La connaissance des matériaux de l'art participe à la conservation et à la restauration des oeuvres du patrimoine. A cette fin la tomographie par cohérence optique (OCT), technique d'imagerie interférentielle développée initialement pour l'étude des tissus biologiques, a été détournée ici de son application première pour l'étude des pigments des couches picturales en utilisant l'extension récente de l'OCT à la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Nous disposons d'un dispositif OCT plein champ fonctionnant dans le domaine temporel, utilisant un objectif de Mirau et une source émettant dans le domaine du visible. Le système introduit des effets d'ouverture conduisant à décaler les spectres vers les grandes longueurs d'onde. Après avoir défini un protocole nous permettant de corriger ces effets, nous avons validé avec succès la mesure de réflectivité d'échantillons d'or plans. Les particules de pigments sont des particules diffusantes et absorbantes de forme et de taille aléatoires de l'ordre du micromètre. A partir du cas sphérique nous avons établi théoriquement et expérimentalement que la mesure spectrale par OCT dépend des caractéristiques morphologiques de chaque particule analysée. La dispersion des mesures au sein d'un échantillon rend alors impossible la distinction de deux particules de matériaux différents. Cependant, le calcul de la moyenne sur un grand nombre de particules de même type permet de discriminer deux couches juxtaposées ou superposées, ce qui a été vérifié expérimentalement sur pigments jaunes et rouges. En couplant l'analyse spectroscopique à l'imagerie, on améliore ainsi la caractérisation d'un échantillon

La miniaturisation est aujourd'hui, plus que jamais, devenue le maître mot en microélectronique.<br />En effet, les industriels poursuivent l'objectif, de plus en plus ambitieux, de diminuer les dimensions<br />critiques des dispositifs actuels afin d'en améliorer les performances et d'en diminuer le coˆut. Dans<br />cette perspective, la lithographie joue un rˆole majeur car c'est la première étape qui définit le circuit<br />intégré. La technique de lithographie utilisée aujourd'hui pour la production de masse et ayant<br />permis d'atteindre le noeud technologique 65 nm est la lithographie optique à 193 nm. Pour aller en<br />de¸cà, il nous faut améliorer la résolution des outils de lithographie et cela ne peut se faire sans une<br />forte augmentation de leur complexité, de leur prix et de la difficulté de contrˆoler les procédés. Une<br />solution est la technique de lithographie à immersion à 193 nm qui consiste en l'introduction d'un<br />fluide d'indice supérieur à celui de l'air entre la lentille de projection et la plaquette de silicium :<br />elle permet, dans un premier temps, de relâcher les contraintes sur les procédés en améliorant la<br />profondeur de champ et, dans un second temps, d'améliorer la résolution tout en conservant l'infrastructure<br />du 193 nm.<br />L'objectif de ce travail de thèse est de monter et valider un interféromètre à immersion à 193 nm<br />pour étudier, par anticipation, certains aspects de la technique. Dans ce manuscrit, nous décrivons<br />la conception d'un montage interférométrique en immersion à 193 nm ayant la particularité d'être<br />achromatique et présentant donc l'avantage de ne pas pâtir de la faible cohérence des sources excim`<br />eres à 193 nm. Nous nous sommes focalisés sur la caractérisation du montage optique et avons<br />conclu sur les paramètres de profondeur de champ et de transmission du système. Finalement, nous<br />nous sommes intéressés à l'étude de l'imagerie à haute ouverture numérique. Nous avons pu montrer<br />l'amélioration de la résolution en immersion, ainsi que la corrélation entre l'augmentation de la<br />rugosité et la perte de contraste due à la polarisation.

Ce travail de thèse porte sur la caractérisation et l'optimisation du spot de focalisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique pour des applications d'imagerie super-résolue et de nanofabrication.Dans la première partie, nous avons systématiquement étudié les distributions de polarisation et d'intensité du faisceau laser dans la région du point focal en fonction de différents paramètres du faisceau incident tels que la phase, la polarisation, l’amplitude ainsi que l'influence du milieu de propagation, tel que l’indice de réfraction. Nous avons mis en oeuvre différentes méthodes théoriques pour contrôler et manipuler les distributions de polarisation et d'intensité du spot de focalisation. Ces prédictions théoriques sont vérifiées expérimentalement via un système optique confocal en mesurant l’image de fluorescence d’une nanoparticule d’or pour différentes caractéristiques.Dans la seconde partie de ce travail, une nouvelle microscopie basée sur le mécanisme d'absorption ultra-faible à un photon a été démontré théoriquement et expérimentalement. Le calcul théorique basé sur l'approche vectorielle de Debye, qui prend en compte l'effet d'absorption du matériau, montre qu'il est possible de focaliser le faisceau lumineux en profondeur à l'intérieur d'un matériau si celui-ci présente une absorption linéaire ultra-faible à la longueur d'onde d'excitation. Cette méthode, dite (LOPA), a ensuite permis de fabriquer des structures 2D et 3D submicrométriques, similaires à celles obtenues par la méthode utilisant l’absorption à deux photons. / Nowadays, far field optical microscopy is widely used in many fields, for fundamental research and applications. The low cost, simple operation, high flexibility are its main advantages. The key parameter of an optical microscope is the objective lens.This thesis's work focuses mainly on the characterization and optimization of the point spread function (PSF) of a high numerical aperture (NA) objective lens (OL) for applications of high resolution imaging and nano-fabrication.In the first part of the thesis, we have systematically investigated the dependency of polarization and intensity distributions of the focusing spot on numerous parameters, such as the phase, the polarization, and the beam mode of incident beam, as well as the refractive index mismatch. Then, we demonstrated theoretically different methods for manipulation of the polarization and intensity distributions of the focusing spot, which can have desired shapes and are useful for different applications. By using a home-made confocal microscope, we have experimentally verified some of the theoretical predictions, for example, vector properties of light beam under a tight focusing condition. In the second part of dissertation work, a new, simple and inexpensive method based on the one-photon absorption mechanism has been demonstrated theoretically and experimentally for 3D sub-micrometer imaging and fabrication applications. The theoretical calculation based on vectorial Debye approximation and taken into account the absorption effect of material shows that it is possible to focus the light tightly and deeply inside the material if the material presents a very low one-photon absorption (LOPA) at the excitation wavelength. We have then demonstrated experimentally that the LOPA microscopy allows to achieve 3D imaging and 3D fabrication with submicrometer resolution, similar to those obtained by two-photon absorption microscopy.

La révolution en cours des outils optogénétiques - des protéines photosensibles génétiquement induites qui peuvent activer, inhiber et enregistrer l'activité neuronale - a permis d'ouvrir une nouvelle voie pour relier l'activité neuronale et la cognition. Néanmoins, pour profiter au mieux de ces outils nous avons besoin de méthodes optiques qui peuvent projeter des schémas d'illumination complexes dans le cerveau. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur deux nouveaux systèmes complémentaires pour la stimulation de l'activité neuronale. Le premier système combine des déflecteurs acousto-optiques et une illumination Gaussienne à faible ouverture numérique pour produire une photo activation rapide des outils optogénétiques. La capacité d'accès aléatoire du système permet de délivrer des séquences d'illumination spatialement et temporellement complexes qui simulent avec succès les schémas physiologiques de l'activité des fibres moussues dans des tranches de cerveaux. Ces résultats démontrent que les schémas de stimulation optogénétique peuvent être utilisés pour recréer l'activité en cours et étudier les microcircuits du cerveau dans un environnement physiologique. Alternativement, l'holographie générée par ordinateur (HGO) permet d'améliorer grandement les stimulations optogénétiques en répartissant efficacement la lumière sur plusieurs cibles cellulaires simultanément. Néanmoins, le confinement axial se dégrade pour des schémas d'illuminations larges. Afin de d'améliorer ce point, l’HGO peut être combinée avec une technique de focalisation temporelle qui confine axialement la fluorescence sans dépendre de l'allongement latéral. Les précédentes configurations maintiennent l'excitation non linéaire à un unique plan focal spatiotemporel. Dans cette thèse, je décris deux méthodes différentes qui permettent de dépasser ces limitations et de permettre la génération de schémas focalisés tridimensionnellement, à la fois spatialement et temporellement. / The ongoing revolution of optogenetic tools – genetically encoded light-sensitive proteins that can activate, silence and monitor neural activity – has opened a new pathway to bridge the gap between neuronal activity and cognition. However, to take full advantage of these tools we need optical methods that can deliver complex light patterns in the brain. During my doctorate, I worked on two novel and complementary optical systems for complex spatiotemporally neural activity stimulation. The first system combined acousto-optic deflectors and low numerical aperture Gaussian beam illumination for fast photoactivation of optogenetic tools. The random-access capabilities of the system allowed to deliver complex spatiotemporal illumination sequences that successfully emulated physiological patterns of cerebellar mossy fiber activity in acute slices. These results demonstrate that patterned optogenetic stimulation can be used to recreate ongoing activity and study brain microcircuits in a physiological activity context. Alternatively, Computer Generated Holography (CGH) can powerfully enhance optogenetic stimulation by efficiently shaping light onto multiple cellular targets simultaneously. Nonetheless, the axial confinement degrades for laterally extended illumination patterns. To address this issue, CGH can be combined with temporal focusing that axially confines fluorescence regardless of lateral extent. However, previous configurations restricted nonlinear excitation to a single spatiotemporal focal plane. In this thesis, I describe two alternative methods to overcome this limitation and enable three-dimensional spatiotemporal focused pattern generation.