Les progrès récents réalisés dans le domaine des systèmes nano-optomécaniques ont démontré leur potentiel pour détecter des forces extrêmement faibles et ouvrir de nouveaux champs d’étude en physique. Ce travail de thèse vise à étendre le champ d’application des mesures de force ultrasensibles basées sur la lecture optique des vibrations de nanofils suspendus à de nouveaux domaines : d’abord à très basse température, en démontrant la possibilité de les exploiter dans un cryostat à dilution, ensuite dans le domaine de la nano-optomécanique en cavité où leur extrême sensibilité permet d’atteindre le régime de couplage ultra-fort.Leur mise en œuvre dans un cryostat à dilution permet en effet de réduire leur bruit thermique tout en bénéficiant d’une augmentation de leur cohérence mécanique mais nécessite de réduire drastiquement les sources de bruits externes, d’origine électrique ou mécanique, tout en opérant à des puissances optiques extrêmement faibles afin de limiter le chauffage par absorption. Nous présentons les développements réalisés, qui nous ont permis d’observer un nanofil présentant une température de bruit de 32 mK grâce à des techniques de mesures fonctionnant en régime de comptage de photon, lorsque moins d’un photon est détecté par période mécanique. Nous étudions les propriétés mécaniques et thermique de ces sondes de force à très basses températures, qui ont permis d’atteindre une sensibilité record pour une sonde locale, de l’ordre de quelques dizaines de zN/Hz^1/2, ce qui est en principe suffisante pour détecteur l’interaction électron-électron à une distance de plus de 100 µm.Dans la seconde partie du manuscrit, on décrit une nouvelle expérience de nano-optomécanique en cavité fonctionnant à température ambiante. Elle consiste à insérer l’extrémité vibrante d’un nanofil suspendu dans une micro-cavité fibrée de grande finesse. La combinaison de son volume de mode très réduit, de la très grande sensibilité en force des nanofils et de l’interaction optomécanique gigantesque obtenue rend cette approche extrêmement intéressante pour la nano-optomécanique en cavité. En effet, on démontre qu’il est possible d’atteindre le régime de couplage ultrafort, dans lequel un seul photon intra-cavité est capable de déplacer le nano-résonateur de plus que ses fluctuations de point zéro. Ceci nécessite d’avoir une constante de couplage par photon g0 dépassant la fréquence mécanique du nanofil Wm. Après avoir décrit l’expérience, on étudie comment le nanofil permet d’imager le champ lumineux intra-cavité en cartographiant ses propriétés optiques en fonction de la position du nanofil de diamètre sub-longueur d’onde dans l’onde stationnaire. Cela permet de quantifier et de cartographier l’intensité et l’orientation de l’interaction optomécanique qui acquiert alors un caractère vectoriel. De plus nous avons étudié l’interaction en sens inverse, en cartographiant le champ de force intra-cavité ressenti par le nanofil en fonction de sa position dans le mode de cavité et comparé nos résultats à des simulations numériques.La mise en œuvre de cette approche optomécanique dite du «nanofil au milieu» à très basse température devrait permettre de réduire suffisamment le bruit thermique des nanofils pour explorer l’optomécanique en cavité au photon unique. Dans ce régime, un seul photon intra-cavité est capable de rendre le système bistable statiquement, ce qui ouvre la voie à des développements nouveaux en optique quantique, ne serait que parce que les théories de champ moyen ne sont alors plus pertinentes.