Ce travail consiste à l’utilisation de la technique d'écriture directe par laser par absorption à un photon pour fabriquer des nanostructures polymères et métalliques en vue d’applications en photonique et en plasmonique. Il est démontré que la température du matériau est augmentée localement et temporellement grâce à une excitation locale d’un laser continu dont la longueur d’onde se situe dans la bande d’absorption du matériau. Un modèle théorique simple a été étudié pour expliquer l'effet photothermique local et temporel, qui est déterminé par le spot de focalisation du système d'écriture directe par laser. En utilisant une résine photosensible positive, il a été démontré que les structures photoniques 1D et 2D peuvent être réalisées avec une taille aussi petite que 57 nm et avec une périodicité aussi courte que 300 nm, ce qui sont beaucoup plus petites par rapport à la limite de diffraction du système optique utilisé. Les structures photoniques 3D ont également été fabriqués pour la première fois avec une photorésine positive, permettant d’envisager de nombreuses nouvelles applications. Les structures polymères fabriquées ont été démontrés très utiles pour obtenir des nanostructures plasmoniques par soit une combinaison de la méthode d’évaporation thermique d'un film d'or et le procédé lift-off, ou par une combinaison de la méthode de pulvérisation cathodique d'une couche d'or et la méthode de recuit thermique. Les nanostructures d'or fabriquées ont été caractérisées expérimentalement et leurs propriétés optiques ont été théoriquement confirmées par des calculs FDTD. En outre, il a été démontré que les nanostructures d'or, avec les tailles et formes contrôlables, peut être réalisées en une seule étape par la technique d’écriture directe par laser grâce à l'effet thermique optiquement induit. Certaines applications de ces nanostructures métalliques sont proposées et étudiés, par exemple, le capteur d'indice de réfraction, le stockage des données et l'impression couleur. / This work focuses on the investigation of direct laser writing technique for fabrication of desired nanostructures on positive photoresist and metallic materials. The photothermal and photochemical processes deriving from one-photon absorption mechanism, which occurs when materials are excited by a green continuous-wave laser, enabled a scalable and practical approach for producing nanostructures on demand. A simple heat model was proposed to explain the local and temporal thermal effect, induced by a tiny focusing spot of the direct laser writing system. Using a positive photoresist, it was demonstrated that 1D and 2D photonic structures can be realized with a feature size as small as 57 nm and with a periodicity as short as 300 nm, which are much smaller than the diffraction limit of the used optical system. 3D photonic structures were also fabricated for the first time with a positive photoresist, paving the way to numerous applications. The fabricated polymeric structures have been demonstrated as excellent templates to obtain plasmonic nanostructures by a combination of thermal evaporation of gold film and lift-off process and/or by a combination of the sputtering of a thin gold layer and thermal annealing methods. Fabricated gold nanoarrays were experimentally characterized and their optical properties were theoretically confirmed by FDTD calculations. Furthermore, it was demonstrated that any gold nanostructure, with controllable size and shape, can be realized in one-step by direct laser writing technique thanks to the optically induced thermal effect. Some applications of these metallic nanostrucures are proposed, for instance, refractive index sensor, data storage, and color printing.

Parallèlement à l’impression jet d’encre et au bioplotting, l’impression d'éléments biologiques assistée par laser (Laser Assisted Bioprinting : LAB) qui utilise le transfert vers l’avant induit par laser (Laser Induced Forward Transfer : LIFT) a émergé comme une méthode alternative dans l’assemblage et la micro–structuration de biomatériaux et de cellules. Le LAB est une technique d’écriture directe qui offre la possibilité d’imprimer des motifs avec une haute résolution spatiale à partir d'une large gamme de matériaux solides ou liquides, tels que des diélectriques, des biomolécules et des cellules vivantes en solution.Dans nos travaux de recherche, nous avons considéré une approche expérimentale et numérique pour étudier les mécanismes physiques mis en jeu lors de la microimpression d’éléments biologiques assistée par laser. Dans un premier temps nous avons défini les paramètres rhéologiques des bioencres et les conditions de transfert (composition, épaisseur et viscosité de la bioencre et énergie laser). Puis nous avons mené une analyse statistique du volume des gouttelettes déposées pour quatre viscosités de bioencre, cinq épaisseurs de bioencre et cinq énergies laser. Ensuite nous avons conçu et mis en place un système d’imagerie résolue en temps pour étudier les effets de la viscosité sur la dynamique de l’éjection. Nous avons ainsi différencié trois régimes d'éjection en fonction de l'énergie laser déposée dans la couche absorbante, de la viscosité et de l'épaisseur de la bioencre. Parallèlement, un modèle numérique a été mis en place pour comprendre et prédire la dynamique de l’éjection en fonction de paramètres multiples : choix et épaisseur de la couche absorbante, épaisseur de la couche de bioencre, énergie laser déposée. Enfin, au regard de ces études, nous proposons un mécanisme d'éjection des microgouttelettes intervenant au cours du procédé de microimpression assistée par laser. / Over this decade, cell printing strategy has emerged as one of the promising approaches to organize cells in two and three dimensional engineered tissues. In parallel with ink-jet printing and bioplotting, Laser Assisted Bioprinting (LAB) using Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as an alternative method in the assembly and micropatterning of biomaterials and cells. LAB is a laser direct-write technique that offers the possibility of printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomolecules and living cells in solution. In our research works, we considered an experimental and numerical approach to study the physical mechanisms involved in the biological elements microprinting laser assisted.First we defined the rheological parameters of bioinks and the transfer conditions (composition, thickness and viscosity of the bioink and laser energy). Then we led a statistical analysis of the volume of the transfer droplets for four viscosities of bioink, five thicknesses of bioink and five laser energies. Then we designed and implemented a system for time resolved imaging to study the effects of viscosity on the dynamics of the ejection. Thus we have differentiated three ejection regimes in function of the laser energy released in the absorbing layer, the visocsity and the thickness of the bioink. In parallel, a numerical model was developed to understand and predict the dynamics of the ejection parameters according to multiple choice and thickness of the absorbing layer, thickness of the layer bioencre, energy deposited. Finally, with regard to these studies, we propose a mechanism for ejecting droplets involved in the process of laser-assisted microprinting.