Avec la diminution constante de la taille des transistors dans la microélectronique, les outils de caractérisation doivent être de plus en plus précis et doivent fournir un débit de plus en plus élevé. La fabrication de semi-conducteurs étant un processus couche par couche, le positionnement précis de la pile est crucial. Le mauvais alignement de la pile est appelé overlay, et nous proposons ici un nouvel instrument et une nouvelle méthode pour caractériser avec précision l'overlay en mesurant une cible unique construite dans les lignes de découpe. La méthode utilise les propriétés fondamentales de symétrie de la matrice de Mueller mesurée dans le plan focal arrière d'un objectif de microscope à grande ouverture numérique et permet une caractérisation de l'overlay avec une incertitude de mesure totale de 2nm. Après une brève introduction à la polarisation et la matrice de Mueller, nous décrivons la nouvelle conception de l'instrument et son étalonnage complet. Le corps principal de ce manuscrit est dédié à la caractérisation de l'overlay, mais les applications de cet instrument sont très diverses aussi détaillerons nous comment notre instrument peut apporter des pistes pour la caractérisation et la compréhension de l'auto-organisation de l'exosquelette des scarabées. Ces coléoptères présentent un très fort dichroïsme circulaire et de nombreux groupes de recherche dans le monde entier essaient d'imiter leur exosquelette. Nous concluons ce manuscrit par un bref aperçu des principales perspectives pour notre instrument.

Dès sa première réalisation expérimentale par Théodore Maiman en 1960, le laser a fonctionné en régime impulsionnel. Même si les puissances mises en jeu à cette époque étaient très faibles, la brillance de cette source rivalisait déjà avec un million de soleils. De ce fait, il était facile de voir l'intérêt de pouvoir placer une fraction d'énergie lumineuse dans des impulsions de durée les plus courtes possibles. Avec la technique d'amplification à dérive de fréquence, l'exploration des système d'étirement et de compression commence. Malgré une diversité de solutions pour les étireurs et les compresseurs, le système de Treacy va dominer complètement les architectures lasers en raison de son très haut niveau de dommage essentiel pour les applications de très haute énergie. Pourtant, cette solution est loin d'être facile à mettre en oeuvre et le système est associé à de nombreux défauts. Le coût des optiques (réseaux de diffraction et optiques réflectrices du triplet de Öffner) est très élevé en raison des très grandes dimensions et des qualités de surface nécessaires pour l'obtention d'impulsion de 20-fs. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse. Les systèmes d'étirement et de compression ont été clairement identifiés comme verrous technologiques pour le développement des lasers femtosecondes tant dans le cadre scientifique, qu'industriel. A cet effet, nous avons mené une étude pour la réalisation d'un système étireur compact utilisant des réseaux de Bragg à pas variable enregistrés via des méthodes holographiques, proposant une rupture technologique. Pour la réalisation de cet étireur un nouveau matériau holographique a été développé et mis en oeuvre pour la réalisation d'un composant de test. Son utilisation dans une chaîne d'amplification classique conduit à une démonstration de faisabilité claire d'un tel système.

Ce travail de thèse a porté sur la propagation non linéaire sous forme de filament des impulsions laser femtosecondes ultra-intenses dans l'atmosphère. Nos résultats issus des expériences en laboratoire et en extérieure apportent de nombreux éléments de réponses dans le domaine. Nous avons démontré expérimentalement qu'il était possible de maîtriser le processus de filamentation et la formation de canaux de plasma sur de longues distances. En effet, en propageant un train de deux impulsions de focales différentes décalées de manière adéquate dans le temps, un canal de plasma unique et continu sur une grande distance peut être généré en connectant plusieurs canaux de plus courte distance. Nous avons aussi mis en évidence que le contrôle de la longueur et de la localisation des filaments pouvait s'effectuer en agissant sur la dérive en fréquence de l'impulsion laser initiale pour des puissances bien supérieures à la puissance critique. On peut ainsi maximiser soit la génération d'un continuum de fréquences, soit la présence de canaux de plasma sur des distances pouvant atteindre plus de 300 m, soit la longueur d'intenses canaux de lumière. Ces canaux de lumière intenses ont été observés jusqu'à 2350 m et leur intensité est de l'ordre de 1012 W cm-2. Enfin, nous avons montré que l'on pouvait organiser de manière déterministe la formation de figures multi-filamentaires en imposant des conditions initiales d'amplitude ou de phase au faisceau. Les structures organisées de filaments sont régulières, stables et reproductibles. Les applications atmosphériques à longue portée impliquent des propagations verticales à de très hautes altitudes. Nous avons donc étudié la filamentation pour différentes pressions de l'air. Ces études expérimentales et théoriques ont permis de démontrer que la filamentation femtoseconde subsistait à des pressions correspondant à des altitudes allant jusqu'à environ 11 km. Nous avons également poursuivi l'étude du déclenchement et du guidage de décharges haute tension à l'aide de filaments. Les expériences menées dans les installations haute tension de l'Université Technique de Berlin et du CEAT à Toulouse ont permis de mettre en évidence les mécanismes de déclenchement et de guidage de décharges haute tension sur des distances pouvant atteindre 4,50 m. Ceci constitue un record pour ce genre de décharges. Nous avons aussi démontré que malgré une pluie abondante, les canaux de plasma générés par filamentation femtoseconde subsistaient et étaient toujours capables de déclencher et de guider des décharges de haute tension. Ces résultats sont donc particulièrement prometteurs pour le déclenchement et le guidage de la foudre à l'échelle atmosphérique.

Le sujet de ce mémoire s'inscrit dans le contexte général de l'étude des propriétés radiatives des plasmas chauds. L'état « plasma » constitue le quatrième état de la matière, faisant suite dans l'échelle des températures aux états dits « classiques » : solide, liquide et gaz. Il s'agit d'un état dilué constitué de particules chargées -électrons et ions positifs- en proportion telle que le milieu est globalement neutre. Les plasmas représentent un pourcentage non-négligeable de notre environnement. Présents majoritairement dans l'Univers, on les retrouve dans les objets astrophysiques tels que les étoiles, ou encore les atmosphères planétaires pour citer quelques exemples. Jusque vers les années 50, l'étude des plasmas créés en laboratoire était limitée à celle des décharges dans les gaz. On avait alors affaire à des plasmas partiellement ionisés, où une proportion importante des atomes constituant le gaz restait dans un état lié. De plus, les contributions à la compréhension des phénomènes physiques de base de cet état de la matière venaient essentiellement des astrophysiciens et des géophysiciens. L'essor de la physique des plasmas actuelle commence en fait avec les recherches associées à la fusion par confinement inertiel (FCI), proposées pour la première fois par Dawson en 1964. Dans ce schéma, une cible de DT (deutérium-tritium) est chauffée et comprimée jusqu'à l'ignition par des lasers de puissance (attaque directe) ou par rayons X, générés dans une cavité de matériau de numéro atomique Z élevé chauffée par lasers (attaque indirecte). Cette quête de la fusion est donc majoritairement à l'origine de l'essor des lasers dont on exige de plus en plus de puissance. Créés par et chauffés par rayonnement laser, les plasmas chauds émettent dans une large gamme du spectre électromagnétique : du rayonnement radio-électrique au rayonnement X. L'émission radiative des plasmas de laboratoire constitue un véritable indicateur de leur densité, température et de leur état d'ionisation. Ainsi, l'étude de ces plasmas fait intervenir de nombreux domaines tels que la physique atomique, la physique statistique, les équations hydrodynamiques et enfin les équations du transfert radiatif. De multiples applications sont venues motiver la recherche des plasmas créés par laser, vue la large gamme de densité-température accessible en laboratoire. On peut par exemple citer la microscopie X et la lithographie. De plus, le développement des lasers de puissance délivrant 2 des impulsions ultra-brèves (≤1 ps) dans la gamme du térawatt a ouvert la voie à de nouveaux axes de recherche. Dans ces domaines d'intensité relativiste (10 20 W/cm2), on peut accélérer des faisceaux intenses d'électrons et d'ions de forte énergie. Dans ces régimes, l'interaction laser-matière permet de produire des sources intenses et brèves de rayons X, γ et de neutrons, ce qui laisse présager des applications prometteuses dans le domaine médical, notamment pour le traitement des tumeurs.

Cette thèse est consacrée à l'étude théorique des états quantiques fortement corrélés de ultra-froids piégés atomes fermioniques dans les réseaux optiques. Ce champ a considérablement augmenté Ces dernières années, suite aux progrès expérimentaux réalisés dans le refroidissement et le contrôle des gaz atomiques, qui a conduit à l'observation de la première condensation de Bose-Einstein (en 1995 [4]). Le le piégeage de ces gaz dans les réseaux optiques a ouvert un nouveau champ de recherche à l'interface entre la physique atomique et physique de la matière condensée. L'observation de la transition à partir d'un superfluide à un isolant de Mott d'atomes bosoniques [46] a ouvert la voie pour l'étude de fortement corrélée phases et transitions de phase quantique dans ces systèmes. Très récemment, le enquête sur l'état isolant de Mott d'atomes fermioniques [63] fournit une motivation supplémentaire de procéder à ces études théoriques. Cette thèse peut être divisée en deux grandes catégories de travail: • D'une part, nous avons proposé un nouveau type de spectroscopie pour mesurer une particule observables corrélateurs et physiques associés à ces états fortement corrélés. • D'autre part, nous avons étudié l'état fondamental du modèle Hubbard fermionique dans des conditions différentes (déséquilibre de masse déséquilibre de population), à l'aide d'analyse techniques et des simulations numériques. En collaboration avec J. Dalibard et C. Salomon (LKB à l'ENS Paris) et I. Carusotto (Trento, Italie), nous avons proposé et étudié une nouvelle méthode de spectroscopie de la mesure et la caractérisation des excitations particule unique (en particulier, la faible excitations de l'énergie, à savoir la quasi-particules) dans les systèmes d'atomes froids fermioniques, avec l'énergie résolution en impulsion et. Ce type de spectroscopie est un analogue de la cinétique résolue photoémission en physique des solides (ARPES). Nous avons montré, via des modèles simples, que ce méthode de mesure permet de caractériser les quasiparticules non seulement dans les "classiques" phases tels que le gaz interagissent faiblement dans le réseau ou dans des liquides de Fermi, mais aussi dans les phases inhabituelles tels que l'état normal de la supraconductivité à haute température avec un pseudogap (leader à une différenciation entre les nœuds et anti-nœuds) ont observé en physique mater condensé. Le première expérience d'application d'un type de spectroscopie (spectroscopie RF) très étroitement liés à notre proposition a été récemment réalisée à Boulder dans le groupe DS Jin, tout comme cette thèse était en cours de rédaction. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons effectué des études théoriques de plusieurs phases de fermions fortement corrélés dans les réseaux optiques dans le cadre de modèles théoriques tels que le modèle de Hubbard. Nous avons mis en place et développé des méthodes d'analyse (Hartree-Fock théorie du champ moyen à faible couplage, la cartographie sur un modèle de spin effectif à couplage fort) et des méthodes numériques (approche de la dynamique signifie la théorie des champs). Ce travail a conduit à deux certains types d'études. Le premier étudie la concurrence entre une phase superfluide et une onde de densité (ou la séparation de phase) pour des fermions à un déséquilibre de masse et attrayant interaction. Nous avons montré que la phase superfluide est instable au-delà d'une certaine valeur du rapport de masse, qui dépend de l'interaction. La seconde étude traite d'un gaz à déséquilibrée des populations (polarisée gaz) avec une interaction attractive en trois dimensions réseau optique. Le résultat principal est un diagramme de phase montrant la stabilité d'un superfluide uniforme phase avec la polarisation (phase Sarma ou violé deux phases) dans un certain paramètre régime. Via un argument énergétique, nous avons conclu que la stabilité du superfluide polarisé phase est due à la réduction de la polarisabilité et le champ critique de la non-polarisée phase superfluide. Dans le régime de couplage fort du modèle de Hubbard, au sein de l'indice CAOD méthode, nous avons montré que la formation de la paire préformé à l'état normal réduit la polarisabilité et favorise la stabilité de la phase deux violée. Bien que certains aspects ont été abordés dans cette thèse, beaucoup de questions intéressantes restent ouvertes pour les travaux futurs. Dans la première partie, le cadre de la spectroscopie roman méthode établie dans le chapitre 2 peut permettre de différentes études concrètes de la nature de vivement les États de corrélation. Par exemple, il devrait être très intéressante pour comprendre les spectres d'excitation à une particule dans les phases non triviales comme l'isolant de Mott, la préformées ou des paires de phases avec ordre à longue portée. Dans la deuxième partie, la construction de la améliorée (BCS-Slater) la théorie du champ moyen, y compris la correction Hartree permet une meilleure Comparaison des méthodes modernes (CAOD et Slave bosons). Pour le système avec la même population pour les deux espèces, la région proche du modèle Falicov-Kimball n'est pas encore bien compris dans notre analyse CAOD en raison de problèmes de la convergence numérique au sein de la méthode exacte-diagonalisation. Toutefois, au sein de l'analyse de la théorie du champ moyen, nous voyons qu'un nouvelle phase uniforme de la vague de densité de charge (CDW-dopé) peut être stabilisé Merci à la haute asymétrie des sauts. Afin de clarifier cette question, une étude réalisée par l'esclave Boson de champ moyen la théorie pourrait être très utile. Cette méthode a deux avantages: d'abord, il contient la forte Physique corrélation (y compris les fluctuations quantiques), d'autre part, dans certains cas simples que nous pouvons extraire le comportement analytique de la solution. En outre, un traitement complet au sein de MFT pour les deux paramètres d'ordre, le superfluide et de la CEP, devrait être utile pour comprendre la nature de la transition de phase dans cette limite. Une autre perspective de cette thèse est l' compréhension de la nature de la phase superfluide polarisé. L'inadéquation de l'Fermi surfaces considérées dans cette thèse est dû au déséquilibre de la population. Nous pouvons toujours contrôler ce décalage en introduisant en outre un déséquilibre de masse. Dans la région, avec la grand-messe déséquilibre, il est probable que la stabilité de la phase superfluide polarisé uniforme peut être encore renforcée. Dans cette thèse, les effets du potentiel de confinement ont été inclus par le biais du local approximation de la densité. Pour un faible potentiel et lisse, ce rapprochement devrait être précis. Toutefois, pour renforcer l'accouchement, il peut devenir plus discutable. En effet, Cette question a récemment été débattu dans la littérature, dans le cadre de l'interprétation d'expériences avec la population déséquilibre [92, 126]. Dynamiques de champ moyen théorie peut être mis en œuvre dans un cadre homogène, au-delà de LDA [53, 95, 102], ce qui pourrait être utilisés pour évaluer la validité de l'approximation LDA pour des problèmes tels que ceux étudiés dans cette thèse. Cela pourrait être pertinent, en particulier pour le débat actuel sur les phases de la systèmes fermioniques à un déséquilibre de la population.

La première partie de ce manuscrit (chapitres 1 à 3) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie dimensionnelle à l'échelle du nanomètre. Après avoir donné une vue générale de l'instrumentation interférométrique utilisée dans ce domaine et montré leurs limites, je présente la réalisation d'un interféromètre elllipsométrique et d'un lambdamètre optique. Les résultats expérimentaux ont montré la possibilité d'atteindre une résolution de 10 pm sur une étendue de mesures macroscopique pour l'interféromètre et une exactitude de 10⁻⁶ en valeur relative sur la longueur d'onde avec notre lambdamètre pour un déplacement du miroir mobile de seulement 4 μm au lieu de 150 mm pour le schéma conventionnel. La seconde partie du manuscrit (chapitres 4 à 6) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie des masses. Après une description du projet national de la Balance du Watt dont l'objectif vise une redéfinition du Kilogramme, je reporte les travaux portant sur la réalisation d'un capteur polarimétrique sensible à la direction radiale du champ magnétique de l'aimant permanent composant la balance du watt du LNME et d'un inclinomètre interférométrique pour la matérialisation de l'axe gravitationnel terrestre.

L'amélioration de la résolution en énergie des calorimètres hadroniques est adressée dans cette thèse. L'approche envisagée se base sur la technique du dual-readout qui consiste à détecter simultanément les radiations Cherenkov et la scintillation. La comparaison de ces deux signaux permet en effet de compenser les fluctuations observées dans la détection de gerbes hadroniques. Les grenats d'Aluminium et de Lutetium (LuAG), qui sont d'efficaces es scintillateurs une fois activés avec des terres rares, peuvent aussi jouer le rôle de radiateur Cherenkov sous leur forme non-dopée. Les deux types de matériaux peuvent alors être assemblés pour former un calorimètre dual-readout performant. Dans l'objectif d'étudier la faisabilité de ce concept, les effets de la concentration en dopant et de l'addition de divers co-dopants sur le rendement lumineux et les propriétés temporelles ont été étudiés. Nous avons montré le rôle important de la technique de croissance choisie sur la nature et la concentration des défauts structuraux. La géométrie optimale, qui se base sur des monocristaux en forme de fibres, donne l'avantage à la technique de micro-pulling down. Cette technologie ne montre pas de meilleurs résultats que les techniques de Bridgman et de Czochralski mais a été retenue pour des raisons de coût et d'adaptabilité pour une production à grande échelle. L'optimisation des paramètres de croissance a permis la production de fibres monocristallines de LuAG dopées avec du Cérium présentant un rendement lumineux de 8000 photons par MeV et un bon comportement en tant que guide de lumière grâce à une qualité optique bien maîtrisée. Des tests avec des faisceaux d'électrons et de pions, en conditions de calorimétrie à haute énergie, permettent désormais d'envisager la production d'un prototype à plus grande échelle.

Le suivi des interactions entre protéines, localisées à la membrane plasmique ou à l'intérieur de cellules, a été réalisé au cours de cette thèse par imagerie de fluorescence et par l'analyse de processus dits de FRET (Forster Resonance Energy Transfer). Pour quantifier le FRET entre nos protéines d'intérêt, nous avons choisi le contraste de durée de vie de fluorescence car cette méthode est indépendante de la concentration et de l'intensité de fluorescence. Afin d'obtenir une résolution suffisante pour des problématiques neurobiologiques, un microscope TIRFLIM (Total Internal Reflection Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) avait préalablement été développé. Celui-ci nous permet de faire de l'imagerie en plein champ avec une résolution axiale sub-longueur d'onde. Ce dispositif a été calibré et optimisé au cours de cette thèse pour répondre au mieux à des problématiques biologiques. Différentes approches ont ainsi été testées dans le but de calibrer la profondeur de pénétration de l'onde évanescente. Des surfaces plasmoniques ont entre autres été utilisées pour augmenter la sélectivité axiale du montage. Notre microscope a été dédié à l'étude de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre la protéine précurseur de l'amyloïde APP, protéine transmembranaire impliquée dans la maladie d'Alzheimer et une de ses enzymes de clivage BACE1. Nous avons ainsi effectué un suivi dynamique de l'effet du cholestérol sur l'interaction entre APP et BACE1 dans des cellules HEK-293 et dans des cultures primaires de neurones d'hippocampe d'embryons de rat, de la membrane plasmique à l'intérieur des cellules grâce à notre dispositif TIRFLIM. La mesure d'anisotropie de fluorescence résolue en temps a également été implémentée sur notre montage. Ces mesures résolues en temps et en polarisation ont permis de mesurer le temps de corrélation rotationnelle de fluorophores et de mettre en évidence de manière qualitative différents niveaux d'homodimérisation de protéines impliquées dans la maladie d'Alzheimer.

This research presents the development of an advanced, state-of-the-art optical trap for use in biological materials and nanosystems investigation. An optical trap is an instrument capable of manipulating microscopic particles using the inherent momentum of light. First introduced by Askin et al., the single beam gradient optical trap is capable of generating small forces (~1-100 pN) in a noninvasive manner. As a result, the optical trap is often used to manipulate biological specimen. This research presents the process for the construction of a custom optical trap, the methods to build a controllable optical trap through a traditional fixed gain controller as well as an adaptive controller, and also enables the application of torque to trapped particles. A method of using adaptive techniques for system identification and calibration is also presented. This research has the potential to use forces and torques to affect our understanding of the mechanics of single molecules and motor proteins. This instrument provides a more precise means of manipulating biological specimen as well as a tool for nanofabrication and has the potential to expand the knowledge base of DNA, chromosomes, biomotors, motor proteins, reversible polymers, and can be used to control chemical reactions. The research presented here documents the creation of an optical trap that is sensitive for applications requiring precise displacements and forces, adaptable to a variety of current and future research applications, and useable by anyone interested in researching micro- and nanosytems. / Dissertation

All-optical devices allow improvements in the speed of optical communication and computation systems by avoiding the conversion between the optical and electronic domains. The focus of this thesis is the experimental investigation of a new type of all-optical switch that is based on the control of optical patterns formed by nonlinear interactions between light and matter. The all-optical switch consists of a pair of light beams that counterpropagate through warm rubidium vapor. These beams induce a nonlinear optical instability that gives rise to mirrorless parametric self-oscillation and generates light in the state of polarization that is orthogonal to that of the pump beams. In the far-field, the generated light forms patterns consisting of two or more spots. To characterize this instability, I observe experimentally the amount of generated power and the properties of the generated patterns as a function of pump beam intensity, frequency, and size. Near an atomic resonance, the instability has a very low threshold: with less than 1~mW of total pump power, >3~$\mu$W of power is generated. To apply this system to all-optical switching, I observe that the orientation of the generated patterns can be controlled by introducing a symmetry-breaking perturbation to the system. A perturbation in the form of a weak switch beam injected into the nonlinear medium is suitable for controlling the orientation of the generated patterns. The device operates as a switch where each state of the pattern orientation corresponds to a state of the switch, and spatial filtering of the generated pattern defines the output ports of the device. Measurements of the switch response show that it can be actuated by as few as 600~photons. For a switch beam with 1/e field radius $w_0=185\,\mu$m, 600 photons correspond to $5.4\times10^{-4}$ photons/\lambdasquared which is comparable to the best reported results from all-optical switches based on electromagnetically-induced transparentcy (EIT). This approach to all-optical switching operates at very low light levels and exhibits cascadability and transistorlike response. Furthermore, the sensitivity is comparable to switches using cold-atom EIT or cavity quantum-electrodynamics techniques but is achieved with a simpler system, requiring only one optical frequency and occurring in warm atomic vapor. I develop a numerical model for the switch that exhibits patterns that rotate in the presence of a weak applied optical field. Results from this model, and from my experiment, show that the switch response time increases as the input power decreases. I propose that this increase is due to critical slowing down (CSD). Mapping the pattern orientation to a simple one-dimensional system shows that CSD can account for the observed increase in response time at low input power. The ultimate performance of the device is likely limited by CSD and I conclude that the minimum number of photons capable of actuating the switch is between 400 and 600 photons. / Dissertation