La compréhension fine de la dynamique magnétique dans les nano-objets revêt un intérêt stratégique pour les technologies de l’information. Les caractéristiques recherchées sont les propriétés spectroscopiques des modes propres, leurs profils de précession, les effets non-linéaires et la compréhension fondamentale des processus de relaxation.Bien qu’il existe une large panoplie d’outils capables de mesurer le profil spatio-temporelle des ondes de spin, aucun actuellement ne peut le faire sans sacrifier un paramètre que ce soit dans la gamme de fréquence, la gamme de champ, la résolution spatiale, la perturbation de la texture d’équilibre, la sensibilité ou la précision.La récente découverte qu’il était possible de détecter optiquement la résonance paramagnétique d’une paire lacune-azote unique dans du diamant a changé radicalement ce paysage. Néanmoins l’utilisation d’un champ magnétique appliqué reste une difficulté car il doit être précis à la fois en amplitude et en direction. Afin d’adresser ce dernier problème, l’objet de ma thèse a été de développer un microscope à centre NV qui puisse s‘insérer entre les pôles d’un électro-aimant ultra-stable et orientable. Ce projet s’inscrit dans une collaboration entre Spintec et l’Institut Néel. L’outil proposé repose sur la spectroscopie optique d'un défaut coloré qui permet, grâce à son triplet électronique, une modulation du taux de fluorescence par la résonance paramagnétique de son spin. Lorsque ce défaut est inséré dans un nano-diamant monté au bout d’une pointe de microscope en champ, il permet de faire de la cartographie des perturbations du spectre RPE. L’objet de ma thèse a été de développer un microscope à centre NV fonctionnant dans un électro-aimant dont l’alimentation est asservie sur une sonde RMN pour offrir un contrôle précis du champ. Ce choix impose des contraintes significatives sur l'espace disponible pour les différents sous-systèmes instrumentaux, nécessitant de nombreuses optimisations. Un résultat majeur de ce travail a été de relever le défi de l'encombrement, incompatible avec les optiques de focalisation haute performance disponibles. Les optiques requises pour l'excitation et la capture de la fluorescence d'un centre NV unique doivent allier une grande ouverture numérique, une transmission optique élevée, et une achromaticité optimale. Nous proposons un nouveau type de dispositif optique, basé sur un système réflectif purement achromatique, constitué de quatre surfaces axisymétriques, dont deux sont basées sur des définitions coniques focales – une parabole et une ellipse partageant un point focal commun. Ce développement a fait l’objet de deux brevets.Parallèlement, un système de microscopie NV sur table optique a été mis en place pour faciliter le développement des protocoles de mesure sans les contraintes d'espace liées à l'utilisation d'un électro-aimant. Ce dispositif permet des mesures directes sur les centres NV et sur des échantillons, incorporant un circuit optique confocal de haute performance, des instruments de micro-onde, des actionneurs de précision, et des dispositifs pour des mesures temporelles exactes. Cet équipement a rendu possible l'élaboration et l'application de protocoles pour caractériser les centres NV dans des pointes AFM, permettant l'analyse précise de leurs propriétés telles que leurs orientations ou leurs fréquences Rabi. De plus, il a permis les premières mesures de magnétométrie sur des échantillons, grâce à la technique d'extinction de fluorescence, confirmant la capacité du système à créer des cartographies magnétiques. Les ambitions futures du projet incluent la finalisation de protocoles de mesure avancés, basés sur des séquences pulsées pour l'étude des ondes de spin dans des échantillons via la magnétométrie NV. Ces protocoles seront initialement déployés sur le microscope NV sur table optique, avec l'objectif d'une extension rapide aux capacités du microscope fonctionnant sous un champ magnétique ultra-stable.