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Les métamatériaux électromagnétiques sont des composites artificiels, constitués de résonateurs etayant des propriétés optiques n’existant pas à l’état naturel. Cette thèse est consacrée à lafabrication et caractérisation de tels matériaux. Pour cela des particules métalliques coeur-écorce(d’or ou d’argent enrobées de silice) sont assemblées par la technique de Langmuir-Blodgett afin deformer des réseaux denses en monocouche et en multicouches. Ces nanoparticules jouent le rôle derésonateurs grâce à la présence de la résonance plasmon et l’écorce de silice permet de contrôler ladistance entre particules. Nous avons ainsi réalisé des matériaux dont la distance entre lesrésonateurs et la fraction métallique varient. Les analyses spectro-photométriques des films obtenus,notamment en réflexion normale, nous ont permis d’extraire les propriétés optiques de nosmatériaux. Pour cela nous avons proposé un modèle phénoménologique dans lequel nousdéfinissons la permittivité de la couche effective comme étant celle de la matrice à laquelle s’ajouteun oscillateur de Lorentz décrivant la présence d’une résonance plasmon. Nous avons pu ainsimontrer expérimentalement qu’il était possible d’obtenir des métamatériaux d’indice de réfractioninférieur à 1 quand la fraction de métal dans le matériau est suffisamment importante. / Electromagnetic metamaterials are artificial composites, containing resonators and exhiniting opticalproperties which do not exist in a natural state. This thesis is dedicated to the manufacturing and thecharacterization of such materials. Metallic core-shell particles (gold or silver core coated with a silicashell) are assembled by the Langmuir-Blodgett technique to form dense monolayer and multilayernetworks. These nanoparticles play the role of resonators thanks to the presence of the plasmonresonance of the core whereas the silica shell allows a fine control of the distance between themetallic particles. We realized materials whose distance between resonators and metallic fractionvary. The spectrophotometric analyses, in particular reflection at normal incidence, allowed us toextract the optical properties of the materials. We proposed a phenomenological model in which wedefine the permittivity of the effective layer as the permittivity of a homogenous matrix to which aLorentz oscillator is added to describe the presence of the plasmon resonance. We were able toshow experimentally metamaterials with refractive index lower than 1 can be obtained when thefraction of metal in the material is important enough.

Ce travail de thèse a pour objectif la création d’indice optique local et contrôlé dans une matrice vitreuse à travers la mise au point et le développement de procédés de synthèse de nanoparticules (NPs) de sulfure de zinc (ZnS) dans un verre d’oxydes. Nous avons commencé par l’élaboration par voie de fusion d’un verre d’oxydes de composition initiale très simple. Nous avons ensuite examiné la problématique de la synthèse et du contrôle de croissance des NPs de ZnS dans nos échantillons dans trois matrices différentes et par trois traitements : recuit thermique, insolation UV ou par un traitement simultané (recuit thermique + insolation UV). Les propriétés optiques des verres dopés NPs ZnS fabriqués ont été caractérisées par diverses techniques (absorption UV visible, photoluminescence, FTIR, Raman, XPS, mesure d’indice). Il ressort de ces caractérisations que nous arrivons à fabriquer des NPs dans les trois matrices dont la taille peut aller de 1.8 à 7 nm. La dispersion sur les distributions de taille dépend de la matrice, du traitement post-fusion et de sa durée ainsi que de la concentration initiale en dopant. Nous avons également été amené à synthétiser et à étudier des nanopoudres de ZnS. Le procédé de sélection de taille révèle qu’il est possible d’obtenir au moins trois distributions étroites de tailles bien distinctes. Des filtres optiques UV à bande étroite peuvent ainsi être réalisés pour une longueur choisie en contrôlant la taille des NPs ZnS. Des applications prospectives des NPs ZnS pour le nano marquage et la photo dégradation de polluants modèles présents dans l’eau ont été illustrées / Our efforts have been devoted to the development of simple approach to synthesize ZnS nanoparticules (NPs) by melting process in a glassy matrix with the aim to create a controlled optical index variation. In this thesis, we present the formation of ZnS NPs in the glassy matrix and study of their optical properties. The nanocomposite incorporating ZnS in the host medium was prepared using the melting process from a mixture of the raw materials. We have prepared various glass samples with ZnS NPs size ranging from 1.8 à 7 nm. These samples were treated (heat treatment ± UV insulation with 244 nm laser) and characterized by UV-Vis absorption, FTIR, photoluminescence spectroscopy, Raman measurements and XPS. The refractive index measurements of these nanostructured composite glasses have been carried out and show an important increase with ZnS concentrations and treatments. We also present the elaboration of small and monodisperse ZnS nanopowder with size ranging from 3 to 100 nm by a simple, low-cost and mass production chemical method. The NPs were characterised by X-ray powder diffraction (XRD), UV-vis absorption and photoluminescence spectroscopy. The photocatalytic activity of ZnS nanopowders was investigated by using different colorant water dispersed. ZnS NPs appear to be a good candidate for potential environmental applications such as water purification. We also present application of fluorescent ZnS nanoparticles as cellular biomarkers. Fluorescent microscopy images of osteoblastic MC3T3-E1 cells revealed that the ZnS nanoparticles were biocompatible and were penetrated cells and nucleus regardless of their size. Hence, the ZnS NPs can be good candidates for drug delivery and bio-imaging applications

L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser direct bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classés en trois types distincts : (Type I, Type II et Type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induit. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leurs synthèses, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme : la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau Type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le Type I soit le Type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de Type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly address three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over lithography technique which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50-50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. On the other hand, a comparison study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modification inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification

Dans cette thèse nous avons ajouté le contrôle du paramètre spectral pour donner plus de degré de liberté à l’instrument basé sur l’Imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRI), développant un système instrumental à interrogation angulo-spectrale. Pour valider notre travail, nous avons pris comme modèle d’étude un milieu diélectrique absorbant à unelongueur d’onde visible. La fonction diélectrique complexe est traitée par le modèle de Lorentz et la relation entre la partie réelle et imaginaire de l’indice optique est assurée par la relation de Kramers-Kronig. Nous avons commencé par injecter dans la cellule de mesure un colorant absorbant à 630 nm et mesuré la réflectivité angulo-spectrale avec ce milieu. Ensuite, un programme d’ajustement, que nous avons développé, a été utilisé pour le calcul inverse et la détermination des paramètres optiques à partir des données de l’expérience. Cet ajustement permet d’extraire la partie réelle et la partie imaginaire de l’indice de réfraction démontrant la possibilité d’applications de type spectroscopique. Nous avons également intégré successivement à la surface des molécules d’ADN marquées par différents chromophores pour voir l’effet de la position d’absorption sur la variation de réflectivité angulo-spectrale. En plus des milieux absorbants, nous avons fabriqué des réseaux diélectriques et métalliques et les avons intégrés à la surface du prisme. Les structures utilisées avaient une période de 250 nm et une épaisseur de 300 nm en PMMA. Cette condition nous a permis de voir un plasmon bandgap centré à 735 nm. Cette étude expérimentale est validée par une étude théorique en utilisant la méthode RCWA pour simuler la réponse des réseaux périodiques. / During this work we added the spectral parameter to the homemade Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) instrument, developing an angulo-spectral instrumental system. To validate our set-up, we first used a dielectric medium absorbing in the visible spectral range as a model case. The complex dielectric function was treated by the Lorentz model and the relationship between the imaginary and the real part of the refractive index medium was calculated with the Kramers-Kronig relation. We started by injecting an absorbing dye at 630 nm in the microfluidic cell and then measured the angulo-spectral reflectivity. The experimental measurements were fitted with calculations issued from a newly developedprogram to extract the dielectric optical parameter from the experimental data. This fit calculates the imaginary and real part of the absorbing dielectric medium demonstrating the possibility for spectroscopic applications. We also integrated DNA molecules tagged with different chromophores to study the effect of the absorption wavelength on the surface plasmon angulo-spectral reflectivity variation. Furthermore, to illustrate the interest of the spectral parameter, one can integrate adielectric or metallic grating on the prism surface. Specifically, we fabricated a dielectric grating of PMMA with 250 nm period and 300 nm thickness. We observed plasmons bandgap located at 735 nm. This experimental study was in good agreement with a simulation obtained using a RCWA method based program.

Neste trabalho estudamos uma nova classe de materiais ópticos não-lineares, os cristais orgânicos, que possuem potencial para muitas aplicação em dispositivos. Determinamos diferentes propriedades ópticas lineares e não-lineares de três cristais orgânicos: a l-alanina, a l-treonina e a l-lisina. Esses cristais de aminoácido foram escolhidos por apresentarem propriedades de geração de segundo harmônico (GSH) e por serem materiais nunca estudados sob o ponto de vista da óptica não-linear. Estudamos algumas das propriedades ópticas lineares fundamentais desses cristais biaxiais transparentes, pois deles dependem os fenômenos não-lineares sobre os quais são feitas intensas pesquisas. Determinamos as propriedades lineares como os espectros de absorção, os índices de refração, os eixo ópticos, velocidade de propagação da luz num meio anisotrópico e os limiares de dano por radiação. Posteriormente, determinamos as condições de casamento de fase, a eficiência de GSH, e a auto-modulação de fase. A GSH e a auto-modulação de fase pertencem, respectivamente, a processos não-lineares de segunda e de terceira-ordem. Para o estudo de muitas dessas propriedades foram desenvolvidas novas técnicas experimentais. Uma dessas novas técnicas, a varredura-Z oscilante, teve sensibilidade para determinar, pela primeira vez, o índice de refração não oscilante, vez, o índice de refração não linear desses cristais orgânicos. Além disso, como a todos os processos de caracterização envolveram a preparação de amostras, tivemos a oportunidade de criar procedimentos padrões para manipulação e utilização desses novos materiais. / In this work we studied a new class of nonlinear organic crystals that are potential candidates for devices application. We determined several linear and nonlinear optical properties of three organic crystals: l-alanine, l-threonine and l-lysine. These aminoacid. These aminoacid because their nonlinearities were never studied before. We characterized some of the fundamental linear optical properties of these biaxial transparent crystals, because they have influence on nonlinear phenomena that attracted a lot of research. We determined linear properties like absorption spectra, indices of refraction, optical axes, the light speed propagation in anisotropy media and the optical damage threshold. Subsequently, we determined the phase-matching condition for SHG, efficiency of the SHG and self-phase modulation. The SHG and self-phase modulation belongs, respectively, to the second-order and third-order nonlinear processes. To study several of these properties we had to develop some new experimental techniques. One of them, the oscillatory Z-scan, allows enough sensibility to determine, for the first time, the nonlinear refraction index of these organic crystals. Besides, as all these optical characterization involve the preparation of the samples, we had the opportunity to establishing standard procedures for manipulation of these new materials.

Ce travail de thèse a été consacré à la photostructuration d’une matrice polymère de type acrylate contenant des points quantiques CdSe/ZnS (QDs) par l’enregistrement de réseaux. La diffusion photoinduite des nanocristaux semi-conducteurs a tout d’abord été mise en évidence par l’utilisation d’un montage permettant d’irradier sur une seule ligne, et par l’émission de fluorescence des QDs utilisée ici comme sonde de déplacement. Ensuite, pour comprendre l’augmentation de la modulation d’indice de réfraction, et par conséquent du rendement de diffraction des réseaux enregistrés dans ces matériaux composites, nous avons mis en place une approche physico-chimique. Celle-ci nous a permis de corréler les modifications chimiques et les propriétés physiques du réseau. En effet, nous avons montré que l’ajout de points quantiques influence la cinétique de polymérisation ; la vitesse de consommation du photosensibilisateur et de conversion des monomères diminuent. Cette diminution permet une meilleure diffusion des espèces au sein de la matrice. Donc, le ralentissement de la cinétique de photopolymérisation et la répartition spatiale des QDs contribuent à un accroissement de la modulation d’indice de réfraction des réseaux enregistrés. / This work is devoted to the photostructuration of an acrylate polymer matrix with dispersed CdSe/ZnS quantum dots (QDs) upon grating exposure. The photo-induced diffusion of semiconductor nanocrystals is proved by the use of a "one line irradiation" set up and by the emission of the QDs fluorescence, used here as a probe of displacement. Then, in order to understand the increase of the refractive index modulation, and so, of the diffraction efficiency of the recorded patterns in the composite materials, we apply a physico-chemical approach. This one allows correlating the chemical modifications to the physical properties of the gratings. Indeed, we show that the addition of QDs influences the kinetics of polymerization ; the rate of the photo-initiator consumption, and that of the monomer conversion decrease. This decrease favors the diffusion ofthe species inside the matrix. Therefore, the slowing down of the kinetics of the photopolymerization and the spatial distribution of QDs contribute to the enhancement of the refractive index modulation of the recorded gratings.

Ce travail de thèse a été dans un premier temps consacré à l’influence des points quantiques (QDs) de ZnO de taille 5 nm, synthétisés par voie sol-gel sur les propriétés physiques et physico-chimiques des réseaux enregistrés par holographie dans des photopolymères de type acrylate. L’amorceur, ici la camphorquinone, étant un élément clé de la photopolymérisation, une double approche expérimentale/théorique a permis de comprendre ses modifications photochimiques en fonction de la composition du système photosensible. L’introduction de 1 % en masse des QDs améliore les propriétés physiques des matériaux photostructurés (augmentation du rendement de diffraction due à la répartition spatiale des QDs) sans modifier la cinétique de polymérisation. Dans un deuxième temps, l’influence des QDs sur la durabilité des matériaux sous irradiation à λ 300 nm a été examinée. L’exposition des polymères purs et dopés entraîne des modifications chimiques de la matrice polymère et le dégagement de gaz. Cependant, la présence de QDs de ZnO (1 % en masse) a un effet photocatalytique sur la durabilité du matériau. Cet effet implique la contribution de l’électron et du trou photogénérés au mécanisme de dégradation, conduisant à une extinction partielle de la fluorescence des QDs. Il est d’autant plus important que le taux de QDs augmente dans le milieu et souligne le rôle de l’interface polymère/nanoparticule. En revanche, l’introduction de 1 % de nanocristaux semi-conducteurs de ZnO (taille 10-30 nm) entraîne une stabilisation de la matrice qui traduit un effet photoprotecteur inattendu de ces nanoparticules. / This work was first devoted to the influence of ZnO quantum dots (QDs) with 5 nm diameter, synthesized by sol-gel method on the physical and physico-chemical properties of the gratings recorded in acrylate photopolymers by holography. Since the photosensitizer (in our study camphorquinone) is a key element in the photopolymerization process, a double experimental/theoretical approach was applied to understand its photochemical modifications as a function of the content of the photosensitive system. The introduction of 1 wt % of Qds improves the physical properties of the photo-patterned materials (increase of the diffraction efficiency due to the spatial distribution of QDs) without modifying the kinetics of polymerization. Secondly, the influence of QDs on the durability of materials under irradiation at λ 300 nm was investigated. The exposure of pure and doped polymers leads to the chemical modifications of the polymer matrix and the release of gas. However, ZnO QDs (1 wt % loading) negatively influenced the durability by their photocatalytic effect. This effect points out the contribution of the photo-generated charge carriers to the mechanism of degradation, leading to a partial quenching of the fluorescence of QDs. It also increases with increasing QDs content and underlines the role of the polymer/nanoparticule interface. On the contrary, the presence of 1 wt % of semi-conductor nanocrystals of ZnO (size 10-30 nm) induces a stabilization of the matrix. This reveals an unexpected photo-protective effect of these nanoparticules.