Durant les 15 dernières années, le couplage fort lumière-matière avec des matériaux organiques a attiré un intérêt croissant, notamment à cause des valeurs extrêmes que peut atteindre l'écart énergétique entre les modes couplés dans ces systèmes. Ces modes couplés sont des hybrides lumière-matière, aussi appelés états polaritons et notés habituellement P+ et P-. La valeur de I' écart énergétique entre les modes couplés, également appelé énergie de Rabi-splitting, est provoqué par une transition efficace de dipôle moments entre des molécules et aussi par des cavités ou des plasmons en surface de petits volumes en mode de micro-Fabry-Pérot métalliques (FP) qui sont utilisés dans ces études. Rabi-splittings - 1eV représente souvent une fraction importante de l'énergie de transition électronique, dans ce cas, le système est appelé dans le régime de couplage ultra-forte. Dans ce régime, la physico-chimie des molécules ou des propriétés des matériaux du système couplé peuvent être modifié. En effet, d'effet a déjà été montré sur les voies de relaxation dans le système couplé, les taux de réactions photochimiques, le travail d'extraction et de la conductivité des semi-conducteurs organiques dans l'obscurité, entre autres choses. Une étude récente a pu montrer que l'énergie de l'état non-excité dans une étude thermodynamique peut également être décalée dans le régime de couplage ultra-fort. De plus, le couplage fort ne se limite pas à des transitions électroniques, mais peut aussi être utilisé pour perturber les vibrations de l'état non-excité de molécules dans la région infrarouge. Tous ces résultats montrent que le couplage fort en lumière-molécule a beaucoup de potentiel pour le matériel et la science moléculaire et mérite donc une étude plus approfondie. / Over the past 15 years, light-matter strong coupling involving organic materials has been of increasing interest due to the very large energy splitting such systems exhibit between the two hybrid light-matter states, also known as the polaritonic states typically denoted P+ and P-. The large energy splitting, so-called Rabi splitting, is the result of the high transition dipole moments of the molecules and the small mode volumes of micro-metallic Fabry-Pérot (FP) cavities or surface plasmons used in these studies. Rabi-splittings -1 eV have been observed, often representing a significant fraction of the electronic transition energy in which case the system is said to be in the ultra-strong coupling regime. ln this regime the physical chemistry of molecules or the properties of materials of the coupied system should be modified. lndeed, it has already been shown to affect the relaxation pathways in the coupled system, the rates of photochemical reactions, thework-function and conductivity of organic-semiconductors in the dark, among other things. A recent thermodynamic study demonstrated that the ground state energy can also be shifted in theultra-strong coupling regime. Moreover, the strong coupling is not limited to electronic transitions, but also can be used to perturb the ground-state vibrations of molecules in the infrared region. Ali these results suggest that light-molecule strong coupling has much potential for material and molecular science and therefore merits further study.

Les microcavités optiques présentent de hauts facteurs de qualité, c'est pourquoi ces systèmes sont d'un grand intérêt pour la conception de lasers à bas seuil, ou encore, pour l'étude du régime de couplage fort. En revanche, ces systèmes sont soumis à la limite de diffraction de la lumière, et donc les modes qu'ils supportent ont une extension spatiale ne pouvant être en deçà de l'échelle de la longueur d'onde. Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons aux systèmes plasmoniques parce qu'ils supportent des modes confinés à l'échelle nanométrique. En premier lieu, nous étudions une microcavité plasmonique planaire, constituée de deux miroirs plasmoniques qui piègent les ondes de surface au sein du système. Nous sondons spatialement les modes de la cavité en mesurant le temps de vie de fluorescence de molécules individuelles dispersées au sein du système. Puis, nous nous intéressons au confinement en 3 dimensions de modes supportés par des nanoparticules métalliques sphériques. Nous discutons de la définition du volume modal basée sur le calcul du confinement d'énergie autour de la particule. Ensuite, nous étudions l'exaltation de fluorescence d'ions de terres rares au sein d'une particule plasmonique de configuration coeur-coquille. Enfin, nous perturbons la photodynamique d'émission d'une source de photon unique en approchant à proximité l'extrémité d'une pointe plasmonique / Optical microcavities exhibit high resonance quality, so that, they are of key interest for the design of low-threshold lasers or for achieving strong coupling regime. But, such systems support modes whose the volume remain diffraction limited.In this manuscript, we are interested in their plasmonic counterparts because they support confined modes at the sub-wavelength scale. First, we study an in-plane plasmonic cavity which is the transposition of 1D optical cavity to surface wave. We characterize the cavity by measuring the fluorescence lifetime of dye molecules deposited inside.Then, we are interested in 3-dimension mode confinement achieved by spherical metal nanoparticles. We discuss on the definition of the mode volume used in cavity quantum electrodynamic and based on the calculation of energy confinement around the particle. We also simulate the fluorescence enhancement of rare-earth ions embedded inside core-shell plasmonic particles. Finally, we disturb the photodynamic emission of a single-photon source by puttingthe extremity of a plasmonic tip nearby the emitter

Cette thèse est centrée sur les cristaux liquides et l' ordre orientationnel qui découle de ces matériaux anisotropes. Des motifs chiraux quasi-bidimensionnels ont été formés par microscopie à force atomique (AFM) sur substrat de polyimide. Dans le cas de matériaux non chiraux, une chiralité 3D a été localisée à quelques nanomètres de la surface. La chiralité a été quantifiée par l'effet électroclinique de surface. De plus, un échantillon avec un axe facile et bien contrôlé a été fabriqué et une méthode pour mesurer l'orientation du directeur local avec une résolution de 100 nm en utilisant la microscopie optique en champ proche a donné la vraie fonction de répartition angulaire de l'ordre local avec une grande précision. Enfin, un auto-assemblage de nanoparticules d'or a été étudié dans un film de cristal liquide cholestérique (CLC), en cellule ouverte, a vec une texture cholestérique orientée et des nanoparticules d'or enrobées de molécules de thiol. Les mesures de la Résonance Plasmon de Surface Polarisée Localisée (LSPR) montrent une anisotropie de la réponse optique dans ces système hybrides que nous avons liées à la présence d'agrégats en forme d'aiguilles. Les calculs de la théorie de Mie généralisée, en interprétant les mesures de LSPR, ont mis en évidence une distance entre nanoparticules plus petite dans le CLC par rapport à des nanoparticules sans CLC. L' espacement plus rapproché suggère la présence de sites de piégeage dans le CLC ainsi que la présence d'une coquille isotrope autour les nanoparticules. / This dissertation focuses on liquid crystals and the inherent orientational order that arises from these anisotropic materials. Quasi two-dimensional chiral patterns were scribed via Atomic Force Microscopy (AFM) with robust control onto polyimide substrate, composed of achiral materials, yielding 3D chirality that was localized to within a few nanometers of the surface. The chirality was quantified through the surface electroclinic effect. In addition, a sample with a well-controlled easy axis was fabricated and a method to measure the local director orientation with 100 nm resolution using Near-Field Scanning Optical Microscopy yielded the true angular distribution function of the local order with high precision. Finally, gold nanoparticle self-assembly was studied within a cholesteric liquid crystal (CLC) film. The open sample creates a striped texture and gold nanoparticles coated with thiol are deposited within the liquid crystal matrix. Polarized Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) measurements show an anisotropy between light polarized with respect to the stripe orientation. Evaporating the liquid crystal revealed disordered anisometric needle-like aggregates through AFM. Generalized Mie theory calculations, in conjunction with LSPR, found a smaller nanoparticle spacing in the CLC compared to a 2D monolayer of the same nanoparticles on a rubbed substrate or 1D chains in smectic A dislocations. The closer spacing suggests trapping sites within the CLC, where nanoparticles are first localized and then aggregate under van der Waals attraction aided and enhanced by the CLC and mediated by steric forces.

Nous présentons deux expériences de plasmonique quantique, c’est-à-dire des expériencesd’optique quantique ayant pour support des plasmons de surface. Dans la première expérience, nous montrons la dualité onde-corpuscule d’un plasmon de surface unique (1) en utilisant la démarche de l’article de Philippe Grangier, Gérard Roger et Alain Aspect (2) sur les interférences à un photon unique. Dans la deuxième expérience, nous mettons en évidence les propriétés d’intrication entre un photon et un plasmon de surface. Nous produisons des photons intriqués en polarisation et les séparons spatialement. / We present two quantum plasmonics experiments, namely quantum optics on surface plasmons. In the first experiment, we show the wave-particle duality of a single surface plasmon along the same lines as the single-photon interferences experiment of Philippe Grangier, Gérard Roger and Alain Aspect (2). In the second experiment, we bring out between a photon and a surface plasmon. We generate paires of polarization entangled photons and separate the pair photons spatially. A former photon is send to a semi-plasmonic Mach-Zehnder interferometer whose first beam splitter is a polarization beam splitter whose output are converted to plasmons and on a plasmonic beamsplitter.

Ce travail consiste à l’utilisation de la technique d'écriture directe par laser par absorption à un photon pour fabriquer des nanostructures polymères et métalliques en vue d’applications en photonique et en plasmonique. Il est démontré que la température du matériau est augmentée localement et temporellement grâce à une excitation locale d’un laser continu dont la longueur d’onde se situe dans la bande d’absorption du matériau. Un modèle théorique simple a été étudié pour expliquer l'effet photothermique local et temporel, qui est déterminé par le spot de focalisation du système d'écriture directe par laser. En utilisant une résine photosensible positive, il a été démontré que les structures photoniques 1D et 2D peuvent être réalisées avec une taille aussi petite que 57 nm et avec une périodicité aussi courte que 300 nm, ce qui sont beaucoup plus petites par rapport à la limite de diffraction du système optique utilisé. Les structures photoniques 3D ont également été fabriqués pour la première fois avec une photorésine positive, permettant d’envisager de nombreuses nouvelles applications. Les structures polymères fabriquées ont été démontrés très utiles pour obtenir des nanostructures plasmoniques par soit une combinaison de la méthode d’évaporation thermique d'un film d'or et le procédé lift-off, ou par une combinaison de la méthode de pulvérisation cathodique d'une couche d'or et la méthode de recuit thermique. Les nanostructures d'or fabriquées ont été caractérisées expérimentalement et leurs propriétés optiques ont été théoriquement confirmées par des calculs FDTD. En outre, il a été démontré que les nanostructures d'or, avec les tailles et formes contrôlables, peut être réalisées en une seule étape par la technique d’écriture directe par laser grâce à l'effet thermique optiquement induit. Certaines applications de ces nanostructures métalliques sont proposées et étudiés, par exemple, le capteur d'indice de réfraction, le stockage des données et l'impression couleur. / This work focuses on the investigation of direct laser writing technique for fabrication of desired nanostructures on positive photoresist and metallic materials. The photothermal and photochemical processes deriving from one-photon absorption mechanism, which occurs when materials are excited by a green continuous-wave laser, enabled a scalable and practical approach for producing nanostructures on demand. A simple heat model was proposed to explain the local and temporal thermal effect, induced by a tiny focusing spot of the direct laser writing system. Using a positive photoresist, it was demonstrated that 1D and 2D photonic structures can be realized with a feature size as small as 57 nm and with a periodicity as short as 300 nm, which are much smaller than the diffraction limit of the used optical system. 3D photonic structures were also fabricated for the first time with a positive photoresist, paving the way to numerous applications. The fabricated polymeric structures have been demonstrated as excellent templates to obtain plasmonic nanostructures by a combination of thermal evaporation of gold film and lift-off process and/or by a combination of the sputtering of a thin gold layer and thermal annealing methods. Fabricated gold nanoarrays were experimentally characterized and their optical properties were theoretically confirmed by FDTD calculations. Furthermore, it was demonstrated that any gold nanostructure, with controllable size and shape, can be realized in one-step by direct laser writing technique thanks to the optically induced thermal effect. Some applications of these metallic nanostrucures are proposed, for instance, refractive index sensor, data storage, and color printing.

La plupart des microscopies impliquées dans l'étude d'échantillons ou de processus biologiques utilise des marqueurs ou des sondes, qui peuvent modifier artificiellement, plus ou moins fortement, les échantillons observés.Afin de proposer une alternative à ces techniques, un microscope haute résolution à plasmons de surface (le SSPM) a été développé. Les plasmons sont des oscillations collectives des électrons libres d'un métal, dont les conditions de résonance sont très sensibles à la variation d'indice diélectrique à la surface de ce métal. L'utilisation d'un objectif à forte ouverture numérique permet la focalisation de la lumière incidente dans une petite zone de l'interface métal/milieu d'observation, et entraîne ainsi la localisation et la structuration de ces ondes. Enfin, un balayage de la surface est réalisé, permettant de détecter les variations locales d'indice diélectrique de l'échantillon. Tout d'abord, nous présentons le principe expérimental du SSPM, mais aussi la modélisation de sa réponse par l'intermédiaire d'une résolution 3D des équations de Maxwell. Dans un deuxième temps, nous étudions la structure des couches minces d'or déposées par évaporation thermique sur des substrats de verre, et utilisées lors des expériences de microscopie SSPM. Puis nous visualisons dans l'air et dans l'eau, des nanoparticules métalliques et diélectriques, de 10 à 200 nm de diamètre, et montrons qu'il est possible de les différencier suivant leur taille ou leur indice diélectrique. Enfin, nous imageons des nucléosomes (complexes nucléoprotéiques d'environ 10 nm de diamètre) non marqués, ainsi que des fibroblastes dont nous résolvons certaines des sous structures.

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation. / Abstract In the present thesis, we study the anisotropic deformation of gold nanoparticles embedded in amorphous silica or crystalline aluminum arsenide, under ion bombardment. We try to comprehend the mechanism responsible for this deformation and to remove any ambiguity related to the explanation of this phenomenon. A hybrid process combining sputtering and plasma enhanced chemical vapour deposition was used to fabricate Au/SiO2 layers on fused silica substrates. Structures with single and multilayer were obtained. Heating during or after deposition activates the Au atom agglomeration and favours the growth of the nanoparticles. Also, a Au/AlAs nanocomposite was obtained by ion implantation of AlAs films, followed by rapid thermal annealing. The samples of the two nanocomposites, cooled with liquid nitrogen, were irradiated with 2 to 40 MeV Cu, Si, Au or In ion beams, at fluences ranging from 1×1013 to 4×1015 ions/cm2, using a Tandem or Tandetron accelerator. The structural and morphological properties of the Au/SiO2 nanocomposite were extracted by optical means; the frequency and the width of surface plasmon resonance band depend on the nanoparticle shape and size, their concentration, the inter-particle distance and the dielectric properties of material in which the particles are embedded. The aluminum arsenide crystallinity was studied by two techniques: Raman spectroscopy and Rutherford backscattering spectrometry in channelling configuration (RBS/ channelling). The Au concentration in the nanocomposite layers was deducted from RBS results. The size distribution and metallic nanoparticles shape transformation in both nanocomposites were observed by electronic transmission microscopy. The results obtained within the framework of this work are the subject of three journal papers. The first publication shows the possibility of manipulating the width and spectral position of the gold nanoparticle absorption band in Au/SiO2 nanocomposites by modifying their structure (form, size and inter-particle distance). The obtained Au nanoparticles are nearly spherical. The surface plasmon (PS) absorption band corresponding to the distant particles is located at 520 nm. After ion irradiation, the spherical nanoparticles transform into ellipsoids aligned along the ion beam. The absorption band splits into two bands: transversal and longitudinal. The band corresponding to the ellipsoids small axis (transversal) is blue-shifted and that corresponding to the long axis (longitudinal) is red-shifted indicating the elongation of particles in the beam direction. The second paper is consecrated to the crucial role of the plastic deformation of the matrix and to the importance of the metal atomic mobility in the anisotropic nanoparticles deformation in Au/SiO2 nanocomposites. Our measurements show that a threshold value of 2 keV/nm (electronic stopping power) is necessary for the deformation of Au nanoparticles. This value is close to that required for silica deformation. Mobility of the Au atoms at the time of the ion passage is confirmed by temperature calculation within the ionic track. The third paper treats the attempt of formation and deformation of Au nanoparticles in crystalline aluminum arsenide matrix known by its high resistance to amorphisation and deformation under ionic bombardment. The principal result of the last article confirms the essential role of the matrix. It proves that the anisotropic deformation of surrounding material is indispensable for gold nanoparticles deformation. The experimental results mentioned above and temperature calculations within ionic tracks allowed us to propose the following anisotropic deformation scenario of Au nanoparticles embedded in Au/SiO2 nanocomposite: - Each ion crossing the silica melts (very briefly) a narrow cylinder around its trajectory forming thus a latent track. This is consistent with the observed threshold value in the electronic stopping power. - The cumulative effect of many separate ion impacts leads to the anisotropic growth of the silica matrix which contracts in the direction of the beam and elongates in the perpendicular direction. The overlap model of the ionic tracks was used to validate this phenomenon. - The deformation of silica generates strains which act on the nanoparticles in the plane perpendicular to the ion trajectory. In order to accommodate these strains, the Au nanoparticles deform in the beam direction. - The deformation of nanoparticles occurs each time an ion traverses the gold particle and melts a cylinder around its trajectory. The mobility of the gold atoms was confirmed by a calculation of the equivalent temperature from the deposited energy in the material by incident ions. The scenario above is compatible with our experimental data obtained in the case of the Au/SiO2 nanocomposite. It is further supported by the fact that the Au nanoparticules do not deform when they are integrated in AlAs which is resistant to the deformation.

Inspired by graphene, I investigate the properties of several different real and artificial Dirac materials. Firstly, I consider a two-dimensional honeycomb lattice of metallic nanoparticles, each supporting localised surface plasmons, and study the quantum properties of the collective plasmons resulting from the near field dipolar interaction between the nanoparticles. I analytically investigate the dispersion, the effective Hamiltonian and the eigenstates of the collective plasmons for an arbitrary orientation of the individual dipole moments. When the polarisation points close to normal to the plane the spectrum presents Dirac cones, similar to those present in the electronic band structure of graphene. I derive the effective Dirac Hamiltonian for the collective plasmons and show that the corresponding spinor eigenstates represent chiral Dirac-like massless bosonic excitations that present similar effects to those of electrons in graphene, such as a non-trivial Berry phase and the absence of backscattering from smooth inhomogeneities. I further discuss how one can manipulate the Dirac points in the Brillouin zone and open a gap in the collective plasmon dispersion by modifying the polarisation of the localized surface plasmons, paving the way for a fully tunable plasmonic analogue of graphene. I present a phase diagram of gapless and gapped phases in the collective plasmon dispersion depending on the dipole orientation. When the inversion symmetry of the honeycomb structure is broken, the collective plasmons become gapped chiral Dirac modes with an energy-dependent Berry phase. I show that this concept can be generalised to describe many real and artificial graphene-like systems, labeling them Dirac materials with a linear gapped spectrum. I also show that biased bilayer graphene is another Dirac material with an energy dependent Berry phase, but with a parabolic gapped spectrum. I analyse the relativistic phenomenon of Klein Tunneling in both types of system. The Klein paradox is one of the most counter-intuitive results from quantum electrodynamics but it has been seen experimentally to occur in both monolayer and bilayer graphene, due to the chiral nature of the Dirac quasiparticles in these materials. The non-trivial Berry phase of pi in monolayer graphene leads to remarkable effects in transmission through potential barriers, whereas there is always zero transmission at normal incidence in unbiased bilayer graphene in the npn regime. These, and many other 2D materials have attracted attention due to their possible usefulness for the next generation of nano-electronic devices, but some of their Klein tunneling results may be a hindrance to this application. I will highlight how breaking the inversion symmetry of the system allows for results that are not possible in these system's inversion symmetrical counterparts.

Les fibres optiques utilisées pour le transfert d’information présentent des pertes de signal pendant leur propagation. Ainsi, ces signaux ont besoin d’être régulièrement amplifiés. De nos jours, l’Amplification Raman, basée sur le principe de diffusion Raman stimulée, est une des techniques utilisées pour réaliser ces amplifications. Les nanoparticules de métaux nobles ont des propriétés optiques uniques provenant de l’oscillation collective des électrons lorsqu’elles interagissent avec une onde électromagnétique. Ces particules absorbent fortement le champ électromagnétique à une fréquence appelée fréquence de résonance de plasmon de surface. Ce travail de thèse concerne l’influence des nanoparticules métalliques sur l’amélioration de l’Amplification Raman. Il s’inscrit dans le cadre du projet ANR Fenoptic (2010-2012), réunissant l’entreprise Draka et plusieurs laboratoires français (ICB Dijon, CMCP Paris, LPCML Lyon), qui s’intéressent à l’intégration des nanoparticules de métaux nobles à l’intérieur des fibres optiques afin d’utiliser la résonance de plasmon de surface pour améliorer l’efficacité des amplificateurs optiques. Dans ce travail, différentes sources de nanoparticules métalliques ont été examinées (suspensions, couches, préformes de fibre optique). Les expériences ont porté sur la caractérisation (forme et position du plasmon) de nanoparticules de métaux nobles incluses en matrices vitreuses ainsi que sur des mesures de spectroscopie Raman au travers desquelles le phénomène de Diffusion Raman Exaltée de Surface (SERS) a particulièrement été étudié. Pour la première fois, nous avons mis en évidence l’exaltation du signal Raman d’une matrice vitreuse. / Signals in optical fibers used for the transfer of information are attenuated due to impurities, scattering, absorption… To compensate for these losses, several techniques were developed like Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). An alternative to rare earth doped fiber amplifier is Raman Amplification, which results from stimulated Raman scattering. Noble metal nanoparticles have optical properties induced by the collective oscillation of their conduction electrons when they interact with an electromagnetic wave. These particles strongly absorb the electromagnetic field at a frequency called surface Plasmon resonance frequency. This work is mainly based on effects leading to the improvement of the Raman Amplification. The ANR project Fenoptic (2010-2012), gathering Draka and several French laboratories (ICB (Dijon), CMCP (Paris), LPCML (Lyon)) is interested in the integration of noble metal nanoparticles in optical fibers using properties of the surface Plasmon resonance to improve the efficiency of optical amplifiers. In this work, different kinds of samples (suspensions, layers, optical fiber performs) with metal nanoparticles were studied. The experiments were based on the characterization (form and position of the Plasmon band) of noble metal nanoparticles in amorphous matrix and Raman spectroscopy was used to study the Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) effect. For the first time, we found the Raman signal exaltation of an amorphous matrix.

Malgré leurs contribution dans plusieurs domaines, les biopuces à lecture plasmonique conventionnelles basées sur l'utilisation d’un film métallique plan d'or, sont limitées en terme de sensibilité surtout quand il s'agit de détecter des molécules de faible masse molaire à l’état de trace.Dans ce cadre, nous étudions numériquement et expérimentalement le potentiel de détection d’interactions biomoléculaires d’une nouvelle génération de biopuces à lecture plasmonique intégrant un film métallique micro-nano-structurée en réseau rectangulaire 1D. L’étude numérique développée met en œuvre une méthode hybride, basée sur la combinaison de deux méthodes classiques : la méthode des éléments finis et la méthode modale de Fourier. Grâce à ce nouvel outil numérique, nous présentons une cartographie exhaustive du potentiel de détection d’une couche biologique, en variant les paramètres de la structuration liés aux dimensions du réseau. La réponse de la biopuce à l’accrochage de biomolécules est ensuite interprétée théoriquement par les différents phénomènes plasmoniques notamment les «points chauds» et les bandes plasmoniques interdites. Nos calculs soulignent l'importance de l’exploitation du confinement de la lumière à travers la structuration sub-longueur d’onde des surfaces plasmoniques. Ceci permet non seulement d’optimiser les paramètres géométriques afin d’améliorer la sensibilité vis-à-vis de la réponse d’une biopuce conventionnelle, mais aussi de mettre en évidence la transition entre le régime où les plasmons propagatifs dominent et le régime où les plasmons localisés dominent. De nouvelles figures de mérite sont introduites pour évaluer les performances des biopuces structurées.Cette étude montre également que de nouvelles opportunités pour améliorer davantage la bio-sensibilité sont offertes, si la localisation de biomolécules peut être effectuée dans les régions où le champ électrique est amplifié et confiné. / Surface plasmons resonance imaging with continuous thin metallic films have become a central tool for the study of biomolecular interactions. However, in order to extend the field of applications of surface plasmons resonance systems to the trace detection of biomolecules having low molecular weight, a change in the plasmonic sensing methodology is needed. In this study, we investigate theoretically and experimentally the sensing potential of 2D nano- and micro- ribbon grating structuration on the surface of Kretschmann-based surface plasmon resonance biosensors when they are used for detection of biomolecular binding events. Numerical simulations were carried out by employing a fast and novel model based on the hybridization of two classical methods, the Fourier Modal Method and the Finite Element Method. Our calculations confirm the importance of light manipulation by means of structuration of the plasmonic thin film surfaces on the nano- and micro- scales. Not only does it highlight the geometric parameters that allow the sensitivity enhancement, and associated figures of merit, compared with the response of the conventional surface plasmon resonance biosensor based on a flat surface, but it also describes the transition from the regime where the propagating surface plasmon mode dominates to the regime where the localized surface plasmon mode dominates. An exhaustive mapping of the biosensing potential of the nano- and micro- structured biosensors surface is presented, varying the structural parameters related to the ribbon grating dimensions. New figures of merit are introduced to evaluate the performance of the structured biosensors. The structuration also leads to the creation of regions on biosensor chips that are characterized by strongly enhanced electromagnetic fields. New opportunities for further improving the bio-sensitivity are offered if localization of biomolecules can be carried out in these regions of high electromagnetic fields enhancement and confined.