L’adhésion et les propriétés mécaniques des cellules jouent un rôle crucial dans le fonctionnementcellulaire ainsi que dans l’apparition de maladies dégénératives. Pour mesurer ces quantités, nousavons développé dans ce travail un microscope opto-acoustique pour l’imagerie non-invasive de lamécanique de cellules individuelles avec une résolution sub-cellulaire. Ce microscope utilise latechnique d’acoustique picoseconde qui permet de générer et détecter optiquement des ondesacoustiques avec une large bande s’étendant jusqu’à 1 THz. Dans le but de reproduire lecomportement mécanique des cellules à des fréquences acoustiques supérieures à 10 GHz, uneétude sur des objets mous biomimétiques est menée dans une première partie. Les rigidité, viscositéet épaisseur de ces systèmes multicouches micrométriques sont caractérisées. Dans la deuxièmepartie de ce manuscrit, la technique d’acoustique picoseconde est employée pour imager le contactentre une cellule animale modèle et un biomatériau, ainsi que l’impédance acoustique de cette cellule.Un outil d’analyse nécessaire pour le traitement du signal acoustique est mis en place. Enfin, unmicroscope opto-acoustique opérationnel entre 10 et 100 GHz est présenté dans la dernière partie. Ilest basé sur un dispositif pompe-sonde asynchrone qui permet de produire des images acoustiquesen un temps court (4 pixels/min) avec une résolution axiale de l’ordre d’une dizaine de nm. Cetteapproche est comparable à une échographie mais à l’échelle cellulaire. L’étude de l’adhésion et despropriétés mécaniques de plusieurs types de cellules à différents stades de maturation est abordée.Des images topographiques des zones fines (< 50 nm) d’une cellule sont également analysées. Lemicroscope développé durant cette thèse offrira la possibilité d’explorer de nouvelles pistes derecherche dans les domaines de la biologie cellulaire et des biotechnologies. / Adhesion and mechanical properties of cells are key players in several cellular functions and areinvolved in the development of degenerative diseases. To characterize these quantities, we developedin this work an opto-acoustic microscope for the non-invasive imaging of the mechanics of individualcells with a sub-cell resolution. This microscope uses the Picosecond Ultrasonics (PU) technique thatallows optical generation and detection of acoustic waves with a large bandwidth up to 1 THz. In orderto reproduce the mechanical behaviour of cells at acoustic frequencies greater than 10 GHz, a studyof cell-mimicking micro-objects is first considered. The rigidity, viscosity and thickness of these microlayeredstructures are characterized. In the second part of this manuscript, the PU technique isapplied for imaging the contact between a simple animal cell and a biomaterial, as well as the acousticimpedance of this cell. An essential tool for analysing the acoustic signal is developed. In the thirdpart, the opto-acoustic microscope operating between 10 and 100 GHz is finally presented. It is basedon an asynchronous pump-probe setup that allows producing acoustic images within a short time (4pixels/min) and offering an axial resolution of about 10 nm. This is similar to cell ultrasonography. Thestudy of the adhesion and of the mechanical properties of different cell types at different stages of cellmaturation is then tackled. The topographic images of thin cell regions (< 50 nm) are also analysed.The microscope implemented during this thesis should offer the possibility of exploring new avenuesin the field of cellular biology.

L'acoustique picoseconde est basée sur une technique pompe-sonde optique nécessitant l'emploi d'un laser pulsé subpicoseconde permettant la génération et la détection d'impulsions acoustiques ultrabrèves. L'onde acoustique picoseconde générée est par nature longitudinale lorsque le transducteur opto-acoustique est isotrope. Ainsi, jusqu'à présent, dans la plupart des cas, seul le mode acoustique longitudinal a pu être employé au diagnostic mécanique de structures submicroniques. La mise en oeuvre d'une source acoustique picoseconde d'ondes transverses ouvrirait la voie à de nouvelles perspectives expérimentales. <br /><br />Dans ce travail de thèse, la génération d'ondes acoustiques transverses picosecondes par le mécanisme de génération thermoélastique est envisagée analytiquement et exploitée expérimentalement à partir de transducteurs opto-acoustiques anisotropes, le cas échéant, des substrats métalliques désorientés. La problématique concerne tant la génération thermoélastique que la détection élasto-optique des ondes acoustiques transverses picosecondes.<br /><br />En premier lieu, la théorie de la génération thermoélastique dans des matériaux anisotropes est présentée afin de caractériser la potentialité de la génération thermoélastique et de concevoir les mécanismes propres à la génération des ondes transverses. Puis la théorie de la détection élasto-optique est exposée afin d'étayer l'opportunité d'utilisation du substrat métallique anisotrope en tant que capteur d'ondes transverses picosecondes. Le rôle bivalent du substrat en tant que transducteur et capteur d'ondes transverses picosecondes est opportun.<br /><br />En second lieu, les expériences picosecondes réalisées avec des substrats monocristallins de zinc désorientés sont présentées et interprétées grâce aux prédictions théoriques. Les expériences attestent de l'efficacité de la génération in situ des ondes acoustiques transverses picosecondes et de la génération par réflexion-conversion de modes des ondes acoustiques longitudinales picosecondes. Les simulations numériques concernant les résultats expérimentaux permettent la mesure des coefficients photo-élastiques du zinc. Enfin, l'extrapolation à des substrats polycristallins métalliques permet de démontrer l'efficacité de la génération thermoélastique à partir de cristallites non texturés (001).

Cette étude porte sur la caractérisation physique, chimique et mécanique de films minces de nitrure de silicium. Ces films sont utilisés pour accroître les performances des transistors en induisant une déformation dans le canal. Pour ce faire les films sont fortement contraints par les conditions de dépôts. Pour améliorer encore plus les performances des transistors, la contrainte du film a été augmentée en utilisant des films multicouches avec traitement plasma. Ce traitement engendre une désorption d'hydrogène permettant la recombinaison de nouvelles liaisons Si-N, conduisant à l'augmentation de la contrainte. Lors de cette première phase de densification, on constate par ailleurs que le module de Young augmente aussi bien dans plan que hors-plan. Ensuite, si le traitement se prolonge, la désorption s'arrête et on constate une deuxième phase au cours de laquelle la porosité du film diminue fortement. Cette diminution semble corrélée à l'accroissement supérieur du module de Young dans le plan par rapport à celui hors-plan, conduisant à une anisotropie du film. On suppose donc que les pores sont de forme colonnaire dans la direction hors-plan.

L’acoustique picoseconde est un outil adapte a la mesure des proprietes mecaniques des films minces. la generation et la detection de phonons acoustiques de frequences voisines du thz sont effectuees a l'aide d'impulsions laser ultracourtes delivrees par des lasers femtosecondes. a cause de l’isotropie des transducteurs, les ondes acoustiques transverses ne peuvent etre thermo-elastiquement excitees que par conversion de mode d’ondes acoustiques longitudinales. ce travail propose comme alternative l’utilisation d’un reseau optique comme source d’excitation laser inhomogene pour generer et detecter des phonons plans transverses dans des materiaux isotropes. une etude theorique a montre que l'application d’un reseau optique transitoire a l’interface entre des materiaux isotropes induit l’excitation de reseaux acoustiques transverses par conversion de mode d’ondes acoustiques longitudinales en incidence oblique par rapport a l’interface. ces ondes sont inhomogenes car elles ont leur amplitude harmoniquement modulee selon l’interface. nous avons montre que la detection selective et heterodyne de ces ondes de cisaillement n’est possible que dans la configuration ou un reseau pompe 1d et sonde 2d sont associes. cela permet la depolarisation a travers l’interaction acousto-optique, de la sonde incidente par le reseau acoustique transverse. cela a ete realise en mettant le reseau sonde dans le plan perpendiculaire a celui de la pompe. de plus, l’adaptation et la mise en œuvre de methodes optiques de haute sensibilite, en particulier la polarimetrie et l’ellipsometrie nous ont permis d’evaluer et d’optimiser la sensibilite de la detection de ces ondes acoustiques transverses. / The picosecond acoustic technique which allows studies at picosecond characteristic time scale and nanometer space scale is a powerful tool for the diagnostic of elastic properties of sub-micrometer films. high frequency acoustic phonons (up to 1 thz) are generated and detected by the use of ultra-short femtosecond laser pulses. due to isotropy of most of opto-acoustic transducers, shear acoustic waves can be thermo-elastically excited only by mode conversion of longitudinal acoustic waves.this work suggests using optical gratings as inhomogeneous excitation laser source for the generation of shear acoustic phonons in isotropic media. the processes leading to excitation of inhomogeneous plane bulk compression/dilatation and shear acoustic modes following the creation of a transient laser interference pattern at an interface between an opaque and a transparent elastically isotropic media are analyzed. the developed theory predicts the excitation of shear acoustic grating by mode conversion of longitudinal waves obliquely incident to the interface. it is shown that only the association of 1d pump grating and 2d probe grating can allow selective and heterodyne detection of the excited shear acoustic gratings. in this configuration the incident probe is depolarized through the photo-elastic interaction by the shear acoustic gratings. this is experimentally realized by positioning the 2d probe grating perpendicularly to 1d pump grating plane. furthermore, the implementation and adaptation of high sensitive optical methods, particularly polarimetry and ellipsometry has permitted us to evaluate and to optimize the sensitivity of shear acoustic waves detection.

L'utilisation d'impulsions laser femtoseconde en technique pompe sonde est une technique commune en vue de générer et détecter des phonons acoustiques cohérents, dont les longueurs d'onde caractéristiques nanométriques sont adaptées à la caractérisation de nanostructures. Les caractéristiques de ces phonons cohérents peuvent être contrôlées par la connaissance du processus de transduction optoacoustique, dépendant de la longueur d'onde d'excitation optique et de l'intensité du laser. L'interaction laser-matière entre le faisceau de pompe optique et le semiconducteur conduit à l'existence de contraintes mécaniques (déformation de potentiel, thermo-élastique, électrostrictif, piézo-électrique). Les expériences et l'analyse théorique de la transduction opto-acoustique dans le GaAs, pour différents niveaux de dopage et/ou orientations cristallographiques ont été menées, et la dépendance du processus de transduction avec la fluence du rayonnement laser de pompe a été mise en évidence.

L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques / Acoustic waves in the Gigahertz or Terahertz frequency range allow the mechanical characterization of submicronic structures. The generation and the detection of these waves can be performed with the use of femtosecond lasers combined with pump-probe setups. This report describes the setting-up of an opto-acoustic imaging experiment with a submicronic spatial resolution. The association of asynchronous optical sampling with the use of low repetition rate femtosecond lasers considerably increases acquisition rates and offers a high spectral resolution, respectively. The first part of this report presents the two laser cavities with slightly different repetition rates in order to perform asynchronous optical sampling. The scheme and the performances of the synchronization stage are described. In the second part, the implementation of this dual-oscillator in a pump-probe experiment is detailed and the ability to detect sub-THz acoustic waves with a 50 MHz-spectral resolution is demonstrated. Finally, in the last chapter, the strong potential of this experiment to perform ultrafast imaging is illustrated through two examples : the measurement of the dispersion of GHz surface acoustic waves due to the presence of a thin film and the imaging and the sizing of submicronic elastic heterogeneities.

L'objectif de ce travail est le développement d'un interféromètre à chemin commun entièrement passif pour détecter des ondes acoustiques hautes fréquences (GHz-THz). Ce travail s'inscrit dans le domaine de l'acoustique picoseconde. La génération et la détection des ultrasons sont réalisées par l'utilisation combinée de lasers impulsionnels et de dispositifs pompe-sonde résolus en temps. L'originalité de la détection interférométrique proposée réside dans l'utilisation d'un unique cristal biréfringent pour créer une paire d'impulsions séparée de quelques picosecondes puis les recombiner et générer les interférences. Nous dressons dans le premier chapitre un état de l'art des différentes méthodes interférométriques actuellement utilisées en acoustique picoseconde. Dans le second chapitre nous détaillons le principe de l'interféromètre développé et nous modélisons son fonctionnement à l'aide du formalisme de Jones. Nous montrons que, suite à l'excitation induite par l'impulsion pompe, il est possible de mesurer indépendamment la dérivée temporelle de l'amplitude ou de la phase du changement relatif de réflectivité de l'échantillon. Enfin, le troisième chapitre est consacré à la caractérisation expérimentale de l'interféromètre puis à l'illustration des potentialités de cet interféromètre en acoustique picoseconde. Les expériences ont été réalisées sur deux échantillons différents : un film mince optiquement absorbant puis un film transparent déposé sur un transducteur métallique. / The purpose of this work is to develop a fully passive in-line common-path femtosecond interferometer for the detection of high frequencies acoustic waves (GHz-THz). This work falls within the picosecond acoustic domain. The generation and the detection of ultrasounds are performed through the combined use of pulsed lasers and optical pump-probe time-resolved setups. The originality of the interferometric detection we propose lies in the use of a single birefringent crystal frst to generate a pair of phase-locked pulses and second to recombine them to interfere. We present in the first chapter a state-of-the-art of the interferometric setups currently used in picosecond acoustics. In the second chapter, we describe the principle of operation of the interferometer we have developed. Then we model the sensitivity of the interferometer inthe framework of the Jones formalism. We show that it is possible to measure independently the pump-induced modification of either the real or imaginary parts of the complex reflection coefficient of the sample. Finally, in the third chapter, the experimental characterization of the setup is detailed and we illustrate the performance of the interferometer through picosecond opto-acoustic measurements. Experiments are performed on two different samples : an opticallyabsorbing thin film and a transparent substrate coated with a metallic transducer.

Dans ce travail de thèse, nous étudions expérimentalement la dynamique vibrationnelle de nano-objets uniques métalliques ou semi-conducteurs par des techniques pompe/sonde femtosecondes. Nous démontrons d’abord que l’observation de nanofils uniques, suspendus au-dessus de tranchées permet à la fois de s’affranchir de l’effet d’étalement inhomogène des propriétés acoustiques et d’augmenter le confinement acoustique. Grâce à l’enrichissement du paysage vibrationnel ainsi obtenu, nous explorons les propriétés élastiques de nombreux systèmes : métalliques, semi-conducteurs, poreux, alliages, cœur/coquille, etc. Ensuite, nous tirons parti de l’augmentation du confinement acoustique pour observer la propagation d’ondes acoustiques gigahertz guidées le long de nanofils ou de nanopoutres. Nous montrons que la propagation de ces ondes acoustiques dans ces guides d’ondes nanométriques permet d’obtenir des informations indépendantes sur les propriétés élastiques des objets. A contrario, nous mettons en évidence que lorsque le nanofil est en contact avec un substrat, il agit comme une source acoustique monochromatique d’ondes longitudinales qui rayonne dans le substrat. Nous réalisons en transmission l’imagerie spatio-temporelle de ce champ acoustique généré et détectons acoustiquement l’orientation du nanofil sous-jacent grâce à l’anisotropie de forme du champ acoustique. Enfin, nous envisageons une preuve de concept d’un système de microscopie acoustique de résolution spatiale nanométrique en utilisant une pointe de microscopie à force atomique. / Vibrational dynamics of individual nano-objects is studied experimentally using pump and probe time-resolved spectroscopy. First, suspended and individual nano-objects avoid the inhomogeneous broadening of the acoustic properties and increase the acoustics confinement inside the nano-object. Elastic properties of metallic, semiconducting, porous, alloys or core-shell nanowires are thus studied in this advantageous geometry. The increased acoustic confinement in the suspended geometry also lead us to the observation of gigahertz coherent guided acoustic phonons in single copper nanowires and gold nanobeams. We show that the observation of propagating acoustic waves in nanoscale waveguides provide additional elastic informations. Furthermore, it gives the opportunity to unambiguously discriminate which mode is excited and detected using pump and probe time-resolved spectroscopy. On the contrary, nanowires can be used as monochromatic acoustic sources of longitudinal waves when deposited on a substrate. As the acoustic source radiates longitudinal waves inside the substrate, the spatiotemporal imaging of the generated acoustic field is undergone and the nanowire’s orientation is detected in transmission thanks to the acoustic field’s anisotropy. Finally, as another step toward acoustic microscopy with nanoscale spatial resolutions, an atomic force microscopy tip is used as a waveguide and an acoustic transducer with nanometric spatial extension.

Nous étudions la propagation et l'atténuation du son dans la silice avec deux techniques expérimentales complémentaires, la diffusion Brillouin de la lumière et l'acoustique picoseconde. L'analyse de nouvelles données Brillouin précises obtenues dans une large gamme de températures (4-1300 K), complétées avec les données de la littérature sur un large intervalle de fréquences, montre que le frottement interne résulte de deux principaux mécanismes : l'interaction du son avec les défauts relaxants et avec les modes du bain thermique (anharmonicité). La spectroscopie Brillouin à haute pression (0-6 GPa) révèle l'existence d'une modification structurale à environ 2 GPa à température ambiante. L'atténuation du son est observée pour la première fois autour de 250 GHz avec une nouvelle technique acoustique picoseconde. Ce résultat démontre que l'atténuation du son est encore dominée par l'anharmonicité à l'échelle des longueurs d'onde mésoscopiques. La relation avec un régime de forte atténuation au THz est discutée.

L'absorption d'une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d'une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu'à présent, la dimension latérale de la tache focale des impulsions laser était très grande devant l'épaisseur des films considérés. Dès lors, la génération était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l'utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D). <br /><br />Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus suffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.