La structuration laser femtoseconde (fs) de verres d’oxydes est un domaine de larecherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est utilisée pour sa facilité de miseen oeuvre et les nombreuses applications découlant de la fabrication des composantsphotoniques. En effet, un faisceau d’impulsions ultra-courtes focalisé dans un matériautransparent atteint une intensité suffisante pour modifier en 3D la matière à des échelles microetnanométrique. Ce mémoire se compose de deux volets. Le premier volet traite del’interaction laser fs en surface de verres menant à une auto organisation périodique de lamatière. L’influence du dopage ions photosensibles et des paramètres d’irradiation laser sontétudiées afin d’appuyer le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux. À travers uneapproche innovante, il a été permis le contrôle de ces structures nanométriques périodiquespour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée de volume.Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en ion argent, ont été étudiées pourcomprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent (Ag-NPs). Ce travaildémontre le lien entre la physicochimie des verres et le caractère hors équilibrethermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation/croissances des Ag-NPs. Les résultats sont comparés aux modélisations de la réponse optique du plasmon desurface des Ag-NPs. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvellesapproches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interactionlaser fs pour l’inscription de briques photoniques dans des verres d’oxydes. / Femtosecond direct laser writing (fs-DLW) of oxide glasses is a growing researchand development area. It is also increasingly used in the high-tech industry thanks to its simpleimplementation and numerous possible applications emerging from the photonic componentsmanufacture. Indeed, an ultra-short focused beam in a transparent material reaches a sufficientintensity to 3D modify the material on micro- or nanometer scale. However, the fs-DLW regimesat such high intensity are not completely understood, and the materials, already used, are notperfectly adapted for new photonics applications. This research work aims to provide answersto those open questions. This thesis is based on two thrusts. The first one addresses the issueof the glass surface DLW with fs pulses which lead to self organized periodic structures. Theinfluence of photosensitive doping ions and irradiation parameters are studied to support theincubation model for nanogratings surface formation. This study allows the control of theseperiodic nanostructures for further applications. The second thrusts deals with localized volumecrystallization. Several glassy matrices with various silver oxide doping have been studied tounderstand the mechanisms of silver nanoparticles (Ag-NPs) precipitation. This workdemonstrates the link between the physical chemistry of the glass and the non-equilibriumthermodynamic state during fs-DLW to influence nucleation and growth conditions of Ag-NPs.These results are compared to models that describe the optical responses of plasmonicbehavior. This research opens on new approaches and prospects for applications andunderstandings of fs-DLW of novel photonic bricks.

Ce manuscrit décrit le développement de la technique d'Imagerie Photothermique<br />Hétérodyne (PHI). Cette nouvelle méthode optique en champ lointain permet de détecter une<br />grande variété de nano-objets individuels absorbants (nanoparticules métalliques jusqu'à 1.4 nm<br />de diamètre, nanocristaux semiconducteurs, nanotubes de carbone métalliques et semiconducteurs,.<br />. .), sur un fond « noir », avec un très bon rapport signal à bruit. Le signal photothermique<br />a été caractérisé expérimentalement sur des nanoparticules d'or individuelles. Les mesures obtenues<br />sont comparées à des calculs analytiques issus d'un modèle électrodynamique. Etant donné<br />que ce signal est directement proportionnel à la puissance absorbée, la méthode PHI ouvre la<br />voie à des expériences de spectroscopie d'absorption à l'échelle du nano-objet individuel. Dans<br />un premier temps, nous avons sondé la résonance plasmon de surface de nanoparticules d'or<br />individuelles de 5 à 33 nm de diamètre. Cette étude a abouti à l'observation d'effets de taille<br />intrinsèques, analysés dans le cadre de la théorie de Mie. Nous avons ensuite mesuré les spectres<br />d'absorption de nanocristaux individuels de CdSe en régime multiexcitonique. Pour un même<br />nanocristal, la comparaison des spectres d'absorption photothermique et d'émission permet de<br />discuter l'origine physique du signal photothermique. Enfin, nous avons caractérisé la structure<br />de nanotubes de carbone semiconducteurs et métalliques individuels en analysant leurs spectres<br />d'absorption autour de leurs premières résonances optiques.

Ce travail de thèse est consacré aux propriétés optiques de nanoparticules métalliques toroïdales. Le développement d'une méthode de résolution de l'équation de Laplace en coordonnées toroïdales permet d'analyser les propriétés radiatives des nanoparticules toriques métalliques dans le cadre de l'électrostatique. L'étude sur la distribution spatiale des modes propres suggère que des nanotores métalliques peuvent soutenir un moment dipolaire magnétique tout en annulant la valeur du moment dipolaire électrique au fréquences optiques. Les expressions analytiques des sections efficaces de diffusion et d'extinction du tore sont également trouvées et comparées à des simulations numériques et des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de collaborations. La sensibilité de la fréquence de résonance plasmon à l'indice de réfraction du milieu extérieur ainsi qu'au facteur de forme est mis en évidence.

Les besoins actuels grandissants pour l'analyse des interactions biomoléculaires nécessitent le développement de systèmes automatisés à forte capacité et haut débit comme la microscopie de fluorescence qui reste une méthode de prédilection. Bien que les méthodes directes (sans marquage des molécules à analyser) présentent une sensibilité plus faible que celles utilisant des marqueurs, leurs nombreux avantages (suivi en temps réel, préparation simplifiée des échantillons) sont des atouts d'importance pour l'analyse quantitative des interactions biomoléculaires. En outre, l'imagerie en résonance des plasmons de surface permet de mesurer simultanément de nombreuses interactions comme les méthodes avec marqueurs. Pour élaborer un tel dispositif, nous avons d'abord identifié les différents paramètres critiques, susceptibles d'être améliorés, comme la nature de la couche métallique. L'utilisation du capteur ainsi développé repose en grande partie sur la chimie de surface: nous avons choisi la synthèse électrochimique de films de polypyrrole qui permet, de manière contrôlée et structurée, une fonctionnalisation simple et robuste de plots contenant diverses molécules. Parallèlement, nous avons développé un programme d'acquisition d'images dont le traitement permet de suivre en temps réel les réactions biomoléculaires sur chaque plot et d'en extraire constantes d'association, de dissociation et d'affinité entre molécules. Enfin, nous avons démontré les possibilités d'application de ce système à l'étude de maladies héréditaires ou du cancer à travers des interactions ADN/ADN (K-ras), ADN/protéines (p53), protéines/protéines (hCG) et oligosaccharides/protéines (HP6/SDF-1).

La biophotonique a permis de nombreuses avancées scientifiques, tant dans le domaine de la compréhension des mécanismes du vivant que dans le domaine de la médecine. Les biopuces optiques sont des outils participants à une plus grande compréhension des interactions biomoléculaires de surface et ont rendu possible le diagnostic génétique à haut débit ou la caractérisation simultanée d'un grand nombre d'interactions protéiques en parallèle. Les biopuces à résonance de plasmon de surface permettent de plus la caractérisation dynamique des interactions biomoléculaires, tout en se passant de l'utilisation de marqueurs fluorescents. L'objectif principal de ce travail a reposé sur la mise au point expérimentale d'un système de biopuces à résonance de plasmon de surface capable de caractériser dynamiquement l'anisotropie résultante de l'orientation moyenne d'édifices biomoléculaires de surface. La validation du système ainsi réalisé a été effectuée au travers de trois applications : l'observation de l'orientation de biomolécules sous l'effet d'un changement de régime fluidique ; la détermination de l'anisotropie induite par un champ électrique sur un assemblage biomoléculaire d'épaisseur nanométrique ; et enfin l'orientation de filaments de billes magnétiques microniques sous l'effet d'un champ magnétique. Le second objectif de ce travail reposait sur l'étude et le développement de nouveaux substrats métalliques structurés latéralement. La perturbation locale du champ évanescent se propageant à la surface du métal a ainsi pu être mis en évidence par le biais d'échantillons micro- puis nano- structurés.

L ’intérêt des nano-particules pour le domaine de l ’optique visible a été suscité lors du premier rapport rédigé par Faraday en 1857 et qui a initié les bases de la production de nanoparticules métalliques en vue de leur propriété optiques inattendues (coloration des solutions). Plus récemment, le contrôle et le guidage de la lumière basés sur l’excitation de résonance plasmon dans les nanostructures a permis beaucoup d’applications liées à la vie quotidienne et impliquant la lumière. La résonance plasmonique de structures métalliques estun phénomène essentiel qui conduit à des propriétés optiques uniques à travers l’interaction de la lumière avecles électrons libres du métal. L’excitation de la résonance plasmon localisé (LSPR) permet d’exalter localement l’énergie électromagnétique comme dans le cas des nano-antennes mais aussi d’acheminer la lumière à travers des canaux de dimensions sub-l sur de grandes distances distances grâce à l’excitation du Plasmonde Surface Propagatif (PSP). Au cours de cette thèse, nous avons étendu un algorithme existant afin de calculer la réponse optique (sections efficaces de diffusion et d’absorption) de NPs ayant une forme géométrie quelconque. Ce type de NP anisotrope (vis-à-vis de la polarisation incidente) peut présenter à la résonance plasmonique une section efficace de diffusion 25 fois supérieure à celle géométrique. De plus, une étude systématique importante a été effectuée afin d’optimiser la géométrie de tels Nps.En ce qui concerne la PSP qui est impliqué dans la transmission exaltée à travers les matrices d’ouvertures annulaires AAA, nous avons entrepris une étude systématique des propriétés de l’excitation du mode particul particulier sans coupure de ces nano - guides. Il s’agit du mode Transverse Electrique et Magnétique (TEM). Une étude numérique complète est alors effectuée pour correctement concevoir la structure avant qu’elle ne soit expérimentalement fabriquée et caractérisée. Pour palier certaines contraintes expérimentale, une structure inclinée est proposée et étudiée dans le cas d’un métal parfaitement conducteur. Nous avons démontrée numériquement et analytiquement certaines propriétés intrinsèques de la structure montrant un coefficient de d’au moins 50% d’un faisceau incident non polarisé indépendamment des conditions d’éclairage (polarisation,angle et plan d’incidence). Lorsque le mode TEM est excité, le flux laminaire de l’énergie à travers la structure présente une déviation géante sur de très petites distances inférieures à la longueur d’onde. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être considérés comme une contribution importante à la compréhension du phénomène de transmission exaltée basé sur l’excitation de ce type de mode guidé. / The release of the rst report by Faraday in 1857 set the foundation of the production of metal nanoparticlesand their unexpected optical properties (coloring). More recently, controlling and guiding light via plasmonicresonance in nanostructures enable a lot of applications affecting everyday life that involves light. Plasmonresonance of metallic structures is a key phenomenon that allows unique optical properties through the interactionof light with the free electrons of the metal. The excitation of Localized Surface Plasmon Resonance(LSPR) leads to turn-on large local enhancements of electromagnetic energy as within antennas or to routelight as waveguide to desired region with high transmission through the excitation of Propagating SurfacePlasmon (PSP). During this thesis, we have developed an existing algorithm in order to calculate the opticalresponse of NPs of any shape. We have especially determined the localized energy enhancement factor interm of optical response of nano-antenna. This anisotropic (polarization dependent) NPs type can feature, atplasmon resonance, scattering efciency factor higher than 25. Moreover, an important systematic study hasbeen performed in order to optimize design of such NPs.Concerning the PSP that are involved in the enhanced transmission through Annular Aperture Arrays (AAAs),we systematically study the properties of the excitation of the peculiar Transverse ElectroMagnetic (TEM) guidedmode inside such nano-apertures. A complete numerical study is performed to correctly design the structurebefore it is experimentally characterized. For reasons associated to fabrication constraints and efciency,a slanted AAA made in perfectly conducting metal is proposed and studied. We numerically and analyticallydemonstrate some intrinsic properties of the structure showing a transmission coefcient of at least 50%ofan un-polarized incident beam independently of the illumination configuration (polarization, angle, and planeof incidence). At the TEM peak transmission, the laminar flow of the energy through the structure can exhibitgiant deviation over very small distances ( ). The results presented in this thesis could be considered as animportant contribution to the understanding of the enhanced transmission phenomenon based on the excitationof guided modes

La bio-détection de molécules reposant sur le phénomène de résonnance plasmon permet de détecter des espèces en utilisant les propriétés optiques de films métalliques. L’utilisation de ce type de capteurs nécessite néanmoins l’augmentation de leurs performances afin de détecter des concentrations faibles d’analyte dans des milieux complexes. L’assemblage de nanoparticules d’oxyde de fer sur des substrats d’or, en utilisant des groupements complémentaires spécifiques via la méthode de chimie « click », permet de contrôler leur distribution spatiale à la surface du substrat. Les propriétés magnétiques portées par les nanoparticules sont ainsi étudiées en fonction de leurs distances inter-particules ainsi que de leurs tailles. Par ailleurs, le plasmon de surface du substrat étant directement influencé par l’assemblage des nanoparticules, il sera possible de contrôler la sensibilité du capteur pour étudier la détection de différentes biomolécules impliquées dans des processus biologiques. La présence des nanoparticules augmente les propriétés optiques intrinsèques de la surface du substrat et la géométrie de l’assemblage permet d’augmenter la quantité de biomolécules détectées. / Biomolecular detection based on the surface plasmon resonance phenomenon allow detecting species by using the optics properties of metallic thin films. This kind of biosensors require the increase of their performances in order to detect low concentration analyte in complex medium. The assembly of iron oxide nanoparticles on gold substrates by using specific complementary groups via the “click” chemistry technique allows controlling their spatial distribution on the substrate surface. The magnetic properties carried by the nanoparticles are studied as function of their inter-particle distances and their sizes. Moreover, the surface plasmon of the substrate is directly influenced by the nanoparticle assembly and the control of the sensor sensitivity will be possible in order to study the detection of different biomolecules implies in biological processes. The presence of nanoparticles increases the intrinsic optical properties at the substrate surface and the geometry of the assembly allow increasing the number of biomolecules detected.

Dans cette thèse, nous associons mesures expérimentales et modélisation des données pour étudier l'émission spontanée d'émetteurs fluorescents en environnement nano-structuré. Le mémoire est organisé en deux parties.Dans la première partie, nous étudions le transfert d'énergie entre émetteurs fluorescents en environnement plasmonique et sur des distances micrométriques. Pour commencer, nous caractérisons le transfert d'énergie entre deux ensembles d'émetteurs situés en champ proche d'une surface d'argent. Nous déterminons ainsi la dépendance en distance du taux de transfert d'énergie sur des distances micrométriques. Nous couplons ensuite une boite quantique et une bille fluorescente à un nano-fil d'argent et nous étudions le transfert d’énergie entre ces deux émetteurs, distants de plusieurs micromètres. Nous démontrons notamment le clignotement corrélé de ces deux émetteurs grâce à l'étude de la fonction de corrélation de leur intensité de fluorescence.Dans la seconde partie, nous sondons les variations spatiales de densité locale d'états électromagnétiques induites par des environnements nano-structurés grâce à différentes techniques de microscopie à super-résolution. A l'aide d'un microscope à balayage, nous réalisons tout d’abord une étude en trois dimensions de l’interaction de champ proche entre une bille fluorescente et différentes antennes en silicium. Nous introduisons ensuite une technique stochastique permettant de déterminer expérimentalement la position et le taux d'amortissement de molécules uniques photo-activées, avec une précision de localisation de l'ordre de 10 nm. Enfin, nous utilisons l'information de Fisher afin d'estimer les bornes inférieures de l'erreur type des estimations de positions et de taux d'amortissement réalisées dans le cadre de mesures sur molécules uniques. / In this thesis, we perform experimental measurements and data modelling to investigate spontaneous emission of fluorescent emitters in nanostructured environments. The manuscript is organised into two main parts.In the first part, we study micrometre-range energy transfer between fluorescent emitters in plasmonic environments. First of all, we characterise plasmon-mediated energy transfer between ensembles of fluorescent emitters located in the near field of a silver film. We thus determine the distance dependence of the energy transfer rate over micrometre distances. We then couple a single quantum dot and a fluorescent nanobead to a silver nanowire and we study evidences of the energy transfer between the two emitters, separated by several micrometres. We notably demonstrate a correlated blinking of the two emitters through the study of the correlation function of their fluorescence intensity.In the second part, we probe sub-wavelength spatial variations of the local density of electromagnetic states induced by nanostructured environments by means of different super-resolution microscopy techniques. To start with, we perform a three-dimensional study of the near-field interaction between a fluorescent nanobead and different silicon nanoantennas using a scanning-probe microscope. We then introduce a stochastic technique to experimentally determine the position and the fluorescence decay rate of single photo-activated molecules, with a localisation precision of the order of 10 nm. Finally, we use the Fisher information to estimate lower bounds on the standard errors on position and decay rate estimates performed in the context of single-molecule microscopy.

Le sujet de ma thèse est l’étude de la diffraction par des trous sub-longueur percés dans des films métalliques, ainsi que la compréhension du rôle des plasmons de surface (SPs) dans la diffraction en champ lointain. Nous avons construit un goniomètre « fait maison » de haute qualité. Une série de trous unique percés dans un film opaque et variant continûment de k • r >> 1 à k • r << 1 ont été explorées. Ici, k est le vecteur d'onde de l'onde incidente et r est le rayon du trou. Les résultats expérimentaux indiquent que la diffraction de la lumière par un trou unique peut être séparée en quatre régimes, dépendant de la polarisation incidente. Une expression analytique simple révèle pour la première fois, l’implication de deux facteurs compétitifs: l'un lié aux plasmons de surface, et l'autre provenant du couplage du champ aux modes de guide d'onde de l'ouverture. Lorsque le trou est entouré par des corrugations concentriques (structure d'oeil de boeuf), et est illuminé avec les rainures sur le côté de sortie, l'effet de collimation est observé: la diffraction en champ lointain est confinée dans un très petit angle solide. L’influence des paramètres géométrique sur la figure de diffraction de l’œil de bœuf a été étudié et des motifs de diffraction dont la largeur est inférieure à 1 ° dans le champ lointain ont été atteints. Un autre mode de surface (CWs), différent des SPs, a été étudié sur des films de tungstène. Il a été démontré que les CWs permettent également d’obtenir un effet de collimation. À titre de comparaison, nous avons montré que la transmission exaltée est bien plus faible pour les CWs que pour les SPs sur nanostructures. / The theme of my thesis is to investigate the diffraction behavior of subwavelength holes in metal films, and to understand the surface plasmons’ (SPs) role in aperture far-field diffraction. We have built a home-made goniometer setup with high-level quality. A series of single hole continuously ranging from k•r>>1 to k•r<<1 in a flat opaque film were explored, where k is the wavevector of the incident wave and r is the radius of the hole. The experimental results indicated that the diffraction of single hole can be classified into four regimes, depending on the input polarization. A simple analytical expression reveals for the first time the subtle interplay of two competing factors: one related to surface plasmon excitation and the other originating in the coupling of the field to the waveguide mode of the aperture. When the hole is surrounded by concentric grooves (bull’s eye structure) and is illuminated with the grooves on the output side, the beaming effect occurs: far-field diffraction is confined in very small solid angle. The effects of geometrical parameters on bull’s eye diffraction have been studied and the diffraction patterns with the width less than 1° in the far field have been achieved. Another surface waves (CWs) different from SPs on tungsten films were studied. It was demonstrated that the CWs have beaming effect as well. By comparison we showed that CWs display much weaker enhancement in transmission than SPs through nanostructures.

La réponse optique de nano-objets métalliques et semi-conducteurs a été étudiée par spectroscopie par modulation spatiale (SMS), une technique permettant de détecter des nano-objets individuels et d'en mesurer quantitativement la section efficace d'extinction. Dans le cadre de ce travail, nous avons systématiquement corrélé ces mesures optiques à une caractérisation bi- voire tridimensionnelle de leur morphologie, permettant une comparaison précise des mesures avec des simulations numériques. Le premier volet de cette thèse décrit une étude détaillée de l'effet de la déposition de nano-objets métalliques de forme allongée (nanobâtonnets et nanobipyramides) sur un substrat absorbant. Nos expériences montrent qu'elle conduit à un élargissement de la résonance plasmon de surface, dont l'ampleur dépend fortement de la forme et de l'encapsulation des nano objets. En combinant la SMS avec une approche pompe-sonde, nous avons pu mesurer la réponse ultrarapide de nano-bipyramides d'or individuelles, qui contient une contribution de plusieurs de leurs modes de vibration, permettant d'accéder à leur fréquence et taux d'amortissement, en s’attachant en particulier à l'effet d'une encapsulation diélectrique des bipyramides. Au cours de cette thèse, nous avons étendu l'application de la SMS à des nano-objets très allongés avec une dimension micrométrique (nanofils et nanopointes), dans le but notamment d'étudier leur réponse optique, leur interaction avec une nanoparticule d’or et d’obtenir des informations sur leur profil d'absorption, une information essentielle pour l'interprétation d'expériences d'émission électronique (effet de champ) ou ionique (tomographie de sonde atomique) / The optical response of metallic and semi-conductor nano-objects has been studied by spatial modulation spectroscopy (SMS), a technique allowing to detect single nano-objects and to quantitatively measure their extinction cross-sections. During my thesis, we have systematically correlated these optical measurements with the 2D or 3D characterization of their morphology, allowing a precise comparison of the measurements with numerical simulations. The first part of my PhD thesis describes a detailed study of the effect of the deposition of elongated nano-objects on an absorbing substrate. Our experiments show a spectral broadening of the surface plasmon resonance, whose extent highly depends on the shape and the encapsulation of the nano-objects. By combining SMS with a pump-probe approach, we were able to measure the ultrafast response of single gold nano-bipyramids. This response contains a contribution from several vibration modes, allowing extraction of their frequencies and damping times. In particular, we have addressed the effect of a dielectric encapsulation of bipyramids on their vibrational quality factors. During this thesis, we extended the use of SMS to very elongated nano-objects with a micrometric dimension (nanowires and nanotips), with the goal of studying their optical response, their interaction with a gold nanosphere and obtaining information on their absorption profile, as required to interpret electronic (field effect) or ionic (atom-probe tomography) emission experiments