La propagation d’une onde de choc constitue un indicateur essentiel du comportement d’un matériau sous choc. Sa mesure nécessite à la fois la transparence du matériau et une résolution spatio-temporelle suffisante, typiquement de l’ordre du micromètre et de la nanoseconde selon les conditions de choc. À ce jour, aucun système ne combine ces deux caractéristiques. Les systèmes optiques actuels, opérant dans le visible ou le proche infrarouge, offrent la résolution requise, mais uniquement pour des mesures de surface, en raison de la faible transparence des matériaux à ces longueurs d’onde. À l’inverse, les radio-interféromètres pénètrent les matériaux mais leur résolution est limitée par la longueur d’onde (3,19 mm). Après un état de l’art sur les vélocimètres et la transparence des matériaux, nous proposons une architecture fonctionnant en continu dans le moyen infrarouge (MIR), entre 8 et 12 µm. Cette gamme de longueur d'onde offre un compromis entre résolution et pénétration. Le vélocimètre, basé sur un laser accordable, a été caractérisé dans plusieurs configurations. Des essais en laboratoire à basse et moyenne vitesse ont confirmé sa capacité à traverser les matériaux. Des expériences en conditions extrêmes ont ensuite permis de mesurer des vitesses élevées (>4000 m/s) sur des matériaux inertes puis énergétiques. Les résultats, comparés à des simulations par éléments finis, démontrent le potentiel du dispositif pour la mesure continue des vitesses de choc et de détonation.

La nécessité de développer des capteurs de gaz à la fois performants, autonomes et économiquement viables pour évaluer les concentrations de gaz à effet de serre (GES) est cruciale pour répondre aux enjeux climatiques actuels. Cette problématique est particulièrement pertinente pour la surveillance des émissions dans des zones isolées, et pour l’analyse en temps réel sur site. À cet égard, les circuits photoniques intégrés représentent une solution prometteuse, tirant parti de la technologie du laboratoire sur puce. Ce travail a pour objectif d’optimiser les performances des capteurs optiques à base de deux technologies : guide d’onde ridge et interféromètre multimode (MMI), opérant dans le moyen infrarouge (MIR) pour la détection de dioxyde de carbone (CO₂) et le monoxyde de carbone (CO). De ce fait, deux mécanismes distincts de détection ont été explorés : détection par onde évanescente, et détection en volume. Ces mécanismes permettent d’exploiter les interactions entre la lumière et les molécules cibles pour une détection précise des concentrations de gaz. Pour atteindre cet objectif, des capteurs optiques ont été étudiés et optimisés : celle en verres de chalcogénures en raison de leur capacité de transmission dans une plage de longueurs allant de 2 à 20 µm, et en silicium poreux (SiP), dont la morphologie poreuse favorise l'interaction directe lumière-matière avec les molécules qui s'infiltrent dans les pores. Une étude comparative des performances de ces capteurs, en termes de sensibilité, limite de détection (LoD), et de compacité, a été réalisée pour les plateformes étudiées, aux longueurs d’onde de 4,26 µm et 4,6 µm, respectivement.

Cette thèse vise à développer un système intégré et autonome en utilisant la technologie piézoélectrique soit pour l’actionnement ou pour la récupération d’énergie. Nous avons testé cette configuration sur un Lab on Chip (LOC) destiné à des applications médicales et environnementales. Ce LOC est utilisé pour la surveillance des polluants et des toxines dans des échantillons d'eau ou d'air. Pour assurer son bon fonctionnement, le LOC doit intégrer trois éléments essentiels : un système de fluidique, un système de détection et un système d'alimentation. La combinaison de ces trois composantes primordiales permet d'obtenir un dispositif autonome et totalement intégré. Dans le cadre de ce travail de recherche, deux systèmes sont mis en place : le système fluidique et le système d'alimentation. Au sein du premier système, une micro pompe à une membrane piézoélectrique a été étudiée à travers des analyses théoriques et des simulations sur COMSOL Multiphysics, confirmant la capacité du design choisi à pomper des débits importants de deux types de fluides, notamment les gaz et les liquides. Les résultats obtenus de cette étude ont montré que la micro pompe capable de fonctionner à des tensions faibles tout en manipulant des débits importants, pouvant aller jusqu'à plusieurs dizaines de microlitres. Cette capacité permet de répondre aux exigences en matière de quantité de fluide nécessaire à la circulation dans la zone de détection du système de laboratoire sur puce. Une puissance énergétique de l’ordre milliwatt a été calculé pour le bon fonctionnement de la micro pompe et ses modules électroniques. Pour répondre aux exigences énergétiques du système, un micro générateur piézoélectrique a également été développé. Ce dispositif convertit l'énergie biomécanique générée par la flexion du genou en énergie électrique, à travers une poutre piézoélectrique fixée à la face arrière du genou. Pendant la marche, la flexion du genou se transforme en énergie électrique, laquelle est ensuite mise en forme par un circuit redresseur de type AC-DC, rendant cette puissance exploitable par les composants électroniques du système. Les résultats obtenus de cette conversion indiquent que les niveaux de puissance générés augmentent avec l'intensité de la flexion du genou, atteignant des valeurs de dizaines de milliwatts qui se situent dans la plage nécessaire pour garantir un fonctionnement continu et en temps réel de système fluidique. Cette approche contribue à la réalisation d'un système intégré et autonome, optimisé tant sur le plan énergétique que fonctionnel.

Ce travail de thèse est consacré à une architecture photonique originale, la boucle a décalage de fréquence, et à ses applications. Dans un premier temps, nous avons réalisé et caractérise une boucle à décalage de fréquence, dans laquelle le décalage est produit par un modulateur électro-optique. Nous avons démontré des taux de répétitions jusqu’à 20 GHz, et modélise les propriétés de bruit de phase des signaux ainsi produits. Dans un deuxième temps, nous avons démontré la pertinence de cette architecture pour le lidar cohérent. Nous avons réalisé une double boucle à décalage de fréquence permettant de générer deux peignes de fréquences mutuellement cohérents. Nous avons démontré une résolution millimétrique pour un temps d’acquisition de 50 μs, et une électronique de détection relativement lente (10 Mech/s). Dans un troisième temps, nous avons cherché à utiliser cette architecture pour réaliser un capteur acoustique distribue en utilisant la rétro-diffusion Rayleigh dans une fibre optique. Nous avons donc modifie l’architecture précédente en utilisant des décaleurs acousto-optiques. Nous avons pu ainsi mesurer la phase intégrée le long de la fibre ainsi que l’indice distribue, avec une précision de l’ordre de quelques 10−5, une résolution spatiale de l’ordre du cm.

Les capteurs optiques intégrés basés sur des dispositifs optiques guidés en matériaux poreux peuvent détecter efficacement et sélectivement des molécules polluantes présentes dans l’eau, l’air et l’environnement. La structure poreuse permet aux molécules à détecter de s’infiltrer dans les pores, ce qui permet une détection volumique. Cette caractéristique exalte la sensibilité d’un capteur optique intégré et offre aussi la possibilité de détecter une très faible quantité de molécules. Dans ce travail, deux matériaux transparents dans le moyen infrarouge (MIR) ont été étudiés pour le développement de guides d’onde optiques intégrés : le silicium poreux (SiP) et le germanium poreux (GeP). Le SiP est produit par anodisation électrochimique et peut être utilisé jusqu’à la longueur d’onde de 8 µm. Des guides d’onde plan et ridge en SiP ont été développés à partir de substrats de silicium de type P faiblement ou fortement dopés. L’effet de traitement thermique d’oxydation sur le guidage a été étudié. Un test de transduction sur la détection de CO₂ dans le MIR autour de la longueur d’onde de 4.3 µm a été réalisé. Le GeP, quant à lui, est produit par gravure électrochimique bipolaire et permet d’étendre la plage de détection jusqu’à la longueur d’onde de 14 µm. Ce matériau, utilisé pour le développement d’un capteur optique intégré, constitue ainsi un atout considérable étant donné que la plupart des molécules polluantes présentent une bande d’absorption dans le MIR. Des couches homogènes de faibles épaisseurs ont pu être réalisées. Un premier test d’élaboration d’un miroir de Bragg a aussi été effectué.

Les lasers ytterbium sont très utilisés pour la génération d'impulsions courtes et en particulier pour la spectroscopie "dual-comb". Dans ces travaux de thèse, nous avons développé expérimentalement des architectures de lasers à solides dopés ytterbium dans différentes matrices cristallines telles que : Yb:YAG, Yb:Lu:YAG, Yb:Na:CNGG et Yb:CaF_2. Dans ces milieux actifs quasi-isotropes, deux états propres de polarisations orthogonales peuvent osciller simultanément et générer deux trains d'impulsions qui peuvent être synchrones ou asynchrones, selon le type d'architecture de cavité. Nous montrons dans un premier temps, que l'orientation de la polarisation de la pompe est un moyen efficace de contrôle des puissances dans les lasers ytterbium bipolarisation. Les résultats expérimentaux obtenus sont ensuite confrontés à un modèle tenant compte de l'anisotropie de pompage, ainsi que de la saturation croisée dans le milieu actif. Dans un deuxième temps, nous démontrons expérimentalement un double peigne de fréquences dont les trains d'impulsions sont synchrones dans les lasers Yb:YAG et Yb:Lu:YAG bipolarisations à verrouillage de modes passif contenant deux lames quart d'ondes intracavité. Enfin, l'obtention d'un double peigne de fréquences bipolarisations asynchrones dans le laser Yb:YAG ainsi que l'accordabilité des taux de répétition a été démontré.

La pandémie de COVID-19 a souligné la nécessité urgente de développer des techniques de détection rapides et sensibles pour le virus SARS-CoV-2. La Spectroscopie Raman à Effet de Surface Exalté (SERS) émerge comme une solution prometteuse. Cette thèse se concentre sur le développement d'un substrat SERS spécifique pour la détection de la protéine N du SARS-CoV-2, ainsi que des pesticides dans les fruits et légumes. Les chapitres explorent les fondements théoriques de la SERS, offrant un aperçu approfondi de son potentiel dans la détection de biomarqueurs viraux, notamment la protéine N du virus. L'élaboration du substrat SERS à base de nanofils de silicium (SiNWs) décorés de nanoparticules d'argent (AgNPs) est détaillée, mettant en avant l'amplification spectaculaire du signal Raman pour une détection sensible. La détection sélective de la protéine N du virus est réalisée avec succès, démontrant une limite de détection de 1 ng/mL en seulement 20 à 30 minutes. De plus, la polyvalence du substrat SERS est mise en évidence pour la détection de pesticides dans les aliments, offrant ainsi des perspectives importantes pour la sécurité alimentaire. Les résultats obtenus ouvrent des portes pour des applications pratiques dans le diagnostic viral et la surveillance environnementale. Les perspectives de recherche soulignent des axes de développement futurs pour les biocapteurs SERS, notamment l'optimisation des méthodes de fabrication et l'exploration de nouvelles applications dans des domaines variés.

Au cours des dernières années, le besoin en débit des télécommunications a considérablement augmenté. Pour maintenir une avance significative, il est essentiel d’améliorer les réseaux existants et de développer de nouvelles infrastructures plus performantes. Ainsi, les réseaux du futur pourraient être constitués de fibre faiblement multimode afin d’augmenter le nombre de canaux indépendants dans une même fibre. Il faudrait alors transférer les fonctions optiques déjà démontrées dans les réseaux actuels telles que la conversion de fréquence ou la régénération de phase. Cette thèse étudie numériquement et expérimentalement le mélange à quatre ondes sensible et insensible à la phase dans les fibres faiblement multimodes. Les simulations présentées dans cette thèse sont basées sur l’équation non-linéaire de Schrödinger multimode implémentée par une méthode de split-step Fourier. Les simulations ont démontré que la régénération de phase intra- ou inter-modale serait possible. Expérimentalement, la fibre utilisée n’a pas permis de mettre en œuvre du mélange à quatre ondes suffisamment efficace pour réaliser cette fonction optique. Cependant, pour la première fois à notre connaissance, nous avons démontré expérimentalement du mélange à quatre ondes sensible à la phase dans les modes LP01 et LP11 d’une fibre faiblement multimode.

Ces dernières années, un intérêt scientifique croissant s'est manifesté pour le développement de circuits photoniques dans le moyen infrarouge (MIR) dédiés aux applications de capteurs. La présence, dans cette plage de longueurs d'onde, des bandes d'absorption affichées par plusieurs molécules toxiques et polluantes rend les capteurs MIR bien adaptés pour répondre à une gamme diversifiée d'utilisateurs, avec divers avantages tels que des coûts de fabrication réduits et la compacité des dispositifs. Cependant, ces circuits doivent être fabriqués à partir de matériaux transparents dans le MIR. Les verres de chalcogénure (ChGs) et le silicium poreux (SiP) présentent un grand potentiel pour la conception de tels circuits. Les ChGs offrent une large transparence allant du proche infrarouge à 20 µm, tandis que le SiP est transparent de 1 à 8 µm. Les ChGs peuvent être utilisés pour la spectroscopie par champ évanescent, tandis que le SiP peut améliorer l'interaction avec les molécules ciblées grâce à ses pores ouverts permettant la détection de volume. Ce travail est dédié au développement de capteurs optiques intégrés MIR à partir des deux plateformes ChGs et SiP. Les circuit intégrés sont d’abord fabriqués puis caractérisés grâce à un banc optique adapté pour le MIR. Des tests de transduction sont menés pour la preuve de concept avec des analytes en phase gazeuse ou liquide pour des longueur d’onde autour de 4 et de 7µm.

Cette thèse se concentre sur la conception de l'architecture d'un système d'imagerie hyperspectrale active dans le moyen infrarouge, mettant l'accent sur la mesure précoce et précise du stress hydrique chez les plantes. Malgré le potentiel élevé de cette technologie en agriculture, son utilisation demeure limitée en raison du coût des équipements. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension technologique et scientifique de l'imagerie hyperspectrale active, en évaluant l'impact du speckle sur les images et en proposant des solutions numériques et optiques. L'intégration d'un diffuseur rotatif a permis de réduire le speckle, tandis que des améliorations de l'éclairage ont préservé la résolution des images. L'étude a révélé que la source laser active induit des distorsions liées au déplacement du faisceau lors de modifications de la longueur d'onde, avec des fluctuations de puissance atteignant environ 20 %. Ces difficultés ont été surmontées grâce à l'utilisation de miroirs motorisés calibrables et d'un anneau de référence, réduisant les fluctuations de puissance à 2,8 % grâce à un algorithme de compensation. En conclusion, le banc expérimental caractérise les échantillons végétaux en termes de stress hydrique, permettant une détection précoce dès le quatrième jour, avec des applications potentielles dans divers domaines pour la caractérisation des matériaux dans une scène observée.