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.

Au cours de ce travail, essentiellement expérimental, nous nous sommes intéressés à la relaxation structurale dans un verre silicaté que nous avons analysé et interprété en terme de dynamique hétérogène. Expérimentalement, nous avons couplé les informations obtenues par différentes spectroscopies qui sondent des échelles spatiales allant du nm (Raman, Infrarouge) à une centaine de nanomètres (Brillouin). Numériquement, nous avons décomposé les fonctions de relaxation obtenues par les différentes spectroscopies et nous avons mis en évidence l’existence de plusieurs échelles temporelles ainsi existantes. A longue distance, les expériences in situ Brillouin effectuées le long d’une rampe de chauffage et des isothermes montrent que (i) les phonons acoustiques sont affectés par le recuit et (ii) la dynamique de relaxation est hétérogène à l’approche de la transition vitreuse. Ainsi, contre toute attente cette hétérogénéité est très fortement dépendante du parcours suivi en température. A courte et moyenne distance, les mesures in situ Raman à hautes température sur des rampes de chauffe et des isothermes, montrent que la relaxation structurale affecte l’ordre spatiale du réseau silicaté. Le couplage des analyses en composantes individuelles et principales a permis d’identifier deux processus de relaxation attribués respectivement à la relaxation du fond continu et des entités Qn. Par des mesures in situ d’Emissivité Infrarouge dans le liquide et grâce à un modèle proche du modèle binaire l’abondance des espèces Qn lors des processus de relaxation et cristallisation a été obtenue. Un mécanisme d’activation de la relaxation à grande distance par une re-polymérisation locale est mis en évidence. Ce même mécanisme est un précurseur de la cristallisation. / Résumé en cours de rédaction

Le poling thermique est une technique consistant à appliquer un fort champ électrique (DC) à un substrat de verre chauffé. Après traitement, un champ électrique est figé au sein de la matrice vitreuse, brisant sa centrosymmétrie. La présence de ce champ permet d’accéder à des propriétés d’optique nonlinéaire du second ordre, habituellement interdite dans un milieu centrosymmétrique tel que le verre. En plus des propriétés d’optique nonlinéaire, la présence du champ électrique a été associée à des modifications structurelles et compositionnelles mais également à des changements de propriétés de surface. Notre objectif a été d’utiliser cette technique pour modifier les propriétés de réactivité de surface et optique de verres d’oxyde (borosilicate et borophosphate de niobium (BPN)) et de verres de chalcogénures. Après poling, les modifications structurelles ont été caractérisée par spectroscopie vibrationnelle Raman et infrarouge. L’intensité et la localisation du champ électrique ont été caractérisées par des techniques de génération de seconde harmonique (SHG) : une analyse quantitative avec les franges de Maker et une d’imagerie μSHG. Le traitement a permis d’augmenter localement la réactivité de surface du verre borosilicate. Dans les verres BPN et chalcogénures, le traitement a permis de contrôler les propriétés optiques à la fois linéaire et nonlinéaire à l’échelle micrométrique. Ces résultats permettent d’envisager l’utilisation du poling thermique pour des applications en photonique intégrée. / Thermal poling is a technique which consists in the application of a strong DC electric field to a heated glass substrate. Following the treatment, a static electric field is frozen inside the glass matrix, effectively breaking its centrosymmetry. Presence of the electric field allows for second order non-linear optical properties usually forbidden in centrosymmetric medium such as glasses. In addition to nonlinear optical properties, the presence of the electric field has been associated with structural/compositional modifications as well as surface property changes. Our objective was to use this technique to tailor surface reactivity and optical properties in oxide (borosilicate and niobium borophosphate) and chalcogenide glasses. After poling, structural modifications were investigated using Raman and infrared spectroscopy. Strength and localization of the electric field were characterized by Second Harmonic Generation (SHG) techniques: quantitative Maker fringes analysis and μSHG imaging. The treatment has successfully allowed to locally enhanced the surface reactivity of a borosilicate glass. In niobium borophosphate and chalcogenide glasses, the treatment has permitted to control optical properties both linearly and non-linearly at the micrometric scale. These results show that thermal poling could be used to create functional devices for applications in integrated photonics.