L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

Les propriétés optique des nanoparticules ont ouvert de nouvelles voies dans de nombreux domaines, de l'optique fondamental avec la compréhension des interactions dans la matière, la biologie et la compréhension du fonctionnement des milieux cellulaires, en passant par la microscopie en champ proche, qui permet de sonder localement les propriétés physiques de divers nano-systèmes. Au cours de ce travail, nous avons réalisé l'étude de la génération de seconde harmonique (GSH) de nanoparticules de KTP ainsi que de dimères d'or isolés. Des mesures optiques du rayonnement émis par ces nano-objets montrent qu'ils sont parfaitement photostables. Par ailleurs, nous avons aussi étudié de nouvelles particules actives qui permettent d'obtenir un double signal, de luminescence ainsi que de GSH. Ces nanosources bimodales sont constituées des nanoparticules de KTP dopées avec des ions Europium. Dans une seconde partie, nous tentons de fabriquer des sondes optiques pour le champ proche en utilisant les nanocristaux non-linéaires de KTP, ceci dans le but de développer une nouvelle microscopie optique en champ proche capable de sonder localement et vectoriellement un champ électromagnétique. Une pointe de microscopie à force atomique est fonctionnalisée par une particule d'or, puis approchée d'un nanocristal de KTP. Des résultats préliminaires montrent qu'il est possible par cette méthode de sonder le champ électromagnétique présent autour d'une nanoparticule d'or.

Le collagène est une protéine ubiquitaire qui joue un rôle central dans l'architecture et la tenue mécanique des tissus conjonctifs et est impliqué dans de nombreuses pathologies. Synthétisé sous forme de triples hélices, le collagène s'auto-assemble en fibrilles in vivo et in vitro pour former des réseaux tridimensionnels. La microscopie multiphoton basée sur la génération de seconde harmonique (SHG) est une technique très spécifique, permettant de visualiser, sans marquage, le collagène en profondeur dans des tissus, avec une résolution sub-micrométrique. Ce travail de thèse vise à développer des approches quantitatives en imagerie SHG du collagène, tant à l'échelle fibrillaire que tissulaire. Nous avons montré que la microscopie SHG permet de sonder la dynamique de formation du réseau collagénique jusqu'à l'échelle d'une fibrille unique. En outre, nous avons caractérisé la structuration de gels collagéniques contrôlée par ajout de nanoparticules de silice fonctionnalisées. Nous avons ensuite réalisé de l'imagerie corrélative électronique/SHG sur ces gels pour mesurer la sensibilité de notre microscope et calibrer la réponse d'une fibrille en fonction de son diamètre. De plus, nous avons pu évaluer l'hyperpolarisabilité d'une molécule et valider le modèle additif utilisé pour calculer la réponse d'une fibrille. Enfin, nous avons développé une analyse d'images spécifique permettant de quantifier l'organisation d'un tissu collagénique à l'échelle fibrillaire, dans le but d'explorer la relation fonction/structure d'un tissu. Ceci a été validé en étudiant la modification des propriétés biomécaniques de souris génétiquement modifiées modèle du syndrome d'Ehlers-Danlos.

L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines IR et UV, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie (LCM). La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5% d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 µm et 3.5 µm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du mW pour l'onde signal (1 µm à 1.5 µm) et des puissances comprises entre $20$ à $50$ mW pour l'onde complémentaire couvrant un octave de longueur d'onde IR entre 1.7 µm et 3.5 µm. La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5.64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale.

Dans le contexte du développement des machines moléculaires, l'objet de ce travail est la synthèse de solides cristallins amphidynamiques basés sur des rotors 1,4-diéthynylbicyclo[2.2.2]octane (BCO) fonctionnels, auto-assemblés ou organisés par coordination à un métal. Ces rotors chiraux possèdent deux degrés de liberté caractérisés à l'état solide de deux manières indépendantes. Des expériences de relaxation spin-réseau du proton en fonction de la température pour étudier le mouvement de rotation du rotor hélicoïdal sur son axe ont été réalisées. De plus, des expériences d'optique non-linéaire ont mis en évidence la génération d'un signal de seconde harmonique, conséquente au mouvement de torsion des pales de l'hélice au sein de 'mutamères'. Les expériences de RMN du solide, réalisées sur des échantillons polycristallins statiques (barrières expérimentales de rotation et fréquence des sauts stochastiques du BCO) ont été couplées à des calculs d'énergie d'interaction des rotors avec leur environnement (barrières de rotation). Nous avons montré qu'il est possible d'interpréter la dynamique au sein de ces systèmes et notamment la très grande influence des liaisons hydrogènes au sein de l'environnement proche de la partie mobile sur la rotation du rotor. En parallèle, des expériences d'optique non linéaire sur monocristal ont mis en évidence la brisure de symétrie d'inversion de l'espace inhérente au changement de configuration hélice-gauche / hélice-droite du BCO. Dans le but d'exploiter cette propriété optique singulière, des stratégies de synthèse organique et d'ingénierie cristalline ont été mises en place afin de diriger l'orientation des rotors lors de leur assemblage au sein des matériaux. Cela permet d'obtenir des objets pour lesquels la présence d'une réponse en optique non-linéaire est directement corrélée à la dimensionnalité du système étudié.

Le poling thermique est une technique consistant à appliquer un fort champ électrique (DC) à un substrat de verre chauffé. Après traitement, un champ électrique est figé au sein de la matrice vitreuse, brisant sa centrosymmétrie. La présence de ce champ permet d’accéder à des propriétés d’optique nonlinéaire du second ordre, habituellement interdite dans un milieu centrosymmétrique tel que le verre. En plus des propriétés d’optique nonlinéaire, la présence du champ électrique a été associée à des modifications structurelles et compositionnelles mais également à des changements de propriétés de surface. Notre objectif a été d’utiliser cette technique pour modifier les propriétés de réactivité de surface et optique de verres d’oxyde (borosilicate et borophosphate de niobium (BPN)) et de verres de chalcogénures. Après poling, les modifications structurelles ont été caractérisée par spectroscopie vibrationnelle Raman et infrarouge. L’intensité et la localisation du champ électrique ont été caractérisées par des techniques de génération de seconde harmonique (SHG) : une analyse quantitative avec les franges de Maker et une d’imagerie μSHG. Le traitement a permis d’augmenter localement la réactivité de surface du verre borosilicate. Dans les verres BPN et chalcogénures, le traitement a permis de contrôler les propriétés optiques à la fois linéaire et nonlinéaire à l’échelle micrométrique. Ces résultats permettent d’envisager l’utilisation du poling thermique pour des applications en photonique intégrée. / Thermal poling is a technique which consists in the application of a strong DC electric field to a heated glass substrate. Following the treatment, a static electric field is frozen inside the glass matrix, effectively breaking its centrosymmetry. Presence of the electric field allows for second order non-linear optical properties usually forbidden in centrosymmetric medium such as glasses. In addition to nonlinear optical properties, the presence of the electric field has been associated with structural/compositional modifications as well as surface property changes. Our objective was to use this technique to tailor surface reactivity and optical properties in oxide (borosilicate and niobium borophosphate) and chalcogenide glasses. After poling, structural modifications were investigated using Raman and infrared spectroscopy. Strength and localization of the electric field were characterized by Second Harmonic Generation (SHG) techniques: quantitative Maker fringes analysis and μSHG imaging. The treatment has successfully allowed to locally enhanced the surface reactivity of a borosilicate glass. In niobium borophosphate and chalcogenide glasses, the treatment has permitted to control optical properties both linearly and non-linearly at the micrometric scale. These results show that thermal poling could be used to create functional devices for applications in integrated photonics.

Ce travail concerne le développement d’un nouveau type de microscopie optique en champ proche (SNOM) basé sur la mise en œuvre de sondes dite actives qui utilisent le signal de génération de seconde harmonique (SHG) d’un petit nombre de molécules orientées. L’orientation de ces molécules est obtenue par l’application d’un champ électrique statique dans une jonction constituée d’une pointe métallique effilée placée à proximité d’un substrat conducteur et immergée dans une solution de molécules dipolaires non-linéaires. L’excitation laser de ces molécules localement orientées permet d’obtenir une polarisation non-lineaire à fréquence double qui constitue une nanosource de lumière intrinsèquement localisée et pouvant interagir avec le champ proche du substrat. Nous nous sommes intéressés à l’imagerie de nano-objets lithographiés par cette technique de SNOM-SHG. Nous avons pu démontrer la possibilité d’obtenir une résolution de l’ordre de 200 nm, soit une résolution meilleure d’un facteur 2 par rapport à la limite de diffraction.Nous avons ensuite étudié les moyens d’optimiser les performances de ce nouveau type de sondes SNOM-SHG. Une voie consiste à exploiter les propriétés d’antenne optique de pointes métalliques effilées, qui peuvent être le siège d’effets d’exaltation du champ électromagnétique résultant de la singularité géométrique de ces objets (extrémité effilée) ou de l’excitation de résonances plasmons. Afin de pouvoir quantifier ces effets, nous avons entrepris la caractérisation, par luminescence à 2 photons (TPL), de nanofils d’or considérés comme objets de référence pour mimer une pointe. Des fils lithographiés ainsi que des fils issus de chimie colloïdale ont été étudiés de façon à mieux comprendre à la fois l’influence de la forme et de la cristallinité des objets sur les exaltations de champ. Des études simultanées de la géométrie et des propriétés optiques d'un nanofil unique ont été menées au moyen d'un microscope optique inversé associé à une excitation laser et couplé à un microscope à force atomique (AFM) dont la pointe est préalablement réglée pour coïncider avec le spot laser. En balayant l’échantillon, nous pouvons directement confronter l’image topographique de l’objet à la cartographie de points chauds enregistrés à sa surface, le signal de TPL étant directement corrélé à la densité locale d’états électromagnétiques. Nous avons pu montrer que les fils lithographiés et les fils colloïdaux présentaient des facteurs d’exaltation locale de champ différents, la cristallinité des objets pouvant aussi être révélée que via l’analyse spectrale du signal de TPL émis. Enfin, un dernier volet important de mon travail a consisté à faire évoluer le banc expérimental précédemment développé au laboratoire de façon à pouvoir réaliser simultanément des caractérisations de type SNOM-SHG et des caractérisations topographiques. Dans ce but, nous avons travaillé à l’intégration d’une tête AFM diapason sur notre banc de microscopie non-linéaire. Au-delà des aspects électroniques liés à l’optimisation du fonctionnement de ce diapason, le couplage du faisceau laser dans le microscope a également été entièrement reconfiguré. / This work deals with the development of a new kind of scanning near-field optical microscopy (SNOM) based on the realization of so-called active probes taking advantage of the second harmonic generation (SHG) signal coming from a few oriented molecules. The orientation of these molecules is obtained by applying a static electric field in a junction made of a sharp metallic tip placed close to a conductive substrate and immersed in a solution containing dipolar non-linear molecules. A second order nonlinear polarization is obtained from these locally oriented molecules following their excitation with a laser beam finally leading to a nanosource of light intrinsically localized and able to interact with the near-field of the substrate.We have investigated this SNOM-SHG technique to image nano-objects made by e-beam lithography. We were able to demonstrate that a resolution of about 100 nm could be reached, which appears better (of a factor2) than the diffraction limit.We have then been focusing on the way to improve the capabilities of this new type of SNOM-SHG probes. One approach consists in taking advantage of the optical antenna effects that can occur at the end of sharp tips, where the electromagnetic field can be enhanced due to geometrical effects (sharp extremities) or due to the excitation of plasmon resonances. In order to quantify these field enhancements, we have carried out the characterization of gold nanowires using two-photon luminescence (TPL) ; considering these wires as reference objects that can mimic tips. Nanowires made by e-beam lithography and nanowires synthesized by colloidal chemistry have both been studied in order to have a better understanding of the influence of the shape and the crystallinity on the field enhancements. Simultaneous analysis of the geometry and the optical properties of a single nanowire has been carried out using an inverted microscope associated to a laser excitation and coupled to an atomic force microscopy (AFM) which tip is previously aligned with the laser spot. When scanning the sample, we can directly correlate the topographic image of the object to the mapping of the hotspots recorded on its surface, the TPL signal being directly linked to the electromagnetic local density of states. We were able to evidence that both nanowires made by e-beam lithography or synthesized by colloidal chemistry exhibit different field enhancement factors, the crystallinity of the objects being also revealed following the spectral analysis of the emitted TPL signal.Finally, a last important part of my work has dealt with the evolution of the experimental setup previously developed in the laboratory in order to be able to achieve simultaneously SNOM-SHG type and topographic characterizations. We have therefore been working on the integration of an AFM tuning fork head to our nonlinear optical bench. Above the electronic aspects related on the optimization of the tuning fork implementation, the coupling of the laser beam in the microscope has also been reconfigured.

Les nano-antennes optiques constituent un élément clé pour le contrôle et l'intéraction lumière/matière à l'échelle nanométrique. Ces systèmes opèrent dans le domaine de l'optique visible et proche infrarouge. Les propriétés de ces composants sont contrôlées en modifiant la taille, la forme et le matériau utilisé. Ces paramètres sont ajustés par les processus de fabrication de l'antenne. Dans le domaine des radio-fréquences, le tuner permet d'ajuster la fréquence de résonance de l'antenne de façon dynamique. Nous avons dans le cadre de cette thèse voulu adapter ce concept de tuner au domaine de l'optique. Le principe employé consiste à changer la résistance de charge de l'antenne, c'est-à-dire l'indice du milieu électrique environnant. Pour cela, nous avons utilisé un matériau anisotrope constitué de molécules de cristaux liquides. L'indice optique est alors modifié par l 'application d'un champ électrique statique. Le changement des propriétés spectrales ainsi que de diffusion d'une antenne de type dimère sont ici démontrées.Toujours en analogie avec les antennes radio-fréquences, nous avons étudié la propriété de transduction électron-photon dans le cas des antennes optiques. Dans ce but, nous avons considéré deux configurations. La première concerne l'utilisation de nanotubes de carbone placés dans une configuration de transistor à effet de champ. Ces objets émettent de la lumière par une recombinaison de paires électrons-trous dans le domaine des longueurs d'ondes Télécom. La seconde configuration emploie des jonctions tunnels fabriquées par électro-migration. Dans ce cas là, la jonction est assimilée à une antenne à interstice. A cause des faibles dimensions des jonctions (autour de 1 nm), nous nous sommes intéressés à la réponse en optique non linéaire de ses objets. Cette technique permet de localiser la jonction tunnel grâce à une forte exaltation du signal. L'etude des différentes caractérisques de ses jonctions sont ici présentées. Une fois la transduction du signal réalisée par l'antenne radiofréquence, celui-ci est acheminé via une ligne de transmission. A l' échelle nanométrique, les guides plasmoniques s'avèrent être un type de structure approprié. Dans ce cas, les guides peuvent à la fois servir d''electrode mais aussi de guide. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié par microscopie à fuites radiatives, dans l'espace direct et réciproque, la plus simple des géométries : le guide ruban métallique. Nous avons cherché à comprendre, pourquoi ce type de structure présente une largeur de coupure.

Ce travail contribue à l'évaluation de la technique de génération de seconde harmonique induite par un champ électrique quasi statique, ou technique EFISHG, appliquée au domaine de la microélectronique. Une description du principe de la technique EFISHG, basé sur l'optique non linéaire, permet d'appréhender l'origine physique de cette méthode. Un état de l'art a permis d'identifier deux champs d'applications liés à la microélectronique : l'analyse de défaillance, via la mesure en temps réelle des variations de champs électriques internes dans les circuits intégrés, et la fiabilité par l'étude du piégeage de charges à l'interface Si/SiO2 et de la dégradation dite de " Negative Bias Temperature Instability " ou NBTI. Ce manuscrit présente les différentes étapes qui ont permis l'élaboration d'un banc de test en vue de l'évaluation de l'applicabilité de la technique EFISHG à ces problématiques. Les résultats expérimentaux obtenus avec ce montage ont permis de mettre en avant les possibilités qu'offre la technique EFISHG à caractériser et à accélérer le vieillissement NBTI.

L’objectif de cette thèse est l’élaboration de sondes organiques pour la microscopie optique non-linéaire par fluorescence excitée à deux photons (F2P) et génération de seconde harmonique (GSH). Dans une première partie, cette thèse décrit la synthèse de sondes pour l’imagerie de potentiels de membrane par GSH, comportant un ou plusieurs motifs sucres ainsi que leurs caractérisations spectroscopiques. Les premiers essais en imagerie biologique ont permis de démontrer une bonne affinité des sondes sucres pour la membrane cellulaire et un signal de GSH sur cellule neuronale a pu être observé sur une période de temps allant jusqu'à près de trois heures. La seconde approche a consisté à synthétiser et étudier des chromophores possédant des propriétés de fluorescence à l’état solide pour des applications dans la synthèse de nanoparticules fluorescentes pour l’imagerie biologique. 18 des 21 composés synthétisés ont pu être cristallisés et leur structure résolue par diffraction des rayons X et les propriétés spectroscopique en solution et à l’état solide ont été réalisées. Cette étude a permis de montrer que l’arrangement des molécules les unes par rapport aux autres avait une grande influence sur la fluorescence à l’état solide et donc que les substituants avaient une grande importance. Enfin, cette partie se termine sur les premiers essais effectués pour synthétiser des nanoparticules fluorescentes. / The objective of this thesis is the design of new organic probes for nonlinear optical microscopy by two-photon excited fluorescence (TPEF) and second harmonic generation (SHG). In the first part, we describe the synthesis of probes for voltage sensitive imaging by SHG, bearing one or more sugar units and their spectroscopic characterization. The first biological imaging tests have shown good affinity of the probes to the cell membrane and the SHG signal of neuronal cell was observed over a period of nearly three hours. The second part comprises the synthesis and the study of chromophores with solid state fluorescence properties for use in fluorescent nanoparticles for biological imaging. 18 of the 21 compounds synthesized have been crystallized, their crystal structures determined by X-ray diffraction and their spectroscopic properties studied in solution and in the solid state. These studies showed that the arrangement of molecules relative to each had a great influence on the solid state fluorescence and therefore that the substitution was very important. The chapter ends with the first tests of fluorescent nanoparticles synthesis.