Étude et réalisation de cristaux photoniques à base de polymère: Applications à l’optique non-linéaire et à l’optique quantique

Abstract

We have investigated the optical properties of polymer-based photonic crystals and photonic quasicrystals. We have demonstrated a great interest of using quasi-periodic structures to obtain an isotropic photonic bandgap, with material possessing low refractive index. These photonic structures are very promising for different applications, for example, coupling to active particles to enhance the fluorescence or nonlinear signal.We have proposed and implemented new technologies for the fabrication of polymer-based sub-micrometer photonic structures. Two original techniques are successfully demonstrated : i) the multiple-exposure two-beam interference technique, and ii) the direct laser writing based on ultra-low one-photon absorption. Each technique has its own advantages, but they are all simple and low-cost, and allows to realize arbitrary structures in 1D, 2D, and 3D.Besides, we have investigated the linear/nonlinear optical properties of various polymers. In particular, two kinds of polymers, photochromic and azobenzene, with different forms (thin films or micro-structures) are studied in detail, showing different promising applications. The optical and magnetic properties of NV color centers in diamond (bulk or nanocrystal) are also investigated and demonstrated to be very useful. Indeed, it allows to realize a perfectly stable single photon source at room temperature. The optical manipulation of a single electron spin associated to an individual NV center is also demonstrated, showing promising applications such as ultrasensitive magnetic or electric sensor.Finally, we have demonstrated theoretically and experimentally a few techniques to overcome the diffraction limit barrier in an optical microscope, which are useful for super-resolution imaging and fabrication.Les propriétés des cristaux photoniques et quasi-cristaux photoniques sont étudiées théorique- ment et expérimentalement. Nous avons démontré l’intérêt des structures quasi-périodiques en vue de l’obtention d’une bande photonique interdite isotrope avec un matériau de faible indice de réfraction. Ces structures photoniques sont très prometteuses pour améliorer les propriétés optiques des particules actives via un couplage photonique.A cet effet, nous avons mis en œuvre de nouvelles technologies de fabrication pour réaliser des structures photoniques sub-micrométriques 1D, 2D, et 3D à base de matériaux polymères. Les deux techniques originales sont i) l’interférences de deux faisceaux laser avec une exposition multiple et ii) la gravure directe par absorption ultra-faible à un photon. Chaque technique présente ses avantages propres, mais elles sont toutes simples et à faible coût.Nous avons ensuite réalisé des études en optique linéaire et non-linéaire de matériaux poly- mères sous leurs différentes formes (couches minces ou structures), et mis en évidence un vaste choix d’applications intéressantes. Les propriétés optiques et magnétiques des centres colorés NV dans le diamant (massif ou nanocristal) sont également étudiées en détail. Ces centres peuvent déboucher sur plusieurs applications telles que la source de photons uniques à température ambiante, le capteur ultrasensible de champs magnétiques et électriques, ou encore l’informa- tion quantique. Les interactions entre ces matériaux actifs et les structures photoniques sont également étudiées.Finalement, nous avons mis au point théoriquement et expérimentalement quelques tech- niques pour surmonter le problème de la limite de diffraction dans un microscope optique, afin de réaliser une imagerie optique super-résolue