Les performances d'un filtre optique interférentiel sont directement liées à la qualité du contrôle optique implanté sur la machine de dépôt. Actuellement, les contrôles spectrophotométriques large bande se développent de plus en plus du fait de l'amélioration des détecteurs matriciels. Le système optique développé durant ce travail de thèse présente la particularité de mesurer simultanément les profils spectraux en transmission et en réflexion de l'échantillon traité en rotation au cours du dépôt, ceci sur une plage spectrale située entre 400 et 1000 nm. Un tel système couplé à un logiciel d'optimisation permet de compenser les éventuelles erreurs de dépôt en modifiant après la réalisation de chaque couche les épaisseurs de celles restant à déposer. Il permet également une caractérisation in situ des indices et épaisseurs de matériaux diélectriques ou absorbants.

La lumière polarisée est généralement considérée comme une valeur ajoutée et est souvent utilisée pour améliorer l'observation de scènes et d’échantillons, grâce à différents processus d'optimisation. Cependant, il existe un certain nombre de situations où la polarisation de la lumière est pénalisante, et pour lesquelles il est majeur que la lumière polarisée soit transformée en lumière non polarisée. Pour illustration, de nombreuses applications spatiales nécessitent des détecteurs embarqués pour analyser les flux optiques provenant de la Terre ou de l’environnement. Ces flux sont collectés après avoir été diffusés et réfléchis par les différents éléments rencontrés, qui peuvent partiellement polariser la lumière étudiée. Cette dépolarisation n’est pas prédictible car elle dépend fortement des milieux traversés alors qu’elle influe fortement sur l’étalonnage des instruments. Bien que l'on puisse facilement transformer l'état de polarisation de la lumière en un autre état arbitraire, ou passer d’une lumière non polarisée à une lumière polarisée, la situation inverse qui consiste à dépolariser une lumière est moins fréquente et s'accompagne souvent de pertes optiques et d'une réduction de la cohérence spatiale ou temporelle. Dans cette thèse, nous proposons une technique alternative originale s’appuyant sur le principe de dépolarisation spatiale. Elle requiert un composant de type multicouche optique présentant un gradient transverse de propriétés optiques. Nous montrons dans quelles conditions ce gradient vient satisfaire à une condition de dépolarisation spatiale, sans créer de perte d’énergie / Polarized light is generally considered as an added value and is often used to improve the viewing of scenes and samples through various optimization processes. However, there are a number of situations where the polarization of the light is penalizing, and for which it is important that the polarized light is transformed into unpolarized light. For example, many space applications require embedded sensors to analyze optical flux from the Earth or the environment. These fluxes are collected after being scattered and reflected by the different elements encountered, which can partially polarize the light studied. This depolarization is not predictable because it strongly depends on the environments encountered whereas it strongly influences the calibration of the instruments. Although the polarization state of light can be easily transformed into another arbitrary state, or from unpolarized light to polarized light, the reverse situation of depolarizing light is less common and is often accompanied by optical losses and a reduction in spatial or temporal coherence. In this thesis, we propose an original alternative technique based on the principle of spatial depolarization. It requires an optical multilayer type component having a transverse gradient of optical properties. We show under which conditions this gradient satisfies a spatial depolarization condition, without creating energy losses. This synthesis step simultaneously takes into account the spatial and spectral variations of the optical properties of the filter

Les matériaux nanocomposites formés à partir de particules métalliques incluses dans une matrice diélectrique présentent des propriétés inusitées que l'on ne retrouve pas dans les matériaux massiques étant donné la taille nanométrique des particules métalliques. Notamment, la résonance des électrons de conduction du métal sous l'excitation d'une lumière incidente, appelée résonance plasmon de surface (spr), donne lieu à l'apparition d'une bande d'absorption dans le visible ayant une influence drastique sur les propriétés optiques du nanocomposite. La position, la largeur et l'amplitude de cette bande d'absorption sont des fonctions complexes des caractéristiques nano-structurales du nanocomposite, notamment : la nature et la concentration du métal, la taille des nanoparticules, leur forme, l'indice de réfraction de la matrice, etc. Spécifiquement, la présence de particules asymétriques, comme par exemple des particules de forme nano ellipsoïdale, permet l'observation de bandes d'absorption spr multiples résultant en un matériau non-symétrique possédant des propriétés anisotropes. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l'analyse de techniques avancées de fabrication permettant le contrôle précis de la synthèse d'un nanocomposite formé de nanoparticules d'or incluses dans une matrice de silice. Nous avons développé une technique en trois étapes permettant de fabriquer des couches nanocomposites comprenant des particules de tailles et de formes contrôlées. Ces étapes sont : 1) dépôt hybride pulvérisation/dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, 2) recuits thermiques, 3) irradiation à l'aide d'un faisceau d'ions de haute énergie. Subséquemment, la performance optique des matériaux fabriqués a été testée par différentes techniques afin d'en évaluer les propriétés linéaires et non-linéaires. Les premières ont été étudiées par ellipsométrie et spectrophotométrie alors que les deuxièmes l'ont été par les techniques P-Scan et Z-Scan. Plus précisément, nous nous sommes intéressés à la métrologie et au contrôle de l'anisotropie des propriétés du système nanocomposite formé par faisceau d'ions. Une nouvelle approche de mesure des propriétés optiques non-linéaires anisotropes sera présentée. Dans ce document, le lecteur retrouvera une description théorique exhaustive des propriétés optiques (linéaires et non-linéaires) des matériaux nanocomposites métal/diélectrique incluant des modèles détaillés pour la description des propriétés de chacun des constituants du nanocomposite : métal (Drude, Lorentz) et diélectrique (Cauchy).

Le comportement d'un empilement multicouche interférentiel soumis à une sollicitation extérieure, de type thermique ou mécanique, est devenu un point critique, au regard des exigences de stabilité de plus en plus sévères exprimées aujourd'hui sur les performances des empilements. Afin de prédire de manière rigoureuse et précise l'évolution de ces performances optiques sous sollicitation, quelle que soit la formule de l'empilement, il est nécessaire de connaître les variations de l'indice de réfraction n et de l'épaisseur e de chaque couche, de chaque matériau, de l'empilement. Cela implique la connaissance des paramètres permettant de décrire ces variations, à savoir le coefficient d'expansion thermique a, le coefficient de Poisson n, le coefficient de dépendance de l'indice de réfraction avec la température b, et enfin les coefficients élasto-optiques p11 et p12. Cependant, si l'effet global d'une sollicitation est mesurable sur un empilement complet, ces coefficients sont quasi inconnus au niveau d'une couche mince individuelle tant le même effet devient faible sur une couche de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Pour mesurer ces paramètres à ce niveau élémentaire, nous présentons une méthode optique basée sur l'utilisation d'un interféromètre de Fabry-Perot comportant une couche du matériau à caractériser, soumis à un échelon de température. L'étude se scinde selon deux axes. Le premier, purement optique, s'intéresse particulièrement au principe de la mesure et à la stabilité de la méthode face aux erreurs et aux bruits de mesures. Le second, purement mécanique, montre comment s'affranchir des inévitables déformations mécaniques des lames de l'interféromètre soumis à la sollicitation thermique, ce qui est indispensable pour parvenir à la mesure des coefficients recherchés. La réunion de ces deux axes a permis de finaliser la méthode de mesure et de concevoir puis réaliser un banc expérimental ayant une résolution en longueur d'onde inférieure au picomètre, dédié à l'extraction de ces paramètres avec la précision requise. Nous en présentons les premiers résultats expérimentaux dédiés à montrer la faisabilité de la mesure.

Dans le domaine de l'inspection visuelle automatique de circuits intégrés, le contraste des images est un paramètre important. La méthode d'optimisation proposée utilise l'effet des variations de réflexion optique en fonction de la longueur d'onde pour les structures de couches minces. Elle consiste a déterminer le filtrage en longueur d'onde optimisant un "facteur de qualité" de l'image (taux de la dynamique de la camera) à partir des spectres de réflexion des différentes structures présentés sur la plaquette. L'étude est limitée au cas des circuits intégrés à 2 structures, mais l'extension a un nombre quelconque est possible. Les différents moyens d'obtention des spectres de réflexion sont précisés. Des mesures photométriques démontrent la fiabilité de la méthode proposée. Un appareillage optique original permet l'application dans le cadre d'une machine d'inspection automatique

Ce travail de thèse porte sur l'étude des propriétés optiques de matériaux proche de surface métallique. Nous avons mis en évidence un régime de couplage fort entre les plasmons de surface, se propageant à l'interface métal diélectrique, et les excitons de<br />semiconducteur organiques. Ceux-ci sont formé de colorants J-agrégés. Le couplage fort se traduit par l'apparition d'états mixtes plasmons-excitons : les polaritons. Des mesures de réflectométrie, réalisées sur des échantillons présentant une couche de J-agrégats déposée sur un film d'argent, nous permettre de mettre en évidence un anticroisement dans le relations de dispersion du plasmon et de l'exciton, ce qui est caractéristique du couplage fort. L'émission des nouveaux états polaritoniques a été étudier dans deux géométries différentes : en utilisant des échantillons présentant une couche d'argent plane et avec des<br />films d'argent nanostructuré dans une géométrie de cross-coupling.

Nous presentons differentes applications de la photosensibilite a la realization de filtres optiques interferentiels. Nous commencons par une etude theorique de la programmation de la reponse spectrale d'un fabry-Perot multicouches et de celle d'un filtre a cavites-substrats tandem; enfin nous presentons le principe de fonctionnement d'un filtre dit ”hybride”, compose d'un miroir de Bragg et d'un miroir dielectrique. Nous presentons ensuite la realisation d'un montage de mesure absolue de l'epaisseur optique de cavites-substrats et les resultats experimentaux obtenus lors de la caracterisation de lames fines potentiellement photosensibles. Enfin, nous exposons les resultats obtenus lors de la realisation de filtres hybrids en espace guide et en espace libre puis lors de la structuration d'une cavite-substrat photosensible.

Nous avons développé des codes de calcul basés sur la théorie de Mie, pour prédire la réponse angulaire et spectrale de microsphères revêtues d'empilements multicouches concentriques, diélectriques ou métalliques. L'influence des paramètres est tout d'abord analysée avec précision : effet de taille, effet du revêtement, tolérance sur le rayon... L'analogie avec les fonctions optiques classiques (antireflet, miroir, filtres, séparateurs...) a retenu notre attention, et l'on montre qu'elle existe jusqu'à des rayons de l'ordre de 3 Μm, valeur critique en dessous de laquelle les résonances prédominent. Une étude colorimétrique a également permis de quantifier nombre d'effets colorés spécifiques à ces sphères multicouches.<br />La deuxième partie de notre travail a consisté en la réalisation des micro-composants. Pour cela nous avons entièrement mis au point une technologie de pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), pour fabriquer des couches minces optiques métalliques ou diélectriques. Pour revêtir les microsphères, nous les animons d'un mouvement aléatoire conféré par une membrane vibrante. Les résultats montrent que notre procédé fonctionne très correctement pour une fabrication en série, ouvrant ainsi la porte à des poudres optiques interférentielles. Ensuite le problème de la caractérisation est traité à l'aide d'un diffusomètre laser et d'un spectro-diffusomètre, pour tenter de mesurer une sphère isolée ou des collections de microsphères.<br />De façon générale, ce travail trouve des applications dans la couleur et cosmétique, la visualisation, la furtivité et les télécom, le biomédical...

Afin d'étudier de manière non destructive les défauts locaux absorbants précurseurs de l'endommagement laser dans les composants optiques, nous réalisons un dispositif de microscopie haute détectivité et haute résolution, basé sur la déflexion photothermique et couplé à un dispositif d'endommagement laser.La configuration optimale est tout d'abord déterminée par une étude bibliographique, une étude de faisabilité et une étude comparative théorique.Par ailleurs, le rôle de la longueur d'onde est caractérisé par une étude des propriétés spectrales des défauts absorbants et diffusants dans l'UV, le visible et l'IR, pour des substrats et couches minces.Nous présentons ensuite la réalisation expérimentale du dispositif. Une résolution sub-micronique est obtenue.Enfin, nous l'appliquons à l'étude d'inclusions d'or de 600 nm dans la silice. Nous démontrons l'existence d'un phénomène de pré-endommagement: l'absorption de ces inclusions diminue après irradiation sans altération de la surface.

Ce manuscrit décrit mes activités de recherche menées au sein de l'Institut Fresnel de 2002 à 2011.