Ce manuscrit présente une expérience totalement nouvelle visant à mesurer la constante de Boltzmann par une méthode de spectroscopie laser. Cette constante est déduite de la largeur à mi-hauteur d'un profil d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac à température contrôlée. Sur le plan théorique, cette expérience nécessite une analyse très poussée de la forme de raie en absorption linéaire.<br />Dans ce mémoire, je décris les solutions apportées pour obtenir un faisceau laser de fréquence parfaitement contrôlée, largement accordable autour de 10 µm et d'intensité constante. Je décris également les options retenues pour le contrôle en température du gaz d'ammoniac.<br />Les résultats obtenus sont très encourageants, nous avons après seulement 2 ans déjà obtenu une première mesure de la constante de Boltzmann avec une incertitude relative de 1,9X10-4: k=1,38065(26)X10-23 J.K-1.<br />Dans ce manuscrit, je présente également plusieurs voies d'amélioration à court et moyen termes.<br />Je présente enfin une expérience de franges de Ramsey-Bordé référencée sur l'étalon primaire de fréquence localisé à Paris (au SYRTE). La chaîne de mesure absolue de fréquence atteint une résolution de 10-14 et l'incertitude pour la mesure de la frange centrale est également de l'ordre de 10-14. A moyen terme, ce système de mesure par rapport à l'étalon primaire pourra être utilisé pour contrôler la fréquence du laser à CO2 dans les futures expériences de mesure de la constante de Boltzmann.

Ce travail concerne tout d'abord deux techniques originales de caractérisation monocoup d'impulsions lumineuses brèves. un autocorrélateur à deux photons à fibre optique à coeur liquide fluorescent est tout d'abord présenté. La seconde méthode, nommée SPIRIT, s'appuie sur l'interférométrie spectrale à décalage résolue temporellement sans référence. Elle met en oeuvre une étape interférométrique suivie d'une étape non-linéaire d'échantillonnage temporel tout optique. Une évolution bi-dimensionnelle de SPIRIT profitant des dimensions spectrale et temporelle et également démontrée.<br />La seconde partie de ce travail concerne une technique d'acheminement d'impulsions femtosecondes énergétiques par fibre optique en vue d'une application à l'endomicroscopie non-linéaire. La mise en forme temporelle et spectrale du signal permet de pré-compenser la dipersion chromatique et l'automodulation de phase se produisant dans la fibre endoscopique constituée d'un faisceau de milliers de fibres optiques. L'endomicroscope non-linéaire a permis l'enregistrement d'images bi-photoniques de cellules de colon humain pour une puissance moyenne faible.

Le cerveau est un organe complexe composé de neurones et des cellules non-neuronales. La communication entre les neurones a lieu via les synapses, dont le remodelage morphologique est considéré essentiel pour le traitement et le stockage des informations dans le cerveau des mammifères. Récemment, ce point de vue neuro-centré de la fonction synaptique a évolué, en prenant également en compte les processus gliaux à proximité immédiate de la synapse. Cependant, comme leur structure est bien en deçà de la résolution spatiale de la microscopie optique conventionnelle, les progrès dans les enquêtes dans leur environnement physiologique, le cerveau intact, ont été entravés. En effet, on sait peu sur les variations nanométriques de la morphologie des épines dendritiques et l'interaction avec les processus gliaux, et, finalement, comment elles affectent la transmission synaptique in vivo. Dans cette thèse, nous cherchons à visualiser la dynamique de la nano-morphologie des épines dendritiques et les processus gliaux dans le cortex à tonneaux de souris in vivo. Nous avons donc mis en place l’imagerie super-résolution 2P-STED en temps réel, ce qui permet une haute résolution spatiale et la pénétration profonde des tissus, chez la souris anesthésiée in vivo. Nous montrons que la nano-morphologie des épines est diversifiée, variable, mais globalement stable, et que les différences dans la morphologie des épines peut avoir un effet sur leur compartimentation in vivo. En outre, la mise en œuvre de l’imagerie super-résolution en double couleur in vivo et le développement d'une approche de marquage astrocytaire, nous ont permis de fournir la caractérisation à l'échelle nanométrique des interactions neurone-glie. Ces résultats apportent un aperçu sans précédent dans la dynamique de la synapse à l'échelle nanométrique in vivo, et ouvrent la voie à une meilleure compréhension de la façon dont les réarrangements morphologiques des synapses contribuent à la physiologie du cerveau. / The brain is a complex organ consisting of neurons and non-neuronal cells. Communication between neurons takes place via synapses, whose morphological remodeling is thought to be crucial for information processing and storage in the mammalian brain. Recently, this neuro-centric view of synaptic function has evolved, also taking into account the glial processes in close vicinity of the synapse. However, as their structure is well below the spatial resolution of conventional light microscopy, progress in investigating them in a physiological environment, the intact brain, has been impeded. Indeed, little is known on the nanoscale morphological variations of dendritic spines, the interaction with glial processes, and how these affect synaptic transmission in vivo. Here, we aim to visualize the dynamic nano-morphology of dendritic spines in mouse somatosensory cortex in vivo. We implemented super-resolution 2P-STED time-lapse imaging, which allows for high spatial resolution and deep tissue penetration, in anesthetized mice, and show that the nano-morphology of spines is diverse, variable, but on average stable, and that differences in spine morphology can have an effect on spine biochemical compartmentalization in vivo. Moreover, implementation of dual color in vivo super-resolution imaging and a novel astrocytic labeling approach provided the first steps towards nanoscale characterization of neuron-glia interactions in vivo. These findings bring new insights in synapse dynamics at the nanoscale in vivo, and our methodological endeavors help pave the way for a better understanding of how nanoscale aspects of spine morphology and their dynamics might contribute to brain physiology and animal behavior.

L’objectif de cette thèse consistait à développer des colorants de la famille des polyméthines absorbant dans le proche infrarouge et présentant des propriétés d’optique non-linéaire (ONL) prononcées. De nouveaux chromophores ont été préparés et leurs propriétés spectroscopiques ont été systématiquement étudiées afin d’établir des relations structures-propriétés. Cette stratégie a permis l’identification des facteurs permettant d’exalter la réponse ONL des polyméthines et de prédire leur comportement face à de subtiles modifications structurales. Trois familles de colorants ont été préparées : des monométhines aza-dipyrrométhènes de bore, des heptaméthines symétriques ainsi que des heptaméthines dissymétriques.Dans un premier temps, des aza-bodipys possédant des groupements donneurs périphériques sont synthétisés. Une étude spectroscopique approfondie permet d’identifier les structures présentant une absorption à deux photons importante en vue d’applications en limitation optique aux longueurs d’onde des télécommunications (1500 nm). Le chapitre suivant a pour but de rationaliser les équilibres de la limite cyanine. L’étude de la substitution centrale de nombreux dérivés heptaméthines a permis de moduler leurs propriétés optiques sur une large gamme spectrale et de mettre en évidence une nouvelle structure électronique limite de type bis-dipôle. Parmi cette famille de colorants, des dérivés keto-heptaméthines ont été utilisées en imagerie biologique (cellules et cerveau) par microscopie non-linéaire. Enfin, l’élaboration de structures heptaméthines dissymétriques originales est détaillée dans le dernier chapitre. Ces chromophores ont révélé des propriétés ONL du second ordre idéales pour des applications en modulation électro-optique. / The aim of this thesis consisted in developing dyes from the polymethine family absorbing in the near-infrared (NIR) region and featuring pronounced nonlinear optical (NLO) properties. Several new chromophores have been prepared and their spectroscopic properties have been systematically investigated in order to establish structure-properties relationships. This strategy has permitted the identification of the factors that enhance the NLO response of polymethines and allowed the prediction of their optical behaviour depending on subtle structural modifications. Three families of dyes have been prepared and investigated: boron aza-dipyrro-monomethines (aza-bodipys), symmetrical heptamethines and unsymmetrical heptamethines.In a first time, aza-bodipys possessing electro-donating peripherical substituants has been synthesized. A detailed spectroscopic study allow the identification of structures that present a high two-photon absorption (TPA), towards optical limiting applications at telecommunication wavelengths (1500 nm). The next chapter rationalizes the equilibrium surrounding the cyanine limit. The study of the central substitution of several heptamethines derivatives permitted the fine tuning of their optical properties upon a large spectral region and evidenced a new bis-dipolar electronic structure. Within this dye family, keto heptamethine derivatives has been tested in bio-imaging experiments (living cells and brain) using non-linear microscopy. Finally, the elaboration of original unsymmetrical heptamethines is detailed in the last chapter. These chromophores revealed ideal second order NLO properties for applications in electro-optic modulation.

Cette thèse présente l’étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d’impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d’impulsions THz par redressement optique d’impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l’impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l’absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d’accord de phase. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d’impulsions laser femtosecondes mises en forme à l’aide d’un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d’une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience. / This thesis deals with the theoretical and experimental study of the generation and shaping of terahertz (THz) pulses. At first, we have studied the generation of THz pulses by optical rectification of intense femtosecond laser pulses in semiconductor ZnTe crystals. We have demonstrated a strong dependence of the efficiency of the generation process with the intensity of the laser pulse. This is evidenced by a progressive shift of the spectrum towards lower frequencies and an abnormal evolution of the THz energy with laser intensity. These behaviors result from a combination of three phenomena: the depletion of the laser pulse during its propagation in the crystal, the absorption of THz wave by free carriers created by two-photon absorption and a change of the phase matching condition. Secondly, we have developed an analytical approach to generate THz shaped pulses particularly interesting for coherent spectroscopy or coherent control. In particular, we have generated phase-locked THz pulses pairs, pulse trains and tunable narrow-band THz pulses. This technique is based on optical rectification of shaped femtosecond laser pulses generated by a liquid crystal Fourier filter. To demonstrate the validity of our approach, we have also developed a program giving results in very good agreement with experiment.

Dans cette thèse, les propriétés optiques de biomolécules importantes ont été étudiées en utilisant une approche théorique et, dans un cas, aussi expérimentale. La Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et la timedependent-DFT (TD-DFT) sont les principales méthodes de chimie quantique utilisées dans cette thèse. Plusieurs spectroscopies ont été étudiées (au niveau théorique et, dans certains cas, également au niveau expérimental) : absorption électronique linéaire (absorption à un photon, OPA) et non-linéaire (absorption à deux ou trois photons, TPA et 3PA), dichroïsme circulaire électronique (DCE) et spectroscopie de fluorescence. Les effets de l’environnement, particulièrement importants dans des systèmes biologiques, ont été pris en compte, pour les propriétés de l’état fondamental et des états excités en utilisant une méthode multi-échelles QM/MM appelée Polarizable Embedding (PE). L’échantillonnage des conformations a été pris en compte avec des simulations de dynamique moléculaire (MD) qui sont basées sur la mécanique classique. Deux thématiques ont été étudiées dans cette thèse : le cholestérol et le design in silico de ses analogues fluorescents ainsi que la caractérisation des coudes de type β dans différentes conformations grâce à la simulation des spectres DCE. La simulation de plus d’une spectroscopie a été importante dans l’étude des états excités du cholestérol dans des solutions organiques. Le design in silico a suggéré un nouveau stérol-polyénique (P-stérol) qui montre despropriétés optiques améliorées pour le mécanisme d’excitation à trois photons par rapport au déhydroergostérol (DHE), une sonde du cholestérol déjà très utilisée. Ce nouveau P-stérol a été suggéré pour la synthèse. L’étude des spectres de DCE des coudes β en différentes conformations a mené une double conclusion : même si deux allures de DCE pour les conformations des coudes β étudiées (4) ont été trouvées (dans la majorité des cas), la spectroscopie de DCE doit toujours être associée à d’autres techniques spectroscopiques dans la caractérisation en solution des coudes β. / In this thesis, the optical properties of important biomolecules were studied using a theoretical approach and, in one case, also an experimental one. Density Functional Theory (DFT) and time-dependent-DFT (TD-DFT), were the principal quantum chemical methods adopted in this thesis.Various spectroscopies were studied (theoretically and, in some cases, also experimentally) : linear (one-photon, OPA) and non-linear (two- and three-photon, TPA and 3PA) electronic absorption, electronic circular dichroism (ECD) and fluorescence spectroscopy. The environment effects, which are particularly important in biological systems, were taken into account, for both ground and excited states properties, using a multiscale QM/MM method called Polarizable Embedding (PE). The sampling of conformations was addressed by Molecular Dynamic (MD) simulations based on classical mechanics. Two topics were studied in this thesis: cholesterol and the in-silico design of its fluorescent analogues, and the characterization of β-turns in different conformations by simulations of their ECD spectra in aqueous solutions. The simulation of more than one spectroscopy resulted to be important when studying the electronic excited states of cholesterol in organic solutions. The in-silico design study suggested a novel polyene-sterol (P-sterol) which shows improved optical properties for the three-photon excitation mechanism with respect to dehydroergosterol (DHE), an already widely used cholesterol probe. This new P-sterol was thus suggested for synthesis. The achievement from the study of ECD spectra for different β-turn conformations is two-fold: even if two ECD patterns for the β-turn conformations studied (4) were found (in most of cases), ECD spectroscopy should be always associated with other spectroscopic techniques when trying to characterize the β-turn conformations in solutions.