Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de laRelativité Générale. Elles sont des perturbations de l’espace-temps que lon essaie de mettre en évidence parinterférométrie laser. Plus précisément les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs kmde long combinés avec des cavités Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilité de linstrument. La premièregénération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n’a pas permis d’obtenir une détection directe malgré plusieursphases d’observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde g´enération de détecteurs estactuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo. Ce détecteur devraitavoir une sensibilité améliorée d’un ordre de grandeur par rapport à linterféromètre Virgo. Les miroirs del’interféromètre jouent un rôle primordial dans la sensibilité d’Advanced Virgo puisque celle-ci est limitéeà dans les fréquences médianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes fréquences par la quantitéde photons que lon arrive à collecter dans les cavités de linterféromètre. La haute puissance contenue dansles cavités Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette thèse s’intéresse dans unpremier temps aux effets de lentille thermique dans linterféromètre pour différentes configurations optiques.Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définitiondes besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirsdoit être sub-nanométrique de faon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi r´eduireles effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de laplanéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l’uniformité dudépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l’obtention de surface hautement réfléchissante avec enparticulier l’étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts. / Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement de références de fréquence optique, ou lasers ultra-stables. Ceux-ci sont obtenus en asservissant la fréquence d’un laser sur une cavité Fabry-Perot de haute finesse. Un premier laser est asservi sur une cavité commerciale en verre ULE et une stabilité relative de fréquence de 1; 9x 10-15 est obtenue à1 s. Ce signal optique est transféré dans le domaine des fréquences micro-ondes par un laser femto-seconde.Le signal obtenu à10 GHz dispose d’un bruit de phase de -104 dBc=Hz à1 Hz. Dans un second temps, une cavité ultra-compacte de 25 mm est développée. Des simulations par éléments finispoussées ont conduit à la fabrication d’une nouvelle géométrie de cavité, dotée de coefficients de sensibilité accélérométriques simulés inférieurs à10-12=(m=s2) selon toutes les directions. Une enceinte à vide compacte, munie d’un banc optique embarqué, a été réalisée de façon à limiter le volume du système complet à environ 40 L. Enfin, une cavité cryogénique en silicium a été conçue. Régulée à une température de 17 K, elle sera limitée par son bruit thermique à un palier de stabilité relative de fréquence de 3x10-17. Un cryogénérateur à faibles vibrations est utilisé pour atteindre cette température. Des modélisations par éléments finis de la cavité ont permis d’obtenir une sensibilité accélérométrique simulée de 4:5 x10-12=(m=s2). / The work described in this document deals with optical frequency references, or ultrastable lasers. They are obtained from the frequency locking of a laser on a high finesse Fabry-Perot cavity. A first laser is stabilized on a commercial ULE Fabry-Perot cavity and exhibits a 1:9 x10-15 fractional frequency instability at 1 s. A femtosecond laser is phased lock to this ultrastable laser and allows generating an ultra-pure microwave signal. At 10 GHz, the signal exhibits a -104 dBc/Hz phase noise at 1 Hz. In a second project, we design a 25 mm ultra-compact cavity. Extensive finite element modeling led to a new spacer geometry, with simulated acceleration sensitivities below 10-12=(m=s2) in all directions. A compact vacuum chamber with embedded optical set-up has been developed to reduce the size of the system. Finally, a cryogenic silicon cavity has been designed. It will be cooled down to 17 K. At this temperature, its thermal noise would limit its fractional frequency instability to3 x 10-17. A low vibration cryogenerator is used to reach this temperature. Finite element modeling led to 4:5x 10-12=(m=s2) acceleration sensitivity.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

A pair of high-stability optical frequency references has been developed. The devices are based on room temperature Fabry-Perot cavities with mirrors spaced apart by a hollow single-crystal sapphire element. The sapphire element delivers mechanical sti ness that provides improved immunity to vibrational perturbations compared with the more common spacers made from ultra-low expansion glass. The system is housed in an vacuum chamber designed to provide isolation from environmental perturbations through the use of an active thermal control system, suspension legs and a unique beam alignment system. The dimensional stability of the Fabry-Perot was translated into a highly stable laser frequency by frequency locking a 1064nm Nd:YAG laser to the centre of a mode of the cavity. This frequency lock was implemented by the Pound-Drever-Hall scheme. By careful design, this control system was able to hold the frequency of the laser to within parts in 1016 of the frequency of the fundamental cavity mode. The minimum fractional frequency stability of the laser frequency was measured at 2.1x10[-]14 for integration times of 0.8 s, limited by the residual instability of the Fabry-Perot cavity. The experimental methods used to measure the performance of the system have also been considered in depth. For example, the most common way of characterizing the frequency stability of a frequency standard is the Allan variance. It is demonstrated that, without care, data taken with modern frequency counters can produce erroneous and distorted results when their output is supplied to this algorithm. The method to avoid or account for these errors is also presented. The Fabry-Perot cavity performance is limited on long timescales by residual temperature uctuations, which can be ameliorated in future by enhancing the design of the thermal control system. At short timescales, the system is limited by vibration-induced uctuations together with a white noise source, that is yet to be identi ed, but may relate to fundamental thermodynamic temperature uctuations of the sapphire spacer. This system was used to measure the stability of an optical signal synthesised from a cryogenic microwave sapphire oscillator using an wide-band optical frequency comb. This was the rst demonstration of a multiplication of an ultra-stable signal from the microwave frequency domain into the optical frequency domain, without loss of delity at the level of 2x10[-]14.

L'objectif principal de cette thèse porte sur l'étude et la conception d'une cavité Fabry Pérot de haute finesse pour amplifier un faisceau laser dans le but d'atteindre des gains de puissance allant de 1E4 à 1E5. Cette cavité est destinée à la production de rayons-X intenses et monochromatiques pour des applications médicales (anneau médical RADIOTHOMX) et de rayons gamma, pour la source de positrons polarisés pour les collisionneurs linéaires CLIC "Collisionneur Linéaire Compact" et ILC "International Linear Collider", par interaction Compton entre un faisceau laser de grande puissance et un faisceau d'électrons. <br />Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé. <br />Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.

L'utilisation des techniques holographiques pour le traitement optique de l'information est souvent limitée par les performances insuffisantes des dispositifs existants (efficacité de diffraction trop faible, sélectivité restreinte, ou forte diaphonie). L'holographie intracavité peut améliorer ces propriétés de façon considérable.<br />Ce travail a pour objectif l'étude théorique et expérimentale des propriétés diffractives d'un réseau d'indice inséré dans un résonateur de Fabry-Perot, appelé réseau d'indice intracavité. Cette approche fondamentale d'un nouveau concept a conduit à l'élaboration d'un modèle analytique. La diffraction sur un réseau d'indice intracavité épais est ainsi décrite et comparée à celle sur un réseau de Bragg hors cavité. Nous étudions en particulier la diffraction d'une onde de lecture en résonance simultanée avec la cavité de Fabry-Perot et avec le réseau de Bragg. La supériorité du dispositif intracavité en termes d'efficacité de diffraction, de sélectivité angulaire et de rapport signal sur bruit est démontrée. Il apparaît que la configuration la plus favorable est celle d'un résonateur asymétrique, dont le miroir arrière est parfaitement réfléchissant.<br />Compte tenu des résultats théoriques prometteurs, un dispositif expérimental a été conçu, afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire support du réseau est un liquide, de sorte que son épaisseur peut être ajustée pour faire coïncider les résonances de Bragg et de Fabry-Perot. Le réseau est inscrit optiquement, par absorption de la figure d'interférence de deux impulsions d'écriture et diffracte le faisceau de lecture continu au voisinage de la résonance de Bragg. Le signal diffracté est analysé pour remonter aux propriétés du réseau. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par le résonateur. Ces résultats expérimentaux sont en très bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique.<br />Enfin, nous revenons sur le critère de distinction entre réseaux minces (en régime de Raman-Nath) et réseaux épais (régime de Bragg) dans le cas de réseaux intracavité. Nous établissons que le seuil en épaisseur au delà duquel un réseau est épais est nettement abaissé lorsqu'on l'insère en cavité de Fabry-Perot. Le domaine d'application du modèle que nous avons établi est donc très vaste.

Pas de résumé

A high temperature molten salt test loop that utilizes FLiNaK (LiF-NaF-KF) at 700ºC has been proposed by Oak Ridge National Laboratory (ORNL) to study molten salt flow characteristics through a pebble bed for applications in high temperature thermal systems, in particular the Pebble Bed – Advanced High Temperature Reactor (PB-AHTR). The University of Tennessee Nuclear Engineering Department has been tasked with developing and testing pressure instrumentation for direct measurements inside the high temperature environment. A nickel diaphragm based direct contact pressure sensor is developed for use in the salt. Capacitive and interferometric methods are used to infer the displacement of the diaphragm. Two sets of performance data were collected at high temperatures. The fiber optic, Fabry-Perot interferometric sensor was tested in a molten salt bath. The capacitive pressure sensor was tested at high temperatures in a furnace under argon cover gas.

Bragg grating reflectors etched in amorphous silicon overlay films have been integrated with Ti:LiNbO3 optical waveguides. With a 12.5 mm long grating segment and an etch depth of ~ 93 nm in a 105 nm-thick silicon film, a narrow (0.05 nm) spectral bandwidth with a record high transmission dip (> 20 dB) was achieved at a wavelength of ~1542 nm for TE polarization on an x-cut, y-propagating substrate. The reflectance in the channel waveguides is found to be strongly dependent on the depth of the etched grating. The 3-dB bandwidth of 0.05 nm obtained for all tested samples is the smallest reported for waveguides in LiNbO3. The effect of the Bragg waveguide loss factor on the transmittance and reflectance spectra is investigated using a model for contra-directional coupling that includes an attenuation coefficient. The Bragg grating spectral characteristics are exploited to fabricate distributed Bragg feedback modulators (DBFM) and Bragg reflector Fabry-Perot modulators (BFPM). The sharp cut-off in transmission and reflection spectra, which is an inherent characteristic of Bragg grating, was tuned by applying voltage via the linear electrooptic effect, to produce intensity modulation. The Bragg grating based modulators consume less electric power compared to polarization intensity modulators (PIMs). The DBFM demonstrates 1/1.6 times the modulating voltage of a PIM with identical waveguide and electrode structure. The BFPM shows 1/3.3 times the modulating voltage of the PIM. No difference in the frequency response is observed among the three modulators. Comparison of the modulation sensitivity in the linear region indicates that the Bragg grating based modulators provide better sensitivity than that of the PIM with identical waveguide and electrode structure. These results indicate the potential advantage of the Bragg grating based modulators for enhanced modulation efficiency over conventional modulators. Further improvements can be expected from the optimization of the electrode design.