This portfolio of work contributes to the remit of the National Physical Laboratory (NPL) to develop the underpinning expertise and tools for validating nascent and future optical quantum technologies based on the discrete and quantum properties of photons. This requirement overlaps with the requirement to provide validation for devices operating in the photon-counting regime. A common theme running through the portfolio is photon pairs generated through spontaneous parametric downconversion (SPDC). A Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer sourced with visible wavelength photon pairs from an SPDC process in beta-barium borate (BBO) was designed, built and characterised. The visibility of the HOM interference is dependent on the indistinguishability of the interfering photons, but is also influenced by imperfections of the interferometer; therefore an investigation was carried out to quantify the effects of the interferometer imperfections on the measured visibility so that the true photon indistinguishability could be measured with a quantified uncertainty. A bright source of correlated pair photons in the telecoms band based upon a pump enhanced SPDC process in periodically-poled potassium titanyl phosphate (PPKTP) was designed, built and characterised. From the characterisation measurements the source brightness was estimated to be 6.2×10⁴ pairs/ s/ mw pump. The photon pairs were further characterised through their incorporation as a source in a HOM interference experiment. The developed correlated photon pair source was at the heart of a novel scheme for the generation of polarisation entangled photon pairs, for which the design, build and characterisation work is presented. The source was demonstrated to produce two of the four maximally entangled Bell states with quantum interference visibilities of around 0.95. The generated states were also shown to break a form of Bell's inequality by around six standard deviations. The polarisation entangled photon pair source was originally built at the University of St Andrews and was later transferred to the NPL where it will extend NPL's capabilities to this key spectral region. Finally a study was carried out to investigate the possibility of a wavelength tuneable device for the absolute measurement of single photon detector quantum efficiencies based upon an established SPDC technique.

Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l’Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l’Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l’Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L’interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d’augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L’échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l’effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d’un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d’adresser ce problème est d’ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d’appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d’augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l’objectif est d’étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l’effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l’équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l’alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d’une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l’avant-projet du circuit intérieur d’un lanceur à rail existant. / This thesis was supervised by Professor Jean-Marie Kauffmann of the University of Franche-Comté. The co-director at the Royal Military Academy was Dr. Johan Gallant and the experiments at Franch-German Research Institute ISL were directed by Dr. Markus Schneider. A conventional electromagnetic railgun is composed of two conducting rails connected by a projectile. The magnetic field generated by the current in the rails interacts in the projectile resulting in an electromagnetic force accelerating the projectile. The projectile used in this thesis is two brush projectile. For a conventional railgun the most efficient way to increase the force on the projectile is to increase the current in the rails. But the current density is limited. The heating of the sliding contacts between the brushes and the rails due to the Joule losses and the friction can cause the contacts and can result in contact transition which we want to avoid. One way to reduce the heating is to add more current brushes to obtain a better current distribution between the brushes. Another way is to add an extra pair of rails and create an additional magnetic field. This augmenting field allows us to increase the electromagnetic force without increasing the current through the projectile. In this thesis the current and heat distribution in a two brush projectile in a parallel augmented railgun is studied through simulations and experiments. Because the current brushes and the inner rails form a closed loop, the augmenting field will induce a loop current and influence the current distribution between the brushes. The first simulation model is a global model of the railgun in PSice which allows us to predict the global currents as well as the average temperature in the brushes, the force on the projectile and the position and the velocity of the projectile. The model takes into account the velocity skin effect and was validated based on experiments. The second model is a finite element model in ANSYS for a fixed projectile. This model allows a local study of the current and temperature distribution in the projectile. A model for the contact between the rails and the projectile is introduced. The local model is used to calculate the time-dependent coefficients for the force equation used in the global model. Both simulation models are compared and a good correspondence is found. The LARA railgun of ISL with a length of 1.5 m and a square caliber of 15 mm has been used for the experiments. A maximum of three capacitor banks was used for the non-augmented and the augmented configuration. The muzzle velocities obtained in the experiments vary between 48 and 214 m/s. To determine the current distribution between the brushes a technique proposed by [SCH05a] has been used. It is based on the measurement of the voltage between two pins in the rails in combination with the voltage in a loop. When applied to this velocity range, the eddy currents in front of the projectile hamper the interpretation of the signals and the results are not what we expected. An analytical method for the determination of the current distribution based on the voltage in the loop was introduced. The results are then compared with the results of the simulations. The maximum current in the rails found with PSpice shows a good correspondence with the experiments, the calculated decrease of the current is slightly overestimated. The errors on the velocities are less than 10%. Both simulation models and experiments show that the brush towards the breech carries the greater part of the current for the non-augmented as well as the augmented railgun. In the last part a parametric study is carried out with ANSYS for the preliminary design of an augmenting circuit for an existing railgun.

Afin d'atteindre leur cible, les projectiles guidés d'artillerie nécessitent d'être dotés d'un dispositif de pilotage. Des surfaces de contrôle déployables et orientables sont donc nécessaires. Toutefois, le montage de gouvernes ajustables sur une ogive est une tâche mécaniquement ardue. En effet, lors du tir effectué par canon, l'équipement de bord subit une accélération significative, ce qui implique que des liaisons mécaniques particulièrement robustes doivent être conçues entre les ailettes et le corps. Cette technologie est bien maîtrisée lorsqu'elle est employée sur des projectiles de gros calibre, mais devient bien plus compliquée quand elle doit être adaptée pour être intégrée dans des petits ou moyens calibres. Néanmoins, dans des conditions de vol supersonique, des ondes de choc qui interagissent avec des surfaces solides sont susceptibles de considérablement modifier la distribution de pression. Ce principe a permis d'imaginer une méthode alternative de pilotage de projectiles supersoniques en exploitant des ondes de choc générées au moyen de petites perturbations créées à partir d'un micro-actionneur de forme cylindrique, aussi appelé micro-plot. Comme les forces de portance exercée sur un corps sont essentiellement dues à une pression appliquée sur de grandes surfaces, il a été choisi de se baser sur une configuration stabilisée par empennage. En vue de simplifier l'étude, le travail a été effectué sur un projectile académique de référence bien connu appelé le Basic Finner.Des expériences ont tout d'abord été effectuées dans la soufflerie supersonique de l'ISL sur une plaque plane comportant un plot et deux ailettes verticales. Ces mesures ont permis de valider la capacité de simulations numériques stationnaires RANS à prédire à la fois la distribution pariétale de la pression que génère un tel actionneur et le champ de vitesse de l'écoulement dans son voisinage. Les distributions de pression et de vitesse ont été mesurées en utilisant des méthodes optiques appelés Pressure Sensitive Paints (PSP) et Particle Image Velocimetry (PIV) afin d'être comparés avec les résultats de la CFD. Une étude paramétrique a ensuite été menée en se basant exclusivement sur ces simulations RANS. Ces calculs ont permis de déterminer l'emplacement optimal pour lequel le plot est le plus efficace sur toute l'enveloppe de vol du projectile. A partir de cette position optimale, deux configurations spécifiques ne générant aucun moment de roulis ont été étudiées numériquement et comparés en termes d'efficacité. En utilisant les coefficients aérodynamiques résultants de ce travail, des simulations de trajectoires à 6 degrés de liberté (6-DOF) ont été réalisées avec le code de BALCO (OTAN). Celles-ci ont permis de déterminer la déviation potentielle qui peut être obtenue sur une des deux configurations retenues en employant un tel micro-actionneur. Ces simulations 6-DOF ainsi que l'effet de du plot sur le projectile ont enfin été validés lors d'une campagne d'essai en vol libre qui a eu lieu sur le champ de tir de l'ISL. / In order to reach their target, guided artillery projectiles need some steering capability. Folding and adjustable control surfaces are thus necessary. However, mounting adjustable rudders on a shell is a difficult task, mechanically speaking. Indeed, during the gun launch, the onboard equipment undergoes significant acceleration so that robust mechanical joints have to be designed between the rudders and the body. This technique performs very well on large-caliber projectiles, but becomes more complicated when it has to be embedded in small- or medium-caliber ones. Nevertheless, under supersonic flight conditions, shock waves interacting with solid surfaces are likely to strongly modify the pressure distribution. This principle made it possible to imagine a way of steering small-caliber vehicles using shock waves generated by means of small disturbances created by a cylindrical-shaped micro-actuator, also called micro-pin. As lift forces exerted on a body are mainly due to the pressure applied to large surfaces, a finned configuration has been chosen. To simplify the study, the work has been conducted on the Basic Finner, a well known academic reference projectile.Experiments were first performed in the ISL supersonic wind tunnel on a flat plate on which a pin and two vertical projectile-like fins were mounted in order to validate the capability of steady RANS numerical simulations to predict both the pressure footprint of such an actuator and the flow velocity in its vicinity. Pressure and velocity distributions have been measured by using optical methods called Pressure-Sensitive Paint (PSP) and Particle Image Velocimetry (PIV) in order to be compared with the calculation results. A parametric study was then conducted with these RANS simulations so that the optimum location for which the pin is the most effective over the complete flight envelope of the projectile could be determined. Using this optimum position two specific no-roll momentum configurations were studied numerically and compared in terms of effectiveness. By using the aerodynamic coefficients resulting from this work, 6-Degree-Of-Freedom (6-DOF) trajectory simulations were performed with the NATO BALCO code on one of these configurations in order to determine the potential deviation which can be obtained with such an actuator. These 6-DOF simulations as well as the pin effect on the projectile could finally be validated during a free-flight campaign that took place at the ISL open-range testing site.

L'optimisation de la forme des pales en fonction des phases de vol constitue un levier puissant dans ladémarche d'amélioration des performances des hélicoptères et de minimisation de leurs impactsenvironnementaux. Cette thèse propose l'étude et la caractérisation d'un concept permettant, grâce àl'utilisation d'un actionneur passif, de contrôler le vrillage d'une pale d'hélicoptère, en vol, en fonctionde la vitesse de rotation. L'actionneur retenu pour tordre une pale rigide est une plaque compositestratifiée munie d'un couplage traction/torsion et intégrée au sein de la pale. Les travaux développés ontpermis de démontrer la faisabilité de ce concept à l'échelle d'un prototype de partie courante de pale. Enpremier lieu, et ce afin de concevoir une architecture de profil adaptée à ce type de plaque, un modèleanalytique a été développé pour relier les caractéristiques des plaques composites à leur vrillage soussollicitations statique et dynamique. Une formulation simple de la réponse en vrillage a permisd'optimiser les séquencements de ces plaques dans l'objectif de maximiser le couplage en minimisant lesdéformations résiduelles liées au procédé de fabrication. Les plaques optimisées et fabriquées ontensuite été caractérisées sous traction quasi-statique uniforme puis sur un banc rotatif. Plusieurstechniques expérimentales ont été développées dans le but de quantifier le vrillage. Ce travail a conduità l'insertion d'une plaque épaisse dans un profil de pale. Sous un chargement statique, les tronçons ontexposé un vrillage de l'ordre de 2 °.m-1. Ces multiples expériences et les différentes simulationsréalisées permettent d'envisager des essais en soufflerie sur ces prototypes de pales. / Blade morphing optimization during a flight provides a powerful lever to improve helicoptersperformance and reduce their fossil based energy consumption. This PhD thesis examines a newconcept of passive blade twist controlled by the rotation speed. One of the most suitable actuator able totwist a stiff blade is an integrated laminate with extension/twist coupling. Developed work proves thefeasibility of this assembly at a laboratory scale. In a first stage, an analytical model was developed toestimate the twist behaviour of a laminate subjected to static and dynamic loads. This effectivecalculation of the twist response was used to optimize the stacking sequence in order to improve thecoupling and minimize residual stresses due to the manufacturing process. Some optimized plates havebeen manufactured and characterized using uniform tensile test and a rotative bench. Severalmeasurement methods have been developed to quantify twist. This study led to the integration of a thicklaminate in a blade airfoil profile. Under quasi-static axial loading, these blade sections have shownapproximately 2 °.m-1 in twist. Results from experiments and models make it possible to expect windtunnel tests on these adaptive twist blades.

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La sécurité automobile est l’une des principales considérations lors de l’achat d’un véhicule. Avant d’ être commercialisée, une voiture doit répondre aux normes de sécurité du pays, ce qui conduit au développement de systèmes de retenue tels que les airbags et ceintures de sécurité. De plus, des ratings comme EURO NCAP et US NCAP permettent d’évaluer de manière indépendante la sécurité de la voiture. Des essais catapultes sont entre autres effectués pour confirmer le niveau de protection du véhicule et les résultats sont généralement basés sur des valeurs de référence des dommages corporels dérivés de paramètres physiques mesurés dans les mannequins.Cette thèse doctorale présente une approche pour le traitement des données d’entrée (c’est-à-dire des paramètres des systèmes de retenue définis par des experts) suivie d’une classification des essais catapultes frontaux selon ces mêmes paramètres. L’étude est uniquement basée sur les données du passager, les données collectées pour le conducteur n’ étant pas assez complètes pour produire des résultats satisfaisants. L’objectif principal est de créer un modèle qui définit l’influence des paramètres d’entrées sur la sévérité des dommages et qui aide les ingénieurs à avoir un ordre de grandeur des résultats des essais catapultes selon la législation ou le rating choisi. Les valeurs biomécaniques du mannequin (outputs du modèle) ont été regroupées en clusters dans le but de définir des niveaux de dommages corporels. Le modèle ainsi que les différents algorithmes ont été implémentés dans un programme pour une meilleur utilisation quotidienne. / Safety is one of the most important considerations when buying a new car. The car has to achievecrash tests defined by the legislation before being selling in a country, what drives to the developmentof safety systems such as airbags and seat belts. Additionally, ratings like EURO NCAP and US NCAPenable to provide an independent evaluation of the car safety. Frontal sled tests are thus carried outto confirm the protection level of the vehicle and the results are mainly based on injury assessmentreference values derived from physical parameters measured in dummies.This doctoral thesis presents an approach for the treatment of the input data (i.e. parameters ofthe restraint systems defined by experts) followed by a classification of frontal sled tests accordingto those parameters. The study is only based on data from the passenger side, the collected datafor the driver were not enough completed to produce satisfying results. The main objective is tocreate a model that evaluates the input parameters’ influence on the injury severity and helps theengineers having a prediction of the sled tests results according to the chosen legislation or rating.The dummy biomechanical values (outputs of the model) have been regrouped into clusters in orderto define injuries groups. The model and various algorithms have been implemented in a GraphicalUser Interface for a better practical daily use.