Mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) kann die plasmainduzierte Emission und damit die Anregung der Gasteilchen im Plasma untersucht werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Untersuchungsmethode ist die Tatsache, dass das Plasma bei der Messung nicht beeinflusst wird. Dagegen ist die räumliche Auflösung der emittierten Intensität sehr schwierig. So geht die Tiefeninformation bei der Messung verloren, was einen wesentlichen Nachteil der OES darstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb die Zylindersymmetrie der untersuchten Magnetronentladung ausgenutzt und mittels Abel-Inversion räumlich aufgelöste Informationen zur Anregung des Plasmas zugänglich gemacht. Es werden die experimentellen Aufbauten sowie die verwendeten Algorithmen zur Auswertung beschrieben und charakterisiert. Als Modellsystem diente die Abscheidung von Titanoxid mittels reaktiver Magnetronzerstäubung. Die untersuchte Magnetronentladung wurde hinsichtlich der örtlich emittierten Intensität verschiedener Spektrallinien des Prozessgases Argon sowohl im Gleichspannungsbetrieb als auch im gepulsten Betrieb charakterisiert. / The excitation of gas particles in a plasma can be examined by optical emission spectroscopy (OES). During the measurement the plasma is not influenced, which is a significant advantage of this technique. On the other hand the spatial resolution is quite poor. Especially the depth resolution gets lost when measuring the integrated intensity along the line of sight. That's why in the present work the rotational symmetry of the examined magnetron discharge was used to calculate spatial resolved information about the gas particles' excitation by using Abel inversion. The experimental settings and the algorithms for analysis are described and characterized. Spatially resolved emission of the process gas argon during the deposition of titanium oxide by reactive magnetron sputtering was studied in dc as well as in pulsed dc mode.

The marine boundary layer (MBL) is the region where energy, momentum and masses are exchanged between the ocean surface and the free troposphere. The lack of observations with high vertical resolution over the ocean significantly restricts the understanding of the complex physical processes that occur inside the MBL. The relatively short vertical extent of the MBL (average about 1~2 km) and the frequent cloudiness at its top make probing the MBL extremely difficult from the space. Several features of the Global Positioning System (GPS) radio occultation (RO) technique suggest that it has a great potential for sensing the MBL. These features include global coverage, high vertical resolution, and the ability of GPS signals to penetrate clouds.Over moist marine areas, a large negative moisture gradient often exists across the thermal inversion capping the MBL, which can cause super-refraction (SR) or ducting. A large number of high-resolution soundings have shown that SR occurs about 90% of the time in a year over the subtropical and tropical oceans and even 50% at high-latitudes during the summer. In the presence of SR, the reconstruction of refractivity from RO data becomes an ill-posed inverse problem, i.e., a given RO bending angle profile is consistent with a continuum (an infinite number) of refractivity profiles. The standard Abel retrieval gives the minimum refractivity solution of the continuum and thus produces the largest negative bias, consistent with a negative bias that is often present in the retrieved refractivity profiles in the moist lower troposphere. Simulation studies indicate a large variation of the negative refractivity biases (could be over -15%). The impact of diffraction effects and the open-loop receiver tracking on the bending angle and refractivity retrievals are assessed. A novel approach is developed and tested to reconstruct the vertical refractivity structure within and below the SR layer, which yields a much-improved retrieval, especially below the SR layer (less than 0.5% error). Such a reconstruction method should greatly enhance our ability to measure the MBL globally using the GPS RO technique as well as to improve the MBL parameterizations used in weather and climate models.

Mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) kann die plasmainduzierte Emission und damit die Anregung der Gasteilchen im Plasma untersucht werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Untersuchungsmethode ist die Tatsache, dass das Plasma bei der Messung nicht beeinflusst wird. Dagegen ist die räumliche Auflösung der emittierten Intensität sehr schwierig. So geht die Tiefeninformation bei der Messung verloren, was einen wesentlichen Nachteil der OES darstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb die Zylindersymmetrie der untersuchten Magnetronentladung ausgenutzt und mittels Abel-Inversion räumlich aufgelöste Informationen zur Anregung des Plasmas zugänglich gemacht. Es werden die experimentellen Aufbauten sowie die verwendeten Algorithmen zur Auswertung beschrieben und charakterisiert. Als Modellsystem diente die Abscheidung von Titanoxid mittels reaktiver Magnetronzerstäubung. Die untersuchte Magnetronentladung wurde hinsichtlich der örtlich emittierten Intensität verschiedener Spektrallinien des Prozessgases Argon sowohl im Gleichspannungsbetrieb als auch im gepulsten Betrieb charakterisiert. / The excitation of gas particles in a plasma can be examined by optical emission spectroscopy (OES). During the measurement the plasma is not influenced, which is a significant advantage of this technique. On the other hand the spatial resolution is quite poor. Especially the depth resolution gets lost when measuring the integrated intensity along the line of sight. That's why in the present work the rotational symmetry of the examined magnetron discharge was used to calculate spatial resolved information about the gas particles' excitation by using Abel inversion. The experimental settings and the algorithms for analysis are described and characterized. Spatially resolved emission of the process gas argon during the deposition of titanium oxide by reactive magnetron sputtering was studied in dc as well as in pulsed dc mode.

Les télescopes terrestres et spatiaux recueillent une énorme quantité d'informations dans le domaine infrarouge en provenance d'objets astrophysiques ''chauds'' (500-3000 K) tels que les atmosphères d'exoplanètes (Jupiters chauds), de naines brunes et les enveloppes circumstellaires d'étoiles AGBs. Cette thèse s'inscrit dans une approche d'astrophysique de laboratoire s'attachant à reproduire in situ certains aspects des conditions extrêmes rencontrées au sein de ce type d'environnements afin notamment de produire des données haute température de molécules clefs. Le nouveau dispositif mis en place à Rennes couple une Source Haute Enthalpie à un spectromètre par temps de déclin d'une cavité optique (CRDS). Le gaz étudié, chauffé dans le réservoir à une température avoisinant 2000 K, est expulsé dans une chambre basse pression au travers d'un injecteur circulaire. Le jet libre hypersonique ainsi formé est sondé en tout point et avec une très haute sensibilité. La simulation de nos écoulements stationnaires (CFD) associée à la modélisation du spectromètre a abouti à des spectres synthétiques en très bon accord avec les spectres expérimentaux. Ces données numériques ont été utilisées pour expliquer l'origine des profils de raie atypiques et plus généralement pour comprendre la structure des jets hypersoniques axisymétriques. Le cœur isentropique de ces écoulements est caractérisé par de fortes conditions hors équilibre. Une température de vibration très élevée (1350 K) et une température de rotation très basse (10 K) ont été obtenues à partir d’un jet de CO et d’argon. Ce découplage des degrés de liberté internes permet de simplifier la structure rotationnelle des spectres enregistrés et facilite l’étude des états vibrationnels excités des molécules en révélant la structure des bandes chaudes, absentes des bases de données spectroscopiques pour la plupart des molécules polyatomiques. Une approche complémentaire consiste à sonder la couche de choc produite par l'ajout d'un obstacle sur le trajet de l'écoulement. La température rotationnelle est brutalement élevée donnant ainsi accès aux transitions rotationnelles de hautes valeurs du nombre quantique J. Ces deux méthodes ont été appliquées avec succès au méthane qui joue un rôle majeur dans de nombreux environnements astrophysiques chauds. Enfin, outre la production de données spectroscopiques, ce dispositif expérimental a permis de mettre en évidence la relaxation des degrés de liberté internes du CO dans différents gaz porteurs (He et Ar) en suivant l’évolution des températures de rotation et vibration le long de l'écoulement hypersonique, aussi bien dans le cœur isentropique qu'au sein des couches limites. Ces températures sont comparées aux températures d'excitation obtenues par des méthodes ab initio afin de valider des calculs de taux de collision. Les données obtenues alimenteront à terme des bases de données, matière première au développement de codes de transfert radiatif permettant d'interpréter les observations en provenance des milieux astrophysiques ''chauds''. / A huge quantity of infrared spectra is collected by terrestrial and space telescopes from cool astrophysical objects (500-3000 K) like exoplanet (hot Jupiter) and brown dwarf atmospheres or circumstellar envelop of AGB stars. The main purpose of this thesis connected to experimental astrophysics is to provide high temperature data of key molecules by reproducing in the laboratory some aspects of such environments. A new setup built in Rennes couples a High Enthalpy Source to a highly sensitive Cavity Ring-Down Spectrometer. The gas studied, heated in the reservoir up to 2000 K, is expanded in a vacuum chamber through a circular nozzle and the resulting hypersonic jet can be probed at any location. Computational flow dynamics (CFD) calculations associated to a modeling of the infrared absorption lead to synthetic lines which are in very good agreement with the observed spectra. These numerical data were used to attribute the unusual double peak line shapes to the particular flow structure of axisymmetric hypersonic jets. Strong out-of-equilibrium conditions were evidenced in the isentropic core of the expansion. High vibrational temperature (1350 K) and rotational temperature lower than 10 K were recorded inside a jet of CO seeded in Ar. This degrees-of-freedom decoupling greatly simplifies the rotational structure of the recorded infrared spectra and unveils the presence of hot bands stemming from highly excited vibrational states which are significantly populated at high temperature. Our approach is therefore well suited for the study of rotationally cold hot bands of polyatomic molecules which are virtually missing in spectroscopic databases. A complementary approach consists in probing the shock layer formed upstream of an obstacle set perpendicularly to the hypersonic flow axis. Rotational temperature raises abruptly downstream the shock, revealing transitions associated with high J quantum numbers. These two methods were successfully applied to methane which plays an important role in numerous astrophysical environments. In addition to the acquisition of infrared spectroscopic data, the relaxation of internal degrees-of-freedom of CO seeded in different carrier gases (Ar and He) was studied by following the evolution of rotational and vibrational temperatures along the flow, in the isentropic core as well as in the peripheral viscous layers. These temperatures were compared to excitation temperatures calculated by an ab initio method in order to validate collision rates. These data will feed databases needed for the development of radiative transfer codes with a view to a better modeling of spectra observed from "hot" astrophysical environments.

Les régions d’interface du Soleil de la photosphère à la chromosphère et au delà de la basse couronne ont été étudiées à partir des spectres éclairs. Les éclipses sont les plus adaptées à ce type d’observation, car l’occultation a lieu en dehors de l’atmosphère terrestre et sont exemptes de lumière parasite. Les images Extrême-UV des régions du limbe obtenues récemment dans l’espace sont analysés avec des modèles hydrostatiques à une dimension, comme les modèles VAL, mais cette méthode ne tient pas compte du phénomène d’émergence du champ magnétique, associé au réseau chromosphérique qui est responsable de: i) les spicules et le milieu interspiculaire, ii) les jets coronaux et macrospicules. Un saut de température de 0.01 à 1 MK est observé autour de 2 Mm d’altitude plus loin, et produit plus loin le flot du vent solaire permanent. Le processus de chauffage responsable du saut de température et la source du vent solaire ne sont pas encore compris. Dans cette thèse, nous traitons ces problèmes à partir de spectres éclairs récents réalisés avec les technologies actuelles de détecteurs CCD rapides, images d’éclipse en lumière blanche et des images EUV obtenues avec des instruments de missions spatiales. Nous illustrons les mécanismes des émissions des raies à faible potentiel de première ionisation (FIP) présents dans les basses couches de l’atmosphère solaire. Nous identifions plus précisément les raies à bas FIP à la fois dans les interfaces, à l’intérieur et en dehors des protubérances. Nous caractérisons en détail les enveloppes d’hélium et la région de l’interface solaire. Nous discutons de l'enrichissement de la couronne en éléments low FIP. / The solar interface region from the photosphere to the chromosphere and to the lower corona has been studied using flash spectra obtained during solar total eclipses. Eclipses are very favourable for this type of observation as the occultation takes place outside the Earth atmosphere and are free of parasitic scattered light. Independently, EUV filtergrams of the limb region obtained in space were analyzed using one dimensional hydrostatic models like the VAL models but this method ignores the ubiquitous magnetic field emergence phenomenon associated with the chromospheric network and responsible for: i) spicules and interspicular regions, ii) coronal jets and macrospicules. The components of the solar interface region are dynamical and different type of waves and magnetic reconnections are suggested to be at work. A jump of temperature from 0.01 to 1 MK is observed near the 2 Mm heights and higher, further producing a permanent solar wind flow. The heating processes responsible for this temperature jump and for the flow are not yet fully understood. In this thesis, we reconsider these problems on the basis of original, superior flash spectra which benefit from present technology such as CCD detectors, white light (W-L) eclipse images and new EUV images obtained with space-borne instruments. We illustrate the mechanisms of low First Ionisation Potential (FIP) emission lines present in the low layers of the solar atmosphere and interfaces. We identify more precisely low FIP lines both inside and nearby prominences. We characterize in detail the He shells and the solar interface region. We discuss the enrichment of low FIP elements in the corona.