Cette thèse présente de nouvelles approches en optique cristalline : l'étude angulaire de l'absorption et de l'émission d'ions fluorescents dans un cristal monoclinique ; la caractérisation de l'auto-doublage de fréquence ; le développement de la théorie du quasi-accord de phase angulaire. Avec un cristal sphérique de YCOB :Nd, les premières mesures des indicatrices d'absorption et d'émission des ions Nd3+ ont été réalisées : les directions propres d'absorption et d'émission diffèrent entre elles, ainsi que des axes principaux du repère optique. Des développements théoriques ont permis de décrire ces observations. Ces résultats montrent l'impossibilité d'optimiser simultanément l'absorption et l'émission pour de tels milieux, ainsi que la nécessité des études sur sphère. Une extension de la méthodologie sur cristaux sphériques à la mesure simultanée des propriétés laser et optiques non linéaires des milieux auto-convertisseurs est visée. L'étude théorique d'une cavité contenant un milieu laser auto-doubleur de géométrie sphérique a été menée, et la réalisation est en cours. Une généralisation du quasi-accord de phase a été menée pour toute direction de propagation dans les milieux périodiquement alternés. Une analyse basée sur la théorie des groupes a été menée pour définir les symétries et topologies des solutions de ces interactions. Les potentialités du quasi-accord de phase angulaire, illustrées sur PPLN :MgO, ont montré un accès à une plage spectrale et parfois à des tolérances spectrales plus grandes qu'en quasi-accord de phase classique. Ainsi, ce travail a contribué à développer des outils théoriques, méthodologiques et métrologiques en optique cristalline.

Ce travail concerne l'élaboration de matériaux hybrides à base de matrices hôtes polymères et de nanocristaux de carbure de silicium (SiC) et l'étude de leurs propriétés électro-optiques. Dans ce contexte, différents échantillons de SiC ont été synthétisés par pyrolyse laser d'un mélange gazeux (silane, acétylène) et deux nanopoudres représentatives ont principalement été exploitées. Les études spectroscopiques ont révélé des états de surface différents, conditionnant les interfaces au sein du composite final. Le dépôt de films minces hybrides a été effectué à partir de suspensions précurseurs homogènes de qualité contrôlée, suivi de traitements thermiques et électriques appropriés. Enfin, au travers de l'étude de différents paramètres (concentration en nanocristallites SiC, état de surface, nature du polymère, etc.), la mesure des coefficients électro-optiques effectifs (Pockels et Kerr), par l'utilisation d'un montage adapté à la géométrie des échantillons, a révélé le rôle prépondérant de l'interface SiC-polymère sur la réponse des composites. Avec des coefficients électro-optiques effectifs de l'ordre de 5 à 7 pm/V, ces composites présentent des performances comparables à celle des cristaux électro-optiques standards et permettent d'envisager une application du système hybride SiC/polymère pour l'optoélectronique intégrée.

La réponse optique des petites particules de métaux nobles (Au, Ag, Cu) se manifeste essentiellement par une bande de résonance plasmon de surface dont la position et la largeur dépendent notamment de la taille des agrégats et du milieu environnant. Ce travail présente l'étude des propriétés optiques d'agrégats mixtes AuM (M=Ag, Ni, Co et Pt) de 1,5 à 6 nm de diamètre, en matrice d'alumine. La technique de préparation des films minces de nanoparticules en matrice d'alumine ainsi que les différentes techniques de caractérisation et d'étude de leurs propriétés optiques sont présentées d'abord. Puis les modèles théoriques qui permettent d'interpréter ces propriétés sont introduits : un modèle semi-quantique, mettant en évidence l'influence des électrons de cœur, de la matrice et de sa porosité, mais qui n'est pas adapté à tous les systèmes; un modèle classique dans les autres cas. L'influence de la taille et de la composition des agrégats mixtes or-argent est étudiée ensuite. Les spectres d'absorption montrent une résonance plasmon de surface intermédiaire par rapport à l'argent et l'or purs, et le blue-shift observé quand la taille diminue est d'autant plus important que la proportion d'or est grande. Ces résultats expérimentaux sont comparés avec ceux d'un calcul semi-quantique, en utilisant deux modèles pour la fonction diélectrique du mélange AuAg. Il semble que ces agrégats forment plutôt des alliages. Enfin, les systèmes NiAg et CoAg forment des " core-shell " : un cœur de nickel ou de cobalt, entouré d'argent et leurs spectres d'absorption présentent une bande plasmon de surface conformément aux prévisions théoriques classiques. A l'inverse, les agrégats (PtxAg1-x)n présentent expérimentalement une résonance plasmon de surface très fortement atténuée, contrairement aux prévisions classiques si l'agrégat est sous forme " core-shell " ou a une structure pour laquelle la fonction diélectrique dépend simplement de celles de ses constituants.

Les techniques d'élaboration du matériau SiN[x], par LPCVD à partir du mélange disilane/ammoniac et par RTCVD à partir du mélange silane/ammoniac, ont été étudiées. L'obtention de films de stoechiométrie SiN[x] quelconque, uniformes en épaisseur et en composition, a ainsi été démontrée et un nouveau matériau, le silicium dopé azote baptisé NIDOS a été mis en évidence. L'étude de l'oxydation thermique du NIDOS a montré un effet de ralentissement de l'oxydation dû à la teneur en azote du film. Nous avons mis en évidence l'interférence des diffusions des espèces oxydantes et des atomes d'azote au cours de l'oxydation. Nous en avons déduit deux méthodes d'obtention d'oxynitrure SiO[x]N[y]: soit par oxydation thermique du NIDOS, soit par recuit de NIDOS déposé sur une couche d'oxyde enterrée. Nous avons enfin étudié la compatibilité du NIDOS avec les impératifs de la technologie silicium (rugosité, résistivité, propriétés de barrière à la diffusion des dopants), puis nous avons démontré la faisabilité de structures métal/oxynitrure/semi-conducteur utilisant une couche isolante oxynitrurée obtenue par oxydation ou recuit de NIDOS. La caractérisation électrique de ces structures a montré d'excellentes qualités isolantes: des champs électriques de claquage de 20 MV/cm et des charges stockées au claquage de 150C/cm[2] ont été mis en évidence

En passant de l'état massif à la nanoparticule les matériaux métalliques voient certaines de leurs caractéristiques modifiées de manière notable comme par exemple les propriétés optiques avec l'apparition d'une résonance dans le spectre optique, la Résonance Plasmon de Surface Localisée (RPSL) responsable du changement de couleur des nanoparticules métalliques. Les propriétés vibrationnelles et thermiques de nanoparticules métalliques ont été étudiées à l'aide d'une technique de Spectroscopie Femtoseconde. Nous avons montré qu'il était possible d'exciter et de détecter optiquement des fréquences de vibrations mécaniques dans le domaine térahertz pour des nanoparticules de platine composées de moins de cent atomes. D'autre part l'augmentation des effets dus aux interfaces a été mis en évidence sur les propriétés thermiques de nanoparticules d'or et d'argent. La résistance thermique à l'interface, résistance de Kapitza, voit son rôle augmenter lors du transfert thermique à l'échelle nanométrique. Une corrélation entre les valeurs mesurées et les impédances acoustiques des matériaux composants les interfaces a été mise en évidence. Nous avons aussi montré qu'elle augmente quand la température diminue de 300K à 70K. Les propriétés optiques de nanoparticules non sphériques ont été étudiées à l'aide de la Spectroscopie à Modulation Spatiale. Cette technique a permis de repérer puis de caractériser des nano-bâtonnets d'or individuels. Nous avons montré que la largeur spectrale de la RPSL est fortement dépendante de la géométrie des nanoparticules (diamètre et longueur). Cette double dépendance n'est pas prédite par les modèles classiques ou quantique existants

Ce mémoire est consacre a l'étude des propriétés optiques de molécules organiques encagées dans des matrices solides synthétisées par procede sol-gel. Nous montrons que de tels matériaux peuvent avoir des applications dans les domaines des lasers solides accordables et de l'optique non linéaire. Le procède sol-gel permet de transformer par polymérisation inorganique une solution réactionnelle appelée sol, en un gel solide poreux, appele xerogel. Le sol initial peut être dope avec des molécules organiques qui seront, après gélification, encagées dans les pores de la matrice solide hote. Ce procède étant très riche en possibilités de synthèse, nous avons pu étudier des xerogels de natures très diverses. Nous avons pu constater qu'une même molécule organique présente des comportements très différents suivant le type de matrice hote qu'elle dope. La nature des interactions entre les matrices solides hotes et les molécules organiques dopantes (rhodamines et triphénylméthanes) et leurs conséquences sur les propriétés de ces dernières ont été étudiées. Nous avons pu mettre en évidence deux paramètres de synthèse extrêmement importants quant a leurs conséquences sur le comportement des molécules encagées: d'une part la proportion d'eau présente dans le sol, et d'autre part, la nature de l'environnement initial du ou des atomes (ex: sio#2). C'est grâce a de nombreuses mesures d'optique linéaire et a leur interprétation que nous avons pu mieux comprendre la structure physico-chimique des xerogels dopes dont certains aspects ont, de surcroît, pu être modélises. Nous avons interprète en termes de viscosité apparente des résultats d'analyses temporelles de saturation d'absorption dans des xerogels dopes avec du vert de malachite. En ce qui concerne les applications, les travaux que nous avons effectues indiquent qu'il est possible de choisir le type de la matrice solide afin d'y retrouver les propriétés connues des molécules organiques en phase liquide. Des lasers solides accordables ont ainsi pu être développes. A l'inverse, il est également possible, en choisissant d'autres types de matrice, de synthétiser des matériaux aux propriétés originales. Nous avons ainsi réalise des xerogels dopes que nous avons dénommes optogels (optically active xerogels). Ces optogels constituent des mémoires optiques dont le comportement a été interprète en termes d'effet Kerr a mémoire

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude des propriétés des couches minces de matériaux semi-conducteurs à base de tellurure de cadmium CdTe. L'étude de l'influence de différents paramètres de dépôt sur les propriétés des couches minces de CdTe nous a permis de mettre au point une méthode de préparation d'un nouveau matériau à base de CdTe. Il s'agit du tellurure de cadmium amorphe oxygéné aCddTe:O. Le dépôt de couches minces de a-CdTe:O à partir d'une cible polycristalline de CdTe nécessite l'utilisation d'un plasma à haut pouvoir oxydant. Le plasma que nous avons utilisé est obtenu à partir d'un mélange d'argon Ar, de dioxygène et de diazote soumis à un champ électrique radiofréquence de 13,56 MHz. Nous avons montré que le diazote joue un rôle de catalyseur de l'oxydation de CdTe dans le plasma de déposition dont la composition détermine celle des couches minces de a-CdTe:O. En effet, la teneur en oxygène de ces couches peut avoisiner les 60 % lorsque les conditions d'oxydation sont poussées à l'extrême. Les propriétés optiques des couches minces de a-CdTe:O dépendent beaucoup de la teneur des couches en oxygène. C'est ainsi que l'énergie Eg du gap optique varie entre 1,45 eV et 1,85 eV pour une teneur en oxygène variant entre 0 et 40 % en pourcentage atomique. La valeur extrapolée à l'infrarouge de l'indice de réfraction de ces couches varie, quant à elle, entre 2,15 et 2,75. L'étude par XPS montre que l'oxygène incorporé dans les couches minces de a-CdTe:O se lie aussi bien aux atomes de tellure qu'à ceux de cadmium. En utilisant la réfléctométrie des rayons X, nous avons pu mettre en évidence l'influence du plasma oxydant précédent sur les couches minces de CdTe. Nous avons réussi ainsi à mettre au point une méthode qui permet de réduire considérablement la rugosité de surface des couches minces de CdTe. Lorsque l'on pousse à l'extrême les conditions d'oxydation, on peut obtenir des couches minces amorphes de l'oxyde stable CdTeO3. L'étude des propriétés électriques de ces couches permet de mettre en évidence leur caractère isolant. Nous avons pu ainsi déterminer leur résistivité électrique continue 3x10^6 ohm.m et leur constante diélectrique relative (16). Les mesures de transmission optique ont permis de déterminer leur énergie de gap optique Eg=3,91 eV ainsi que la valeur extrapolée à l'infrarouge de leur indice de réfraction (1,90). Des couches minces amorphes de CdTeO3 ont aussi été déposées sur CdTe en couche mince. Un recuit approprié des structures ainsi obtenues permet de faire croître du CdTeO3 polycristallin sur du CdTe polycristallin.

La microscopie interférométrique est une méthode de mesure qui repose sur l’acquisition et le traitement du signal issu de l’interaction de deux ondes, dites ondes « objet » et de « référence ». Ces ondes proviennent des réflexions de la lumière sur un miroir de référence et sur l’échantillon étudié. Bien qu’étant généralement utilisées pour les analyses topographiques ou tomographiques d’un échantillon, les données interférométriques peuvent être exploitées pour réaliser des caractérisations spectrales locales résolues dans les trois directions de l’espace. Dans ce projet, nous avons étudié les performances de cette technique ainsi que ses limitations lorsque l’échantillon se complexifie (dégradation du signal d’interférences). L’analyse a été appliquée à des matériaux réfléchissants pour des mesures en surface puis à des couches transparentes et diffusantes pour aller sonder le milieu en profondeur et extraire la réponse spectrale individuelle de structures localisées dans ce milieu. / White light interference microscopy is a measurement method based on the acquisition and processing of the signal coming from the interaction between two wave fronts, known as the “object” and “reference” wave-fronts. These waves come from the reflection of the light on a reference mirror and the sample studied. Usually used for topographic or tomographic analysis of a sample, the interferometric data can be exploited for spectroscopic purposes. The resulting spectral characterizations are spatially resolved in the three directions of space. In this project, we have studied the performance of this technique, as well as the associated limitations when the sample becomes more complex (degradation of the interferometric signal). The analysis has been first applied to reflective materials for surface measurements and subsequently to transparent and scattering layers for probing within the depth of the medium and then extracting the individual spectral response of the buried structures.

Le système antireflet (SAR) est d‟une grande importance pour les cellules photovoltaïques (PV), surtout pour celles de deuxième génération à base de couches minces. Au cours de ce travail de thèse, nous avons cherché à réaliser un SAR à la fois efficace et répondant aux critères de l‟industrie PV en termes de coût de production et de facilité de mise en oeuvre. Pour cela, nous avons particulièrement étudié le dépôt d‟oxynitrures de silicium (SiOxNy), comme élément de base de ces dispositifs. Les films sont élaborés par pulvérisation cathodique réactive radiofréquence à effet magnétron. Notre volonté a été d‟étudier à la fois le procédé de dépôt, les matériaux obtenus ainsi que la formation de dispositifs fonctionnels. Nous avons tout d‟abord présenté les deux voies d‟élaboration des couches minces de SiOxNy: par procédé conventionnel (PC) où les gaz réactifs ne sont pas pulsés, puis par le procédé de gaz réactif pulsé (PGRP). Nous avons aussi croisé une étude expérimentale par Spectroscopie d‟Emission Optique (SEO) et une modélisation du procédé afin de mieux appréhender les interactions des gaz réactifs avec la cible et leur effet sur le procédé. En parallèle, des dépôts ont été réalisés afin de vérifier la capacité de chacune des deux techniques à déposer des SiOxNy avec une gamme variable de compositions. Nous avons ensuite étudié l‟effet des paramètres de pulse de la méthode PGRP à la fois sur la structure, mais aussi sur les propriétés optiques et électriques des couches minces de SiOxNy. Nous avons cherché ici à valider le lien entre structure et indices de réfraction pour ces films. Enfin, pour réaliser un dispositif AR fonctionnel, des systèmes AR ont été tout d‟abord simulés avec un programme de calcul électromagnétique et optimisés grâce à un algorithme génétique. Les systèmes optimisés ont été ensuite déposés et caractérisés. Une réflectivité moyenne (entre 400 et 900 nm) inférieure à 5 % a ainsi été obtenue. / Antireflective systems (ARS) are of great importance for photovoltaic (PV) cells, especially those of second generation based on thin layers. In this work, we have been looking for achieving an ARS not only efficient but also meeting the criteria of the PV industry in terms of production cost and ease of implementation. For this, we particularly studied the deposition of silicon oxynitrides (SiOxNy), as the base materials of these devices. Films were deposited by cathodic reactive radiofrequency sputtering with a magnetron effect. We desired to study not only the deposition process, the obtained materials but also the realization of functional devices. We firstly presented two routes of SiOxNy thin films deposition: by the Conventional Process (CP) where the reactive gases are not pulsed, and by the Reactive Gas Pulsing Process (RGPP). We also combined an experimental study by Optical Emission Spectroscopy (SEO) and process modeling to better understand the reactive gases interactions with the target and their effect on the process. Simultaneously, films depositions were realized to check the potential of each technique to obtain a wide range of silicon oxinitrides composition.Then, we studied the effect of pulse parameters with the RGPP on the structure and also on the optical and electrical properties of SiOxNy thin films. We aimed here to confirm the link between structure and refractive indices for these films. Finally, to achieve a functional AR device, AR systems were firstly simulated with an electromagnetic calculation program and optimized using a genetic algorithm. The optimized systems were then deposited and characterized. An average reflectivity (between 400 and 900 nm) less than 5% was thus reached.

La structure moléculaire d'un cristal liquide cholestérique (CLC) est hélicoïdale et donne lieu à des propriétés optiques remarquables comme la réflexion sélective de la lumière. La structure cholestérique soulève des questions fondamentales comme la relation entre chiralités moléculaire et mésoscopique, et son impact sur les propriétés optiques. Elle est omniprésente en biologie (organisation de la chitine, de la cellulose, du collagène ou de la chromatine). Elle est aussi utilisée en technologie : en cosmétologie, dans les afficheurs nématiques super-torsadés, les écrans réflecteurs, les capteurs de température ou pression, les matériaux pour les applications photoniques en général. Le but du présent travail est de décrire et comprendre l'interaction de la lumière avec différents types de structures hélicoïdales non-monotones élaborées dans cette thèse - films cholestériques synthétiques (monocomposant ou hybrides i.e. dopés en nanoparticules d'or) - ou dans un matériau biologique (carapace du scarabée Chrysina gloriosa). Différentes techniques de caractérisation optique ont été utilisées suivant le matériau à étudier et les questions posées. La partie principale du manuscrit est dédiée aux microlentilles et micro-miroirs cholestériques. Nous avons étudié la texture polygonale cholestérique et mis en évidence qu'elle se comporte comme un réseau de microlentilles chirales à l'aide de la microscopie confocale couplée à la spectrophotométrie. Ces microlentilles organiques, élaborées en deux étapes par auto-assemblage, ont la particularité d'être sélectives en longueur d'onde. Nous avons ensuite montré que la texture polygonale de la carapace de Chrysina gloriosa, analogue biologique, est un réseau de micro-miroirs sphériques et de microlentilles convergentes. La seconde partie du manuscrit est consacrée à l'élaboration de matériaux hybrides CLC et nanoparticules d'or et à l'étude de leurs propriétés optiques. Les propriétés optiques de ces nanocomposites ont été sondées à l'aide de différentes techniques (résonance plasmon, spectrométrie Raman etc). / The molecular structure of a cholesteric liquid crystal (CLC) is helical and gives rise to outstanding optical properties like the selective reflection of the light. Cholesteric structure raises fundamental questions such as the relationship between molecular chirality and mesoscopic chirality, and its impact on optical properties. It is omnipresent in biology (organisation of chitin, cellulose, collagen or chromatin). It is also used in technology: cosmetology, super-twisted nematic displays, reflective screens, temperature or pressure sensors, materials for photonic applications in general. The purpose of this work is to describe and understand the interaction of light with different types of non-monotonous helical structures elaborated in this thesis - synthetic cholesteric films (single-component or hybrid i.e. doped with gold nanoparticles) - or in a biological material (Chrysina gloriosa beetle). Several optical characterisation techniques have been used, depending on the sample to study and the questions which are rised. The main part of the manuscript is dedicated to cholesteric microlenses and micro-mirrors. We studied the cholesteric polygonal texture and highlighted that it acts as a chiral microlens array by using confocal microscopy coupled to spectrophotometry. These organic microlenses, developed in a two-step process by self-assembly, have the specificity of being wavelength-selective. We then showed that the polygonal texture of Chrysina gloriosa, as a biological analogous, is an array of spherical micro-mirrors and convergent microlenses. The second part of the manuscript is devoted to the elaboration of hybrid materials composed of CLC and gold nanoparticules and the study of their optical properties. Optical properties of these nanocomposites were probed using various techniques (plasmon resonance, Raman spectroscopy etc).