Les nanocavités optiques sur puces sont devenues aujourd'hui des objets de base pour le piégeage et la manipulation d'objets colloïdaux. Nous étudions dans cette thèse des nanocavités comme briques de bases du piégeage et de la manipulation par forces optiques. La preuve de concept du piégeage de microsphères diélectriques apparaît comme le point de départ de l'élaboration d'un laboratoire sur puce. Dans le premier chapitre nous parcourons la bibliographie de l'utilisation des forces optiques en espace libre et en milieu confiné pour le piégeage de particules. Le second chapitre présente les dispositifs expérimentaux pour la caractérisation des nanocavités et les outils mis en place pour les mesures optiques en présence de particules colloïdales. Le troisième chapitre explique la preuve de concept du piégeage de particules de polystyrène de 500 nm, 1 et 2 µm. Dans le chapitre qui suit nous analysons le piégeage de particules en fonction de la puissance injectée dans la cavité. Le chapitre cinq décrit quelques exemples des possibilités de fonctions de manipulation de particules grâce à des cavités couplées. Enfin, dans le dernier chapitre nous montrons les assemblages de particules sur les différents types de cavités étudiées dans cette thèse. / On chips optical nanocavities have become useful tools for trapping and manipulation of colloidal objects. In this thesis we study the nanocavities as building blocks for optical forces, trapping and handling of particles. Proof of concept of trapping dielectric microspheres appears as the starting point of the development of lab on chip. In the first chapter we go through the literature of optical forces in free space and integrated optics. The second chapter presents the experimental tools for the characterization of nanocavities and the set-up developed to perform optical measurements with the colloidal particles. The third chapter describes the proof-of-concept trapping of polystyrene particles of 500 nm, 1 and 2 µm. In the following chapter we analyze the particle trapping as function of the injected power into the cavities. The chapter five gives some examples of the possibilities of particles handling functions with coupled cavities. Eventually, in the last chapter we show assemblies of particles on different geometry of cavities studied in this thesis.

Les pinces optiques permettent de piéger et de manipuler des objets sans contact physique avec de la lumière et ce avec une extrême précision. Son caractère non-invasif et non-destructif en fait un outil idéal pour des applications dans des domaines tels que la biophysique et la médecine. La pince optique conventionnelle utilise un faisceau lumineux fortement focalisé par un objectif de microscope.La fibre optique est un composant très intéressant dans ce domaine puisqu'elle permet de guider la lumière et de piéger optiquement des objets sans l'utilisation de composants optiques encombrants et en limitant des étapes d'alignement. Elle donne ainsi une grande flexibilité et compacité aux pinces optiques.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été de développer une pince optique à deux fibres nano-structurées dans le but de piéger des particules de taille micro et nanométrique.Notre pince est constituée de deux fibres optiques gravées chimiquement en forme de pointe et positionnées en vis-à-vis à des distances typiques de 20 nm à 20 µm. Cette configuration à deux faisceaux contra-propagatifs permet d'annuler la pression de radiation de la lumière. Elle a l'avantage d'obtenir un piégeage efficace pour des intensités lumineuses relativement faibles. En outre, les faisceaux ne doivent pas nécessairement être fortement focalisés. Notre dispositif présente une grande souplesse grâce au contrôle in-situ de la position des fibres, l'injection de la lumière dans les fibres et la manipulation de particules individuelles sans aucun substrat.Au cours de ces travaux, nous avons démontré expérimentalement le piégeage stable et reproductible d'une ou plusieurs particules en suspension. Divers types de particules diélectriques ont été piégées, allant de la particule en polystyrène d'un micromètre à des particules luminescentes de YAG:Ce mesurant 60 nm de diamètre. Ces dernières ont été élaborées et optimisées spécifiquement pour le piégeage optique lors de ces travaux.Nous avons également mesuré les forces optiques appliquées aux particules piégées en analysant leur mouvement Brownien résiduel. Nous avons démontré que le potentiel de piégeage était harmonique, nous permettant de définir la constante de raideur optique.Enfin nous avons démontré qu'en modifiant la forme du faisceau optique d'émission, il était possible d'améliorer certaines caractéristiques de la pince. D'une part, les faisceaux quasi-Bessel qui sont très peu divergents nous ont permis de réaliser un piégeage stable et efficace à grande distance.D'autre part, l'utilisation de pointes métallisées permet de confiner le champ et d'améliorer les forces optiques tout en diminuant l'intensité lumineuse. Nous avons mis en évidence le couplage en champ proche entre deux pointes métallisées qui ont été spécialement élaborées pour la pince. Ces derniers résultats ouvrent des perspectives encourageantes pour le développement d'une pince plasmonique fonctionnant en champ proche qui est particulièrement bien adaptée pour le piégeage de nanoparticules. / Optical tweezers allow to trap and manipulate objects without any mechanical contact with light and with an extreme accuracy. This non-invasive and non-destructive technique is of large interest in many scientific domains such as biophysics and medicine. Conventional optical tweezers use a laser beam which is strongly focalised by a microscope objective.The use of optical fibers attracts increasing attention as highly flexible and compact tools for particle trapping. Fiber-based optical tweezers do not require bulky optics and require only little alignments.In this context, the objective of this thesis was to develop a dual fiber nano-tip optical tweezers in order to trap particles with micro and nano-meter sizes. Our tweezers consist of two chemically etched optical fiber tips placed in front of each other with typical gaps from 20~nm to 20~µm. This dual contra-propagative beams configuration allow to cancel light radiation pressure. Efficient trapping can thus be obtained at relative low light intensities. Moreover, strong focusing is not required. Our device present an high flexibility due to in situ optimization and control of the fibre positions and individual particle manipulation without any substrate.During our work, we experimentally demonstrated stable and reproducible trapping of one or several particles in suspension. Various dielectric particles were trapped, from one micrometer polystyrene beads to luminescent YAG:Ce particles with diameters down to 60~nm. During this thesis, the latter were specifically elaborated and optimized for the optical trapping. We also measured optical forces applied to trapped particles by analysing their residual Brownian motion. We showed the trapping potential is of harmonic shape, allowing to define its optical stiffness.vspace{10pt}Finally, by modifying the emitted optical beam shape, we were able to improve specific tweezers characteristics. On one hand, nondiffracting quasi-Bessel beams allow us to get a stable trapping at large fiber-to-fiber distances.On the other hand, the use of metallised fiber tips allows to improve the beam confinement and enhance optical forces while reducing light intensity. We proved the near-field coupling between two metallised tips which were especially elaborated in this work. Those last results open promising perspectives for the development of plasmonic tweezers working in the near-field, which are especially well adapted for nano-particles trapping.

Ce mémoire s’inscrit dans le cadre des recherches sur les molécules ultra-froides, en forte expansion depuis plusieurs années. Contrairement aux atomes, les molécules ne peuvent que très difficilement être refroidies par laser. Il est donc nécessaire d’explorer des méthodes alternatives pour parvenir à la création de gaz moléculaires ultra-froids. Ce travail théorique s’est focalisé sur une classe particulière de molécules diatomiques hétéronucléaires, présentant un moment dipolaire électrique ou magnétique intrinsèque à l’origine de leurs interactions mutuelles anisotropes.Sur la base de la connaissance précise de la spectroscopie des molécules KRb et KCs (présentant un moment dipolaire électrique intrinsèque notable), combinée à des résultats théoriques, nous avons modélisé le refroidissement de leurs degrés de liberté internes au moyen du passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), processus laser conduisant les molécules dans leur état fondamental absolu. Plusieurs schémas STIRAP ont été discutés et comparés entre eux du point de vue de leur efficacité.Nous avons ensuite étudié la molécule RbCa, dont la spectroscopie est encore inconnue. Cette espèce est caractérisée par la présence conjointe d’un moment dipolaire électrique et magnétique permanent, qui présente un fort intérêt pour les possibilités de contrôle des interactions anisotropes qu’ils engendrent. Nous avons déterminé la structure électronique de RbCa par deux méthodes différentes de chimie quantique, permettant ainsi de qualifier la précision des résultats. Nous avons aussi proposé un schéma de transitions laser conduisant à la formation de molécules froides de RbCa à partir des atomes séparés.La manipulation et le piégeage de molécules repose sur la connaissance de leur réponse à un champ électromagnétique externe, caractérisée par leur polarisabilité dipolaire dynamique. Les calculs de chimie quantique entrepris plus haut nous ayant permis d’accéder à des états moléculaires très excités, nous avons déterminé cette quantité pour toute une série de molécules diatomiques (dimères alcalins, RbCa, RbSr,…). Nous avons ainsi pu déterminer les paramètres optimaux pour le piégeage laser de ces molécules. / This thesis deals with ultracold molecules research, which interest has been growing for several years. Unlike atoms, laser-cooling molecules is very difficult. Alternative methods are necessary to be searched for in order to create ultracold molecular gases. This theoretical work focuses on a particular type of heteronuclear diatomic molecules, possessing an intrinsic electric or magnetic dipole moment, from which originates their mutual anisotropic interactions.Based on the precise knowledge of KRb and KCs molecules (possessing a significant intrinsic electric dipole moment) spectroscopy, combined with theoretical results, the cooling of their internal degrees of freedom using Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), a laser process bringing molecules towards their absolute ground state, has been modelled. Several STIRAP schemes have been investigated and compared regarding their efficiency. The RbCa molecule has then been studied, which spectroscopy is still unknown. The ability of controlling the anisotropic interactions induced by the simultaneous presence of an electric and magnetic dipole moment provided by this species is a clear advantage. The electronic structure of RbCa has been computed with two methods, thus allowing to estimate the reliability of the results. A scheme of laser transitions bringing to the formation of cold RbCa molecules from separate atoms has been proposed.Manipulating and trapping molecules relies on the precise knowledge of their response to an external electromagnetic field, characterised by their dynamic dipolar polarisability. The quantum chemistry calculations mentioned earlier allowed us to compute high-lying excited states, dynamic polarisability has then been computed for a whole set of diatomic molecules (alkali dimers, RbCa, RbSr, …). The optimal parameters for trapping those molecules has then been determined.

Cette thèse constitue un ensemble de travaux et de réflexions sur la question de la modélisation d’expériences en nano-optique utilisant la méthode des différences finies dans le domaine fréquentiel (FDFD) et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). D’abord, un code FDFD bidimensionnel, dédié au calcul de modes propres de guides d’ondes optiques, a été mis en œuvre et testé à travers une comparaison avec des résultats publiés. Dans une deuxième grande partie, nous étudions le piégeage optique de petites particules (de taille microscopique) à l’aide d’une antenne à nano-ouverture papillon (BNA) gravée à l’extrémité d’une sonde de microscope optique métallisée. Le confinement de lumière obtenue à la résonance de la nano-antenne permet un piégeage 3-D des nanoparticules de latex. Une étude systématique a été menée pour quantifier la puissance de la lumière incidente nécessaire pour un piégeage stable. Un bon accord entre les résultats expérimentaux et numériques a été obtenu dans le cas d’une BNA opérant dans l’eau à _ = 1064 nm pour le piégeage de particules de latex de 250 nm de rayon. En outre, les résultats numériques pour de plus petites particules sont présentés et montrent qu’une telle configuration est capable de piéger des particules avec des rayons aussi petits que 30 nm. Troisièmement, nous avons étudié le processus de piégeage optique basé sur l’amélioration du confinement, non seulement du champ électrique comme dans le cas de la BNA, mais aussi du magnétique que peut exhiber l’antenne métallique type diabolo (DA). Cette dernière a été récemment proposée car elle présente une résonance avec un fort confinement magnétique. Nous avons amélioré le design afin qu’une double résonance, électrique et magnétique, ait lieu au centre de la nano-antenne. Ce double confinement a ensuite été exploité pour exalter le gradient de champ au voisinage de l’antenne et ainsi aboutir à de meilleures efficacités de piégeage (moindre puissance). De plus, les résultats des simulations montrent que le processus de piégeage dépend fortement des dimensions des particules et que, pour des géométries particulières, un piégeage sans contact peut être réalisé. Cette structure doublement résonnante ouvre la voie à la conception d’une nouvelle génération de nano-pinces optiques à forte efficacit / This thesis is a set of work and reflections on modeling the experiments in nano-optics by using the finite difference method in the frequency domain (FDFD), and in time domain (FDTD). First, a two-dimensional code FDFD, dedicated to the calculation the eigenmodes of optical waveguides, has been implemented and tested through a comparison with results found in the literature. In a second large part, we study the optical trapping of small particles (of microscopic size) by using a bowtie nanoaperture antenna (BNA) engraved at the end of a metal-coated near-field optical microscope tip. The confinement of light obtained at the resonance of the nano-antenna allows 3-D trapping of latex nanoparticles. A systematic study was conducted to quantify the power of incident light necessary for stable trapping. Good agreement between the experimental and numerical results was obtained in the case of a BNA operating in water at _ = 1064 nm for the trapping of latex particles having a radius of 250 nm-radius. In addition, numerical results for smaller particles are presented and show that such configuration is capable of trapping particles with radii reaching 30 nm. Third, we studied the optical trapping process based on improved confinement of the electric field as in the case of the BNA, but also of the magnetic field, by using a metallic diabolo shape antenna (DA). This latter has been recently proposed because it exhibits resonance with a strong magnetic field confinement. We have improved the design in such a way that a double resonance, electric and magnetic, takes place in the center of the nano-antenna. This dual confinement was then used in order to enhance the field gradient in its vicinity and thus obtain better efficiencies of the trapping (less power). In addition, the simulation results show that the trapping process is greatly dependent of the particles size, and also show that, for specificl geometries, a trapping without contact can be achieved. This doubly resonant structure opens the way to the conception of a new generation of optical nano-tweezers with high efficiency.

Cette thèse décrit l'étude des gaz de fermions $^6$Li et de bosons<br />$^7$Li dans le régime quantique à très basse température. Le<br />refroidissement est obtenu par évaporation du $^7$Li dans un piège<br />magnétique très confinant. Puisque le refroidissement évaporatif<br />d'un gaz de fermion polarisé est quasiment impossible, le $^6$Li<br />est refroidi sympathiquement par contact thermique avec le $^7$Li.<br />Dans une première série d'expériences, les propriétés des gaz<br />quantiques dans les états hyperfins les plus élevés, piégés<br />magnétiquement, sont étudiées. Un gaz de $10^5$ fermions a une<br />température de 0.25(5) fois la température de Fermi ($T_F$) est<br />obtenu. L'instabilité du condensat pour plus de 300 atomes<br />condensés, à cause des interactions attractives, limite la<br />dégénérescence que l'on peut atteindre. Pour s'affranchir de cette<br />limite, une autre série d'expérience est menée dans les états<br />hyperfins bas, piégeable magnétiquement, où les interactions entre<br />bosons sont faiblement répulsives. Les collisions<br />inter-isotopiques permettent alors la thermalisation du mélange.<br />Le mélange d'un condensat de Bose-Einstein (CBE) de $^7$Li et d'un<br />mer de Fermi de $^6$Li est produit. Le condensat est quasi<br />unidimensionnel et la fraction thermique peut être négligeable. La<br />dégénérescence atteinte correspond à $T/T_C=T/T_F=0.2(1)$. La<br />température est mesurée à partir de la fraction thermique des<br />bosons qui disparaît aux plus basses températures, et limite notre<br />précision de mesure. Dans une troisième série d'expérience, les<br />bosons sont transférés dans un piège optique, et placé dans l'état<br />interne $|F=1,m_F=1\rangle$, l'état fondamental pour les bosons.<br />Une résonance de Feshbach est repérée puis exploitée pour former<br />un condensai où les interactions sont ajustables. Quand les<br />interactions effectives entre les atomes sont attractives, on<br />observe la formation d'un soliton brillant de matière. La<br />propagation de ce soliton sans dispersion sur une distance de<br />$1.1\,$mm est observée.