Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes d’interaction laser-matière en régime femtoseconde pour l’analyse de circuits intégrés par stimulation photoélectrique non-linéaire. Cette technique permet d’accroitre la résolution pour répondre à la miniaturisation des composants électroniques. Les milieux étudiés dans ce travail sont plus particulièrement le silicium, matériau constitutif des circuits intégrés, et la silice pour le transport des impulsions laser dans une fibre optique. En effet, l’émergence de cette technique d’analyse en milieu industriel requiert l’utilisation de systèmes compacts, fiables et sécuritaires. Les simulations réalisées montrent la génération de charges dans le silicium et la propagation des impulsions dans des fibres photoniques à cœur creux identifiées pour limiter les effets non-linéaires. Des expérimentations sur composants permettent de les confronter aux simulations et de valider l’utilisation de ce type de fibres.Enfin, ce travail a permis de déterminer les paramètres optiques et laser essentiels ainsi que les technologies compatibles avec les contraintes industrielles en analyse de circuits intégrés. / This thesis is dedicated to the study of laser-matter interaction mechanisms in femtosecond regime for the analysis of integrated circuits by nonlinear photoelectric laser stimulation. This technique improves the resolution in order to deal with the miniaturization of electronic components. The materials studied in this work are silicon, a major chemical component in semiconductor electronics, and silica used for transporting laser pulses in optical fibers. Indeed, the emergence of this analysis technique in industrial environments needs the use of compact, reliable and safe systems. The performed simulations show charge generation in silicon and propagation of pulses in photonic fibers identified for limiting nonlinear effects. Some experiments on components allow a comparison with simulations and validation of the use of this type of fibers. Finally, this work was able to identify key optical and laser parameters along with technologies compatible with industrial constraints in integrated circuit analysis.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l’absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l’ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n’ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu’il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l’aide d’une jonction MSM. / In this thesis, we studied third order nonlinear optical effects in photonic crystal cavities. The first of those effects is is the phenomenon of high frequency (GHz) self-pulsing in these cavities, which originates from a modulation of the transmission of the cavity due to the interaction between the free-carrier dispersion and the two-photon absorption. We have observed these self-induced oscillations for the first time in silicon photonic crystal nanocavities, with a frequency of about 3 GHz and a high spectral purity. We have developed a model to analyze the mechanisms that govern the onset of these oscillations, as well as the amplitudes of the fundamental and harmonic frequencies of these oscillations. This self-pulsing phenomenon would allow us to realize realize ultra-compact microwave sources made of silicon. The second phenomenon studied is that of Raman scattering, which is the only way to obtain lasers fully in silicon demonstrated so far. The Raman scattering was measured first in narrow photonic crystals waveguides (W0.63) of length 100 microns, where we could obtain a number of Stokes photons up to 9, showing that the stimulated Raman scattering predominated in these waveguides, although we have not been able to obtain a true Raman laser effect in them. We then measured the Raman scattering in doubly resonant nanocavities specifically designed from these waveguides to optimize the Raman effect, with quality factors up to 235000 for the Stokes resonance. Although we could only measure spontaneous Raman scattering in these cavities, with a Purcell factor of 2.9, the theoretical study that we conducted on the Raman lasers, which agrees perfectly with the experimental results, shows that it would be possible to obtain a Raman laser in these cavities with a threshold below the milliwatt, provided we reduce the losses due to the free-carrier absorption. This could be accomplished by decreasing the free-carrier lifetime, for example by removing the free carriers from the silicon using a MSM junction.

Les molécules organométalliques présentant d’intéressantes propriétés, notamment en optique non linéaire (ONL), en luminescence et en photovoltaïque, trouvent leur utilité dans la préparation de nouveaux matériaux pour des applications dans les domaines de l’optoélectronique, de la photonique et des cellules solaires à colorant photosensible (DSSC). Ce manuscrit de thèse présente la synthèse et les résultats des propriétés ONL du second ordre de nouveaux complexes dissymétriques push-pull de motif D–π–M–π–A et basés sur les diacétylures de platine (II), les diacétylures de ruthénium (II) et les dérivés du ferrocène. Ces complexes sont constitués de ligands du méthylènepyrane en tant que groupes électrodonneurs pro-aromatiques (D) et de ligands formaldéhyde, indane-1,3-dione, pyrazine, pyrimidine ou iodure de pyrimidinium en tant que groupes électroattracteurs (A), ces deux groupes étant séparés par le centre métallique et différents espaceurs π-conjugués. La réponse en optique non linéaire (ONL) du second ordre des complexes a été mesurée à l’aide de la méthode EFISH (Electric-Field-Induced Second Harmonic) et a été comparée à celle de leurs analogues tout organiques. Tous les complexes ont donné des valeurs µβ de la réponse ONL, fortement augmentées par la méthylation de la pyrimidine. En utilisant les mêmes types de groupes électrodonneurs et électroattracteurs, les plus fortes réponses ONL ont été obtenues avec les complexes de ruthénium. Pour l’un d’entre-eux, une valeur µβ0 particulièrement élevée de 6000.10-48 esu a pu être mesurée. / Organometallic molecular systems exhibiting interesting properties, such as non-linear optical (NLO) responses, luminescence and energy photoconversion, are of great interest in the preparation of novel materials with potential applications in opto-electronics, photonics and Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC). This manuscript highlights the synthesis, characterization and the second-order NLO properties of new asymmetrical D–π–M–π–A push–pull dialkynyl ruthenium- and platinum-based as well as dialkenyl ferrocene-based complexes. All complexes incorporate pyranylidene ligands as pro-aromatic donor groups (D) and formaldehyde, indane-1,3-dione pyrazine, pyrimidine or pyrimidinium iodide as electron-withdrawing groups (A) separated by the metal fragment and various π-linkers. The second order nonlinear optical (NLO) properties of all complexes were measured by the electric-field-induced second harmonic generation (EFISH) technique and compared to those of their purely organic analogs. All complexes exhibited µβ values, which dramatically increased upon methylation of the pyrimidine group. With the same donor–acceptor group combination, the strongest NLO response was obtained with the ruthenium complexes, which exhibited a remarkably high µβ0 value of 6000.10-48 esu.

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 porte sur l'étude de la cohérence entre champs triplets générés par interaction non linéaire d'ordre trois. Un protocole indirect, basé sur l'étude du champ issu de la somme de fréquences des champs triplets dans un cristal non linéaire a été envisagé. Une modélisation théorique en formalisme quantique de l'évolution des champs, de leur génération à leur recombinaison, a été développée, donnant lieu à une recherche exhaustive des signatures de corrélations susceptibles d'émerger de notre protocole. Les expériences menées, à savoir la génération non linéaire bi-stimulée et la recombinaison des champs ainsi générés, sont en accord avec notre modèle théorique et permettent de mettre en évidence le masquage des corrélations entre les champs dans ce régime fortement injecté, ces corrélations étant contenues dans les fluctuations quantiques, alors négligeables, des opérateurs champs. Le calcul théorique prédit une signature de corrélations fortes entre les photons triplets dans la cas d'un génération par fluorescence paramétrique, et plus faible dans le cas d'une génération mono-stimulée. / This work deals about the study of coherence between triple photon beams generated by a third order non linear interaction. A protocol, based on the study of the field arising from sum-frequency of the triplet fields in a non linear crystal, was proposed. A theoretical model, in the quantum formalism, was developed, leading to an exhaustive research of the potential signature of the correlations. All the possible schemes were studied : triple fields generation from parametric fluorescence or from stimulated interaction, and recombination of two or three of the triple fields. The experiments we led, i.e. the bi-stimulated non linear generation and the recombination of the so-born fields, agree with our theoretical model and put into light the correlations hiding in this highly stimulated regime, since these correlations lie in the quantum fluctuations of the fields operators. The theoretical calculations predicts a strong correlations signature when the fields are generated from parametric fluorescence, and a weaker one in the case of a generation mono-stimulated.

D'importants progrès ont été accomplis dans le domaine des matériaux à transition despin depuis leur première observation par Cambi en 1931. La combinaison de lachiralité avec le magnétisme résulte en de nouvelles propriétés très intéressantes quiouvrent la voie pour de potentielles applications technologiques. Ce manuscrit décritles résultats obtenus par diverses stratégies poursuivies vers des matériauxmoléculaires non-centrosymétriques à transition de spin par combinaison decomplexes à transition de spin avec des anions chiraux à symétries D3 et D2. / Many advancements in the field of spin crossover materials have been carried outsince the first observation by Cambi in 1931. The combination of chirality andmagnetism yields fascinating properties that open the way for potential technologicalapplications. Obtaining new non-centrosymmetric magnetic compounds yieldsinteresting subjects for non-linear optical studies or crystallography. This manuscriptdescribes the results obtained by various strategies pursued toward spin crossovernon-centrosymmetric molecular materials by combining spin crossover complexes withchiral anions based on D3 and D2 symmetric anions.

Le carbure de silicium (SiC) nanostructuré est considéré aujourd'hui comme une bonne alternative aux matériaux traditionnels pour diverses applications multidisciplinaires. Dans cette thèse, des nanostructures de SiC ont été élaborées par gravure électrochimique et par ablation laser. La première partie de cette thèse décrit et explique la dépendance en taille des propriétés optiques ainsi que l'importance des effets de champ local sur les transitions électroniques photo-induites des nanostructures de SiC. Dans la seconde partie, il est démontré une amplification d’un facteur 15 de l’intensité de photoluminescence des nanoparticules de SiC par leurs interactions en champ proche avec les plasmons multipolaires localisées. En outre, un facteur 287 et un facteur 72, induits par le couplage plasmonique, sont obtenus respectivement pour les signaux de luminescence à deux photons et de génération de seconde harmonique. Les principaux mécanismes physiques responsables des effets observés ont été décrits par des simulations de type différences finies dans le domaine temporel en trois dimensions. Enfin, l'effet de couplage de nanoparticules de SiC luminescentes à des nanostructures plasmoniques en structures planes est utilisé pour améliorer le marquage de cellules biologiques. Une perspective est ouverte sur la réalisation et les premières caractérisations de suspension colloïdales de nanohybrides plasmonique (Au@SiO2)SiC. / Nanostructured silicon carbide (SiC) is considered today as a good alternative to the conventional materials for various multidisciplinary applications. In this thesis, SiC nanostructures were elaborated by means of electrochemical etching and laser ablation techniques. The first part of the thesis clarifies size-dependence of optical properties as well as importance of local-field effects onto the photoinduced electronic transitions of SiC nanostructures. In the second part of the thesis strong 15-fold photoluminescence enhancement of SiC nanoparticles is ensured by their near-field interactions with multipolar localized plasmons. Further, 287-fold and 72-fold plasmon-induced enhancement factors of two-photon excited luminescence and second harmonic generation is achieved, respectively. The main physical mechanisms responsible for the observed effects were described by three-dimensional finite-difference time domain simulations. Finally, the coupling effect of luminescent SiC nanoparticles to plasmonic nanostructures is used in the enhanced labelling of biological cells on the planar structures. As a perspective, colloidal plasmonic (Au@SiO2)SiC nanohybrids were elaborated and characterized.

Les équations de Maxwell, qui gouvernent le comportement des champs électromagnétiques mésoscopiques, ne forment pas un ensemble clos d'équations. Il faut donc les compléter avec des relations constitutives, qui caractérisent un matériau. Nous avons voulu donner des relations fort générales, et les simplifier ensuite, en explicitant toutes les restrictions physiques que cela comportait, jusqu'à obtenir un système fini d'équations aux dérivées partielles non-linéaires couplées résoluble numériquement (méthode des éléments finis). Cela nous a permis d'étudier la diffraction d'un champ électromagnétique par un système, ayant la forme d'un cylindre ou d'un cristal photonique, fini ou infini, générant une deuxième et une troisième harmonique. Ces différentes composantes du champ électrique interagissent entre elles, par l'effet Kerr-optique ou la déplétion de l'onde de pompe. Nous avons aussi généralisé à l'optique non-linéaire quelques propriétés des matériaux bien connues dans le régime linéaire, comme l'anisotropie ou la perte d'énergie électrique.

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

L'optique non linéaire est un puissant moyen d'investigation des interfaces. Nous nous plaçons dans la configuration de Kretschmann pour réaliser de nouvelles expériences en régime picoseconde.<br />On décrit l'observation de conjugaison de phase dans deux configurations différentes: l'une dans laquelle toutes les ondes sont des plasmons de surface et l'autre dans laquelle les pompes sont des plasmons tandis que la sonde est une onde de volume. Ici, l'essentiel des processus non linéaires est d'origine thermique.<br />Dans une expérience analogue, nous réalisons le couplage d'une onde de volume au plasmon de surface correspondant par l'intermédiaire d'un réseau induit. A cette occasion, nous mettons en évidence l'excitation d'ondes acoustiques de surface.