Dans le Système International d'unités (SI) le kilogramme est l'unité de masse, qui est définie comme étant égale à la masse du prototype international du kilogramme en platine iridié. Le contrôle des étalons de masse est essentiel vis _a vis, entre autre, des industries qui doivent garantir une production calibrée. Ce travail est consacré à l'étude en champ proche et champ lointain des surfaces des étalons de masse métalliques, en lien avec différents instituts, laboratoires nationaux et internationaux de la métrologie. Nous avons mené deux types de mesures : mesures de type shear-force pour déterminer la topographie locale de la surface et mesures en champ proche optique pour approfondir l'analyse de la surface par mesure optique localisée à haute résolution. Une analyse de l'évolution de la topographie des surfaces des étalons de masse et de la structure du champ proche optique diffracté par les défauts des ces surfaces a été menée au cours de ce travail de thèse.

Fabry-Pérot (FP) filters are widely used in telecommunications, lasers and spectroscopy to measure the wavelengths of light. The properties of a FP filter depend on the wavelength and incident angle of the light source, the thickness of the etalon and the refractive index of the material between the reflecting surfaces. In previous studies, the nematic liquid crystal (NLC) is employed as the medium of FP filters because of its simple structure and ease of modulation. The directors of the NLC could be rotated by applying an electric field. Due to the birefringence of the NLC, the optical characteristics of the device are polarization dependent. Blue phase liquid crystal (BPLC) is the phase between cholesteric phase and isotropic phase. It¡¦s an optically isotropic material can function as an active index-tuning material adopted in a FP filter, and the characteristics of the BPLC-based FP filter are polarization independent. By applying an electric field, the Kerr effect can be induced due to the local reorientation of liquid crystals in BP structure, leading to the effective index change of BPLC and the transmission peak shifts. Furthermore, the effective index of BPLC approaches the ordinary index of host LCs under increasing electric fields. In addition, the BPLC using polymer network construction can be stabilized in room temperature and improves the convenience of the device. According to the experimental results, the tunability of the BPLC-based FP filter is about 1nm/V. The measured response time of the BPLC-based FP filter is 1ms.

L'objectif de cette thèse est de développer un système étalon de thoron afin de raccorder les instruments de mesure de l'activité volumique du thoron (²²⁰Rn) dans l'air. Le dispositif de mesure conçu est un volume composé d'un détecteur semi-conducteur silicium couplé à un champ électrique permettant la capture des descendants solides chargés du thoron à la surface du détecteur. Des simulations avec un code déterministe ont permis d'optimiser la forme et les dimensions du dispositif pour obtenir un champ électrique efficace pour la capture de ces descendants malgré un débit de circulation rapide à l'intérieur du volume de mesure. Des calculs Monte-Carlo ont aussi permis de définir le rendement de détection du dispositif, ainsi que la forme du spectre alpha. Les rendements de détection calculés pour la mesure du ²²²Rn et ²²⁰Rn ont été validés expérimentalement avec une atmosphère étalon de radon (²²²Rn) produite à l'aide d'un banc de dilution spécifiquement conçu. Une étude de sensibilité a montré que la réponse du dispositif est indépendante de la pression, de l'humidité et du débit de prélèvement dans la gamme de mesure considérée. L'analyse des spectres alpha obtenus a permis de qualifier précisément l'activité volumique d'une atmosphère en thoron avec une incertitude-type associée de 1%. Le dispositif, portable, a été transporté au laboratoire de métrologie de l'activité Italien pour réaliser des comparaisons avec leur dispositif en développement. Les résultats sont compatibles en tenant compte des incertitudes associées. / The goal of this PhD is to develop an activity standard for use in calibrating monitors used to measure the thoron (²²⁰Rn) concentration in air. The device, which has been designed to be the standard, is a volume with a silicon semi-conductor detector and an electric field which allows the charged decay products of thoron to be trapped on the detector surface. A finite element method has been used for the electric field simulations. This electric field is high enough to catch the decay products of thoron at the detector surface even with the high flow rate inside the volume. Monte-Carlo calculations were used to define the detection efficiency of the system and to optimise the geometry shape and size. The calculated detection efficiencies have been compared with the results obtained for a reference radon (²²²Rn) atmosphere produced with a new gas dilution setup. These experiments allowed the sensitivity of the system to be evaluated, as a function of the air properties. It has been demonstrated that the measurement system is independent of the pressure, the relative humidity and the flow rate for a large range of values. Through the analysis of measured alpha spectra the experimental gas detection efficiency was found to be consistent with the Monte-Carlo simulations. This portable system can now be used to evaluate precisely the thoron activity concentration with a well-defined associated uncertainty. Comparison measurements have been performed at the Italian metrological institute. Both systems are consistent within their uncertainties.

L'unité de masse, le kilogramme, est la dernière unité de base du système international à être définie par un étalon matériel. Sa définition, datant de 1901, se trouve limitée par la stabilité du matériau formant le prototype international. Des dérives allant jusqu'à 2 μg par an sont d'ailleurs observées au niveau des copies du prototype international en platine iridié. Pour tenter d'améliorer la précision sur la détermination de l'unité de masse, différentes expériences ont débuté afin de relier le kilogramme à une constante fondamentale de la physique. L'un de ces programmes a pour nom "balance du watt"et vise à établir un lien entre des mesures mécaniques et des mesures électriques. Cette voie se présente à l'heure actuelle comme l'expérience la plus prometteuse. Dans le dispositif expérimental français, l'utilisation de l'alliage de Pt-Ir n'est pas envisageable comme étalon de masse de référence. Les recherches se sont alors orientées vers des alliages en or platiné et autres métaux précieux. En parallèle la dissémination de l'unité de masse aux multiples et sous multiples du kilogramme de 1 g à 10 kg s'effectue généralement à l'aide d'étalons en acier inoxydable. Si la stabilité de la masse du prototype international n'est pas assurée, ce phénomène est encore plus accentué au niveau de ces étalons secondaires. Pour profiter de l'amélioration attendue de la conservation de l'unité de masse, il faut améliorer la stabilité de ces étalons. La caractérisation de nouveaux alliages métalliques pour réaliser des étalons et l'étude de leur stabilité devient donc nécessaire.

En France, les références associées à la fluence neutronique et aux grandeurs dosimétriques dérivées sont détenues par le Laboratoire de Métrologie, de micro-irradiation et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN) de l’IRSN. Afin d’améliorer la définition des références en énergie et en fluence des champs neutroniques monoénergétiques de l’installation AMANDE,le LMDN s’est engagé dans le projet de développement d’un détecteur gazeux μTPC (microTime Projection Chamber) appelé LNE-IRSN-MIMAC en collaboration avec le LPSC.Dans une précédente thèse, la mesure de champs neutroniques entre 27 keV et 565 keV a été réalisée. L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre la gamme de mesure au-delà de 1 MeV.Le choix du gaz, le développement d’une méthode d’analyse indépendante de l’utilisateur et la caractérisation du détecteur ont ainsi permis de valider la capacité du détecteur LNE-IRSN-MIMAC à réaliser des mesures dans des champs neutroniques monoénergétiques entre 250 keV et 6,5 MeV avec une précision de 3% en énergie et de 2,5% en fluence. / In France, the references associated to the neutron fluence and the deriva-ted dosimetric quantities are under the responsability of the micro-irradiation and neutronmetrology and dosimetry laboratory (LMDN)of IRSN. In order to improve the definition ofreferences in fluence and energy of the monoenergetic neutron fields, produced at AMANDEfacility, a micro-TPC gaseous detector, called LNE-IRSN-MIMAC, is developping in collabo-ration with LPSC.In a previous work, the detector was qualified for neutron fields in the energy rangebetween 27 keV and 565 keV. The objective of the present work is to extend the range of theμTPC above 1 MeV. The choice of the gas, the development of an analysis method and thedetector characterization allowed to validate the detector capacity to perform measurements inmonoenergetic neutron fields ranging from 250 keV up to 6,5 MeV with a relative uncertaintyof 3% and 2,5% respectively in energy and fluence.

Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de strontium du LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. Après avoir passé en revue les principes généraux des horloges à réseau optique et le fonctionnement de l'horloge, l'accent est mis sur les améliorations qui ont été apportées à l'expérience depuis 2007. Les éléments les plus importants sont une nouvelle cavité ultra-stable de référence pour le laser d'horloge, le développement d'une technique de détection non-destructive, et la construction d'une deuxième horloge à réseau optique de Sr. La cavité ultra-stable est composée d'un spacer ULE et deux miroirs en silice fondue et a montré un niveau de bruit thermique à 6.5E-16, ce qui la place parmi les meilleures du monde. La détection non-destructive est réalisée par une mesure de phase d'un faisceau sonde de faible intensité qui traverse les atomes placés dans un bras d'un interféromètre Mach-Zender. L'aspect non-destructif permet de recycler les atomes d'un cycle à l'autre et augmente par conséquent le rapport cyclique, ce qui permet d'optimiser la stabilité de l'horloge. Avec ces nouveaux outils la stabilité de fréquence attendue est à 2.2E-16/tau^(1/2) pour une séquence optimisée. Les comparaisons les plus récentes entre les deux horloges Sr atteignent un niveau de stabilité de 1E-16 après environ 1000 s, ce qui nous a permis de caractériser les décalages de fréquence liés au réseau avec une précision sans précédent. Ces mesures assurent un contrôle des effets liés au réseau au niveau de 1E-18, même pour des profondeurs de piège aussi grandes que 50 Er.

Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de strontium du LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. Après avoir passé en revue les principes généraux des horloges à réseau optique et le fonctionnement de l'horloge, l'accent est mis sur les améliorations qui ont été apportées à l'expérience depuis 2007. Les éléments les plus importants sont une nouvelle cavité ultra-stable de référence pour le laser d'horloge, le développement d'une technique de détection non-destructive, et la construction d'une deuxième horloge à réseau optique de Sr. La cavité ultra-stable est composée d'un spacer ULE et deux miroirs en silice fondue et a montré un niveau de bruit thermique à 6.5E-16, ce qui la place parmi les meilleures du monde. La détection non-destructive est réalisée par une mesure de phase d'un faisceau sonde de faible intensité qui traverse les atomes placés dans un bras d'un interféromètre Mach-Zender. L'aspect non-destructif permet de recycler les atomes d'un cycle à l'autre et augmente par conséquent le rapport cyclique, ce qui permet d'optimiser la stabilité de l'horloge. Avec ces nouveaux outils la stabilité de fréquence attendue est à 2.2E-16/tau^(1/2) pour une séquence optimisée. Les comparaisons les plus récentes entre les deux horloges Sr atteignent un niveau de stabilité de 1E-16 après environ 1000 s, ce qui nous a permis de caractériser les décalages de fréquence liés au réseau avec une précision sans précédent. Ces mesures assurent un contrôle des effets liés au réseau au niveau de 1E-18, même pour des profondeurs de piège aussi grandes que 50 Er.

La thèse présente les résultats expérimentaux obtenus au cours du développement et des essais au sol du modèle de vol de l'horloge à atomes froids PHARAO. PHARAO est le premier étalon primaire de fréquence dédié à des applications spatiales. Il est développé par l'agence spatiale française CNES. PHARAO est un des principaux instruments de la mission spatiale de l'ESA: ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Le lancement est prévu en 2016. La mission est basée sur des comparaisons de très hautes performances en temps et en fréquence, entre PHARAO et un ensemble d’horloges basées au sol, pour effectuer des tests en physique fondamentale. La charge utile sera installée sur une palette extérieure de la Station spatiale internationale. Après une introduction sur les horloges atomiques et un résumé de la mission ACES, l'architecture de PHARAO optimisée pour la microgravité et son fonctionnement sont décrits. Ensuite nous présentons les mesures et l'analyse de la stabilité de fréquence. Au sol la stabilité de fréquence est mesurée à un niveau de 3,1x10-13 t-1/2. Cette valeur est en accord avec les différentes sources de bruit. En microgravité la stabilité atteindra 10-13 t-1/2. Pour terminer les principaux déplacements de fréquence sont analysés. Une étude détaillée est donnée sur les propriétés des blindages magnétiques, leurs hystérésis et la conception d’une compensation magnétique active. L'objectif est de réduire l'incertitude sur l’effet Zeeman du second ordre au niveau de quelques 10-17. La détermination de la température de l’environnement des atomes est également analysée avec l'objectif d'atteindre une incertitude sur le déplacement de fréquence par le rayonnement du corps noir dans la gamme de 10-17. Un budget préliminaire sur l’incertitude de fréquence de l’horloge au sol s’établit à 1,1x 10-15. Ce budget est compatible avec un objectif de 3x10-16 en microgravité. La prochaine étape verra l’assemblage tous les autres instruments ACES pour un lancement prévu en 2016. / This thesis presents the experimental results obtained during the development and the ground tests of the flight model of the cold atoms space clock PHARAO. PHARAO, the first Primary Frequency Standard (PFS) for space applications, is developed by the French space agency CNES. It is a main instrument of the ESA space mission ACES: Atomic Clock Ensemble in Space with a launch scheduled on 2016. The mission is based on high performances time and frequency comparisons between a payload including PHARAO and ground based clocks to perform tests in fundamental physics. The payload will be installed on an external pallet of the International Space Station. After an introduction on atomic clocks and a summary on the ACES mission, the PHARAO architecture, optimized for microgravity environment, and its operation is described. It is followed by the measurements and the analysis of the frequency stability. On ground the frequency stability is measured at a level of 3.1 10-13 t-1/2. This value is in agreement with the different sources of noise. In space the frequency stability will reach 10-13 t-1/2. Finally the main frequency shifts are analyzed. A detailed study is given on magnetic shield properties, hysteresis and the design of the active magnetic compensation. The objective is to reduce the uncertainty of the second order Zeeman effect within few 10-17. The temperature determination of the atomic environment is also detailed and the goal is to reach an uncertainty on the blackbody frequency shift in the 10-17 range. A preliminary budget on the frequency accuracy of PHARAO on ground is evaluated at 1.1 10-15. This value is compatible with the expected accuracy budget of 3x10-16 when the clock will operate in microgravity. In the next step all the ACES instruments will be assembled for a launch scheduled on 2016.

Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de Strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les différents types d'horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique qui a d'abord été formulé dans le cadre d'une horloge à 87Sr utilisant la transition 1S0 - 3P0. Les particularités de cet atome sont présentées, notamment la notion de longueur d'onde magique de piégeage, ainsi que les performances qui sont envisageables pour une telle horloge. La deuxième partie présente les aspects expérimentaux, en insistant plus particulièrement sur le développement du laser ultra-stable qui est utilisé pour l'interrogation des atomes et qui représente un point central. Parmi les dernières améliorations, une phase de pompage optique et d'interrogation en présence d'un champ magnétique a été ajoutée au dispositif de manière à mieux déterminer l'effet Zeeman. Enfin, la dernière partie présente les résultats expérimentaux. La dernière évaluation de l'horloge à 87Sr a permis d'atteindre une exactitude de 2,6.10-15 et une mesure en accord au niveau de 10-15 avec une évaluation indépendante faite au JILA. D'autre part, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure a également été effectuée en utilisant l'isotope bosonique 88Sr et en adaptant le dispositif expérimental, permettant d'obtenir la première évaluation pour ce type d'horloge, avec une exactitude de 7.10-14.

La métrologie fondamentale est la garante de la pérennité des systèmes de mesure et est en charge de fournir les étalons de références. En ce qui concerne la métrologie des rayonnements ionisants et, en particulier la métrologie des neutrons, des détecteurs étalons sont utilisés pour caractériser les champs de références, en énergie et en fluence. Les dosimètres ou détecteurs de particules sont étalonnés. Cette thèse présente le développement d’un spectromètre neutron candidat au statut d’étalon primaire pour la caractérisation de champs neutroniques dans la gamme 5-20 MeV. Le spectromètre utilise le principe du télescope à protons de recul comme moyen de détection ; la technologie CMOS, au travers de trois capteurs de positions, est mise à profit pour réaliser la trajectographie du proton de recul. Un détecteur Si(Li) est en charge de la mesure de l’énergie résiduelle du proton. Les simulations des dispositifs, réalisées sous MCNPX, ont permis d’estimer les performances du dispositif et de valider la procédure de reconstruction de l’énergie des champs neutroniques. Une étape essentielle de caractérisation des éléments du télescope et en particulier des capteurs CMOS est également proposée afin de garantir la validité de mesures expérimentales postérieures. Les tests réalisés aussi bien en champs mono-énergétiques qu’en champs étendus témoignent des très bonnes performances du système. La quantification des incertitudes indiquent une mesure de l’énergie avec une précision de plus de 1.5 % pour une résolution de moins de 6 %. La mesure de la fluence neutronique est quand a elle réalisée avec une incertitude de 4 à 6 %. / The fundamental metrology is responsible for the sustainability of the measurement systems and handles to supply the reference standards. Concerning the metrology of ionizing radiations and, in particular the neutron metrology, detectors standards are used to characterize reference fields, in terms of energy and fluence. The dosimeters or particle detectors are calibrated on these reference fields. This thesis presents the development of a neutron spectrometer neutron candidate to the status of primary standard for the characterization of neutron fields in the range from 5 to 20 MeV. The spectrometer uses the recoil proton telescope as detection principle; the CMOS technology, through three sensor positions, is taking advantage to realize the tracking of protons. A Si(Li) detector handles the measure of the residual proton energy. The device simulations, realized under MCNPX, allow to estimate its performances and to validate the neutron energy reconstruction. An essential step of characterization of the telescope elements and in particular of CMOS sensors is also proposed to guarantee the validity of posterior experimental measurements. The tests realized as well in mono-energy fields as in radionuclide source show the very good performances of the system. The quantification of uncertainties indicates an energy estimation with 1.5 % accuracy and a resolution of less than 6 %. The fluence measurement is performed with an uncertainty about 4 to 6%.