Добірка наукової літератури з теми "Corrélation photonique"

L’ordre partiel dans un matériau désordonné peut modifier son aptitude à diffuser la lumière. Les propriétés photoniques de tels matériaux sont ainsi fortement influencées par le niveau d’ordre partiel, décrit par les corrélations statistiques entre les positions des centres diffuseurs. Générer de telles corrélations offre un degré de liberté pour la conception de matériaux désordonnés aux propriétés innovantes.

La Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence (FCS) est une technique de molécules uniques particulièrement bien adaptée aux études en milieu biologique. Elle est ici mise en œuvre pour analyser localement la membrane plasmique de cellules vivantes. Dans un premier temps, la distribution de la microfluidité membranaire de cellules vivantes a été caractérisée grâce à des mesures de temps de diffusion par FCS. Nous avons ainsi pu établir la loi de distribution de la fluidité membranaire à l’échelle de la cellule unique pour différentes lignées cellulaires (LR73, MCF7, KB3. 1, MESSA et MDCKII). Une simulation Monte-Carlo montre qu’un modèle simple de diffusion à deux dimensions dans une matrice contenant des microdomaines visqueux peut rendre compte de l’allure asymétrique typique des distributions obtenues. Ce résultat a été utilisé pour évaluer les modifications membranaires liées à la surexpression de la P-glycoprotéine, protéine responsable d'un phénomène de résistance à la chimiothérapie. Nous avons également comparé la structuration membranaire de diverses lignées cancéreuses, chacune se déclinant en une version sensible et une version résistante à un médicament : la Doxorubicine. Dans un second temps, nous proposons une nouvelle méthode d’illumination locale basée sur un transfert d’énergie non radiatif. Cette méthode permet de réduire la profondeur de champ du microscope à l’échelle nanométrique. Nous en démontrons ici le potentiel pour l'utilisation de la FCS dans des solutions micromolaires ainsi que pour l'imagerie de l'adhésion cellulaire
Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is a single molecule technique very well suited for in vivo studies. We have used FCS to explore plasma membrane microfluidity of living cells. Measurements were conducted at the single cell level, which enabled us to get a detailed over-view of the typical plasma membrane microviscosity distribution of each cell line studied (LR73, MCF7, KB3. 1, MESSA and MDCKII). A Monte Carlo simulation based on a 2D diffusion model enables us to link the asymetric fluidity distribution profile with the plasma membrane micro-organization. This result was used to determine the membrane organisation related to the surexpression of the P-glycoprotein (Pgp), a protein implicated in multidrug resistance. We also compare the membrane structuration of various cancer cell lines, each comes in two versions, a sensitive one and a resistant one to a chemotherapeutic drug: the Doxorubicin. Secondly, we propose a new excitation scheme based on a nonradiative energy transfert. This approach allow us to reduce the illumination depth of the microscope at the nanometric scale. We demonstrate its potential through two applications: FCS in micromolar solutions and fluorescence imaging on cells adhesion areas

La détection de molécules individuelles fluorescentes est souvent limitée par deux problèmes : la collection des photons et la définition de la taille du volume d'observation. Dans le cadre de la Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence (FCS), nous montrons qu'un miroir, placé au niveau du point focal de l'objectif, permet : (i) une exaltation du nombre de photons collectés par molécule fluorescente et (ii) une restructuration du volume d'observation confocal par des franges d'interférences. D'abord validée à l'aide de nanosphères fluorescentes, cette méthode est mise en œuvre avec des molécules d'intérêt biologique en solution. Nous montrons numériquement, qu'au contraire de la FCS standard, cette nouvelle technique est adaptée à la mesure de coefficients de diffusion dans des structures confinées de taille similaire à la longueur d'onde d'excitation. Enfin, nous confirmons cela par l'étude de la diffusion de protéines fluorescentes, confinées dans le cytoplasme de bactéries
Single fluorescent molecule detection is often resrtricted by two problems : photon collection and size definition of the observation volume. In Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), we show that a mirror located at the objective focal point enables : (i) to enhance the collected photon number per fluorescent molecule, and (ii) to reshape the confocal volume with interference fringes. This new technique is firstly checked for fluorescent nanospheres, then for molecules of biological interest. We show numerically that this technique is well suitable for measuring diffusion coefficients in confined wavelength-sized structure. Finally, we confirm these results by studying fluorescent proteins diffusion in bacteria cytoplasm

L'émission dans le moyen infrarouge des disques protoplanétaires et des enveloppes stellaires contient de précieuses informations sur leur composition en poussières et en gaz, ainsi que sur les phénomènes qui se produisent au voisinage des étoiles jeunes, comme la formation de planètes terrestres. Pour étudier en détail la physique de ces systèmes dynamiques, il faudrait une résolution inférieure à l’unité astronomique sur des objets à une centaine de parsecs. Une telle résolution ne peut être obtenue que par interférométrie à très longue base car elle correspond à des diamètres de télescope kilométriques. La création d'un interféromètre dans le moyen infrarouge avec de longues lignes de base a été identifiée par l’initiative Planet Formation Imager comme la prochaine étape majeure pour contraindre les modèles théoriques de formation planétaire.Actuellement, les interféromètres infrarouges les plus sensibles, comme MATISSE et GRAVITY au VLTI, reposent sur la recombinaison directe de quelques télescopes. Une telle méthode est difficilement extensible à un grand nombre de télescopes sur des lignes de base kilométriques en raison des pertes en transmission et de l'encombrement des infrastructures. L'interférométrie hétérodyne, largement utilisée dans le domaine radio, pourrait représenter une alternative à l'interférométrie directe car elle ne nécessite pas de recombiner physiquement la lumière des télescopes. Elle repose sur la détection hétérodyne du champ électrique de la lumière à chaque télescope, avec un oscillateur local référencé en phase et des détecteurs moyen infrarouge à grande bande passante. Les signaux résultants sont transmis à un corrélateur qui en extrait les observables interférométriques. Cependant, l'interférométrie hétérodyne moyen infrarouge souffre d'une sensibilité réduite en raison du bruit quantique inhérent à la détection hétérodyne. Pour détecter des objets peu lumineux, des efforts considérables sont nécessaires afin de résoudre les défis techniques et technologiques qui limitent la sensibilité d'un tel système.Mon doctorat se concentre sur les aspects de corrélation et de détection moyen infrarouge de l'interférométrie hétérodyne. L'aspect corrélation consiste à mettre en place et à caractériser le banc de démonstration HIKE (Heterodyne Interferometry Kilometric Experiment) de l'IPAG, à Grenoble. Ce banc utilise un corrélateur photonique analogique constitué de composants télécoms à 1,5 micromètre pour corréler des signaux moyen infrarouge à 10 micromètres, avec des bandes passantes de l'ordre du gigahertz. Une telle expérience de corrélation photonique de signaux moyen infrarouge est une première mondiale. J’ai développé une méthodologie pour caractériser les niveaux de bruit dans le système afin d’identifier les éléments qui dégradent la mesure de la visibilité interférométrique. Mes résultats montrent que le niveau de bruit associé au corrélateur photonique ne dégrade pas le rapport signal sur bruit du système. Ainsi, la corrélation photonique peut être utilisée comme alternative à la corrélation numérique, habituellement utilisée en radioastronomie, mais lourde en calculs numériques.Actuellement, la principale limite de notre système vient des détecteurs commerciaux utilisés pour la détection hétérodyne. J'ai donc étudié la possibilité de remplacer nos détecteurs par des détecteurs à puits quantiques à large bande passante. Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'équipe QUAntum physics and Devices (QUAD) du LPENS à Paris, où j'ai caractérisé des détecteurs moyen infrarouge à puits quantiques de type QWIP et QCD utilisant des métamatériaux. En théorie, les larges bandes passantes de ces détecteurs permettraient de détecter plus de signal astronomique. Cependant, malgré des progrès récents, l’efficacité quantique de ce type de détecteurs reste actuellement trop faible pour notre application d’interférométrie hétérodyne. De nouvelles avancées technologiques sont nécessaires
The mid-infrared emission from protoplanetary disks and stellar envelopes carries precious information about their dust and gas composition and the phenomena occurring in the vicinity of young stars, like the formation of terrestrial planets. To study the underlying physics of such dynamical systems, astronomical instruments require a resolution below the astronomical unit on objects a hundred parsecs away. This resolution can only be achieved with long-baseline interferometry because it corresponds to telescope diameters of a few kilometres. The Planet Formation Imager initiative has identified the creation of a mid-infrared interferometric array with a large number of telescopes as the next major step to constrain the theoretical models that describe planetary formation.Currently, the most sensitive infrared interferometers, like the MATISSE and GRAVITY instruments at VLTI, rely on the direct recombination of light from several telescopes. This method is hardly scalable to many telescopes on kilometric baselines because of transmission losses and the bulkiness of the infrastructures. Heterodyne interferometry, which is widely used in radio-interferometry, has been identified as a possible alternative to direct interferometry in the mid-infrared because it does not require recombining the light from all telescopes physically. Instead, it relies on the heterodyne detection of the astronomical electric field with a phase-referenced local oscillator (a laser) and detecting the intermediate frequency with high-bandwidth detectors. The resulting signals are transmitted to a correlator whose role is to retrieve the interferometric observables from them. However, mid-infrared heterodyne interferometry suffers from reduced sensitivity because of the inherent quantum noise in heterodyne detection. Therefore, to detect weak astronomical objects, considerable efforts must be put to solve the technical and technological challenges that further limit the sensitivity of an heterodyne system.My PhD thesis concentrates on the correlation and detection aspects of mid-infrared heterodyne interferometry. The correlation aspect consists of setting up, operating, and characterising the HIKE (Heterodyne Interferometry Kilometric Experiment) demonstration bench at IPAG, Grenoble. The bench uses an analogue photonic correlator built with commercial telecom components at 1.5 micrometres wavelength to correlate mid-infrared signals at 10 micrometres wavelength with gigahertz bandwidths. Such a set-up is a world premiere. I have developed a methodology to characterise the noise levels inside the system to identify the top offenders that hamper the measurement of interferometric visibility, and implement solutions to improve the sensitivity of the bench. My results show that the noise level associated with the photonic correlator is sufficiently low not to deteriorate the signal-to-noise ratio of the system. Hence, photonic correlation is sensitive enough to be used by heterodyne interferometry as an alternative to the computationally heavy digital correlation that is often used for radio heterodyne interferometry.The current top offenders of our system are the commercial mid-infrared detectors that are used for heterodyne detection. Therefore, to improve the sensitivity of the bench, I have studied the possibility of replacing our detectors with high-bandwidth mid-infrared quantum well detectors. This work has been done in collaboration with the QUAD team at LPENS, Paris, where I have characterised metamaterial enhanced Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP) and Quantum Cascade Detectors (QCD). The high bandwidths of these detectors would represent a significant advantage to detect a larger chunk of the astronomical signal. However, despite recent progress, their quantum efficiencies currently remain too low to obtain a game-changing sensitivity improvement in heterodyne interferometry. Further improvement in the technology is required

La demande en débit de transmission de données (télévision, cloud computing, sauvegarde des centres de données, télétravail...) est sans cesse croissante. Les réseaux actuels basés sur l'utilisation de fibres optiques unimodales ne seront plus en mesure de supporter de tels débits dans les années à venir. Le terme scientifique employé est le "Capacity Crunch".Des solutions basées sur l'utilisation de nouvelles fibres optiques multimodes sont donc à l'étude, dans lesquelles chaque mode pourra transférer autant d'informations qu'une fibre monomode. Par exemple, pour une fibre optique multimode pouvant guider N modes, la capacité est multipliée par N. Malgré leurs avantages, les modes de la fibre optique multimode ont tendance à se coupler et à échanger des informations, réduisant ainsi les distances pouvant être atteintes ou limitant la bande passante de la transmission - un processus connu sous le nom de diaphonie.La diaphonie mesurée ou calculée entre toutes les combinaisons de modes peut être organisée dans une matrice - la matrice de diaphonie. Toutefois, la matrice de diaphonie décrit un comportement moyen. Afin d'aller plus loin dans la compréhension et le développement de solutions de transmission rapide de données, le comportement instantané de la fibre doit être décrit plus précisément, par ce que l'on appelle une matrice de transmission. Cette matrice caractérise la phase et l'amplitude des échanges entre modes en temps réel ou du moins sur des échelles de temps plus petites que celles qui régissent les changements environnementaux tels que les vibrations induites par le trafic, les rafales de vent, les changements de température. Les communications optiques s'appuient sur le DSP (Digital Signal Processing) qui estime la matrice de transmission afin de pouvoir reconstruire les données envoyées à partir des données reçues, ainsi la connaissance du comportement typique de la matrice de transmission permettrait de concevoir des algorithmes plus rapides nécessaires aux codes utilisés en bout de ligne pour reconstruire les données envoyées. En outre, une méthode qui identifie et quantifie le contenu modal d'une fibre sondée dans différentes conditions est nécessaire puisque la matrice de transmission ne décrit que le couplage entre les modes en considérant que le contenu modal est connu a priori.Dans cette thèse, la technique d'analyse qui quantifie et identifie le contenu modal d'une fibre faiblement multi-modes (FMF, few-mode fiber) est basée sur l'utilisation de données obtenues avec la technique bien connue d'imagerie résolue spatialement et spectralement (S2). Une méthode basée sur la corrélation spatiale a été développée dans notre travail pour dépasser les limites de mesure de la méthode standard en utilisant le même ensemble de données. D'autre part, pour mesurer la matrice de transmission qui caractérise la phase et l'amplitude de l'échange entre les modes, nous avons utilisé l'outil de mesure basé sur un modulateur de lumière spatial (SLM, spatial light modulator). Le dispositif de mesure et le traitement numérique développé en parallèle ont été conçus pour identifier les modes propres de la FMF et ensuite exprimer la matrice de transmission dans la base de ces modes propres. En outre, un nouvel outil rapide par rapport aux précédents (50 fois plus rapide) a été développé pour mesurer la matrice de transmission. Enfin, deux fibres optiques multimodes différentes ont été comparées sur la base de leurs coefficients de couplage et d'atténuation de mode via des mesures de diaphonie (étude de la diaphonie en fonction de la longueur de la fibre), et ont été testées et comparées lorsqu'elles sont soumises à des perturbations externes (étude de la diaphonie en fonction des micro-courbures).Ce travail de thèse a été soutenu par la Région Hauts-De-France. Les travaux qui y sont développés ont été effectués dans le cadre de l'ANR « MUPHTA »
Recently, there has been an increasing demand on data rate transmission (television, cloud computing, data center backup, video…). Current networks based on the use of single-mode optical fibers will no longer be able to support such rates in the coming years. We're talking about “Capacity Crunch”.Solutions based on the use of new multi-mode optical fibers are therefore being studied, in which each mode will be able to transfer as much information as a single-mode fiber. For example, for a multi-mode optical fiber that can guide N modes, the capacity is multiplied by N. Despite their advantages, the modes of the multi-mode optical fiber tend to couple and exchange information, thus reducing the distances that can be reached or limiting the bandwidth of the transmission - a process known as cross-talk.The measured or calculated cross-talk between all combinations of modes can be arranged in a matrix - the cross-talk matrix. However, the cross-talk matrix describes an average behavior. In order to go further in understanding and developing fast data transmission solutions, the instantaneous behavior of the fiber need to be described more precisely, by what is called a transmission matrix. This matrix characterizes the phase and amplitude of the exchanges between modes in real time or at least on time scales smaller than those governing environmental changes such as traffic induced vibrations, gusts of wind, temperature changes. Optical communications rely on DSP (Digital Signal Processing) which estimates the transmission matrix in order to be able to reconstruct the transmitted data from the received data, so knowledge about the typical behavior of the transmission matrix would make it possible to design faster algorithms necessary for the codes used at the end of the line to reconstruct the data sent. In addition, a method that identifies and quantifies the modal content of a probed fiber under different conditions is needed since the transmission matrix describes only the coupling between modes considering that the modal content is known previously.In this thesis, the analysis technique that quantifies and identifies the modal content of a few mode fiber (FMF) is based on the use of data obtained with the well-known spatially and spectrally resolved imaging (S2) technique. A new correlation-based method has been developed in our work to surpass the measurement limitations of the standard method using the same dataset. On the other hand, to measure the transmission matrix that characterizes the phase and amplitude of the exchange between modes, we used the measurement tool based on a spatial light modulator (SLM). The measurement setup and the numerical treatment developed in parallel have been designed to identify the eigen modes of the FMF and then express the transmission matrix in the basis of these eigen modes. Furthermore, a new and fast tool compared to the former ones (50 times faster) has been developed to measure the transmission matrix. Finally, two different FMFs were compared based on their coupling and mode attenuation coefficients via cross-talk measurements (study of cross-talk vs fiber length), and have been tested and compared when their subjected to external perturbations (Study of cross-talk vs micro-bending).This thesis work was supported by the Hauts-De-France Region. The work developed within it was carried out under the framework of the ANR « MUPHTA »

L'autosimilarité et l'évolution asymptotique intermédiaire sont des caractéristiques fondamentales de divers phénomènes physiques. Les recherches dans le domaine de l'optique ont mené à la prévision et à l'observation du similariton, nouvelle classe d'impulsions optiques ultracourtes présentant un profil d'intensité parabolique et développé par celles-ci au cours de leur propagation dans un amplificateur fibré à dispersion normale. Au delà de leur intérêt scientifique, les similaritons optiques sont d'une importance pratique primordiale du fait que leur profil peut être maintenu sans distorsion dans toute fibre à dispersion normale active ou passive et parce qu'ils possèdent un chirp strictement linéaire facilitant leur compression. Ce mémoire s'attache à mettre en évidence les possibilités d'obtention de ce profil dans un amplificateur à fibre dopée erbium. Les impulsions expérimentales caractérisées à l'aide d'un dispositif FROG présentent un profil d'intensité ainsi qu'une dérive fréquentielle en accord avec les résultats issus d'un modèle numérique. Nous avons aussi été en mesure d'étudier la formation des ailes du similariton durant son régime asymptotique intermédiaire. Une application typique des similaritons consiste dans le développement de sources impulsionnelles ultracourtes; expérimentalement nous avons développé un dispositif femtoseconde totalement fibré combinant un amplificateur à similaritons et une fibre à bandes interdites photoniques.

La membrane plasmique constitue la première entité séparant la cellule de son environnement. A ce rôle de barrière s'ajoute celui de réguler la. Par conséquent, la membrane plasmique est une zone privilégiée pour le passage d'information. Cependant, son étude reste difficile, ne serait-ce que par l'extraordinaire complexité d'organisation de cet assemblage supramoléculaire.Mon projet de thèse vise à développer de nouvelles approches expérimentales pour explorer plus spécifiquement l'organisation et le rôle de la membrane plasmique d'une cellule dans les mécanismes de transduction de l'information. Deux axes ont été privilégiés : le premier, concerne la description de la dynamique d'organisation de la membrane ; le deuxième concerne l'inter-connectivité et la transmission du signal d'une cellule avec d'autres partenaires.Ce manuscrit se compose de plusieurs parties. Le premier chapitre introduira succinctement les questions biologiques. Dans le second chapitre, je présenterai des méthodes utilisées pour l'étude de la membrane. J'y présenterai aussi une série d'observation que j'ai réalisée sur la diffusion de l'EGFR. Le troisième chapitre sera consacré à la technique de corrélation croisée de fluorescence depuis le montage jusqu'à l'étude du modèle EGFR. Dans la quatrième partie, nous verrons comment les collaborations à l'interface biophysique ont permis des développements innovants sur un système de pinces optiques holographiques. J'y présenterai les applications de ce système à différent modèles d'intérêt biologique. Enfin, je conclurai ce document par une brève discussion autour des résultats obtenus aussi bien d'un point de vue méthodologique que biologique
The plasma membrane separates the cell from its environment. But it is more than a barrier any cell has to communicate with the outside world. Therefore the plasma membrane plays a prime role in transferring and exchanging information. However, the biological study of the plasma membrane remains difficult due to the extraordinary complexity of it organization.My thesis is a part of an effort to develop new experimental approaches to explore more specifically the organization and the role of the plasma membrane in the signal transduction mechanisms. Two major aspects were followed: the first one concerns the description of the dynamics of membrane organization and of molecular interactions, the second concerns the inter-connectivity and signal transduction between a cell and other biological partners.This manuscript is composed of several parts. The first chapter briefly introduces the biological questions that I tried to answer. In the second chapter, I present the methods commonly used to study the membrane with a dynamic perspective. Additionally, I include a series of observations that I made on the EGF receptor diffusion. The third chapter is devoted to the fluorescence cross-correlation technique to study the assembly of the EGFR. In the fourth part, I demonstrate how scientific collaborations at the interface between biology and physics have led to the development of innovative solutions on a holographic optical tweezers system. I present applications of this system in different biological models. Finally, I conclude this thesis with a brief discussion about my technological and biological results

Les photons apparaissent comme des vecteurs d'information fiables, car ils interagissent peu avec leur environnement. Malheureusement, ils interagissent si faiblement entre eux que la réalisation directe de portes logiques optiques à deux qubits est impossible. La propagation à travers des milieux atomiques non-linéaires permet néanmoins d'engendrer des interactions photon-photon effectives. L'utilisation du phénomène de transparence électromagnétiquement induite (EIT) permet d'induire une forte non-linearité résonante -- néanmoins pas encore détectable dans le domaine quantique, sur une transition d'un système à trois niveaux en “échelle”. Pour augmenter les effets non-linéaires et atteindre le régime quantique, il a récemment été proposé de combiner l'approche EIT au blocage d'excitation induit par les fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg. En plaçant le milieu en cavité, on impose à la lumière des passages multiples et on accroît encore la non-linéarité optique. Ce type de dispositif a été étudié théoriquement et expérimentalement dans le régime dispersif et pour une non-linéarité faible, pour lequel un traitement classique du champ est adapté. Dans le présent mémoire, nous nous intéressons aux effets optiques non-linéaires induits par un milieu Rydberg dans le régime quantique.Dans le chapitre 1, nous présentons notre système d'étude, ses équations dynamiques et rappelons la définition et les principales propriétés de la fonction de corrélation d'intensité g^{2}que nous utilisons pour caractériser l'action de la non-linéarité sur le champ incident. Dans le chapitre 2, nous considérons le régime dispersif, i.e. lorsque l'état intermediaire est très désaccordé et peut être éliminé adiabatiquement. Nous utilisons l'approximation des bulles Rydberg selon laquelle le système peut être effectivement ramené à un ensemble de superatomes à deux niveaux couplés au mode de la cavité, décrit par le modèle de Tavis-Cummings forcé. Nous calculons analytiquement et numériquement la fonction g^{2}pour la lumière transmise, qui, selon les paramètres de la cavité, peut être “groupée” ou “dégroupée”. Dans le chapitre 3, nous présentons un traitement alternatif du système, qui nous permet d'étudier le régime résonant. Dans la limite d'un champ incident faible, nous dérivons analytiquement la fonction de corrélation g^{2} pour les lumières transmise et réfléchie, grâce à la factorisation des moyennes de produits d'opérateurs à l'ordre le plus bas de la théorie de perturbation. Nous proposons ensuite un modèle effectif non-linéaire à trois bosons pour le système couplé atomes-cavité. Enfin, nous étudions le régime résonant et observons de nouvelles caractéristiques de la fonction de corrélation g^{2}qui attestent la relation entre les conditions d'adaptation d'impédance de la cavité pour les différentes composantes du champ et les interactions dipôle-dipôle entre les atomes. Dans le chapitre 4, nous analysons le système dans le formalisme de Schwinger-Keldysh. En appliquant le théorème de Wick, nous développons perturbativement les fonctions de corrélation par rapport au Hamiltonien d'alimentation de la cavité et au Hamiltonien d'interaction dipôle-dipôle et effectuons une resommation complète par rapport à ce dernier. Nous retrouvons par cette méthode les résultats du Chapitre 3, sous une forme analytique. Nous allons aussi au-delà et derivons des expressions analytiques pour les composantes élastique et inélastique du spectre en transmission de la cavité. Nous identifions une structure de résonance polaritonique, jusque-là inconnue, que nous interprétons physiquement. Dans le chapitre 5, nous décrivons un protocole de porte photonique de phase de haute fidélité fondé sur le blocage Rydberg dans un ensemble atomique placé dans une cavité optique. Ce protocole peut être réalisé avec des cavités de finesse modérée et permet en principe un traitement efficace de l'information quantique codée dans des photons
Photons appear as reliable information messengers since they interact very weakly with their environment. Unfortunately, they interact so weakly with each other that the direct implementation of optical two-qubit gates is impossible. The propagation through atomic nonlinear media however allows one to achieve effective photon-photon interactions. The technique of electromagnetically induced transparency (EIT) allows one to induce a strong resonant non-linearity -- not strong enough to be noticeable in the quantum domain though, on one of the transitions of a three-level ladder system. To enhance the nonlinear effects and reach the quantum regime, it was recently proposed to combine the EIT approach with the excitation blockade induced by the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms. By putting the medium in a cavity, one imposes multiple passes to the light therefore increasing the optical nonlinearity. This kind of setup was studied both theoretically and experimentally in the dispersive regime and for a relatively weak nonlinearity, for which a classical treatment of the field is still valid. In this dissertation, we investigate the optical nonlinear effects induced by a Rydberg medium in the quantum regime.In chapter 1, we present our system, its dynamical equations and recall the definition and basic properties of the intensity correlation function g^{left(2right)}that we use to characterize the action of nonlinearity on the photonic field. In chapter 2, we consider the so-called dispersive regime, i.e. when the intermediate state is far detuned and can be adiabatically eliminated. We employ the Rydberg bubble approximation in which the system effectively consists in an ensemble of two-level superatoms coupled to the cavity mode, described by the driven Tavis-Cummings model. We compute analytically and numerically the g^{left(2right)}function of the transmitted light, which, depending on the cavity parameters, is shown to be either bunched or antibunched. In chapter 3, we present an alternative treatment of the system, which allows us to investigate the resonant regime. In the low-feeding limit, we analytically derive the correlation function g^{left(2right)}left(tauright)for the transmitted and reflected lights, based on the factorization of the lowest perturbative order of operator product averages. We then propose an effective non-linear three-boson model for the coupled atom-cavity system. Finally, we investigate the resonant regime and observe novel features of the correlation function g^{left(2right)}showing the interplay of impedance matching conditions and dipole-dipole interactions. In chapter 4, we analyze the system in the Schwinger-Keldysh formalism. Applying Wick's theorem, we perturbatively expand correlation functions with respect to both, feeding and dipole-dipole interactions Hamiltonians and perform a complete resummation with respect to the latter. By this method we recover the results of Chap. 3 in an analytic form. We also go beyond and derive analytic expressions for the elastic and inelastic components of the cavity transmission spectrum. We identify a polaritonic resonance structure in this spectrum, to our knowledge unreported so far, that we physically interpret. In chapter 5, we describe a novel scheme for high fidelity photonic controlled-phase gates using Rydberg blockade in an ensemble of atoms in an optical cavity. This protocol can be implemented with cavities of moderate finesse allowing for highly efficient processing of quantum information encoded in photons

Les nano-antennes optiques permettent la manipulation, le confinement et l'exaltation des champs électromagnétiques dans des volumes sub-longueur d'onde. Les applications de ces nano-objets concernent des domaines variés tels que les nano-sources de lumière, la photovoltaïque, la microscopie, la spectroscopie... Les propriétés physiques de ces nano-antennes dépendant essentiellement de leur nature, leurs tailles et leurs géométries, la caractérisation expérimentale de ces nano-objets est essentielle car elle permet d'en améliorer fortement le design et d'amplifier les réponses électromagnétiques. La problématique de ce travail de thèse concerne la caractérisation et l'exploitation des propriétés de nano-antennes optiques. Différentes techniques de caractérisation expérimentale de nano-antennes ont été développées au cours de cette thèse: spectroscopie de corrélation de fluorescence, suivi de dynamique temporelle de boîtes quantiques, spectroscopie sous saturation de fluorescence. Ces techniques ont été appliqués pour étudier différents types d'antennes optiques: microsphères diélectriques, nano-ouvertures simples et nano-ouvertures corruguées. Réciproquement, ces nano-antennes optiques ont été utilisées pour améliorer efficacement la détection de molécules fluorescentes en solution, avec des exaltations de fluorescence moléculaire supérieures à un facteur 100 et un contrôle de la directivité d'émission de fluorescence, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités en biophotonique.

À la surface d’un métal, la lumière visible peut se coupler avec les électrons libres pour engendrer une quasi-particule particulièrement intéressante, le plasmon-polariton de surface. Cet objet a pour propriété d’être évanescent dans les directions perpendiculaires à la surface, ce qui en fait un support idéal pour transporter l’information lumineuse à deux dimensions, et sur des échelles sub-longueur d’onde. S’il est excité par une source quantique, il conserve cet aspect quantique du signal, même si des millions d’électrons sont impliqués dans sa propagation.Dans ce manuscrit, je présente les résultats expérimentaux et théoriques obtenus en plasmonique de surface durant mon doctorat. En associant l’utilisation de centres colorés azote-lacune (NV) dans les nanodiamants, qui sont des émetteurs de photons uniques, et d’un microscope optique en champ proche (SNOM), j’ai pu étudier de nombreuses propriétés du centre NV et des plasmons de surface dans les domaines classique et quantique.Notamment, j’ai réalisé une étude complète de la photo-dynamique interne du centre NV, dans différents régimes d’excitation. De plus, j’ai étudié le mode d’imagerie des plasmons de surface qu’est la microscopie à fuite radiative, en mettant en lumière certaines aberrations optiques pouvant survenir dans des conditions de désaccord d’indices optiques. J’ai ensuite effectué des mesures de corrélations spatio-temporelles de plasmons de surface excités par des centres NV, grâce à un système expérimental spécifique que j’ai mis en œuvre.Enfin, je décris dans ce manuscrit les toutes premières études de l’interaction des plasmons avec différentes cavités elliptiques et paraboliques gravées dans le métal, qui ont mené notamment à des mesures de densité locales d’états (LDOS) plasmonique
On a metal surface, visible light can couple with surface free electrons to form a very interesting quasi-particle, the surface plasmon-polariton. The main property of this object is to be evanescent in the directions perpendicular to the surface. This feature makes the plasmon ideally suited to transport electromagnetic information in two dimensions and on a sub-wavelength scale. If it is excited by a quantum source, it retains this quantum aspect of the signal, even if millions of electrons are involved in its propagation.In this manuscript, I present the experimental and theoretical results obtained during my PhD in surface plasmonics. By combining the use of nitrogen vacancy (NV) color centers in nanodiamonds, which are single photon emitters, and of a scanning near field optical microscope (SNOM), I was able to study numerous properties of the NV center and surface plasmons, both in the classical and quantum regimes.In particular, I have performed a complete study of the internal photo-dynamics of the NV center in different excitation regimes. Moreover, I have studied the leakage radiation microscopy, a dedicated imaging mode in plasmonics , by highlighting some optical aberrations that can arise in conditions of optical index mismatch. Furthermore, I have ran spatio-temporal correlation measurements on surface plasmons excited by NV centers with a specific experimental system I implemented.Finally, I describe in the manuscript the very first studies of the interaction between plasmons and different elliptical and parabolic cavities milled in the metal. This has led to the measurements of the plasmonic local density of states

La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique
The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed