Nous investiguons dans ce travail la création d'échantillons permettant l'étude du comportement des polaritons excitoniques dans les matériaux semi-conducteurs organiques. Le couplage fort entre les états excités d'électrons et des photons impose la création de nouveaux états propres dans le milieu. Ces nouveaux états, les polaritons, ont un comportement bosonique et sont donc capables de se condenser dans un état fortement dégénéré. Une occupation massive de l'état fondamental permet l'étude de comportements explicables uniquement par la mécanique quantique. La démonstration, au niveau macroscopique, d'effets quantiques promet d'éclairer notre compréhension de la matière condensée. De plus, la forte localisation des excitons dans les milieux organiques permet la condensation des polaritons excitoniques organiques à des températures beaucoup plus hautes que dans les semi-conducteurs inorganiques. À terme, les échantillons proposés dans ce travail pourraient donc servir à observer une phase cohérente macroscopique à des températures facilement atteignables en laboratoire. Les cavités proposées sont des résonateurs Fabry-Perot ultraminces dans lesquels est inséré un cristal unique d'anthracène. Des miroirs diélectriques sont fabriqués par une compagnie externe. Une couche d'or de 60 nanomètres est ensuite déposée sur leur surface. Les miroirs sont ensuite mis en contact, or contre or, et compressés par 2,6 tonnes de pression. Cette pression soude la cavité et laisse des espaces vides entre les lignes d'or. Une molécule organique, l'anthracène, est ensuite insérée par capillarité dans la cavité et y est cristallisée par la suite. Dans leur état actuel, les cavités présentent des défauts majeurs quant à la planarité des miroirs et à l'uniformité des cristaux. Un protocole détaillé est présenté et commenté dans ce travail. Nous y proposons aussi quelques pistes pour régler les problèmes courants de l'appareil. / In this work we investigate the creation of samples for the study of the behavior of excitonic polaritons in organic semiconductor materials. The strong coupling between the excited states of electrons and photons implies the creation new eigenstates in the medium. These new states, called polaritons, are composite bosons and are therefore capable of condensing in a strongly degenerated state. A massive occupation of the ground state allows the study of behaviors that are only explainable by quantum mechanics. A macroscopic demonstration of quantum effects offers a rare opportunity for scientific research and discoveries. The strong localization of excitons in organic materials allows condensation of exciton polaritons at temperatures much higher than in inorganic semiconductors. Therefore the samples proposed in this work could ultimately be used to observe a macroscopic coherent phase at temperatures easily attainable in a laboratory. The cavities proposed in this work are Fabry-Perot resonators in which anthracene is inserted and crystalized. The mirrors used in the resonator are dielectric reflectors made by a external company according to our specifications. A gold layer of 60 nm is deposited on their surface. The mirrors are then brought into contact, gold against gold, and compressed by 2.6 tons of pressure. This pressure seals the cavity and leaves voids between the gold lines. An organic molecule, anthracene, is then inserted in by capillary inside the cavity voids and subsequently crystallized by controlled cooling. In their current state cavities have defects regarding the planarity of the mirrors and the uniformity of the crystals. A detailed protocol is presented and discussed in this work.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cas d’un projet européen nommé « microfluiD ». Ce projet vise principalement la détection des polluants organiques par voie microfluidique (les micotoxines dans les aliments de bétail, les bactéries et les métaux lourds). Devant les dangers écologiques des ions Pb2+, Hg2+ et Cd2+ dans l’environnement, il est important de multiplier le nombre d’analyses dans les eaux du robinet. L’utilisation de la fluorescence et des microlasers organiques présente de nombreux avantages. Outre leur faible coût, leur sensibilité ainsi que leur sélectivité, il est possible de concevoir à partir de ces techniques des dispositifs transportables sur le terrain. Deux approches sont principalement développées : Une première est basée sur la fluorescence - elle a consisté à synthétiser des ligands fluorescents de type DPPS-PEG et CalixDANS-3-OH pour la détection du mercure et du plomb. Les études de la complexation des ions Hg2+, Pb2+ ont d’abord été effectuées en solution. La complexation de Cd2+ en circuit microfluidique à partir du composé commercial Rhod-5N a aussi été étudiée. Des résultats très prometteurs ont été obtenus pour la détection de Hg2+ par DPPS-PEG. Nous avons aussi étudié la possibilité de détecter Pb2+ à partir du CalixDANS-3-OH greffé sur les parois du circuit microfluidique. Malgré une dégradation de la sonde, nous avons réussi à détecter une faible concentration de plomb. Une très bonne sélectivité vis-à-vis des cations interférents testés a été obtenue. La seconde approche est basée sur la détection par microlasers. Nous avons synthétisé deux copolymères blocs pour la détection du plomb et du mercure. Des problèmes de solubilité nous empêchant de fabriquer des microcavités organiques à partir de ces polymères, une deuxième stratégie consistant à greffer les ligands spécifiques de Pb2+ et de Hg2+ sur les microcavités laser PMMA a été développée. Cette dernière nous a permis d’apporter une preuve de principe pour de la détection du mercure en fonctionnalisant le mercaptopropyltriéthoxysilane à la surface du PMMA. Ce travail nous a aussi amené à synthétiser des colorants laser à base de Bodipy pour la fabrication des microcavités lasers par polymérisation à deux photons (2PP). / This thesis is supported by a European project called «microfluiD» for the detection of organic pollutants by microfluidic devices (mycotoxins in animal feed, bacteria and heavy metals). Because of hazards Pb2+, Hg2+ and Cd2+ ions in the environment, it is important to increase the number of assays in tap water. The use of fluorescence or microlaser has many advantages: in addition to their low cost, sensitivity and selectivity, it is possible to design portable devices based on these systems in the field. Two approaches are mainly developed in this work: The first one is based on fluorescence. Two fluorescent sensors were synthesized: CalixDANS-3-OH for Pb2+ detection and DPPS-PEG for Hg2+ detection. Complexation of Hg2+and Pb2+ was at first performed in solution. The complexation of Cd2+ in microfluidic device from the commercial compound Rhod-5N is studied and very promising results of Hg2+ sensing by DPPS-PEG are obtained. We also studied the possibility to detect Pb2+ by CalixDANS-3-OH grafted onto the walls of the microfluidic device. Despite a degradation of the probe, we were able to detect low concentrations of Pb2+. A very good selectivity towards several interfering cations was obtained. The second approach is based on the use of microlasers. We synthesized two porous block polymers for Pb2+ and Hg2+ detection. Because of a bad solubility of the copolymers,, we didn’t succeed to fabricate microcavities from these polymers. A second strategy which consists in grafting the specific ligands of Pb2+ and Hg2+ on the PMMA microcavity is very promising. Proof of principle of the detection of Hg2+ is obtained by functionalizing mercaptopropyltriethoxysilane on the surface of PMMA. This work also led us to synthesize Bodipy laser dyes for the manufacturing of microcavities by two-photon polymerization (2PP).

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cas d'un projet européen nommé " microfluiD ". Ce projet vise principalement la détection des polluants organiques par voie microfluidique (les micotoxines dans les aliments de bétail, les bactéries et les métaux lourds). Devant les dangers écologiques des ions Pb2+, Hg2+ et Cd2+ dans l'environnement, il est important de multiplier le nombre d'analyses dans les eaux du robinet. L'utilisation de la fluorescence et des microlasers organiques présente de nombreux avantages. Outre leur faible coût, leur sensibilité ainsi que leur sélectivité, il est possible de concevoir à partir de ces techniques des dispositifs transportables sur le terrain. Deux approches sont principalement développées : Une première est basée sur la fluorescence ; elle a consisté à synthétiser des ligands fluorescents de type DPPS-PEG et CalixDANS-3-OH pour la détection du mercure et du plomb. Les études de la complexation des ions Hg2+, Pb2+ ont d'abord été effectuées en solution. La complexation de Cd2+ en circuit microfluidique à partir du composé commercial Rhod-5N a aussi été étudiée. Des résultats très prometteurs ont été obtenus pour la détection de Hg2+ par DPPS-PEG. Nous avons aussi étudié la possibilité de détecter Pb2+ à partir du CalixDANS-3-OH greffé sur les parois du circuit microfluidique. Malgré une dégradation de la sonde, nous avons réussi à détecter une faible concentration de plomb. Une très bonne sélectivité vis-à-vis des cations interférents testés a été obtenue. La seconde approche est basée sur la détection par microlasers. Nous avons synthétisé deux copolymères blocs pour la détection du plomb et du mercure. Des problèmes de solubilité nous empêchant de fabriquer des microcavités organiques à partir de ces polymères, une deuxième stratégie consistant à greffer les ligands spécifiques de Pb2+ et de Hg2+ sur les microcavités laser PMMA a été développée. Cette dernière nous a permis d'apporter une preuve de principe pour de la détection du mercure en fonctionnalisant le mercaptopropyltriéthoxysilane à la surface du PMMA. Ce travail nous a aussi amené à synthétiser des colorants laser à base de Bodipy pour la fabrication des microcavités lasers par polymérisation à deux photons (2PP).

Le phénomène d’up-conversion de photon (UpC) permet de générer de la lumière à longueurs d’onde plus courtes que la longueur d’onde d’excitation. Dans cette recherche, la synthese de couches minces dopées avec des ions de terres rares (RE3+) optiquement actifs, leurs caractérisations structurales, ainsi que leurs propriétés optiques et de photoluminescentes ont été étudiées. Les couches ont été élaborées par deux voies de dépôt de couche sur du silicium et des substrats transparents: tout d’abord, un dépôt chimique organométallique en phase vapeur (LI-MOCVD, AA-MOCVD) est utilisé pour le dépôt des couches minces de YF3 et Y2O3 co-dopées Er/Yb. Il est démontré que l’émission d’UpC de Er3+ avec une excitation à 972 nm est influencée par le réseau hôte. Par ailleurs, le traitement sol-gel, une technique chimique par voie humide, est utilisé pour la fabrication de couches minces Y2O3, SiO2 et TiO2 co-dopées Er/Yb par spin-coating. Une optimisation de l’´emission de lumière par UpC a été atteinte grâce à l’ajustement de la concentration de RE et de la température de traitement thermique. De plus, une approche différente a été étudiée pour atteindre une émission UpC renforcée : l’utilisation de microcavités diélectriques de Fabry-Pérot obtenues par sol-gel, constitués d’un empilement de couches de silice et d’oxyde de titane, avec Er/Yb:Y2O3 comme couche de cavité. Le but de ce travail est de répondre aux questions suivantes: comment la nature du réseau hôte et le niveau de dopage influencent l’émission radiative de l’Er3+? Quelles sont les conditions pour un bon matériau d’UpC et ses limites? Nous incluons également une discussion sur les perspectives d’une application possible d’une couche d’UpC dans un dispositif de cellule solaire, qui pourrait améliorer la réponse dans l’infrarouge. / Photon up-conversion (UpC) allows the generation of light of shorter wavelengths compared to the excitation wavelength. In this work the synthesis of thin films doped with optically active rare earth (RE3+) ions, their structural characterization, as well the optical and photoluminescence properties are highlighted. The emphasis lies on two different routes of film deposition on silicon and transparent substrates: first, metalorganic chemical vapor deposition (LI-MOCVD, AA-MOCVD) is introduced for the deposition of Er/Yb-doped YF3 and Y2O3 films and it is demonstrated, how the UpC emission of Er3+ upon 972 nm excitation is influenced by the host lattice. Secondly, sol-gel processing, a wet-chemical technique, is used for the fabrication of Er/Yb-doped Y2O3, SiO2 and TiO2 thin films by spin-coating. Optimization of the up-converted light emission was achieved through adjusting the RE concentration and the processing temperature. Moreover, in a different approach for achieving an enhanced UpC emission, sol-gel derived Fabry-Pérot dielectric microcavities, consisting of a multilayer stack of silica and titania layers and Er/Yb: Y2O3 as the cavity layer, are investigated. The aim of this work is to address the questions, how does the nature of the host lattice and doping level influence the radiative emission in Er3+, what are the requirements for a good upconverter material and what are the limitations? We also include a discussion of the application of an upconverter to a solar cell device, which may debatably enhance the response in the infrared.

Cette thèse est consacrée à de nouveaux phénomènes en physique liées au spin et à la topologie des quasi-particules lumière-matière dans des hétérostructures. Elle est divisée en quatre parties. Chapitre 1 donne un fond nécessaire et introduit les propriétés fondamentales des polaritons et des excitons indirects dans des puits quantiques couplés. Chapitre 2 est concentré sur la dynamique de spin et sur formation de défauts topologiques dans des systèmes aux excitons indirects. Les 2 derniers chapitres considèrent les structures basées sur les microcavités. Chapitre 3 est consacré à la dynamique de spin des polaritons dans des oscillateurs paramétriques optiques. Finalement, chapitre 4 étudie les réseaux des microcavités en forme des piliers et introduit l’isolant topologique polaritonique. / The present thesis manuscript is devoted to new phenomena in physics of light-matter quasiparticles in heterostructures, related to spin and topology. It is divided into four parts. Chapter 1 gives a necessary background, introducing basic properties of microcavity polaritons and indirect excitons in coupled quantum wells. Chapter 2 is focused on spin dynamics and topological defects formation in indirect exciton many-body systems. The last 2 chapters are related to microcavity-based structures. Chapter 3 is devoted to polariton spin dynamics in optical parametric oscillators. Finally, Chapter 4 studies pillar microcavity lattices and introduces the polariton topological insulator.

Dans ma thèse, je discute des phénomènes collectifs dynamiques impliquant des excitons et des exciton-polaritons dans des nanostructures de semiconducteurs. Dans le premier chapitre j’introduis brièvement des éléments de physique des semiconducteurs. Les quatre chapitres suivants sont dédiés à la présentation de résultats originaux. Le chapitre 2 décrit les phénomènes d’interaction cohérente entre phonons et condensats d’exciton. Le chapitre 3 décrit un laser à boite quantique dont l’émission peut être amplifiée par l’excitation par un pulse acoustique. Les chapitres 4 et 5 sont respectivement dédiés à l’étude du phénomène de multistabilité des exciton-polaritons et à l’étude d’un condensat d’excitons indirects. / In my thesis I will discuss some aspects of collective dynamics of excitons and exciton-polaritons in nanoscale heterostructures. In the first Chapter I will make a brief introduction to the modern semiconductor physics and willdescribe the general elements and notions which will be used further. Other four chapters would be devoted to four works in which I participated, notably, in Chapter 2 I will speak about the coherent interactions between phonons and exciton orexciton-polariton condensates, in Chapter 3 I will discuss the quantum dots lasing and its amplification by an acoustic pulse. Chapter 4 and 5 will be devoted respectively to the polariton multistability and to the condensates of indirect excitons.

Je présente dans une première partie mes travaux de recherche sur les microcavités semi-conductrices en régime de couplage fort exciton-photon. Les modes propres dans ces systèmes sont des états mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité, qui présentent de fortes non-linéarités optiques provenant de l'interaction exciton-exciton. Je présente plusieurs applications de ces dispositifs dans les domaines de l'optique quantique (compression du bruit quantique, génération de faisceaux corrélés) des communications optiques et de l'opto-électronique de spin.<br /><br />J'aborde dans la deuxième partie mes activités théorique et expérimentale autour de la spectroscopie de l'ion H2+. Le but de l'expérience, qui a débuté en 2003 à l'université d'Evry, est de mesurer la fréquence d'une transition vibrationnelle à deux photons sans effet Doppler, et de la comparer à des prédictions théoriques précises pour en déduire une nouvelle détermination du rapport mp/me. Je décris les progrès des calculs de haute précision sur l'ion H2+ (niveaux d'énergie non relativistes, structure hyperfine), ainsi que le dispositif expérimental mis en place et les perspectives de l'expérience.

Les micro-résonateurs optiques comptent parmi les dispositifs les plus importants en photonique. Les résonateurs WGM sont assez particuliers. Il s'agit de composant présentant une symétrie circulaire comme c'est le cas des sphères, des anneaux, des disques et des tores. Les résonateurs WGM présentent un facteur de qualité exceptionnel et un volume modal très faible. Ces appareils peuvent être utilisés dans plusieurs domaines, notamment la télédétection, le filtrage optique et l'optique non linéaire. D'autres applications sont possibles en biologie, médecine, spectroscopie moléculaire, surveillance environnementale, astronomie et astrophysique grâce à l'exploitation du rayonnement moyen infrarouge. Les micro-résonateurs optiques comportent un grand nombre de transitions vibrationnelles qui agissent comme des «empreintes» pour de nombreuses molécules organiques permettant le développement d'applications spectroscopiques innovantes et de nouveaux capteurs. Il convient de noter que l'atmosphère de la terre est transparente au niveau des deux fenêtres de transmission atmosphérique. La première est comprise entre 3 et 5 μm et la seconde entre 8 et 13 μm, ce qui rend possible des applications telles que la détection d'explosifs à distance ainsi que le brouillage de communication confidentielles. La large fenêtre de transparence en verres de chalcogénures dans le domaine spectral infrarouge rend envisageable le développement de nombreuses applications. Les verres de chalcogénure sont caractérisés par une bonne résistance mécanique et une durabilité chimique suffisante dans l'eau et l'atmosphère. Par ailleurs, l'indice de réfraction élevé, le rendement quantique élevé, l'énergie de phonon faible et la solubilité importante des terres rares permettent des émissions dans le domaine spectral du moyen IR. Dans cette thèse, la conception de dispositifs innovants en chalcogénure pour des applications utilisant le moyen infrarouge est étudiée en utilisant un code d'ordinateur personnel formé de façon aléatoire. Les appareils reposent sur des trois types de micro-résonateurs : les microsphères, les micro-disques et les microbulles. Les résonateurs WGM sont efficacement excités à l'aide de fibres nervurées et de guides d'ondes optiques de forme conique. Le nouveau procédé de conception est développé en utilisant la méthode d'optimisation par essaims particulaires (PSO). Elle permet de maximiser le gain d'un amplificateur reposant sur une microsphère d'émission laser dopée à l'erbium à 4,5 μm. Une technique innovante permettant de caractériser les propriétés spectroscopiques de la terre rare intégrant la recherche électromagnétique en mode WGM grâce à l'algorithme PSO a été développée. Les valeurs récupérées sont entachées d’une erreur inférieure à celle prévue par les instruments de mesure ayant un coût élevé. Des applications intéressantes peuvent être obtenues en excitant le micro-résonateur avec une fibre conique présentant deux LPG identiques sur les côtés. En effet, les FLP peuvent sélectionner le couplage de modes de fibre avec le résonateur WGM. En utilisant différentes paires de FLP identiques, opérant dans différentes bandes de longueurs d'onde, il est possible de coupler de façon sélective différents résonateurs à l'aide de la même fibre optique. Un code informatique aléatoire a été développé et validé. Il a démontré la faisabilité d'un capteur de microbulles de glucose. Un microdisque en terre rare dopé est étudié pour obtenir une source de lumière compacte et économique dans l'infrarouge moyen. Un code informatique est développé afin de simuler un micro-disque de terre rare dopé et associé à deux guides d'ondes nervurés, un pour le signal et l'autre pour la pompe. Le modèle est validé à l'aide d'un micro-disque dopée à l'erbium émettant à 4,5 μm. Ce dispositif très prometteur pour des applications dans le moyen infrarouge est obtenu en utilisant un micro-disque de praséodyme dopé émettant à 4,7 μm. / Optical micro-resonators represent one of the most important devices in photonics. A special kind is constituted by the WGM resonators, i.e. devices with circular symmetry such as spheres, rings, disks and toroids. They are characterized by very small dimensions, exceptionally quality factor and very low modal volume becoming a valuable alternative to the traditional optical micro-resonators, such as Fabry-Pérot cavities. These devices allow applications in several fields, such as sensing, optical filtering and nonlinear optics. In particular, different applications in biology and medicine, molecular spectroscopy, environmental monitoring, astronomy and astrophysics are feasible in Mid-Infrared wavelength range. For example, it includes a lot of strong vibrational transitions that act as “fingerprints” of many bio-molecules and organic species allowing the develop of innovative spectroscopic applications and novel sensors. In addition, the earth's atmosphere is transparent in two atmospheric transmission windows at 3–5 μm and 8–13 μm and then applications such as remote explosive detection, e.g. in airports and for border control, and covert communication systems are feasible. The wide transparency window of chalcogenide glasses in Mid-Infrared makes possible the development of several devices. Chalcogenide glasses are characterized by good mechanical strength and chemically durability in water and atmosphere. Furthermore, the high refractive index, high quantum efficiency, the low phonon energy and high rare-earth solubility enables the emissions at long wavelengths.In this thesis, the design of innovative chalcogenide devices for applications in Mid-Infrared is investigated using an ad-hoc home-made computer code. The devices are based on three kinds of micro-resonators: microspheres, micro-disks and microbubbles. The WGM resonators are efficiently excited by using tapered fiber and ridge waveguides. A novel design procedure is developed using the particle swarm optimization approach (PSO). It allows to maximize the gain of an amplifier based on an erbium-doped microsphere lasing at 2.7 μm.An innovative technique in order to characterize the spectroscopic properties of rare-earth is developed integrating the WGM electromagnetic investigation with PSO algorithm. The method is based on two subsequent steps: in the first one, the geometrical parameters are recovered, in the second one, the spectroscopic parameters. The recovered values are affected by an error less than that provided by high-cost measurement instruments. Furthermore, the procedure is very versatile and could be applied to develop innovative sensing systems.Interesting applications could be obtained exciting the micro-resonator by a tapered fiber with two identical LPGs on the sides. Indeed the LPGs can select the fiber modes coupling with the WGM resonator. Using different pairs of identical LPGs operating in different wavelength bands, it is possible to selective couple different micro-resonators by using the same optical fiber. An ad-hoc computer code is developed and validated and it demonstrated the feasibility of a microbubble glucose sensor.In order to obtain a compact and cost-saving light source in Mid-Infrared, rare-earth doped micro-disk are investigated. A computer code is developed in order to simulate a rare-earth doped micro-disk coupled to two ridge waveguide, one at signal wavelength and the other one at pump wavelength. The model is validated using an erbium-doped micro-disk emitting at 4.5 μm. A very promising device for application in Mid-Infrared is obtained using a praseodymium-doped micro-disk emitting at 4.7 μm.