Depuis sa découverte expérimentale en 2004, le graphène a émergé comme un matériau potentiel pour les technologies de nouvelle génération. Le graphène était le premier matériau 2D produit et l’intérêt et qu’il suscite provient de ses remarquables propriétés: il possède d’importants coefficients de mobilité électronique et de conductivité thermique, il est également le matériau le plus solide et léger connu. Pour permettre le développement d’applications à l’ échelle industrielle, des technologies de structuration à l’ échelle submicronique sont nécessaires.Cette thèse se concentre sur l’exploration de l’ablation par laser femtoseconde en tant que technique de structuration rapide et peu coûteuse de structuré graphène obtenu par technique CVD (Chemical Vapor Deposition). L’utilisation d’impulsions laser ultra brèves est a priori intéressante en raison de la capacité des impulsions laser ultra brèves à déposer au sein des matériaux une quantité élevée d’ énergie dans un volume extrêmement confiné.Nous avons réalisé un ensemble d’expériences à partir de faisceaux non-diffractants pour caractériser les paramètres requis pour contrôler l’ablation à l’ échelle sub-micronique. Nous avons déterminé les caractéristiques de l’ablation en régime mono-coup pour le graphène CVD, tels que le seuil d’ablation et la probabilité d’ablation. Pour cela, nous avons développé une nouvelle technique de mesure indépendante du seuil indépendante de la taille de la zone ablatée. Nous avons ainsi pu mettre en évidence un écart par rapport au modèle classique d’ablation, l’effet des différents substrats diélectriques, ainsi que le rôle des joints de grain.Nos résultats montrent que l’ablation mono-coup par impulsion femtoseconde est une technique efficace pour des structures au-delà d’une taille caractéristique de 1 _m, mais en dessous de cette dimension, de nouvelles stratégies d’illuminations se révèlent encore nécessaires. / Since its isolation in 2004, graphene has emerged has a potential material for next generation technologies.Graphene was the first truly 2D material produced. The interest in this material is due to its outstandingproperties: graphene is the lightest and strongest material known. It has a large electronic mobility andthermal conductivity. To enable the development of technological applications at industrial scale, fast patterningtechniques, operable at sub-micron scale are needed.This thesis focuses on the requirement of a fast, easily reconfigurable, low cost method to pattern graphene.The aim of our research is to determine the possibilities and constraints of ultrafast laser ablation of CVDgraphene at sub-micron scale. Using ultrafast laser to pattern graphene layers is interesting due to the abilityof femtosecond laser pulses to accurately depositing a high energy density in confined regions.We performed a set of experiments using non-diffractive shaped-beams to characterize the parametersrequired to control laser material processing at such small scale. We determined laser patterningcharacteristics on CVD monolayer graphene such as the ablation threshold and the ablation probability. To thisaim, we have developed a novel technique to measure ablation threshold that is independent of the ablated sizeand reported unexpected deviation from the threshold model, we also investigated the influence of differentdielectric substrates and the effect of the presence of graphene grain boundaries. From our experimentalresults we conclude that direct single shot laser patterning is a very effective method to pattern features above 1 µm, but below this dimension, novel illumination strategies are needed

Activités de recherche portant sur le développement d'une nouvelle génération de lasers produisant des impulsions ultra−brèves et directement pompés par diode. Ces travaux comportent plusieurs volets : 1− un volet sur les oscillateurs et amplificateurs laser femtoseconde à base de nouveaux cristaux dopés à l'ytterbium (en collaboration avec des laboratoires de cristallogenèse) 2− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'ytterbium et en particulier sur l'optimisation des effets non−linéaires et de la dispersion pour réduire la durée et améliorer la qualité temporelle des impulsions 3− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'erbium pour des applications en chirurgie oculaire 4− un volet sur le développement de sources et systèmes appliqués à l'imagerie biomédicale 5− un volet consacré au laser Pilote du projet Apollon pour l'Institut de la Lumière Extrême.

La structuration laser femtoseconde (fs) de verres d’oxydes est un domaine de larecherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est utilisée pour sa facilité de miseen oeuvre et les nombreuses applications découlant de la fabrication des composantsphotoniques. En effet, un faisceau d’impulsions ultra-courtes focalisé dans un matériautransparent atteint une intensité suffisante pour modifier en 3D la matière à des échelles microetnanométrique. Ce mémoire se compose de deux volets. Le premier volet traite del’interaction laser fs en surface de verres menant à une auto organisation périodique de lamatière. L’influence du dopage ions photosensibles et des paramètres d’irradiation laser sontétudiées afin d’appuyer le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux. À travers uneapproche innovante, il a été permis le contrôle de ces structures nanométriques périodiquespour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée de volume.Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en ion argent, ont été étudiées pourcomprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent (Ag-NPs). Ce travaildémontre le lien entre la physicochimie des verres et le caractère hors équilibrethermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation/croissances des Ag-NPs. Les résultats sont comparés aux modélisations de la réponse optique du plasmon desurface des Ag-NPs. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvellesapproches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interactionlaser fs pour l’inscription de briques photoniques dans des verres d’oxydes. / Femtosecond direct laser writing (fs-DLW) of oxide glasses is a growing researchand development area. It is also increasingly used in the high-tech industry thanks to its simpleimplementation and numerous possible applications emerging from the photonic componentsmanufacture. Indeed, an ultra-short focused beam in a transparent material reaches a sufficientintensity to 3D modify the material on micro- or nanometer scale. However, the fs-DLW regimesat such high intensity are not completely understood, and the materials, already used, are notperfectly adapted for new photonics applications. This research work aims to provide answersto those open questions. This thesis is based on two thrusts. The first one addresses the issueof the glass surface DLW with fs pulses which lead to self organized periodic structures. Theinfluence of photosensitive doping ions and irradiation parameters are studied to support theincubation model for nanogratings surface formation. This study allows the control of theseperiodic nanostructures for further applications. The second thrusts deals with localized volumecrystallization. Several glassy matrices with various silver oxide doping have been studied tounderstand the mechanisms of silver nanoparticles (Ag-NPs) precipitation. This workdemonstrates the link between the physical chemistry of the glass and the non-equilibriumthermodynamic state during fs-DLW to influence nucleation and growth conditions of Ag-NPs.These results are compared to models that describe the optical responses of plasmonicbehavior. This research opens on new approaches and prospects for applications andunderstandings of fs-DLW of novel photonic bricks.

La communauté de la chimie atmosphérique souffre d'un manque de mesures rapides, fiables résolues spatialement et temporellement pour un large éventail de molécules réactives (radicaux tels que NO2, OH, BrO, IO, etc). En raison de leur forte réactivité, ces molécules contrôlent largement la durée de vie et la concentration de nombreuses espèces clés dans l'atmosphère, et peuvent avoir un impact important sur le climat. Les concentrations de ces radicaux sont extrêmement faibles (ppbv ou moins) et très variable dans le temps et dans l'espace, ce qui impose un véritable défi lors de la détection. Dans la première partie de cette thèse, un spectromètre UV robuste, compacte et transportable est développé, exploitant la technique ML-CEAS pour mesurer à des niveaux très faibles (pptv et même en dessous) des molécules réactives d'importance atmosphérique, en particulier, les radicaux d'oxyde d'halogènes, afin de répondre aux besoins émergents. La technique ML-CEAS est basée sur le couplage d'un laser femtoseconde à blocage de modes à une cavité optique de haute finesse, qui agit comme un piège à photons pour augmenter l'interaction entre la lumière et l'échantillon de gaz intracavité. Cela permet d'améliorer fortement la sensibilité d'absorption. La limite de détection obtenue pour le radical IO est de 20 ppqv pour un temps d'acquisition de 5 minutes, ce qui est un résultat impressionnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle technique spectroscopique est développée appelée effet Vernier, qui est également basé sur l'interaction entre un laser femtoseconde à blocage de mode et une cavité optique de haute finesse. Cette technique fournit une sensibilité de détection similaire à la technique ML-CEAS, mais l'avantage est que le nombre des éléments spectraux est donné par la finesse de la cavité optique et donc peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. De plus, cette configuration simplifie le montage expérimental par la suppression du spectrographe qui est remplacé par une simple photodiode. Le temps d'acquisition d'un spectre peut être aussi réduit à moins d' 1 ms.

La communauté de la chimie atmosphérique souffre d'un manque de mesures rapides, fiables résolues spatialement et temporellement pour un large éventail de molécules réactives (radicaux tels que NO2, OH, BrO, IO, etc). En raison de leur forte réactivité, ces molécules contrôlent largement la durée de vie et la concentration de nombreuses espèces clés dans l'atmosphère, et peuvent avoir un impact important sur le climat. Les concentrations de ces radicaux sont extrêmement faibles (ppbv ou moins) et très variable dans le temps et dans l'espace, ce qui impose un véritable défi lors de la détection. Dans la première partie de cette thèse, un spectromètre UV robuste, compacte et transportable est développé, exploitant la technique ML-CEAS pour mesurer à des niveaux très faibles (pptv et même en dessous) des molécules réactives d'importance atmosphérique, en particulier, les radicaux d'oxyde d'halogènes, afin de répondre aux besoins émergents. La technique ML-CEAS est basée sur le couplage d'un laser femtoseconde à blocage de modes à une cavité optique de haute finesse, qui agit comme un piège à photons pour augmenter l'interaction entre la lumière et l'échantillon de gaz intracavité. Cela permet d'améliorer fortement la sensibilité d'absorption. La limite de détection obtenue pour le radical IO est de 20 ppqv pour un temps d'acquisition de 5 minutes, ce qui est un résultat impressionnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle technique spectroscopique est développée appelée effet Vernier, qui est également basé sur l'interaction entre un laser femtoseconde à blocage de mode et une cavité optique de haute finesse. Cette technique fournit une sensibilité de détection similaire à la technique ML-CEAS, mais l'avantage est que le nombre des éléments spectraux est donné par la finesse de la cavité optique et donc peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. De plus, cette configuration simplifie le montage expérimental par la suppression du spectrographe qui est remplacé par une simple photodiode. Le temps d'acquisition d'un spectre peut être aussi réduit à moins d' 1 ms. / The atmospheric chemistry community suffers a lack of fast, reliable and space resolved measurements for a wide set of reactive molecules (e.g. radicals such as OH, NO3, BrO, IO, etc). Due to their high reactivity, these molecules largely control the lifetime and concentration of numerous key atmospheric species, and may have an important impact on the climate. The concentrations of such radicals are extremely low (ppbv or less) and highly variable in time and space, which imposes a real challenge during the detection. In the first part of this thesis, a compact, robust and transportable UV spectrometer is developed, exploiting the Mode-Locked Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (ML-CEAS) technique to measure pptv and sub-pptv levels of atmospherically important reactive molecules, in particular, halogen oxide radicals, to respond to the emerging needs. The ML-CEAS technique is based on coupling a Mode-Locked femtosecond laser to a high finesse optical cavity, which acts as a photon trap to increase the interaction between the light and the intracavity gas sample, which highly enhances the absorption sensitivity. The detection limit obtained for the IO radical is 20 ppqv (part per quadrillion), which is an impressive result. In the second part of this thesis, a new spectroscopic technique is developed, called Vernier effect, which is also based on the interaction between a mode-locked femtosecond laser with a high finesse optical cavity. This technique provides detection sensitivity similar to that of ML-CEAS technique, but the advantage is that the number of the spectral elements is given by the cavity finesse, so it can reach ten thousands, as well as this technique has a simple setup, where the spectrograph is replaced by a photodiode. Additionally, the time required to measure one output absorption spectrum can be less than 1 ms.