouin gain maximum.We demonstrate experimentally for the first time that frequency noise is degraded in the presence of anti-Stokes Brillouin scattering. We also show that a gain detuning of the order of a few hundred kHz can degrade the intensity noise reduction or also increase the linewidth by amplitude-phase coupling. All these very fine observations thus allow us to set the fundamental limits of such laser systems such as: the increase in noise due to anti-Stokes orders; the role of pump noise and its possible interrelation with cavity finesse; the effect of the detuning inherent to higher Stokes orders.All these conclusions are key to the design and engineering of these Brillouin fiber lasers, which are currently attracting a great deal of interest as evidenced by the work in progress in the scientific community. This PhD thesis contributes to a better under-standing of multi-Stokes Brillouin lasers., La diffusion Brillouin stimulée (SBS) est un processus d’interaction cohérent, pour lequel la lumière est diffusée à partir des ondes acoustiques générées optiquement. C’est un outil puissant pour le traitement des micro-ondes et des signaux optiques, la détection distribuée et la spectroscopie. Les lasers Brillouin suscitent un très grand intérêt pour leur capacité à produire des largeurs de raie ultra cohérentes.Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés de bruit des lasers à fibre Brillouin en anneau, fonctionnant avec de multiples ordres de Stokes. Tout d’abord, nous présentons une technique basée sur la méthode de ringdown de la cavité, qui permet de caractériser le coefficient de gain Brillouin directement à partir du sondage de la cavité laser. Ses avantages sont d’obtenir des paramètres à partir d’une seule expérience avec de faibles puissances optiques (quelques 10 milliwatts) pour des cavités courtes (quelques mètres de long, ou cavités intégrées).Deuxièmement, il est démontré qu’une largeur de raie intrinsèque de quelques dizaines de mHz peut être facilement obtenue en cascadant deux lasers Brillouin non résonants (pour lesquels la pompe effectue un seul passage à l’intérieur de la cavité). Afin d’obtenir ces résultats, la stabilité à long terme a été améliorée en utilisant une boucle d’asservissement de type Pound Drever Hall, ce qui nous permet de comparer nos résultats analytiques et expérimentaux. Malheureusement, nous n’avons pas exploré les limites fondamentales de la réduction du bruit en raison du plancher de bruit de notre banc de mesure.Troisièmement, un des travaux majeurs de cette thèse est l’étude analytique et expérimentale des propriétés du bruit, y compris le bruit de fréquence et le bruit relatif d’intensité, d’un laser Brillouin résonant (pour lequel, les ondes de pompe et de Stokes sont résonantes à l’intérieur de la cavité). En particulier, les impacts du facteur de qualité de la cavité fibrée en anneau, le désaccord de gain Brillouin ont été évalués très précisément sur les caractéristiques du RIN du laser telles que la réduction de l’amplitude du bruit et la fréquence de relaxation.Nous soulignons le fait que de nombreuses caractéristiques du bruit de fréquence sont liées aux propriétés du RIN par un couplage entre l’intensité et la phase. Nous montrons que le processus en cascade modifie la dynamique du laser Brillouin par rapport à celle d’un laser Brillouin monomode avec une seule composante de Stokes de premier ordre. Nos résultats expérimentaux sont en excellent accord avec nos simulations, obtenues grâce à notre système non linéaire décrivant le fonctionnement d’un laser Brillouin multi-Stokes. Cette bonne concordance est principalement due à notre capacité :* à obtenir des valeurs très précises des paramètres de la cavité et du coefficient de gain Brillouin en utilisant la technique CRDM ;* à atteindre une stabilité à long terme (plusieurs dizaines d’heures) ;* à contrôler finement le désaccord entre la résonance de Stokes du laser et la fréquence du maximum de gain Brillouin.Nous démontrons expérimentalement pour la première fois que le bruit de fréquence est dégradé en présence d’une diffusion Brillouin anti-Stokes. Nous montrons également qu’un désaccord de gain de l’ordre de quelques centaines de kHz peut dégrader la réduction du bruit d’intensité ou également augmenter la largeur de raie par un couplage amplitude-phase. Toutes ces observations très fines nous permettent donc de fixer les limites fondamentales de tels systèmes laser comme : l’augmentation du bruit due aux ordres anti-Stokes ; le rôle du bruit de pompe et son interrelation possible avec la finesse de la cavité ; l’effet du désaccord inhérent aux ordres de Stokes plus élevés.Toutes ces conclusions sont les clés de la conception et de l’ingénierie de ces lasers à fibre Brillouin, qui suscitent actuellement beaucoup d’intérêt comme en témoignent les travaux en cours dans la communauté scientifique. Cette thèse de doctorat contribue à une meilleure compréhension des lasers Brillouin multi-Stokes.

This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.; Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs.

National audience; Un système de stabilisation de laser sur un résonateur à fort Q est présenté. Ce système présente la particularité de travailler sur le port d’absorption du résonateur et comporte également une boucle de réduction du bruit AM. Des résultats sont présentés sur le bruit de phase d’un laser à semiconducteur et d’un oscillateur optoélectronique tous deux stabilisés sur un résonateur fibré avec ce système. Le bruit de phase de la source optique ainsi obtenue est extrêmement faible.

During this doctoral work, we have designed, fabricated and characterised gallium arsenide (GaAs) optomechanical disk nano-resonators, in a cryogenic environment. These disks which bear highly coupled (g 0 ≈ MHz) GHz mechanical modes and telecom wavelength (λ ≈ 1550 nm) optical modes, show high mechanical (> 10^4 ) and optical (> 10^5 ) quality factors at 3 K. However, despite these state of the art performances, the optomechanical sideband cooling mechanism of the mechanical motion is not efficient enough to reach the quantum groundstate (less than 1 phonon in average). To determine the limiting factors, we have presented a systematical study of the mechanical dissipation channels and shown that two-level systems (TLS) at the surface of the material play a major role. We have also studied pulsed optical excitation of our resonators, in order to avoid absorption and thermal phenomena which limit the optomechanical cooling. We thus have underlined two main properties of the pulsed excitation : average injected optical power, and repetition period of the pulses with respect to the relaxation times of our systems. Alternative optical control schemes of the mechanical nanoresonators have emerged, which could be coupled to ultra-cold operation (T << 1 K).; Au cours de ce travail de thèse nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des nano-résonateurs optomécaniques à disques en arséniure de gallium (GaAs), en milieu cryogénique. Ces disques qui supportent à la fois des modes mécaniques vibrant au GHz et des modes optiques résonant à λ ≈ 1500 nm fortement couplés (g 0 ≈ MHz), présentent des facteurs de qualité élevés (> 10^4 pour la mécanique et > 10^5 pour l’optique, à 3 K). Malgré ces performances à l’état de l’art, le refroidissement optomécanique par bande latérale du mouvement n’est pas suffisamment efficace pour atteindre l’état fondamental quantique (moins d’1 phonon en moyenne). Nous avons étudié systématiquement les sources de dissipation mécanique qui limitent le refroidissement, et mis en évidence l’impact des systèmes à deux niveaux à la surface des nano-résonateurs. Nous avons également étudié l’excitation optique pulsée de nos systèmes, pour contourner les phénomènes absorptifs et thermiques qui contrecarrent le refroidissement, et fait ressortir deux propriétés importantes de l’excitation pulsée : la puissance optique moyenne injectée, et la période de répétition des pulses par rapport aux temps de relaxation du système. Des schémas alternatifs de contrôle optique des nano-résonateurs mécaniques émergent, qui pourraient être combinés avec une opération à ultra-basse température (<< 1 K).

During this doctoral work, we have designed, fabricated and characterised gallium arsenide (GaAs) optomechanical disk nano-resonators, in a cryogenic environment. These disks which bear highly coupled (g 0 ≈ MHz) GHz mechanical modes and telecom wavelength (λ ≈ 1550 nm) optical modes, show high mechanical (> 10^4 ) and optical (> 10^5 ) quality factors at 3 K. However, despite these state of the art performances, the optomechanical sideband cooling mechanism of the mechanical motion is not efficient enough to reach the quantum groundstate (less than 1 phonon in average). To determine the limiting factors, we have presented a systematical study of the mechanical dissipation channels and shown that two-level systems (TLS) at the surface of the material play a major role. We have also studied pulsed optical excitation of our resonators, in order to avoid absorption and thermal phenomena which limit the optomechanical cooling. We thus have underlined two main properties of the pulsed excitation : average injected optical power, and repetition period of the pulses with respect to the relaxation times of our systems. Alternative optical control schemes of the mechanical nanoresonators have emerged, which could be coupled to ultra-cold operation (T << 1 K).; Au cours de ce travail de thèse nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des nano-résonateurs optomécaniques à disques en arséniure de gallium (GaAs), en milieu cryogénique. Ces disques qui supportent à la fois des modes mécaniques vibrant au GHz et des modes optiques résonant à λ ≈ 1500 nm fortement couplés (g 0 ≈ MHz), présentent des facteurs de qualité élevés (> 10^4 pour la mécanique et > 10^5 pour l’optique, à 3 K). Malgré ces performances à l’état de l’art, le refroidissement optomécanique par bande latérale du mouvement n’est pas suffisamment efficace pour atteindre l’état fondamental quantique (moins d’1 phonon en moyenne). Nous avons étudié systématiquement les sources de dissipation mécanique qui limitent le refroidissement, et mis en évidence l’impact des systèmes à deux niveaux à la surface des nano-résonateurs. Nous avons également étudié l’excitation optique pulsée de nos systèmes, pour contourner les phénomènes absorptifs et thermiques qui contrecarrent le refroidissement, et fait ressortir deux propriétés importantes de l’excitation pulsée : la puissance optique moyenne injectée, et la période de répétition des pulses par rapport aux temps de relaxation du système. Des schémas alternatifs de contrôle optique des nano-résonateurs mécaniques émergent, qui pourraient être combinés avec une opération à ultra-basse température (<< 1 K).

International audience; Optical nanoantennas are studied to manipulate light and enhance light matter interactions. Here, we experimentally demonstrate the optical Helmholtz resonance in a metallic slit-box structure, which is predicted to be harmonic and to enhance the electric field intensity by several orders of magnitude. It is fabricated thanks to a two step electron beam lithography process, between which the box was filled with benzocyclobutene (BCB). Up to 80% of the light is absorbed at a λ = 2.84 μm wavelength under a beam focused by a Cassegrain objective (NA = 0.4), even if the dimensions of this resonator are deeply subwavelength for both the slit (width λ/55 and height λ/77) and the box (width λ/7 and height λ/37). As expected from the inductance nature of the box, the optical properties of the BCB filling the box have no influence on the resonance behavior.

I report in this manuscript a theoretical and experimental study of a compact, reliable and low cost source of 30 Hz linewidth, continuous and coherent electromagnetic waves tunable from 1 GHz to 500 GHz in steps of 1 GHz. These waves are generated by photomixing two distributed feedback (DFB) laser diodes at 1550 nm which are frequency stabilized with orthogonal polarizations on the same optical fibered Fabry-Perot cavity. I have designed very fast electronic control filters for each laser allowing a 7 MHz servo bandwidth limited by the loop length. I demonstrate phase noise suppressions down to -60 dBc/Hz at 1 kHz and -90 dBc/Hz at 100 kHz offset frequencies from a 92 GHz electrical carrier. I also measure a ~170 kHz frequency drift of the beat note at 10 GHz on the long term over a continuous 7.5 hour locking period. I show an optimized design of an integrated servo loop of few tens of cm length which reduces the phase noise by 18 dB at 1 MHz optical carrier offset frequency and the phase-amplitude couplings in the cavity by a factor of 50 compared to the experimental one. The addition of a third DFB laser phase stabilized on a local oscillator allows the possibility to have continuously tunable source over 1 THz. The continuous wave source also makes it possible to generate fixed repetition rate pico- or femtosecond pulses from highly non-linear and dispersive fibers, replacing the DFB lasers by further stable lasers. I have calculated by simulation 7.2 fs temporal jitter at 40 GHz repetition rate over a 1 ms integration time., Je rapporte dans ce manuscrit une étude théorique et expérimentale d’une source compacte, fiable et bas coût d’ondes électromagnétiques continues et cohérentes de 30 Hz de largeur de raie, accordables de 1 GHz à 500 GHz par pas de 1 GHz. Ces ondes sont générées par un photo-mélange de deux diodes lasers DFB (Distributed Feedback) très accordables autour de 1550 nm, stabilisées avec des polarisations orthogonales sur une même cavité Fabry-Perot optique fibrée. J’ai conçue des électroniques de correction très rapides pour chaque laser permettant d’avoir une bande passante d’asservissement de 7 MHz limitée par la longueur de la boucle. Je démontre des suppressions de bruit de phase jusqu’à -60 dBc/ Hz à 1 kHz et de -90 dBc/Hz à 100 kHz d’écart d’une porteuse électrique à 92 GHz. Je mesure aussi une dérive de fréquence de ~170 kHz d’un battement à 10 GHz à long terme sur 7,5 heures de verrouillage continu. Je montre une conception optimisée d’une boucle d’asservissement intégrée de quelques dizaines de cm de longueur qui réduit le bruit de phase de 18 dB à 1 MHz d’écart à la porteuse optique et des couplages phase-amplitude réduits dans la cavité d’un facteur 50 par rapport à ceux estimés expérimentalement. L’ajout d’un troisième laser DFB stabilisé en phase sur un oscillateur local permettrait d’avoir une source continûment accordable sur 1 THz. La source d’ondes continues permettrait également de générer à partir de fibres hautement non linéaires et dispersives des impulsions pico- ou femtosecondes à un taux de répétition fixe en remplacement les lasers DFB par des lasers plus stables. Je calcule par simulation une gigue temporelle de 7,2 fs sur un temps d’intégration de 1 ms à 40 GHz de taux de répétition.

National audience; Une synthèse des travaux sur les oscillateurs électro-optiques est présentée, en particulier ceux menés ces dernières années en France dans le cadre de différents consortiums de recherche. Les résultats obtenus sont comparés aux alternatives existantes en hyperfréquences.

National audience; L'objectif de cet article est de présenter une technique de métrologie permettant de mesurer la fonction de transfert complexe d'un résonateur optique fibré avec une résolution de l'ordre du Hz. L'interprétation des résultats expérimentaux par une modélisation analytique simple démontrera la faculté d'acquérir les différentes caractéristiques et le régime de couplage du résonateur mesuré.

International audience; Fabry–Perot (FP)-like resonances have been widely described in nanoantennas. In the original FP resonator, a third mirror can be added, resulting in a multimirror interferometer. However, in the case of a combination of nanoantennas, it has been reported that each cavity behaves independently. Here, we evidence the interferences between two FP absorbing nanoantennas through a common mirror, which has a strong impact on the optical behavior. While the resonance wavelength is only slightly shifted, the level of absorption reaches nearly 100%. Moreover, the quality factor increases up to factor 7 and can be chosen by geometric design over a range from 11 to 75. We demonstrate, thanks to a simple analytical model, that this coupling can be ascribed to a double FP cavity resonance, with the unique feature that each cavity is separately coupled to the outer medium.

National audience; Cette communication présente un bilan de travaux menés en France dans le domaine des oscillateurs optoélectroniques. Plusieurs topologies sont comparées, utilisant des lignes à retard, des résonateurs fibrés actifs et passifs, et des résonateurs à modes de galerie.

This work focuses on the study of optical properties of fluids at the micrometer scale. To this end, we designed, implemented and studied different types of optofluidic micro- resonators in the Lab-on-Chip format. Our analysis is based on analytical and numerical modeling, as well as experimental measurements conducted on optical microcavities; we use one of them for refractometry applications on homogeneous fluids and on complex fluids, as well as for the localization of solid microparticles by optical trapping. We first focused on the study of a new form of Fabry-Perot micro-cavity based on curved mirrors between which a capillary tube is inserted for injecting a fluidic solution. Experimental results demonstrated the ability of this device to be used as a refractometer with a detection limit of 1.9 × 10-4 RIU for homogeneous liquids. Furthermore, for liquid containing solid particles, the ability to control the microparticles position either by optical trapping or optical binding effects has been successfully demonstrated. In a second step, an optical resonator is simply formed from a liquid droplet placed on top of a superhydrophobe surface. The resulting quasi-spherical shape supports resonant whispering gallery modes. It is shown that, up to millimeter size droplets, the proposed technique of free-space coupling of light is still able to access these modes with very low evanescent tail interaction, contrary to what was indicated in the literature so far. Such optofluidic droplet resonators are expected to find their applications for environmental air quality monitoring, as well as for incubator of living micro-organisms that can be monitored optically, Ce travail porte sur l'étude de propriétés optiques des fluides à échelle micrométrique. A cet effet, nous avons conçu, réalisé et étudié différents types de micro-résonateurs optofluidiques, sous forme de laboratoires sur puce. Notre analyse est fondée sur la modélisation analytique et numérique, ainsi que sur des mesures expérimentales menées sur des micro-cavités optiques; nous utilisons l'une d'entre elles pour des applications de réfractométrie de fluides homogènes et de fluides complexes ainsi que pour la localisation par piégeage optique de microparticules solides. Nous nous sommes d'abord concentrés sur l'étude d'une nouvelle forme de micro-cavité Fabry-Pérot basée sur des miroirs courbes entre lesquels est inséré un tube capillaire permettant la circulation d'une solution liquide. Les résultats expérimentaux ont démontré la capacité de ce dispositif à être utilisé comme réfractomètre avec un seuil de détection de 1,9 × 10-4 RIU pour des liquides homogènes. De plus, pour un liquide contenant des particules solides, la capacité de contrôler la position des microparticules, par des effets de piégeage optique ou de liaison optique, a été démontrée avec succès. Dans un second temps, un résonateur optique est formé simplement à partir d'une goutte de liquide disposée sur une surface super-hydrophobe. La forme quasi-sphérique résultante est propice à des modes de galerie. Il est démontré que, jusqu'à des tailles de gouttelettes millimétriques, la technique de couplage en espace libre est toujours en mesure d'accéder à ces modes à très faible queue évanescente d'interaction, contrairement à ce qu'indiquait jusqu'ici la littérature. De tels résonateurs optofluidiques à gouttelette devraient trouver leur application notamment comme capteur d'environnement de l'air ambiant ou encore comme incubateur de micro-organismes vivants pouvant être suivis par voie optique

This thesis work focuses on the design, fabrication and measurement of Gallium Arsenide (GaAs) nano-optomechanical disk resonators. These disks are both GHz frequency mechanical resonators, and high Q (>10^5) optical whispering gallery mode resonators. By confining optical and mechanical energy on a sub-µm^3 volume, they enable extremely large optomechanical coupling strengths (g0>1 MHz). We present the technological developments which enabled the integration of these resonators with optical coupling waveguides directly on a semiconductor chip, while maintaining state of the art performance. We discuss the different optomechanical coupling mechanisms (radiation pressure, photoelasticity) in GaAs disks, as well as the sources of optical and mechanical dissipation in these resonators. We present as well optomechanical experiments in air and in a cryostat at low temperature, which go from the measurement of Brownian motion and the observation of dynamical back-action, to the first attempts to approach the quantum regime of mechanical displacement. Finally, we present an additional nano-optomechanical development carried out on the silicon nitride (SiN) platform, which lead to the fabrication of high Q on-chip whispering gallery mode resonators. After the study of the optical instability and self-pulsing dynamics of these resonators, we present the first signatures of dissipative optomechanical coupling in these systems., Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.

National audience; Une étude portant sur la réalisation de résonateurs et de techniques de couplage de ces résonateurs à des guides d'onde sur substrat verre et silicium est présentée. Ces résonateurs sont de deux types différents : report de sphère de SiO2 sur substrat hôte ou réalisation de résonateurs bidimensionnels circulaires à l'aide des structures guidantes étudiées pour le couplage de la sphère. Les problématiques liées au choix des matériaux sont décrites, du point de vue de la technologie et de leurs propriétés optiques.

The classical structure of an Opto-Electronic Oscillator (OEO) is based on a long fiber loop acting as a delay line and leading to the high spectral purity, or very low phase noise, of the oscillator. Such an OEO has been developed in SATIE/LPQM laboratory at ENS Cachan, operating at 8 GHz frequency. However, this system has some main disadvantages such as a bulky size, the difficulty to control temperature and a wide range of peaks among which it is difficult to select only one mode. In order to eliminate these disadvantages, high quality factor optical resonator can be used instead of the optical fiber loop. In this thesis, two resonator structures are produced and investigated. Microspheres are fabricated based on optical single mode fiber. Whispering gallery modes of these resonators are characterized by tapered fiber –resonator coupling. The experimental results show that the quality factor of the microsphere is up to 106 and FSR depends on the diameter of the resonator. A microsphere with a diameter of 300 µm, presents a FSR of 0.2 nm corresponding to a frequency of 25 GHz. However, for an OEO system which should work at 8 GHz, microsphere with a smaller FSR or with diameter of some millimeters should be fabricated- that is really difficult to obtain. Another add/drop racetrack resonator is designed and investigated. Optical experimental behavior of racetrack is characterized via fiber micro-lens coupling. The transmission spectrum shows resonance dips with average quality factor of 105 and a small FSR of 0.050 ± 0.003 nm (actually corresponding to 6 GHz) for a scanning wavelength range from 1534 nm to 1610 nm. The most promising features of the racetrack resonator are its high quality factor, and its free spectral range, which give it the high suitability for being used in the OEO system. Nevertheless the coupling with fiber lens leads to high losses and it is not possible to fulfill the oscillation conditions. Future work should be conducted for improving the coupling and for controlling the resonance dips position in agreement with the wavelength of the laser used in the OEO., La structure traditionnelle d'un oscillateur optoélectronique (OEO) s'appuie sur une boucle de fibre optique très longue, servant de ligne à retard et lui conférant la grande pureté spectrale, ou le très faible bruit de phase de l'oscillateur. Un tel oscillateur fonctionnant à la fréquence de 8 GHz a été mis en œuvre aux laboratoires SATIE/LPQM de l'ENS Cachan. Néanmoins un tel système présente des inconvénients comme les dimensions un peu grandes, la difficulté de contrôler la température et un large peigne de fréquences parmi lequel il est difficile d'extraire un seule mode. Il est en fait possible d'éliminer ses inconvénients en remplaçant la boucle de fibre par un micro-résonateur optique de grand facteur de qualité. Dans cette thèse deux types résonateurs ont été fabriqués et étudiés. Des microsphères ont été fabriquées à partir de fibres optiques de fibres optiques monomodes. Les modes de galeries de ces résonateurs sont caractérisés grâce à couplage avec une fibre effilée. L'étude expérimentale met en évidence un facteur de qualité pouvant atteindre une valeur de 106 et un intervalle spectral libre (FSR) dépendant du diamètre de la sphère. Ainsi pour un diamètre de 300 µm on obtient un FSR de 0,2 nm soit 25 GHz en fréquence. Mais pour un OEO fonctionnant à la fréquence de 8 GHz il faudrait un FSR plus petit et donc une sphère dont le diamètre serait de taille millimétrique, donc très difficile à fabriquer. Un autre type de résonateur, en forme d'hippodrome, a été conçu et étudié. L'étude expérimentale a été conduite par un couplage avec de fibres lentillées. Le spectre en transmission présente des pics de résonances avec un facteur de qualité moyen de 0,050 ± 0.003 nm (correspondant en fait à 6 GHz) sur une plage de longueurs d'onde allant de 1534 nm à 1610 nm. Les caractéristiques les plus intéressantes de ce résonateur en forme d'hippodrome sont un facteur de qualité élevé et un intervalle spectral libre tout à fait en accord avec les besoins de l'OEO étudié. Néanmoins le couplage avec les fibres lentillées induit des pertes optiques trop importantes pour satisfaire aux conditions d'oscillations. Les travaux futurs devront porter sur l'amélioration du couplage ainsi que sur l'asservissement des pics de résonnance du micro-résonateur sur la longueur d'onde du laser employé dans l'OEO.

In this thesis, we study several methods to improve atom interferometers. In the first part of the manuscript, we analyze how a nondestructive detection, that preserves the coherence between the internal degrees of freedom in an atomic ensemble, can be used to increase the sensitivity of interferometers. We first theoretically show how the projection of the wave-function induced by the measurement prepares spin-squeezed states. We then present the implementation of this method with a detection based on the frequency modulation spectroscopy. Finally, some first applications are described, more explicitly we show how to implement a quantum feedback that preserve the atomic state against the decoherence induced by a random collective flip, we also introduce a phase-locked loop where the atomic sample is used as the phase reference. In the second part of the manuscript, we present the all-optical realization of a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity using a laser system based on standard telecoms technologies. We first describe the resonator and the frequency lock of the laser on the resonance, in particular, we introduce a new stabilization method based of the serrodyne modulation. Finally, we show how the condensate is obtained from the evaporation in the cavity mode.; Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.

The classical structure of an Opto-Electronic Oscillator (OEO) is based on a long fiber loop acting as a delay line and leading to the high spectral purity, or very low phase noise, of the oscillator. Such an OEO has been developed in SATIE/LPQM laboratory at ENS Cachan, operating at 8 GHz frequency. However, this system has some main disadvantages such as a bulky size, the difficulty to control temperature and a wide range of peaks among which it is difficult to select only one mode. In order to eliminate these disadvantages, high quality factor optical resonator can be used instead of the optical fiber loop. In this thesis, two resonator structures are produced and investigated. Microspheres are fabricated based on optical single mode fiber. Whispering gallery modes of these resonators are characterized by tapered fiber –resonator coupling. The experimental results show that the quality factor of the microsphere is up to 106 and FSR depends on the diameter of the resonator. A microsphere with a diameter of 300 µm, presents a FSR of 0.2 nm corresponding to a frequency of 25 GHz. However, for an OEO system which should work at 8 GHz, microsphere with a smaller FSR or with diameter of some millimeters should be fabricated- that is really difficult to obtain. Another add/drop racetrack resonator is designed and investigated. Optical experimental behavior of racetrack is characterized via fiber micro-lens coupling. The transmission spectrum shows resonance dips with average quality factor of 105 and a small FSR of 0.050 ± 0.003 nm (actually corresponding to 6 GHz) for a scanning wavelength range from 1534 nm to 1610 nm. The most promising features of the racetrack resonator are its high quality factor, and its free spectral range, which give it the high suitability for being used in the OEO system. Nevertheless the coupling with fiber lens leads to high losses and it is not possible to fulfill the oscillation conditions. Future work should be conducted for improving the coupling and for controlling the resonance dips position in agreement with the wavelength of the laser used in the OEO., La structure traditionnelle d'un oscillateur optoélectronique (OEO) s'appuie sur une boucle de fibre optique très longue, servant de ligne à retard et lui conférant la grande pureté spectrale, ou le très faible bruit de phase de l'oscillateur. Un tel oscillateur fonctionnant à la fréquence de 8 GHz a été mis en œuvre aux laboratoires SATIE/LPQM de l'ENS Cachan. Néanmoins un tel système présente des inconvénients comme les dimensions un peu grandes, la difficulté de contrôler la température et un large peigne de fréquences parmi lequel il est difficile d'extraire un seule mode. Il est en fait possible d'éliminer ses inconvénients en remplaçant la boucle de fibre par un micro-résonateur optique de grand facteur de qualité. Dans cette thèse deux types résonateurs ont été fabriqués et étudiés. Des microsphères ont été fabriquées à partir de fibres optiques de fibres optiques monomodes. Les modes de galeries de ces résonateurs sont caractérisés grâce à couplage avec une fibre effilée. L'étude expérimentale met en évidence un facteur de qualité pouvant atteindre une valeur de 106 et un intervalle spectral libre (FSR) dépendant du diamètre de la sphère. Ainsi pour un diamètre de 300 µm on obtient un FSR de 0,2 nm soit 25 GHz en fréquence. Mais pour un OEO fonctionnant à la fréquence de 8 GHz il faudrait un FSR plus petit et donc une sphère dont le diamètre serait de taille millimétrique, donc très difficile à fabriquer. Un autre type de résonateur, en forme d'hippodrome, a été conçu et étudié. L'étude expérimentale a été conduite par un couplage avec de fibres lentillées. Le spectre en transmission présente des pics de résonances avec un facteur de qualité moyen de 0,050 ± 0.003 nm (correspondant en fait à 6 GHz) sur une plage de longueurs d'onde allant de 1534 nm à 1610 nm. Les caractéristiques les plus intéressantes de ce résonateur en forme d'hippodrome sont un facteur de qualité élevé et un intervalle spectral libre tout à fait en accord avec les besoins de l'OEO étudié. Néanmoins le couplage avec les fibres lentillées induit des pertes optiques trop importantes pour satisfaire aux conditions d'oscillations. Les travaux futurs devront porter sur l'amélioration du couplage ainsi que sur l'asservissement des pics de résonnance du micro-résonateur sur la longueur d'onde du laser employé dans l'OEO.

The work presented in this PhD dissertation details the strategy adopted to build two non-linear laser sources that are widely in the mid-infrared and blue-UV spectral ranges. These laser sources are needed for the traceability to SI units of coherent light irradiance measurements using a cryogenic radiometer of the using cryogenic radiometer of the Laboratoire commun de métrologie (LCM) .The infrared laser source is an optical parametric oscillator (OPO) resonating on the pump and signal wavelengths (PRSRO) and employing a periodically poled Lithium Niobate non-linear crystal doped with 5% magnesium oxide (ppMgCLN). The PRSRO is pumped by a single-frequency tunable bow-tie ring cavity Titanium-Sapphire laser (Ti:Al2O3) delivering 500 mW output power at 795 nm wavelength, , resulting in a power oscillation threshold of 110 mW. The PRSRO emission could continuously cover the spectral range from 1 µm to 3.5 µm. The level of output power achieved is of the order of 1 mW for the signal wave (1 µm to 1.5 µm) and between 20 mW and 50 mW for idler wave spanning an octave wavelength range (1.7 µm to 3.5 µm).The UV source based on the second harmonic generation on the Titanium-Sapphire tunable laser using an external enhancement cavity containing a critically phase-matched LBO non linear crystal (LiB3O5). Temperature-tuning of the phase-matching condition at a fixed crystal orientation leads to a wide tunability from 390 nm to 405 nm wavelength. The external cavity optical pathlength was actively locked to the laser frequency using a¨Pound-Drever-Hall servo, allowing to extract up to 6 mW power at 400 nm wavelength with a 480 mW pump power. Despite a perfect mode-matching efficiency, the power performance was limited by the poor nonlinear impedance matching of the resonator, due to both the weak nonlinearity of the crystal and the low incoming laser power.; L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines IR et UV, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie (LCM). La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5% d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 µm et 3.5 µm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du mW pour l'onde signal (1 µm à 1.5 µm) et des puissances comprises entre 20 à 50 mW pour l'onde complémentaire couvrant un octave de longueur d'onde IR entre 1.7 µm et 3.5 µm. La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5.64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale.

The absorption Spectroscopy technique based on the measure of the free photon lifetime trapped inside a high-finesse optical cavity, also known as Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS), is among the most sensitive optical diagnostic tools. The « mode matched » cavity excitation using a continuous wave laser quickly and continuously swept (~4 THz.s-1 during ~2 ms), i.e. the high-speed monomode cw-CRDS, ensures to the technique its best performances in terms of detection limit “with however the drawback” data-points separated by the Free Spectral Range of the resonator (FSR=c/2L) : then, probing low pressure samples demand long cavities. This original study proposes to take advantage of the resonator's transverse mode structure and then to make possible the high-speed cw-CRDS device miniaturization. The fractionally degenerated cavity multimode excitation (also called "magic length” resonator) is presented here. It provides a wide spectral sampling improvement proportional to the employed reentrant order N. We are developing and testing two multimode cavity injections schemes. The first one is axial while the other one is reentrant, also said to be an off-axis excitation injection of such cavities and we examine the main differences. A detailed investigation of the intracavity field at the N resonances fractioning the FSR is proposed, explaining the detection limits observation associated to these two slightly distinct multimode injection schemes. A second part of this work is dedicated to the detailed characterization of intracavity patterns, which are created in off-axis injection when the cavity has an inbuilt weak astigmatism (ΔR/R~2 %) : referred as Lissajous profile. This study allows accounting for the fundamental mechanisms, such as the particular coincidence of particular modes by modal dispersion, which result in a millimeter degenerate interval. It exists inside this one a succession of symmetrical Lissajous transverse profiles from each other on both sides around a particular cavity length : we specify the causes. The residual astigmatism, highlighted here, explains the disappearance of the Doppler oscillations, usually present during the ring down decays in these high-fineness cavity injection dynamics. Finally, we develop several types of non-resonant multipass cells as an alternative to the CRDS device for a hostile environments analysis.; La spectroscopie d'absorption par mesure du temps de vie des photons piégés dans une cavité optique haute-finesse, ou Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS), compte parmi les outils de diagnostic optique les plus sensibles. L'excitation « mode matchée » d'un laser continu rapidement et continûment balayé (~4 THz.s-1 durant ~2 ms), i.e. la cw-CRDS monomode rapide, garantit à la technique ses meilleures performances en termes de limites de détectivité avec, en contrepartie, des points de mesures séparés de l'Intervalle Spectral Libre du résonateur (ISL=c/2L) : le dosage d'environnements basse pression requiert de longues cavités. Cette étude originale propose de mettre à profit la structure transverse du résonateur afin de rendre possible la miniaturisation du dispositif de cw-CRDS rapide. L'excitation multimode d'une cavité fractionnellement dégénérée (dite de taille « magique »), ici présentée, permet de bénéficier d'un gain d'échantillonnage spectral qui vaut l'ordre réentrant N employé. Nous développons deux schémas d'injection multimode : l'injection multimode axiale et l'injection multimode réentrante, dite dans ce dernier cas hors de l'axe optique, de telles cavités et nous en étudions les principales différences. Une étude détaillée du champ intracavité existant aux N résonances constitutives de l'ISL est proposée afin de rendre compte des limites de détectivités associées à ces deux schémas d'injection multimode sensiblement distincts. Une seconde partie de ce travail de thèse est dédiée à caractériser de façon approfondie l'observation des profils spatiaux intracavités formés en injection hors axe lorsque la cavité souffre d'un faible astigmatisme (ΔR/R~2 %) : on parle de profil de Lissajous. Cette étude rend compte des mécanismes fondamentaux, telle la coïncidence particulière de modes particuliers par dispersion modale, qui aboutissent en un intervalle millimétrique de dégénérescence. Celui-ci est le siège d'une succession de profils transverses de Lissajous symétriques les uns des autres de part et d'autre d'une taille particulière de cavité : nous en précisons les causes. Le résiduel astigmatisme ainsi mis en évidence et mesuré permet, en outre, d'expliquer la disparition des oscillations Doppler normalement présentent en début de décroissance ring down dans ce type d'injection dynamique. De façon connexe, nous développons plusieurs types de cellules multipassages non-résonantes comme alternative à la CRDS pour le dosage d'environnements hostiles.

The absorption Spectroscopy technique based on the measure of the free photon lifetime trapped inside a high-finesse optical cavity, also known as Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS), is among the most sensitive optical diagnostic tools. The « mode matched » cavity excitation using a continuous wave laser quickly and continuously swept (~4 THz.s-1 during ~2 ms), i.e. the high-speed monomode cw-CRDS, ensures to the technique its best performances in terms of detection limit “with however the drawback” data-points separated by the Free Spectral Range of the resonator (FSR=c/2L) : then, probing low pressure samples demand long cavities. This original study proposes to take advantage of the resonator's transverse mode structure and then to make possible the high-speed cw-CRDS device miniaturization. The fractionally degenerated cavity multimode excitation (also called "magic length” resonator) is presented here. It provides a wide spectral sampling improvement proportional to the employed reentrant order N. We are developing and testing two multimode cavity injections schemes. The first one is axial while the other one is reentrant, also said to be an off-axis excitation injection of such cavities and we examine the main differences. A detailed investigation of the intracavity field at the N resonances fractioning the FSR is proposed, explaining the detection limits observation associated to these two slightly distinct multimode injection schemes. A second part of this work is dedicated to the detailed characterization of intracavity patterns, which are created in off-axis injection when the cavity has an inbuilt weak astigmatism (ΔR/R~2 %) : referred as Lissajous profile. This study allows accounting for the fundamental mechanisms, such as the particular coincidence of particular modes by modal dispersion, which result in a millimeter degenerate interval. It exists inside this one a succession of symmetrical Lissajous transverse profiles from each other on both sides around a particular cavity length : we specify the causes. The residual astigmatism, highlighted here, explains the disappearance of the Doppler oscillations, usually present during the ring down decays in these high-fineness cavity injection dynamics. Finally, we develop several types of non-resonant multipass cells as an alternative to the CRDS device for a hostile environments analysis., La spectroscopie d'absorption par mesure du temps de vie des photons piégés dans une cavité optique haute-finesse, ou Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS), compte parmi les outils de diagnostic optique les plus sensibles. L'excitation « mode matchée » d'un laser continu rapidement et continûment balayé (~4 THz.s-1 durant ~2 ms), i.e. la cw-CRDS monomode rapide, garantit à la technique ses meilleures performances en termes de limites de détectivité avec, en contrepartie, des points de mesures séparés de l'Intervalle Spectral Libre du résonateur (ISL=c/2L) : le dosage d'environnements basse pression requiert de longues cavités. Cette étude originale propose de mettre à profit la structure transverse du résonateur afin de rendre possible la miniaturisation du dispositif de cw-CRDS rapide. L'excitation multimode d'une cavité fractionnellement dégénérée (dite de taille « magique »), ici présentée, permet de bénéficier d'un gain d'échantillonnage spectral qui vaut l'ordre réentrant N employé. Nous développons deux schémas d'injection multimode : l'injection multimode axiale et l'injection multimode réentrante, dite dans ce dernier cas hors de l'axe optique, de telles cavités et nous en étudions les principales différences. Une étude détaillée du champ intracavité existant aux N résonances constitutives de l'ISL est proposée afin de rendre compte des limites de détectivités associées à ces deux schémas d'injection multimode sensiblement distincts. Une seconde partie de ce travail de thèse est dédiée à caractériser de façon approfondie l'observation des profils spatiaux intracavités formés en injection hors axe lorsque la cavité souffre d'un faible astigmatisme (ΔR/R~2 %) : on parle de profil de Lissajous. Cette étude rend compte des mécanismes fondamentaux, telle la coïncidence particulière de modes particuliers par dispersion modale, qui aboutissent en un intervalle millimétrique de dégénérescence. Celui-ci est le siège d'une succession de profils transverses de Lissajous symétriques les uns des autres de part et d'autre d'une taille particulière de cavité : nous en précisons les causes. Le résiduel astigmatisme ainsi mis en évidence et mesuré permet, en outre, d'expliquer la disparition des oscillations Doppler normalement présentent en début de décroissance ring down dans ce type d'injection dynamique. De façon connexe, nous développons plusieurs types de cellules multipassages non-résonantes comme alternative à la CRDS pour le dosage d'environnements hostiles.