Ce travail est consacré à l'étude d'effets non-linéaires et quantiques dans des microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité. <br />Nous avons d'abord effectué des expériences dans le régime d'oscillation paramétrique de polaritons, dans la configuration d'«angle magique».<br />Nous avons ensuite mis en évidence un phénomène d'oscillation de mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par deux faisceaux de pompe contrapropageants. L'étude de la polarisation de l'émission non linéaire permet d'avoir accès à la dynamique de spin des polaritons. La mesure du bruit d'intensité de l'émission montre que le processus de mélange à quatre ondes produit deux populations de polaritons fortement corrélées. <br />Enfin, nous avons effectué une étude théorique du mélange à quatre ondes, afin de préciser les conditions qui permettraient d'observer des polaritons corrélés quantiquement.

Lorsqu'un émetteur est placé dans une cavité, il existe deux régimes de couplage lumière-matière : dans le régime dit de couplage faible, la cavité a pour effet de modifier le taux d'émission spontanée de l'émetteur. Cet effet perturbateur de la cavité est connu sous le nom d'effet Purcell. Dans le régime dit de couplage fort, l'interaction dipolaire électrique n'est plus perturbative ; les états-propres du système couplé sont des états mixtes lumière-matière. Dans le domaine temporel, ce couplage se traduit par le fait que l'émission spontanée devient réversible : le photon émis spontanément par l'émetteur dans le mode de cavité peut à nouveau être ré-absorbé par l'émetteur, puis ré-émis,...donnant ainsi lieu à un cycle d'oscillations de Rabi. Dans le domaine spectral, le couplage se manifeste par une levée de dégénerescence (ou doublet de Rabi) lorsqu'émetteur et mode de cavité sont mis en résonance. L'objet de cette thèse est la démonstration expérimentale du couplage fort entre un exciton confiné par une boîte quantique naturelle de GaAs et un mode de galerie d'un microdisque semi-conducteur.<br />Les paramètres-clefs pour atteindre ce régime sont, pour ce qui est de l'émetteur, sa force d'oscillateur ainsi que sa largeur spectrale, gouvernée par l'interaction avec l'environnement. Un chapitre est consacré à chacune de ces 2 notions-clefs. Concernant la cavité, les 2 figures de mérite pertinentes pour le renforcement de l'interaction lumière-matière sont le facteur de qualité et le volume modal. Nous présentons la réalisation technologique et la caractérisation des microdisques de GaAs (sur air et sur AlOx) les plus prometteurs en terme de facteur de qualité et volume modal.<br />Enfin, nous présentons la première démonstration expérimentale du régime de couplage fort pour une boîte quantique naturelle de GaAs en microdisque.

Cette thèse présente une étude exploratoire de plusieurs aspects du couplage fort lumière-matière dans des matériaux moléculaires. Différentes propriétés héritées d’un tel couplage sont démontrées, ouvrant de nombreuses possibilités d’applications, allant du transfert d’énergie à la génération de signaux optiques non-linéaires et à l’élaboration de réseaux polaritoniques chiraux. Au travers des thématiques abordées, l’idée d’un couplage lumière-matière entrant en compétition avec les différentes fréquences de dissipation des molécules se révèle être cruciale. Ainsi, la prédominance du couplage cohérent au champ électromagnétique apparaît comme un moyen de modifier les propriétés quantiques des états moléculaires, ouvrant la voie à une nouvelle chimie des matériaux en cavité. / This thesis presents an exploratory study of several aspects of strong light-matter coupling in molecular materials. Different properties inherited from such a coupling are demonstrated, opening the way to numerous applications, ranging from energy transfer to the generation of non-linear optical signals and to the development of chiral polaritonic networks. Through the topics covered, the idea of a light-matter coupling strength competing with the different frequencies of relaxation of the molecules proves to be crucial. Thus, the predominance of the coherent coupling to the electromagnetic field appears as a new mean of modifying the quantum properties of molecular systems, opening the way to a new chemistry of materials in optical cavities.

Dans ce travail de thèse nous avons étudié les propriétés de fluorescence de films minces d’or dopés avec des molécules organiques Nous avons montré par imagerie électroniques MEB et TEM qu’ils sont structurés en agglomérats de nanocristaux (5 à 10nm) recouverts de molécules formant un gap nanométrique. Dans les spectres d’extinction nous avons observé la présence de la résonance plasmon du métal ainsi que d’une autre résonance à 600nm que nous attribuons au plasmon de gap.Les spectres d’émission et d’excitation de fluorescence ont confirmé que ces films dopés fluorescents avec une composante venant de la fluorescence de l’or, et une autre caractéristique de la présence des molécules fluorescentes. Les décalages spectraux en excitation et en émission à la fois de l’or et des molécules sont les signes d’un couplage fort entre leurs états électroniques, ce qui serait en accord avec la très forte concentration de molécules dans le film (1/100 molaire)L’observation non intuitive de la fluorescence des molécules insérées dans la couche d’or aurait pour origine l’augmentation considérable de leur taux radiatifs qui a été récemment observé dans les nanogaps. / In this thesis work we studied the fluorescence properties of gold thin films doped with organic molecules. We have shown by electronic imaging SEM and TEM that they are structured in agglomerates of nanocrystals (5 to 10 nm) covered with molecules forming a nanometric gap. In the quenching spectra we observed the presence of the plasmon resonance of the metal as well as another resonance at 600nm that we attribute to the gap plasmon.The fluorescence emission and excitation spectra confirmed that these fluorescent doped films with a component coming from the fluorescence of gold, and another characteristic of the presence of fluorescent molecules. The spectral shifts in excitation and in emission of both the gold and the molecules are the signs of a strong coupling between their electronic states, which would be in agreement with the very high concentration of molecules in the film (1/100 molar)The non-intuitive observation of the fluorescence of the molecules inserted into the gold layer is due to the considerable increase in their radiative levels that has recently been observed in nanogaps.

Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés photoniques et vibrationnelles de monocouches moléculaires auto-assemblées sur graphène et la possibilité d'utiliser des multicouches auto-assemblées de pérylène comme milieu à gain pour l'amplification de plasmons. Le graphène, en tant que matériau transparent et conducteur, a permis pour la première fois de corréler la géométrie du réseau de l’auto-assemblage supramoléculaire avec ses propriétés optiques, grâce à la microscopie à effet tunnel et à des mesures de spectroscopiques optiques et Raman. En comparant plusieurs colorants autoassemblés sur le graphène, nous avons mis en lumière les effets des interactions intermoléculaires et des interactions colorant-graphène sur le spectre d'absorption du colorant adsorbé. Le transfert d'énergie rapide des colorants vers la couche degraphène par les mécanismes de Förster et de Dexter empêche toute relaxation radiative du colorant..Néanmoins, nous avons démontré la première fonctionnalisation fluorescente non-covalente du graphène par une monocouche de colorants autoassemblée en mettant en place une stratégie à base d’espaceurs. Nous avons exploité l’extinction rapide de la fluorescence des colorants par le graphène pour étudier les spectres Raman des auto-assemblages moléculaires sur graphène, et nous avons révélé l'apparition d'un mode vibrationnel couplé entre les molécules adsorbées et le substrat de graphène. Nous avons démontré le régime de couplage fort entre un auto-assemblage tri-dimensionnel de pérylène et un plasmon polariton de surface en optimisant l'orientation et l'organisation des molécules de colorant par rapport au champ électrique du mode de plasmon. Nous avons prouvé que les milieux de gain auto-assemblés en agrégats-J peuvent théoriquement conduire à des milieux de gain efficaces pour l'amplification de plasmons. Cependant, nous avons révélé expérimentalement que les recombinaisons exciton-exciton limitent le taux de pompage à des fluences élevées dans ces milieux denses. / In this work, we have studied thephotonic and vibrational properties of selfassembled molecular monolayers on graphene and the possibility to use perylene self-assembled multilayers as a gain medium for plasmon amplification. Graphene, as a transparent and conductive material, has offered for the first time to correlate the self-assembly structure as deduced from scanning tunneling microscopy to photonic properties as analyzed by optical and Raman spectroscopy measurements. By comparing several self-assembled dyes on graphene we have shed lighton how intermolecular and dye-graphene interactions modify the absorption spectrum of the adsorbed dye.Fast Förster and Dexter energy transfer from the adsorbed dyes to the graphene layer prevent any radiative decay of the dye.Nevertheless, we have demonstrated the first fluorescent non-covalent functionalization of graphene by a supramolecular self-assembled monolayer using a spacer approach.We have exploited the fast dye fluorescence quenching by graphene to study Raman spectra of self-assembled dye on graphene, and we have shown the appearance of a coupled vibrational mode between the adsorbed molecules and the graphene substrate. We have demonstrated the strong couplingregime between a three-dimensional perylene self-assembly and a propagating plasmon polariton by optimizing the orientation and the organisation of the dye molecules compared to the electric field of the plasmon mode. We have shown that J-aggregated self-assembled gain media may theoretically lead to efficient gain media for plasmon amplification. However, we experimentally demonstrated that exciton-exciton recombination limits the achievable pumping rate at high fluences in such dense media.

Les polaritons inter-sous-bandes, observés pour la première fois il y a une quinzaine d’années, sont des quasi-particules dont de nombreuses propriétés restent encore à découvrir. La recherche dans ce domaine se focalise actuellement sur la réalisation de condensats de Bose-Einstein. Une telle découverte pourrait révolutionner l’optoélectronique du moyen infra-rouge jusqu’au THz ouvrant la voie à l’instauration de nouveaux concepts de sources lumineuses,de détecteurs ou de systèmes logiques en couplage fort. Dans cette quête, le choix de la cavité résonnante est critique. Dans ce manuscrit nous proposons d’utiliser des cavités métal-isolant-métal (M-I-M) avec un réseau dispersif sur le métal supérieur. Ce type de cavité,conservant un confinement élevé entre les deux plans métalliques, offre de nombreuses possibilités d’ajustement de la résonance de cavité : via la géométrie de la cavité ( épaisseur de la cavité, période et recouvrement du réseau) ainsi que par le couplage de la lumière avec la cavité (vecteur d’onde incident). Les cavités M-I-M dispersives ouvrent donc un nouveau champ d’exploration des polaritons inter-sous-bande. Dans un premier temps nous avons introduit ces cavités dans le domaine du THz afin d’étudier les phénomènes de relaxation polariton-polariton. Un système expérimental dédié à cette exploration a été conçu pour mesurer la réflectivité des polaritons THz avec une fine résolution en angle. Dans une second temps, des capteurs moyen infrarouge en couplage fort avec une cavité M-I-M dispersive ont été conçus, fabriqués et mesurés dans le but d’explorer la génération de photo-courant à partir de polaritons et d’utiliser le couplage fort pour dissocier l’ énergie de détection de l’énergie d’activation. Cette seconde étude s’inscrit dans l’objectif de pompage électrique des polaritons ISB. Parallèlement à l’étude des polaritons, nous avons également participé au développement de techniques(interféromètre Gires-Tournois et revêtement anti-réflection) pour compresser les impulsions optiques de lasers à cascade quantique THz. / After fifteen years of intersubband polaritons development some of the peculiar properties of these quasi-particles are still unexplored. A deeper comprehension of the polaritons is needed to access their fundamental properties and assess their applicative potential as efficient emitters or detectors in the mid-infrared and THz.In this manuscript we used Metal-Insulator-Metal (MI-M) cavities with a top metal periodic grating as a platform to deepen the understanding of ISB polaritons.The advantages of M-I-M are twofold : first they confine the TM00 mode, second the dispersion of the cavity -over a large set of in-plane wave-vectors- offers various experimental configurations to observe the polaritons in both reflection and photo-current. We reexamined the properties of ISB polaritons in the mid-infrared and in the THz using these resonators. In the first part, we explore the implementation of dispersive M-I-M cavities with THz intersubband transitions. In the THz domain, the scattering mechanisms of the THz ISB polaritons need to be understood. The dispersive cavity is a major asset to study these mechanisms because it provides more degrees of freedom to the system. For this purpose, we fabricated a new experimental set-up to measure the polariton dispersion at liquid Helium temperature. After the characterization of the polaritons in reflectivity, a pump-probe experiment was performed on the polaritonic devices. The second part of this manuscript presents the implementation of M-I-M dispersive cavities with abound-to-quasi-bound quantum well infrared photo detector designed to detect in strong coupling. Beyond electrical probing of the polaritons, the strong coupling can disentangle the frequency of detection from the thermal activation energy and reduce the dark current at a given frequency. In parallel to the exploration of THz polaritons, we developed two techniques (Gires-Tournois Interferometer and Anti-reflection coating) in order to shorten the pulses of THz quantum cascade lasers with metal-metal waveguides.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés dans la première partie aux instabilités dans les films minces de polymères. Sous champ électrique perpendiculaire à la surface, cette dernière devient instable lorsque la température du film mince est supérieure à sa température de transition vitreuse. Nous y étudions plus particulièrement l'influence des contraintes résiduelles à la fois sur le taux de croissance de cette instabilité et sur les longueurs d'ondes sélectionnées. Dans un premier temps, nous décrivons brièvement ce qui nous a poussé à considérer que le processus de fabrication pouvait entraîner des contraintes résiduelles. Nous détaillons aussi tous les éléments de notre modèle avec les hypothèses que cela engendre. Ensuite, plusieurs modèles rhéologiques sont considérés : modèle du solide élastique Néo-Hookéenne, modèle du solide viscoélasticité du type Voigt-Kelvin et modèle du liquide viscoélasticité de type Maxwell. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la répartition de contre-ions autour d'un polyélectrolyte hydrophobe en mauvais solvant. Dans un tel solvant, ces polyélectrolytes prennent la configuration d'un collier de perles. Nous étudions le profil de densité des contre-ions autour d'une de ces perles. L'approximation des charges quasi- localisées nous permet d'obtenir des lois d'échelle entre le paramètre de couplage plasma et la charge effective du globule ou encore la longueur caractéristique de décroissance de la densité. Ces lois d'échelle sont validées via des simulations. Une approche semi-analytique (Density Functionnal Theory) permet de retrouver les profils de densité des contre-ions.

Les plasmons de surface sont des modes non-radiatifs qui vivent à l'interface d'un diélectrique et d'un métal. Ils peuvent confiner la lumière à des échelles sub-longueur d'onde. Néanmoins, leur propagation reste limitée par les pertes inhérentes au métal qui entraînent une absorption rapide du mode. L'objet de cette thèse est l'étude du couplage des plasmons de surface dans des structures planes métallo-diélectriques. L'obtention des propriétés des différents modes nécessite le prolongement des solutions dans le plan complexe définissant la constante de propagation. La méthode mise en œuvre consiste à déterminer les pôles de la matrice de diffusion en utilisant les intégrales de Cauchy. Une première solution pour résoudre le problème de propagation des plasmons de surface consiste à coupler ces modes entre eux. Dans un milieu symétrique, lorsque l'épaisseur d'un film métallique devient suffisamment faible, le couplage entre les modes plasmons existants sur chaque surface devient possible. L'un des deux modes couplés ainsi créé, dit plasmon longue portée, a une longueur de propagation supérieure à celle du plasmon de surface usuel tandis que l'autre, dit plasmon à courte portée, se propage moins. Nous présentons une configuration permettant l'excitation du mode longue portée sans le mode courte portée grâce à une couche métallique déposée sur un substrat infiniment conducteur. Cette excitation peut alors être effectuée dans l'air et permettre des applications comme la détection et la caractérisation de molécules. Ensuite, nous présentons le couplage entre deux guides d'ondes diélectriques, et plus particulièrement la théorie des modes couplés, étendue au cas de la polarisation transverse magnétique. Nous considérons aussi le cas de la PT symétrie. La dernière partie de ce mémoire présente la démonstration du régime de couplage fort entre un plasmon de surface et un mode guidé. Nous mettons alors en évidence une augmentation de la longueur de propagation pour le mode hybride plasmon dont le confinement reste celui d'un mode de surface. Un gain linéaire est ensuite ajouté dans les différentes couches de la structure pour en étudier l'effet. L'ajout de gain dans la couche intermédiaire entre les deux modes couplés a pour conséquence l'exaltation de la longueur de propagation des modes et plus particulièrement du mode hybride plasmon qui peut alors se propager au-delà du millimètre. / Surface plasmon polaritons are non radiative modes which exist at the interface between a dielectric and a metal. They can confine light at sub-wavelength scales. However, their propagation is restricted by the intrinsic losses of the metal which imply a rapid absorption of the mode. The aim of this thesis is the study of the coupling of surface plasmons in metallo-dielectric planar structures. Obtaining the properties of the modes implies the extension of the solutions to the complex plane of propagation constants. The method used consists in determining the poles of the scattering matrix by means of Cauchy's integrals. The first solution to solve the problem of propagation of the surface plasmons consists in coupling these modes to one another. In a symmetric medium, when the thickness of the metallic film becomes thin enough, the coupling between the plasmon modes which exist on each side becomes possible. One of the coupled modes which is created, the so-called long range surface plasmon, has a bigger propagation length than the usual plasmon whereas the other coupled mode, named short range surface plasmon, has a smaller propagation length. We present a configuration which allows the excitation of the long range surface plasmon without the short range mode with a metallic layer deposited on a perfect electric conductor substrate. This excitation can be done in air and allows applications, such as the detection and the characterisation of molecules. Then, we present the coupling between dielectric waveguides, and, in particular, the coupled-mode theory in the case of the transverse magnetic polarisation. We consider also the case of PT symmetric structure. The last part of this work presents the demonstration of the strong coupling regime between a surface plasmon and a guided mode. We demonstrate an increase of the propagation length of the hybrid surface plasmon, which still has the confinement of a surface mode. A linear gain is added in the different layers of the structure. When the gain is added in the layer between both coupled modes allows an enhancement of the propagation lengths of the modes, and more precisely of the hybrid surface plasmon mode, which can propagate at the millimeter scale.

Nous présentons un traitement théorique de la modification des fluctuations quantiques d'un faisceau lumineux par l'interaction non-linéaire avec une microcavité semiconductrice à puits quantiques. Nous étudions plus précisément le spectre de bruit et la fonction d'autocorrélation des champs émis. Notre étude du spectre de bruit prévoit des effets de compression de bruit importants dans le cas de fort couplage entre excitons et photons de la cavité et à basse température où les excitons du semiconducteur sont découplés de l'effet perturbateur du réseau. Nous montrons aussi que ces effets de réduction de bruit disparaissent avec l'augmentation de la température du réservoir thermique. L'étude de la fonction d'autocorrélation qui est un indicateur de la statistique du champ émis a permis de mettre en évidence des effets de dégroupement (non-classique) et de groupement de photons suivant le désaccord entre la fréquence du laser et la fréquence de la cavité.

L'objet de ce travail est l'étude de l'interaction lumière-matière dans les microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Nous avons étudié la réponse cohérente d'une microcavité semi-conductrice soumise à une excitation optique au moyen d'un laser continu quasi-monochromatique. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'un régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique placé à l'intérieur de la cavité. Nous avons ensuite montré qu'en plus du champ cohérent réfléchi, la microcavité émet de la photoluminescence quasi-résonante. À basse température (4K), nous avons montré que cette luminescence est due aux collisions des excitons avec les phonons acoustiques du cristal. Enfin, nous avons étudié le bruit sur l'intensité du champ sortant au moyen d'une détection homodyne équilibrée. Nous avons mis en évidence que le bruit mesuré résulte de l'émission incohérente de la microcavité, c'est-à-dire de la photoluminescence. Nous avons observé que ce bruit a un comportement non linéaire dont l'origine se trouve dans l'interaction entre excitons.