Au cours de ce travail, la génération de second harmonique optique des molécules biologiques a été étudiée. Cette technique optique non linéaire possède un caractère cohérent qui permet d'accéder aux propriétés de symétrie des molécules dont la taille est très inférieure aux longueurs d'onde optiques visibles utilisées et l'hyperpolarisabilité quadratique des acides aminés aromatiques a été mesurée en solution par diffusion non linéaire. L'hyperpolarisabilité des acides aminés non aromatiques a été obtenue de manière indirecte grâce à des mesures effectuées sur le collagène, une protéine ne contenant pas d'acide aminé aromatique. Le collagène possède en fait une très forte réponse non linéaire et fait l'objet d'études intenses en microscopie optique non linéaire. Par un modèle de sommation cohérente des champs harmoniques réémis, l'origine de la très forte efficacité non linéaire de cette protéine, liée à sa grande rigidité et à son organisation spatiale en triple hélice, a pu être obtenue. En parallèle, l'étude de plusieurs petits peptides synthétiques possédant de un à quatre tryptophanes a permis de comprendre la construction de la réponse optique non linéaire de ces objets à partir de motifs répétés. Par ailleurs, pour apporter des informations supplémentaires sur les nano systèmes, un nouveau montage expérimental a été développé. La grande sensibilité du montage a permis notamment d'atteindre la sensibilité d'une seule particule dans le volume sondé et de mettre en place un système de cartographie en trois dimensions par diffusion Hyper Rayleigh. La démonstration a été réalisée pour des nanoparticules métalliques uniques d'argent piégées dans une matrice de gélatine.

Les nanocristaux à structure non-centrosymétrique présentent des propriétés optiques non linéaires prometteuses pour une utilisation en tant que marqueurs optiques en imagerie biomédicale, avec un intérêt significatif en termes de suivi sur de longues durées et de profondeur de pénétration dans les tissus biologiques. Le développement de ces marqueurs nécessite la détermination de leurs efficacités optiques non linéaires afin de pouvoir sélectionner les nanocristaux les plus prometteurs. Pour cela, la technique de diffusion Hyper-Rayleigh a été adaptée à la caractérisation de suspensions de nanoparticules (BaTiO3, KNbO3, KTP, LiNbO3 et ZnO, BiFeO3) pour lesquelles l'influence de paramètres comme la taille, la concentration ou l'état d'agrégation a été analysée et discutée. Les nanocristaux de BiFeO3 possèdent une efficacité optique non linéaire largement supérieure aux autres particules, démontrant leur potentiel pour la réalisation de nano-sondes optiques particulièrement performantes. Des mesures résolues en polarisation ont également été mises en œuvre pour déterminer les coefficients optiques non linéaires indépendants des particules étudiées. Dans ce cadre, une étude a permis de mettre en évidence l'influence de la forme des nanocristaux sur cette réponse.

La détermination expérimentale des composantes du tenseur d'hyper-polarisabilité est essentielle au développement de nouvelles molécules possédant des propriétés d'optique non-linéaire. La diffusion harmonique de la lumière (DHL) correspond à un phénomène de diffusion non linéaire de la lumière pour laquelle les molécules considérées sont dans une solution isotrope. Du fait des fluctuations d'orientations et de positions des molécules, seules six observables, où invariants orientationnels, sont mesurables par DHL. Afin de déterminer expérimentalement ces six observables, nous avons mis au point un polarimètre à lame de phase tournantes fonctionnant avec une source laser impulsionnelle accordable en longueur d'onde et dédié au mesures de diffusion harmonique de la lumière. Nous avons dans un premier temps optimisé l'architecture du montage polarimétrique en nous appuyant sur la réduction du nombre de conditionnement de la matrice d'appareil, réduisant par la même les erreurs statistiques. Puis nous avons étalonné le montage au moyen d'un échantillon référence dédié à la conversion de longueur d'onde, afin de réduire les erreurs systématiques. Enfin, nous avons réalisé des mesures de diffusion harmonique de la lumière sur deux molécules connues, le DR1 et le Cristal Violet.

La technique de la génération de second harmonique (SHG) a été employée pour étudier la réponse non linéaire des assemblées de nano particules métalliques aux interfaces liquides. Les nanoparticules ont d'abord été caractérisées en utilisant la génération de second harmonique incohérente, également nommée diffusion hyper Rayleigh. L'étude de particules d'or et d'argent, nanosphères et des nanobâtonnets, ont permis de mettre en évidence l'influence de la couche protectrice de surfactants sur l'hyperpolarisabilité quadratique de ces particules. Ces particules ont ensuite été placées à l'interface air/eau dans une cuve de Langmuir afin d'étudier le rôle des interactions entre les particules sur la réponse optique linéaire et non linéaire. Celle-ci a révélé dans ces films formés à l'interface la présence de couplages forts entre les particules lors de la compression de la surface. Cela conduit à une transition dans le film une fois que la distance entre les particules passe en dessous d'une distance critique. Ces études ont été complétées par des expériences réalisées à l'interface liquide/liquide et sur une électrode de carbone vitreux pour examiner plus en détail le rôle de la rugosité à l'échelle nanométrique dans l'exaltation de la réponse non linéaire SHG

Les nanocristaux à structure non-centrosymétrique présentent des propriétés optiques non linéaires prometteuses pour une utilisation en tant que marqueurs optiques en imagerie biomédicale, avec un intérêt significatif en termes de suivi sur de longues durées et de profondeur de pénétration dans les tissus biologiques. Le développement de ces marqueurs nécessite la détermination de leurs efficacités optiques non linéaires afin de pouvoir sélectionner les nanocristaux les plus prometteurs. Pour cela, la technique de diffusion Hyper-Rayleigh a été adaptée à la caractérisation de suspensions de nanoparticules (BaTiO3, KNbO3, KTP, LiNbO3 et ZnO, BiFeO3) pour lesquelles l’influence de paramètres comme la taille, la concentration ou l’état d’agrégation a été analysée et discutée. Les nanocristaux de BiFeO3 possèdent une efficacité optique non linéaire largement supérieure aux autres particules, démontrant leur potentiel pour la réalisation de nano-sondes optiques particulièrement performantes. Des mesures résolues en polarisation ont également été mises en œuvre pour déterminer les coefficients optiques non linéaires indépendants des particules étudiées. Dans ce cadre, une étude a permis de mettre en évidence l’influence de la forme des nanocristaux sur cette réponse. / Non-centrosymetric nanocrystals show promising nonlinear optical properties for being used as optical labels in bio-imaging applications, with significant interest for observations of long duration and for penetration depth into biological tissues. The development of such biomarkers requires the determination of their nonlinear optical properties to select the best potential markers. In this thesis, Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) technique is used to determine nonlinear efficiencies of several nanocystals (BaTiO3, KNbO3, KTP, LiNbO3, ZnO and BiFeO3). These ensemble measurements have been performed on nanocrystals suspensions, for which the influence of parameters such as size, concentration and aggregation state was discussed. BiFeO3nanocrystals offer the best nonlinear optical efficiency compared to other particles, showing their potential as efficient optical biomarkers. Polarisation-resolved measurements have also been performed to retrieve individual coefficients of the nonlinear tensor of the investigated materials and influent parameters such as nanocrystals shape have been identified.

Cette thèse a pour objectif l’étude des propriétés optiques non linéaires (ONL) de second ordre de molécules de référence et de composés organiques photochromes, via des calculs de chimie quantique et des expériences de diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). L’étude des réponses optiques de second harmonique d’une série de solvants organiques met tout d’abord en évidence la nécessité d’utiliser des méthodes théoriques intégrant les effets de la corrélation électronique, les effets d’environnement, ainsi que des bases très étendues pour évaluer quantitativement les premières hyperpolarisabilités moléculaires. La décomposition du tenseur de première hyperpolarisabilité en contributions dipolaires et octupolaires via le formalisme des harmoniques sphériques permet également d’illustrer l’effet de la symétrie des composés sur leurs réponses ONL. La seconde étude porte sur la caractérisation des effets de solvant sur les propriétés ONL d’un dérivé anil présentant un équilibre entre une forme énol et une forme cétone. Il est démontré que l’équilibre énol/cétone peut être déplacé vers la forme cétone en augmentant la proportion d’éthanol dans le mélange binaire de solvants éthanol/cyclohexane, conduisant à une augmentation de l’intensité HRS du mélange. La dernière partie de la thèse propose une étude théorique systématique des effets de substitution sur les propriétés ONL de sels de flavylium, dans le but d’optimiser le contraste des réponses ONL entre les différentes formes des composés. Il est démontré qu’une combinaison optimale de substituants permet d’obtenir de forts contrastes, démontrant le potentiel de ces composés comme systèmes multi-états pour des applications ONL. / This PhD addresses the nonlinear optical (NLO) properties of the reference organic molecules and molecular switches, by means of quantum chemical calculations and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) measurements. The thorough investigation of the NLO responses of a series of organic solvents first evidences the need of using theoretical methods including environment and electron correlation effects, as well as highly extended basis sets to quantitatively evaluate the molecular first hyperpolarizabilities. Decomposing the first hyperpolarizability tensor into dipolar and octupolar contributions via the spherical harmonics formalism also highlights the impact of the molecular symmetry on the NLO responses. The second part addresses the solvent effects on the NLO properties of an anil derivative, which exhibits an equilibrium between a enol and a keto form. It is shown that the enol/keto equilibrium is shifted towards the keto form when increasing the ethanol ratio in ethanol/cyclohexane solvent mixtures, leading to an increase of the HRS intensity. The last part addresses the effects of the chemical substituents on the NLO properties of flavylium salts, with the aim of optimizing the NLO contrasts between the various forms of the compounds. It is found that optimal combinations of chemical substituents lead to high NLO contrats, which demonstrates the potential of these compounds as multi-states systems for NLO applications

Les interrupteurs moléculaires sont des composés capables de commuterréversiblement entre deux ou plusieurs états stables en réponse à un stimulusextérieur. Lʼobjectif de la thèse est la conception dʼinterrupteurs moléculairesprésentant des contrastes optiques non-linéaires (ONL) et la mise évidence desparamètres structuraux et électroniques menant à dʼimportants contrastes depremière hyperpolarisabilité (β) via une approche multidisciplinaire qui combine lasynthèse de nouveaux composés, la caractérisation de leurs réponses optiqueslinéaires et non-linéaires par spectroscopie dʼabsorption UV-visible et par diffusionhyper-Rayleigh et lʼutilisation des méthodes de la chimie théorique afin de prédire etdʼinterpréter les propriétés moléculaires. Ces phénomènes de commutationsréversibles et les changements de propriétés qui les accompagnent présentent denombreux intérêts, tant technologiques comme lʼélaboration dʼordinateursmoléculaires quʼau niveau des organismes vivants où de nombreuses fonctionsbiologiques sont basées sur un phénomène de commutation. Les principaux résultatsde nos travaux se situent au niveau de lʼinterprétation des réponses ONL et de leurscontrastes en fonction de la nature, de la position et du caractère donneur/accepteurdes substituants présents sur le squelette des interrupteurs moléculaires. / Molecular switches are compounds presenting the ability to commutereversibly between two or more states in response to external stimuli. The goal of thework is the design of molecular switches exhibiting contrasts of their second-ordernonlinear optical (NLO) properties and the highlight of the structural and electronicparameters leading to large contrasts of first hyperpolarizability (β) via amultidisciplinary approach combining the synthesis of new compounds, thecharacterization of their linear (by UV-Visible absorption spectroscopy) and nonlinearoptical properties (by hyper Rayleigh scattering), and the theoretical simulations inorder to predict and interpret molecular properties. These reversible switchingprocesses and the resulting variations of molecular properties have many interests intechnological area such as the development of molecular computers or in lifesciences since many biological functions are based on commutation mechanisms.The major results of our investigations are the interpretation of the NLO responsesand contrasts as a function of the nature, the positioning, and the donor/acceptorcharacter of the substituents.

Lors de ce travail de thèse, nous avons effectué des recherches sur des chromophores organiques. Notre étude s’est portée sur la commutation des propriétés optiques linéaires et non linéaires via l’étude d’interrupteurs organiques multi-adressables. Notre étude s’est portée plus particulièrement sur la famille des dérivés de l’indolino-oxazolidine. Ce type de molécule présente l’avantage d’avoir deux voix de commutations distinctes par photochromisme et acidochromisme. Nous avons recherché le lien entre la structure des molécules et leurs propriétés optiques par une étude combinée originale théorie/expérience avec l’utilisation de calculs quantiques sophistiqués et par diffusion hyper-Rayleigh de la lumière. / In this work we have investigated the commutation of linear and non linear optical properties in organic multifunctional switches. Indolino-oxazolidine compounds and their derivatives were chosen as example of multifunctional systems, because they combine both acidochromic and photochromic properties. The relationships between the molecular structure of these compounds and their optical properties were established by means of high level the quantum chemical approach and hyper-Rayleigh Scattering of light approaches.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude de la génération de second harmonique par lesnanoparticules métalliques. La présence de résonances de plasmon de surface localisées dans lesnanoparticules métalliques accroit la section efficace non linéaire et le but de ce travail a été decomprendre comment ce couplage peut être mis à profit. D’un point de vue fondamental, lacomparaison entre expérience et théorie a permis de mettre en évidence le mode d’émissionoctupolaire ainsi que de pondérer les contributions de surface et de volume au signal total émis.Il a également été démontré que des profils de Fano non linéaire pouvaient être observés dans lecas de nano-objets très simples. Des applications pratiques, telle que les capteurs plasmoniques,ont été abordées montrant que les propriétés intrinsèques de la génération de second harmoniqueoffrent plusieurs avantages et augmentent la sensibilité de tels capteurs. Des mesuresexpérimentales ont également été effectuées sur des nanoparticules d’or uniques enfermées dansune matrice homogène, ouvrant la voie pour une compréhension plus fine de l’impact de lamorphologie des nanoparticules sur leur réponse non linéaire. / This work is devoted to the study of the second harmonic scattering from spherical metallicnanoparticles. The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated bythe localized surface plasmon resonances which increase the second harmonic intensity. From afundamental point of view, the octupolar emission mode is revealed for the first time bycomparison between experiments and theory. The origin of the second harmonic generation(SHG) in metallic nanoparticles is discussed showing that bulk contributions are needed. It wasshown that Fano profiles can be observed in a very simple configuration. Practical applicationsare also addressed demonstrating that the properties of SHG increase the plasmonic sensorperformances. The second harmonic generation form single gold nanoparticles embedded in ahomogeneous medium is also reported for the first time paving the way toward a betterunderstanding of the morphology impact on the nonlinear response of metallic nanoparticles.

Ce manuscrit décrit le processus optique non linéaire de Génération de Second Harmonique (acronyme anglais SHG pour Second Harmonic Generation) réalisé en phase liquide. En particulier, la propriété de cohérence de ce processus est étudiée en détail. En effet, en raison de la parité du processus SHG, cette cohérence est perdue dans les liquides. Ces études portent ainsi sur plusieurs géométries afin d’accéder aux réponses de volume et de surface. Les avantages d’une méthode combinée sont aussi discutés. Dans une première partie, la configuration classique de la Diffusion Hyper Rayleigh (acronyme anglais HRS pour Hyper Rayleigh Scattering ou SHS Second harmonic scattering) est utilisée pour l’étude de systèmes simples comme les solvants purs. Cette étude porte en particulier sur les méthodes de normalisation des hyperpolarisabilités moléculaires. Une voie alternative est proposée basée sur l’introduction d’une section efficace HRS ou SHS. Par la suite, les effets liés aux ordres non linéaires supérieurs sont démontrés et interprétés, ceux-ci pouvant altérer les valeurs absolues qui peuvent être mesurées.La seconde partie porte sur l’introduction de plusieurs améliorations dans les mesures HRS ou SHS. En particulier, l’évolution vers des géométries non conventionnelles s’éloignant de la géométrie standard ainsi que sur des évolutions permettant d’accéder aux aspects dynamiques sont proposées. Des expériences sont réalisées sur des systèmes simples comme les solvants purs, des composés moléculaires et des nanoparticules, tous présentant des spécificités propres. Cette partie finit sur l’exploration des systèmes aléatoires diffusants et les problèmes associés. Enfin, dans une dernière partie, la réponse HRS ou SHS de solutions aqueuses de sels est discutée. Les mesures portent plus particulièrement sur une étude comparée des aspects cohérents et incohérents et les propriétés qu’il est possible de mesurer dans ces systèmes / This manuscript describes the nonlinear optical process of Second Harmonic Generation (SHG acronym for Second Harmonic Generation) carried out in liquid phase. In particular, this process coherence property is studied in detail. Indeed, due to the parity of the SHG process, this coherence is lost in liquids. These studies covers several geometries to access the volume and surface responses. The benefits of a combined method are also discussed. In the first part, the typical configuration of the Hyper Rayleigh Scattering(HRS or SHS for Second harmonic scattering) is used for the study of simple systems like pure solvents. This particular study focuses on methods of standardization of molecular hyperpolarizabilities. An alternative route is proposed based on the introduction of a HRS or SHS cross. Subsequently, the effects of the higher nonlinear orders are demonstrated and interpreted, they can alter the absolute values that can be measured.The second part deals with the introduction of several improvements in the HRS or SHS measurement. In particular, the trend towards unconventional geometries away from the standard geometry as well as developments for accessing dynamic aspects are proposed. Experiments are performed on simple systems such as pure solvents, molecular compounds and the nanoparticles, all presenting specificities. This part ends on exploring the random scattering systems and associated problems. Finally, in the last part, the HRS or SHS response of aqueous salt solutions is discussed. The measures focus specifically on a comparative study of coherent and incoherent aspects and properties that can be measured in these systems