Les champs électromagnétiques évanescents sont à l'origine de forces optiques de champ proche, comme par exemple à la surface de guides d'onde ou de nanocavités photoniques où la lumière se trouve très fortement confinée. Ces forces sans-contact peuvent être avantageusement utilisées pour piéger et manipuler des micro- et nano-objets en solution. Cette thèse a pour but l'étude de ces interactions et de leurs potentielles applications. Le premier chapitre consiste en une brève introduction aux domaines des systèmes colloïdaux et du piégeage optique, notamment en champ proche. Le deuxième chapitre présente les moyens instrumentaux utilisés, ainsi que le procédé mis au point pour la fabrication de puces optofluidiques dotées d'un canal microfluidique. Le troisième chapitre est dédié à l'étude du potentiel de piégeage perçu par des microbilles de 2 $µm$, 1 $µm$ et 500 $nm$ à la surface d'une nanocavité photonique, et aboutit à la notion de microscopie optofluidique en champ proche optique. Dans le quatrième chapitre, nous étudions le comportement dynamique et la manipulation d'agrégats de microbilles piégés en présence d'écoulements. Le dernier chapitre est consacré à l'étude du piégeage et de la manipulation de microbilles à la surface de guides d'onde sous l'action de modes copropagatifs. / Near-field optical forces arise from evanescent electromagnetic fields, such as in the near-field of photonic waveguides and nanocavities where light is highly confined. These contactless forces can be advantageously used to trap and manipulate micro- and nano-objects in solution. This thesis aims at studying these intriguing interactions and investigating their potential applications. The first chapter is an introduction to the fields of colloidal systems and optical trapping, more especially using near-field optical forces. The second chapter presents the experimental setup and the process used to fabricate optofluidic chips with microfluidic channels. The trapping potential experienced by 2 $µm$, 1 $µm$, and 500 $nm$ microbeads at the surface of a photonic nanocavity is studied in the third chapter. Our results lead to the concept of optofluidic near-field optical microscopy. In the fourth chapter, we study the dynamics and the manipulation of trapped microbeads clusters in fluidic flows. The last chapter focuses on the trapping and the manipulation of microbeads at the surface of waveguides using copropagating modes.

L'amortissement des vibrations de structure joue un rôle important dans de nombreuses applications industrielles. Les méthodes classiques de réduction de vibration par ajout de revêtement viscoélastique donnent généralement lieu à une augmentation de masse importante, ce qui peut être rédhibitoire dans l'industrie des transports pour des raisons écologiques ou économiques. L'effet Trou Noir Acoustique (TN) est une méthode passive permettant d'obtenir un amortissement de la structure sans augmenter sa masse: les ondes de flexion se propageant dans une extrémité de plaque profilée avec une loi de puissance sont efficacement dissipées si l'on place un film amortissant dans la zone terminale.Une étude préliminaire de nature expérimentale confirme le potentiel du TN comme stratégie d'amortissement: une analyse modale montre que le TN augmente significativement le facteur de recouvrement modal (MOF) de la poutre, et réduit donc son caractère résonant. Une analyse basée sur une approche ondulatoire montre que le coefficient de réflexion de l'extrémité TN présente de faibles valeurs. Un modèle numérique 2D d'une poutre, développé pour analyser le comportement de la terminaison, montre que l'augmentation du MOF peut-être expliquée par une augmentation de la densité modale et par un fort amortissement des modes de la structure, causé par une localisation de l'énergie dans la région profilée. La poutre TN possède des modes locaux bi-dimensionnels, et un modèle de guide de la terminaison TN incluant des imperfections, qui ne peuvent être évitées en pratique, montre que l'énergie incidente est diffusée sur de nombreux modes locaux. Les imperfections du TN améliorent ses performances. / Vibration damping of mechanical structures plays an important role in the design of many industrial systems. Classical methods for reducing vibrations using viscoelastic layers glued to the structure usually result in added mass on the treated structure, which may be prohibitive in the transportation industry for ecological and economical reasons. The "Acoustic Black Hole" (ABH) effect is a lightweight passive vibration technique: the flexural waves propagating in a beam extremity tapered with a power law profile are efficiently dissipated if an absorbing layer is placed where the thickness is minimum.A preliminary study experimentally confirms the potential of ABH as an efficient strategy for vibration damping: a modal analysis shows that the ABH significantly increases the Modal Overlap Factor (MOF) of the beam, thus reducing the resonant behaviour of the structure. An analysis based on a wave approach clearly shows that the reflection coefficient of an ABH termination has small values. Further investigations, including a two dimensional numerical model of the structure developed in order to understand its behaviour, show that the increase of MOF can be explained partly by an increase of the modal density and mostly by a high damping of a number of modes of the structure due to energy localisation in the tapered region. It is shown that the ABH beam possesses two-dimensional local modes. A waveguide model of an ABH termination with tip imperfection, which cannot be avoided in practice, shows that incident energy is scattered on local modes and that imperfections enhance the damping effect.

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour un fonctionnement à 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir une lumière incidente cohérente en un faisceau de sortie uniforme sur la surface du dispositif, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif. Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nano-structures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 % : nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction. Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriquées en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules. Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface d'1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie. / This work has focused on the design and realization of a planar lighting device based on plasmonic structures, for a 633nm operation. This device will be able to convert a coherent incident light into a uniform output beam over the surface of the device, collimated and with a predefined angle with respect to the plane of the device. To achieve this feature, the proposed solution is the use of an array of dielectric waveguides to distribute the light over the surface, and silver nanostructures chains coupled to the waveguides and dimensioned as antennas to retransmit the light out of the plane. The work carried out has highlighted the control of the coupling between the waveguide and the silver nanostructures chain, modulated by several parameters in a range between 10% and 90%: the number of particles, particle size, distance between the guide and the particles. By playing on the period of the chain, it is possible to obtain an out-of-plane radiation, with an angle determined by the diffraction gratings formula. Elementary emitters, consisting of a guide and particle chains, were manufactured in a clean room and characterized on a guided wave optical bench with Fourier plane projection set-up. The experimental radiation patterns are in agreement with the simulations one. First results have also experimentally confirmed the possibility of modulating the waveguide-chain coupling by modifying the dimensions of the particles. Finally, the waveguide network has been dimensioned for an 1 cm² surface and manufactured with projection lithography. The linear losses measured in the waveguides are of the order of 5 dB / mm. Several optimizations can be made to improve the quality of the guides. From the experimental data obtained and the beam propagation simulations, a realistic configuration of the lighting device including the number and positioning of the transmitters on the waveguide network has been proposed. All the works carried out validate the chosen approach.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés optiques d'un système multicouche (air-Au-SiO₂-Au-Ti-verre). Les interfaces sont planes et la modélisation est réalisée en utilisant les coefficients de Fresnel à l'interface et la propagation d'ondes planes dans les couches. Deux modèles sont utilisés où l'échantillon est : i) excité par une source à l'infini ; ii) excité par une source locale. Dans l'expérience que nous avons modélisée l'empilement est excité par les électrons tunnel inélastiques dans un microscope à effet tunnel (STM). Dans le modèle, le courant tunnel inélastique est remplacé par un dipôle oscillant vertical. En utilisant ces modèles, nous avons calculé les flux réfléchis (reflectance) et transmis (transmittance) d'une source de lumière à l'infini et le flux transmis de l'excitation locale. La reflectance, transmittance et le flux transmis montrent des modes plasmoniques (surface plasmon polaritons (SPP)) et photoniques (guide d'onde (WG)). A des longueurs d'onde particulières, les courbes de dispersion des SPP et WG présentent un croisement évité. Le choix des épaisseurs d'or et de silice a deux contraintes: une amplitude importante des observables et une large dépendance en longueurs d'onde du vecteur d'onde dans le plan. Nous étudions aussi l'influence des épaisseurs sur les observables. Nous avons trouvé que les observables ont des amplitudes importantes à pour une épaisseur d'or de [10, 90 nm] pour l'empilement de trois couches et de [10, 50 nm] pour celui de six couches. Les modes de guide d'onde apparaissent pour une épaisseur de la couche de silice de >190 nm. Afin de caractériser la localisation du champ dans l'empilement et déterminer la nature du mode, nous avons calculé le champ électrique en fonction de la coordonnée de pénétration z. Nous avons trouvé que pour le mode SPP le champ est localisé à l'interface Au-air, tandis que le champ électrique du guide d'onde est confiné dans la couche de silice. Les résultats théoriques présentés sont en bon accord avec les résultats des études expérimentales menées dans notre groupe. / In this thesis, we investigate the optical properties of a six-layer stack (air-Au-SiO₂-Au-Ti-glass). The interfaces are flat and the modeling is performed using elementary Fresnel expressions at the interface and plane wave propagation in the layers. Two models are used where the sample is: i) excited by a source at infinity (excitation by source at infinity (ESI)); ii) excited by a local source. In the experiments we are modeling this source consists of the inelastic tunneling electrons from a scanning tunneling microscope (STM). In our modeling this source is replaced by a vertical oscillating dipole. Using these two models one calculates the reflected (reflectance) and the transmitted (transmittance) flux from a source at infinity and the transmitted flux of a local source. Surface plasmon polariton (SPP) and wave guide (WG) modes may be identified in the reflectance, transmittance and transmitted flux. In a particular wavelength domain the SPP and WG repel each other giving rise to an avoided crossing. The choice of the gold (Au) and silica (SiO₂) thicknesses of the six-layer stack is guided by two requirements: high amplitude of the observable and wide wavelength dependence of the in-plane wave vector. We also study the influence of the gold and silica thicknesses on the observables. We find that the observables are significant for dAu[10, 90 nm] for the three and dAu[10, 50 nm] for six layer stacks and this predictive study guided the choice of the experimental sample thicknesses. The wave guide mode appears for dSiO₂ >190 nm. The electric field as a function of the penetration coordinate z is calculated in order to characterize the location of the field in the stack and to assign the nature of the modes. We observe that for the SPP the electric field is confined at the Au-air interface whereas, the electric fields corresponding to the WG mode are confined inside SiO₂ layer. Our calculations presented in this work are in good agreement with the experimental measurements performed in our group.

Des films minces de silice enrichies en nano-grains de silicium (ng-Si) dopées aux ions Nd3+ ont été déposées par pulvérisation magnétron réactive. Leurs propriétés de photoluminescence ont été étudiées en fonction de la composition. La formation d'agglomérats de Nd2O3 aux fortes concentrations en Nd3+ diminue la PL. l'influence de la temperature et de la composition sur les chronogrammes de temps de vie des ions Nd3+ a ete etudiee. On a démontre l'existence de deux temps de vie. La composante rapide a été attribuée aux agglomérats de Nd2O3 et la composante lente aux ions Nd3+ libres.

Les plasmons de surface sont des modes non-radiatifs qui vivent à l'interface d'un diélectrique et d'un métal. Ils peuvent confiner la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Néanmoins, leur propagation reste limitée par les pertes inhérentes au métal qui entraînent une absorption rapide du mode. L'objet de cette thèse est l'étude du couplage des plasmons de surface dans des structures planes métallo-diélectriques. L'obtention des propriétés des différents modes nécessite le prolongement des solutions dans le plan complexe définissant la constante de propagation. La méthode mise en œuvre consiste à déterminer les pôles de la matrice de diffusion en utilisant les intégrales de Cauchy. Une première solution pour résoudre le problème de propagation des plasmons de surface consiste à coupler ces modes entre eux. Dans un milieu symétrique, lorsque l'épaisseur d'un film métallique devient suffisamment faible, le couplage entre les modes plasmons existants sur chaque surface devient possible. L'un des deux modes couplés ainsi créé, dit plasmon longue portée, a une longueur de propagation supérieure à celle du plasmon de surface usuel tandis que l'autre, dit plasmon à courte portée, se propage moins. Nous présentons une configuration permettant l'excitation du mode longue portée sans le mode courte portée grâce à une couche métallique déposée sur un substrat infiniment conducteur. Cette excitation peut alors être effectuée dans l'air et permettre des applications comme la détection et la caractérisation de molécules. Ensuite, nous présentons le couplage entre deux guides d'ondes diélectriques, et plus particulièrement la théorie des modes couplés, étendue au cas de la polarisation transverse magnétique. Nous considérons aussi le cas de la PT symétrie. La dernière partie de ce mémoire présente la démonstration du régime de couplage fort entre un plasmon de surface et un mode guidé. Nous mettons alors en évidence une augmentation de la longueur de propagation pour le mode hybride plasmon dont le confinement reste celui d'un mode de surface. Un gain linéaire est ensuite ajouté dans les différentes couches de la structure pour en étudier l'effet. L'ajout de gain dans la couche intermédiaire entre les deux modes couplés a pour conséquence l'exaltation de la longueur de propagation des modes et plus particulièrement du mode hybride plasmon qui peut alors se propager au-delà du millimètre. / Surface plasmon polaritons are non radiative modes which exist at the interface between a dielectric and a metal. They can confine light at sub-wavelength scales. However, their propagation is restricted by the intrinsic losses of the metal which imply a rapid absorption of the mode. The aim of this thesis is the study of the coupling of surface plasmons in metallo-dielectric planar structures. Obtaining the properties of the modes implies the extension of the solutions to the complex plane of propagation constants. The method used consists in determining the poles of the scattering matrix by means of Cauchy's integrals. The first solution to solve the problem of propagation of the surface plasmons consists in coupling these modes to one another. In a symmetric medium, when the thickness of the metallic film becomes thin enough, the coupling between the plasmon modes which exist on each side becomes possible. One of the coupled modes which is created, the so-called long range surface plasmon, has a bigger propagation length than the usual plasmon whereas the other coupled mode, named short range surface plasmon, has a smaller propagation length. We present a configuration which allows the excitation of the long range surface plasmon without the short range mode with a metallic layer deposited on a perfect electric conductor substrate. This excitation can be done in air and allows applications, such as the detection and the characterisation of molecules. Then, we present the coupling between dielectric waveguides, and, in particular, the coupled-mode theory in the case of the transverse magnetic polarisation. We consider also the case of PT symmetric structure. The last part of this work presents the demonstration of the strong coupling regime between a surface plasmon and a guided mode. We demonstrate an increase of the propagation length of the hybrid surface plasmon, which still has the confinement of a surface mode. A linear gain is added in the different layers of the structure. When the gain is added in the layer between both coupled modes allows an enhancement of the propagation lengths of the modes, and more precisely of the hybrid surface plasmon mode, which can propagate at the millimeter scale.

L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser direct bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classés en trois types distincts : (Type I, Type II et Type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induit. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leurs synthèses, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme : la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau Type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le Type I soit le Type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de Type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly address three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over lithography technique which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50-50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. On the other hand, a comparison study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modification inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification

L'optique intégrée est une technique très prometteuse pour une fabrication de masse de circuits optiques pour les télécommunications et/ou l'instrumentation.<br />La technologie sol-gel a déjà démontré son potentiel. Un nouveau matériau sol-gel hybride à polymérisation cationique de type Epoxy a été développé dans le but de la simplification de la synthèse et de l'amélioration des performances en particulier l'adhérence.<br />Ce travail a pour objectif le développement d'un banc d'écriture laser UV dans une couche Epoxy et l'établissement du protocole de fabrication associé. Ce procédé de polymérisation locale est une alternative prometteuse aux techniques lithographiques par masque.<br />Ce nouveau banc utilise un laser pulsé travaillant à faible longueur d'onde pour une meilleure résolution et une meilleure polymérisation.<br />Ce travail a montré la faisabilité de circuits complexes de type multiplexeurs WDM avec un procédé d'inscription à faible coût. Nous avons réalisé les premiers prototypes de circuits dédiés à la sélection multiple de longueurs d'onde pour le (dé)codage du CDMA optique spectral.

Le travail de thèse est consacré à l'étude des potentialités magnéto-optiques de couches minces élaborées par voie sol-gel organique-inorganique et dopées par de nanoparticules magnétiques dans le but de réaliser des composants à effet non réciproque en configuration guidée tel que l'isolateur optique. Le choix de la voie sol-gel se justifie par sa qualité de chimie douce et son aptitude à élaborer des guides de faible indice pour une épaisseur ajustable. L'intérêt porté aux nanoparticules magnétiques s'explique par l'effet magnéto-optique intéressant qu'elles présentent. La finalité de la thèse consiste à réaliser la conversion entre les modes TE-TM. Deux paramètres doivent donc être contrôlés finement pour obtenir un guide d'onde planaire ayant des effets magnéto-optiques intéressants : la biréfringence modale et la rotation Faraday. Les résultats obtenus montrent une très forte potentialité de la matrice sol-gel dopée. Il s'agit d'une rotation Faraday spécifique de 250 °/cm et une biréfringence modale de 10^(-4) ce qui permet de prévoir potentiellement un taux de conversion s'élevant 80 %. De plus, l'application d'un champ magnétique pendant la gélification des couches induit une forte diminution de la biréfringence ce qui permet de prévoir un accord de phase. Une conversion de mode totale est donc potentiellement réalisable. D'autre part, la courbe de la rotation Faraday présente un cycle d'hystérésis caractérisé par une rotation rémanente de 40 % de la valeur de la rotation à saturation, soit qr = 100 °/cm. L'existence d'une telle rotation sans aucun champ appliqué ouvre la voie à la réalisation de composants auto-polarisés.

L'étude des propriétés optiques des matériaux nanostructurés a récemment connu un engouement croissant dû à leur capacité à manipuler la lumière. Les cristaux photoniques sont des matériaux dont l'indice de réfraction est modulé périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde. Ils peuvent interdire la propagation de la lumière dans certaines gammes de fréquences et présenter de fortes dispersions spatiales qui conduisent à des phénomènes de réfraction anormaux. Les métamatériaux quant à eux sont des assemblages d'éléments microscopiques, métalliques ou diélectriques, qui se comportent à l'échelle macroscopique tels des milieux homogènes aux propriétés optiques hors du commun.<br /><br />Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et numérique de ces structures, avec pour objectif d'apporter de nouvelles solutions pour un contrôle accru de la lumière. Nous commençons par étudier le confinement de la lumière par des défauts structurels dans des cristaux photoniques à base d'opales, qui sont des empilements de sphères diélectriques, et proposons divers motifs de cavités résonantes et de guides d'ondes monomodes. Dans un second temps, nous considérons la propagation de faisceaux dans des cristaux photoniques planaires sans défaut. Nous démontrons la grande flexibilité offerte par les cristaux photoniques à gradient pour courber la trajectoire de la lumière et proposons une approche pratique pour la coupler efficacement à des guides d'ondes externes. Finalement, nous étudions les propriétés optiques des métamatériaux à base de tiges diélectriques et montrons rigoureusement que leurs résonances microscopiques induisent une permittivité et perméabilité toutes deux dispersives en fréquence qui peuvent être placées dans le domaine optique. Ces travaux ouvrent de nombreuses opportunités pour le contrôle de l'émission et de la propagation de la lumière et peuvent être exploités dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, les Sciences de la Vie et l'énergie solaire.