Ce travail consiste en l'étude et la mise en oeuvre d'une microscopie optique en champ proche utilisant des nano- antennes annulaires dans le but de distinguer les composantes électriques et magnétiques du champ électromagnétique, détectées au voisinage d'un échantillon. Nous présentons la genèse de la microscopie en champ proche en mettant en avant l'importance des caractéristiques intrinsèques du système d'éclairage employé mais également le rôle primordial du nanocollecteur en interaction avec le champ électromagnétique. Les antennes étant un des enjeux majeurs dans l'art de détecter les champs électromagnétiques, nous donnons ensuite une cartographie des antennes dans différents domaines de fréquences ainsi que leurs applications respectives en champ proche. Puis nous exposons les étapes nécessaires à la fabrication d'une nano-antenne annulaire métallique aux dimensions spécifiques, à l'extrémité d'une fibre optique. La description du système d'éclairage et du montage général de caractérisation nous amène enfin à présenter l'étude d'un nouveau type de sonde que constitue une nano-antenne annulaire usinée à l'extrémité d'un micro-axicon fibré. En exploitant les propriétés d'un faisceau de Bessel polarisé polychromatique, nous accédons aux propriétés de collection de la structure annulaire. Nous mettons en évidence le fait que ces antennes peuvent collecter spécifiquement la composante longitudinale du champ électrique en polarisation radiale ou du champ magnétique en polarisation orthoradiale. L'analyse des propriétés magnétiques et électriques d'échantillons en microscopie optique champ proche s'annoncent, de ce fait, sous un nouveau jour.

Les propriétés singulières des ondes évanescentes ont permis le développement de la microscopie en champ proche optique, mais également l’émergence de capteurs moléculaires basée sur l’excitation de plasmons de surface. Ce travail de thèse est consacré au développement de nano-sondes à base de fibres optiques destinées à ces deux applications. Après un état de l’art des différents procédés de la littérature, ce travail aborde une nouvelle approche pour créer des nano-sondes optiques. La gravure chimique, pour créer une pointe à l’extrémité d’une fibre conique, est premièrement optimisée. Les étapes suivantes sont réalisées dans un dispositif plasma original, basé sur une décharge en régime de cathode creuse cylindrique. Pour finaliser la fabrication des sondes, les pointes métallisées sont ouvertes in situ avec une micro-étincelle obtenue via une décharge couronne en configuration pointe-plan. Notre microscope est ensuite détaillé et une étude paramétrique est menée afin d’optimiser la formation des images, les capacités de résolution du sont discutées. A titre d’exemple, le microscope est ensuite appliqué à la science des nano-matériaux, et quelles pistes d’investigation de nano-structures sont explorées, ainsi que le potentiel de spectroscopie Raman en champ proche. La spectroscopie résonante des plasmons de surface est aussi abordée. Les sondes spécialement modifiées sont ici destinées à la détection moléculaire en milieu aqueux. Les capteurs ainsi élaborés sont testés dans des microvolumes de solution, et leur capacité d’exaltation du signal Raman est présentée

Les techniques de microscopie optiques dites classiques sont limitées en résolution latérale par le critère de Rayleigh. La microscopie en champ proche optique à balayage (Scanning Near-field Optical Microscopy: SNOM) repose sur l'emploi d'une sonde de taille nanométrique (sublongueur d'onde) comme nano-détecteur (SNOM en mode collection) ou comme nano-source (SNOM en mode transmission). Cette sonde est basée sur des leviers de microscopie à force atomique (Atomic Force microscopy: AFM) classiques en Nitrure de Silicium métallisés et comportant une ouverture de 80nm. Cette thèse est destinée à la mise en place d'un AFM couplé à un SNOM en vue de l'obtention d'images simultanées de la topographie et du signal optique issu d'échantillons fluorescents. Après avoir présenté à la fois les différentes techniques classiques dédiées à la détection de fluorescence ainsi que les techniques de champ proche, les trois bancs de mesures utilisés (fonctionnant en mode illumination ou en mode collection en transmission) sont détaillés. L'imagerie AFM nécessitant une fixation de l'échantillon sur son support, différents protocoles de fixation sont présentés et leurs efficacités discutées selon le type d'échantillon et au regard de résultats AFM. Des simulations électromagnétiques sur la transmission optique de la pointe selon qu'elle fonctionne comme source ou détecteur sont réalisées, permettant de valider le mode SNOM en illumination en transmission. Enfin, l'étude d'un SNOM du commerce et du SNOM mis en place est basée sur l'imagerie AFM et Fluorescence-SNOM sur trois échantillons types: des bactéries (Escherichia coli) exprimant une protéine fluorescente (EGFP: Enhanced Green Fluoresceent Protein), des billes fluorescentes de diamètre 100nm et enfin des brins d'ADN peignés sur lame de verre

La microscopie optique en champ proche permet, par sa grande résolution spatiale, d'isoler des nano-objets individuels. Il est ainsi possible de mener des études spectroscopiques très locales qui s'affranchissent de l'effet de moyenne sur un grand nombre d'individus imposé aux études en champ lointain et, donc, de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu à l'échelle d'un nano-objet unique. La mise en oeuvre d'un microscope optique en champ proche fonctionnant à des températures cryogéniques requiert des solutions technologiques adaptées. Celles-ci sont décrites en détail dans la première partie de ce travail, ainsi que l'optimisation des réglages nécessaires au fonctionnement à basse température. Les différentes potentialités de l'instrument sont ensuite montrées expérimentalement sur des boîtes quantiques semi-constructrices II-VI, dans le mode dynamique par la réalisation de cartographies de luminescence, et en mode statique par la spectroscopie d'une boîte quantique unique. Cette dernière révle un comportement nouveau, attribué à un complexe multiexcitonique chargé, qui fait l'objet d'une discussion. Enfin, la possibilité d'adresser des boîtes quantiques par la propagation d'une onde de plasmon de surface dans un écran métallique déposé sur la structure semi-conductrice est démontrée expérimentalement.