L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques / Acoustic waves in the Gigahertz or Terahertz frequency range allow the mechanical characterization of submicronic structures. The generation and the detection of these waves can be performed with the use of femtosecond lasers combined with pump-probe setups. This report describes the setting-up of an opto-acoustic imaging experiment with a submicronic spatial resolution. The association of asynchronous optical sampling with the use of low repetition rate femtosecond lasers considerably increases acquisition rates and offers a high spectral resolution, respectively. The first part of this report presents the two laser cavities with slightly different repetition rates in order to perform asynchronous optical sampling. The scheme and the performances of the synchronization stage are described. In the second part, the implementation of this dual-oscillator in a pump-probe experiment is detailed and the ability to detect sub-THz acoustic waves with a 50 MHz-spectral resolution is demonstrated. Finally, in the last chapter, the strong potential of this experiment to perform ultrafast imaging is illustrated through two examples : the measurement of the dispersion of GHz surface acoustic waves due to the presence of a thin film and the imaging and the sizing of submicronic elastic heterogeneities.

Une maladie appelée cholestéatome affecte l'oreille moyenne, en absence de traitement, elle pourrait conduire à des complications graves. Le seul traitement dans la pratique médicale actuelle est une procédure chirurgicale. Les incidences de cholestéatome résiduelle ou récurrente sont élevés et le patient doit subir plus d'une intervention chirurgicale. Par conséquent, un système robotique original a été proposé pour d'éliminer l'incidence du cholestéatome résiduel en enlevant efficacement toutes les cellules infectées de la première intervention chirurgicale, et de faire une chirurgie moins invasive. Ainsi, ce manuscrit montre les différents défis auxquels fait face le chirurgien à travers une telle micro-procédure. Il est également défini le cahier de charge pour la réalisation d'un système futuriste dédié à la chirurgie du cholestéatome. En outre, un contrôleur est proposé comme un première étape vers le système idéal. Un tel contrôleur permet de guider un outil chirurgical rigide afin de suivre un chemin de référence sous les contraintes du trou d'incision. Le contrôleur proposé peut guider soit un outil droit, soit un outil courbe. En effet, le contrôleur proposé est une commande de haut niveau qui es formulé dans l'espace de tâche (ou espace Cartésien). Ce contrôleur est une couche modulaire qui peut être ajoutée à différentes structures robotiques. Le contrôleur proposé a montré de bons résultats en termes de précision tout en étant évalué sur un robot parallèle et un robot en série. / A disease called cholesteatoma affects the middle ear, in the absence of treatment, it could lead to serious complications. The only treatment in current medical practice is a surgical procedure. Incidences of residual or recurrent cholesteatoma are high and the patient may have more than one surgical procedure. Therefore, a novel robotic system was proposed to eliminate the incidence of residual cholesteatoma by removing efficiently all infected cells from the first surgery, and make a less invasive surgery. Thus, this manuscript shows the different challenges that face the surgeon through such a micro-procedure. It also is specified the requirements for achieving a futuristic system dedicated to cholesteatoma surgery. In addition, a controller is proposed as a first step toward the ideal system. Such a controller allows to guide a rigid surgical tool for following a reference path under the constraints of the incision hole. The proposed controller can guide either a straight tool or a curved one. Indeed, the proposed controller is a high level control which is formulated in the task-space (or Cartesian-space). This controller is a modular layer which can be added to different robotics structures. The proposed controller showed a good results in term of accuracy while assessed on a parallel robot and a serial one.

La chirurgie laparoscopique reproduit fidèlement les principes de la chirurgie conventionnelle avec une agressioncorporelle minimale. Si cette chirurgie apparaît comme étant très avantageuse pour le patient, il s’agit d’une interventionchirurgicale difficile où la complexité du geste chirurgical est accrue, en comparaison avec la chirurgie conventionnelle.Cette complexité réside en partie dans la manipulation des instruments chirurgicaux et la visualisation dela scène chirurgicale (notamment le champ de visualisation restreint d’un endoscope classique). La prise de décisionsdu chirurgien pourrait être améliorée en identifiant des zones critiques ou d’intérêts non visibles dans la scènechirurgicale.Mes travaux de recherche visent à combiner la robotique, la vision par ordinateur et la fluorescence pour apporterune réponse à ces difficultés : l’imagerie de fluorescence fournira une information visuelle supplémentaire pour aiderle chirurgien dans la détermination des zones à opérer ou à éviter (par exemple, visualisation du canal cystique lorsd’une cholécystectomie). La robotique assurera la précision et l’efficience du geste du chirurgien ainsi qu’une visualisationet un suivi "plus intuitif" de la scène chirurgicale. L’association de ces deux technologies permettra de guideret sécuriser le geste chirurgical.Une première partie de ce travail a consisté en l’extraction d’informations visuelles dans les deux modalités d’imagerie(laparoscopie/fluorescence). Des méthodes de localisation 2D/3D en temps réel d’instruments chirurgicaux dansl’image laparoscopique et de cibles anatomiques dans l’image de fluorescence ont été conçues et développées.Une seconde partie a consisté en l’exploitation de l’information visuelle bimodale pour l’élaboration de lois de commandepour des robots porte-endoscope et porte-instrument. Des commandes par asservissement visuel d’un robotporte-endoscope pour suivre un ou plusieurs instruments dans l’image laparoscopique ou une cible d’intérêt dansl’image de fluorescence ont été mises en oeuvre.Dans l’objectif de pouvoir commander un robot porte-instrument, enfonction des informations visuelles fournies par le système d’imagerie, une méthode de calibrage basée sur l’exploitationde l’information 3D de la localisation d’instruments chirurgicaux a également été élaborée. Cet environnementmultimodal a été évalué quantitativement sur banc d’essai puis sur spécimens anatomiques.À terme ce travail pourra s’intégrer au sein d’architectures robotisées légères, non-rigidement liées, utilisant des robotsde comanipulation avec des commandes plus élaborées tel que le retour d’effort. Une telle "augmentation" descapacités de visualisation et d’action du chirurgien pourraient l’aider à optimiser la prise en charge de son patient. / Laparoscopic surgery faithfully reproduce the principles of conventional surgery with minimal physical aggression.If this surgery appears to be very beneficial for the patient, it is a difficult surgery where the complexity of surgicalact is increased, compared with conventional surgery. This complexity is partly due to the manipulation of surgicalinstruments and viewing the surgical scene (including the restricted field of view of a conventional endoscope). Thedecisions of the surgeon could be improved by identifying critical or not visible areas of interest in the surgical scene.My research aimed to combine robotics, computer vision and fluorescence to provide an answer to these problems :fluorescence imaging provides additional visual information to assist the surgeon in determining areas to operate or tobe avoided (for example, visualization of the cystic duct during cholecystectomy). Robotics will provide the accuracyand efficiency of the surgeon’s gesture as well as a visualization and a "more intuitive" tracking of the surgical scene.The combination of these two technologies will help guide and secure the surgical gesture.A first part of this work consisted in extracting visual information in both imagingmodalities (laparoscopy/fluorescence).Localization methods for 2D/3D real-time of laparoscopic surgical instruments in the laparoscopic image and anatomicaltargets in the fluorescence image have been designed and developed. A second part consisted in the exploitationof the bimodal visual information for developing control laws for robotics endoscope holder and the instrument holder.Visual servoing controls of a robotic endoscope holder to track one or more instruments in laparoscopic image ora target of interest in the fluorescence image were implemented. In order to control a robotic instrument holder withthe visual information provided by the imaging system, a calibration method based on the use of 3D information of thelocalization of surgical instruments was also developed. This multimodal environment was evaluated quantitativelyon the test bench and on anatomical specimens.Ultimately this work will be integrated within lightweight robotic architectures, not rigidly linked, using comanipulationrobots with more sophisticated controls such as force feedback. Such an "increase" viewing capabilities andsurgeon’s action could help to optimize the management of the patient.

Les robots ont amélioré les industries, en particulier les systèmes d'assemblage basé sur des conveyors et ils ont le potentiel pour apporter plus de bénéfices: transports; exploration de zones dangereuses, mer profonde et même d'autres planètes; santé et dans la vie courante.Une barrière majeure pour leur évasion des environnements industriels avec des enceintes vers des environnements partagés avec les humains, c'est leur capacité réduite dans les tâches d’interaction physique, inclue la manipulation d'objets.Tandis que la dextérité de la manipulation n'est pas affectée par la cécité dans les humains, elle décroit énormément pour les robots: ils sont limités à des environnements statiques, mais le monde réel est très changeant. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui considère le contrôle du contact pendant les interaction physiques entre un robot et l'environnement.Néanmoins, les approches actuelles pour l'interaction physique sont pauvres par rapport au numéro de tâches qu'elles peuvent exécuter. Pour permettre aux robots d'exécuter plus de tâches, nous dérivons des caractéristiques tactiles représentant les déformations de la surface molle d'un capteur tactile et nous incorporons ces caractéristiques dans le contrôleur d'un robot à travers des matrices de mapping tactile basées sur les informations tactiles et sur les tâches à développer.Dans notre première contribution, nous montrons comment les algorithmes de traitement d'images peuvent être utilisés pour découvrir la structure tridimensionnelle subjacente du repère de contact entre un objet et une matrice de capteurs de pression avec une surface molle attachée à l’effecteur d'un bras robotique qui interagit avec cet objet. Ces algorithmes obtiennent comme sorties les soi-disant caractéristiques tactiles. Dans notre deuxième contribution, nous avons conçu un contrôleur qui combine ces caractéristiques tactiles avec un contrôleur position-couple du bras robotique.Il permet à l'effecteur du bras déplacer le repère du contact d'une manière désirée à travers la régulation d'une erreur dans ces caractéristiques. Finalement, dans notre dernière contribution,avec l'addition d'une couche de description des tâches, nous avons étendu ce contrôleur pour adresser quatre problèmes communs dans la robotique: exploration, manipulation, reconnaissance et co-manipulation d'objets.Tout au long de cette thèse, nous avons mis l'accent sur le développement d'algorithmes qui marchent pas simplement avec des robots simulés mais aussi avec de robots réels. De cette manière, toutes ces contributions ont été évaluées avec des expériences faites avec au moins un robot réel. En général, ce travail a comme objectif de fournir à la communauté robotique un cadre unifié qui permet aux bras robotique d'être plus dextres et autonomes. Des travaux préliminaires ont été proposés pour étendre ce cadre au développement de tâches qui impliquent un contrôle multi-contact avec des mains robotiques multi-doigts. / Robots have improved industry processes, most recognizably in conveyor-belt assemblysystems, and have the potential to bring even more benefits to our society in transportation,exploration of dangerous zones, deep sea or even other planets, health care and inour everyday life. A major barrier to their escape from fenced industrial areas to environmentsco-shared with humans is their poor skills in physical interaction tasks, includingmanipulation of objects. While the dexterity in manipulation is not affected by the blindnessin humans, it dramatically decreases in robots. With no visual perception, robotoperations are limited to static environments, whereas the real world is a highly variantenvironment.In this thesis, we propose a different approach that considers controlling contact betweena robot and the environment during physical interactions. However, current physicalinteraction control approaches are poor in terms of the range of tasks that can beperformed. To allow robots to perform more tasks, we derive tactile features representingdeformations of the mechanically compliant sensing surface of a tactile sensor andincorporate these features to a robot controller via touch-dependent and task-dependenttactile feature mapping matrices.As a first contribution, we show how image processing algorithms can be used todiscover the underlying three dimensional structure of a contact frame between an objectand an array of pressure sensing elements with a mechanically compliant surfaceattached onto a robot arm’s end-effector interacting with this object. These algorithmsobtain as outputs the so-called tactile features. As a second contribution, we design a tactileservoing controller that combines these tactile features with a position/torque controllerof the robot arm. It allows the end-effector of the arm to steer the contact frame ina desired manner by regulating errors in these features. Finally, as a last contribution, weextend this controller by adding a task description layer to address four common issuesin robotics: exploration, manipulation, recognition, and co-manipulation of objects.Throughout this thesis, we make emphasis on developing algorithms that work notonly with simulated robots but also with real ones. Thus, all these contributions havebeen evaluated in experiments conducted with at least one real robot. In general, thiswork aims to provide the robotics community with a unified framework to that will allowrobot arms to be more dexterous and autonomous. Preliminary works are proposedfor extending this framework to perform tasks that involve multicontact control withmultifingered robot hands.

Cette thèse vise à rendre possible l’utilisation des véhicules sous-marins autonomes (AUVs) dans l’inspection visuelle des structures offshore. Deux tâches sont identifiées: le suivi des structures rectilignes et la stabilisation devant les cibles planaires. Les AUVs complétement actionnés et équipés d'une centrale inertielle, un DVL, un altimètre et une caméra vidéo sont visés. La dynamique en 6 d.d.l. d'un AUV est rappelée. L'architecture de contrôle reflétant la structure en cascade de la dynamique est choisie. Une boucle interne asservie la vitesse du véhicule à la consigne et une boucle externe calcule la vitesse de référence à partir des informations visuelles. Le suivi de pipe est assuré par l'asservissement visuel 2D qui calcule la vitesse de référence à partir des bords du pipeline détectés dans l’image. La convergence globale asymptotique et localement exponentielle de la position, de l’orientation et de la vitesse sont obtenues. Le contrôleur de stabilisation utilise la matrice d’homographie. Seule la connaissance imprécise de l’orientation de la cible est nécessaire. L’information cartésienne de la profondeur de la cible est estimée à l’aide d’un observateur. La convergence quasi-globale et localement exponentielle de ce contrôleur est démontrée. Afin de tester ces méthodes un simulateur a été développé. Des images de synthèse de haute-fidélité sont générées à partir de simulateur Morse. Elles sont traitées en temps réel à l’aide de la bibliothèque OpenCV. Un modèle Simulink calcule la dynamique complète des 6 d.d.l. du véhicule simulé. Des résultats détaillés sont présentés et mettent en avant les résultats théoriques obtenus. / This thesis deals with a control system for a underwater autonomous vehicle given a two consequent tasks: following a linear object and stabilisation with respect to a planar target using an on-board camera. The proposed solution of this control problem takes advantage of a cascading nature of the system and divides it into a velocity pilot control and two visual servoing schemes. The serving controllers generate the reference velocity on the basis of visual information; line following is based on binormalized Pluecker coordinates of parallel lines corresponding to the pipe contours detected in the image, while the stabilisation relies on the planar homography matrix of observed object features, w.r.t. the image of the same object observed at the desired pose. The pilot, constructed on the full 6 d.o.f. nonlinear model of the AUV, assures that the vehicle’s linear and angular velocities converge to their respective setpoints. Both image servoing schemes are based on minimal assumptions and knowledge of the environment. Validation is provided by a high-fidelity 6 d.o.f. dynamics simulation coupled with a challenging 3D visual environment, which generates images for automatic processing and visual servoing. A custom simulator is built that consist of a Simulink model for dynamics simulation and the MORSE robot and sensor simulator, bound together by ROS message passing libraries. The OpenCV library is used for real-time image processing. Methods of visual data filtering are described. Thus generated experimental data is provided that confirms the desired properties of the control scheme presented earlier.

L'observation des exoplanètes pose deux problèmes : le contraste entre la planète et l'étoile et leur très faible séparation. L'une des techniques permettant de résoudre ces difficultés est l'interférométrie en frange noire : deux pupilles sont recombinés pour faire une interférence destructive sur l'étoile, et leur base est réglée pour que l'interférence soit constructive sur la planète. Cependant, pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, la différence de trajet optique entre les faisceaux doit être de l'ordre du nanomètre, et le pointage meilleur que le centième de tache d'Airy, malgré les perturbations extérieures.Pour valider les points critiques d'une telle mission spatiale, un démonstrateur de laboratoire, PERSÉE, a été défini par un consortium dirigé par le CNES et incluant l'IAS, le LESIA, l'ONERA, l'OCA et Thales Alenia Space puis intégré à l'Observatoire de Meudon. Ce banc simule une mission spatiale dans son ensemble (interféromètre et cophasage nanométrique). Son objectif est de délivrer et maintenir une extinction de 10^-4 stabilisé à mieux que 10^-5 sur plusieurs heures, en présence de perturbations typiques que l'on injecte.Mon travail de thèse a consisté à intégrer le banc en étapes successives et à développer des procédures d'étalonnage. Ceci m'a aidé à caractériser les différents éléments critiques séparément avant de les regrouper. Après avoir mis en œuvre les boucles de contrôle du cophasage, leur analyse précise m'a permis de réduire à 0,3 nm rms le résidu de différence de marche, et à 0,4 % de la tache d'Airy le résidu de tip/tilt, malgré la présence de perturbations d'une dizaine de nanomètres d'amplitude, constituées de plusieurs dizaines de fréquences vibratoires entre 1 et 100 Hz. Cela a été possible grâce à l'implémentation d'un contrôleur linéaire quadratique gaussien, paramétré par la mesure préalable de la perturbation pour la réduire au maximum. Grâce à ces très bons résultats, j'ai pu obtenir un taux d'extinction record sur la bande [1,65 – 2,45] µm de 8,8x10^-6 stabilisé à 9x10^-7 sur quelques heures, soit une décade meilleure que les spécifications initiales. L'extrapolation de ces résultats au cas d'une mission spatiale montre que les performances attendues sont atteignables si le flux disponible est suffisamment important. Avec des télescopes de 40 cm et une fréquence d'asservissement de l'ordre de 100 Hz, des étoiles de magnitude inférieure à 9 devraient être observables. / There are two problems with the observation of exoplanets: the contrast between the planet and the star and their very low separation. One technique solving these problems is nulling interferometry: two pupils are recombined to make a destructive interference on the star, and their base is adjusted to create a constructive interference on the planet. However, to ensure a sufficient extinction of the star, the optical path difference between the beams must be around the nanometer, and the pointing must be better than one hundredth of Airy disk, despite the external disturbances.To validate the critical points of such a space mission, a laboratory demonstrator, PERSÉE, was defined by a consortium led by CNES, including IAS, LESIA, ONERA, OCA and Thales Alenia Space and integrated in Meudon Observatory. This bench simulates the entire space mission (interferometer and nanometric cophasing system). Its goal is to deliver and maintain an extinction of 10^-4 stable at better than 10^-5 over a few hours in the presence of typical injected disturbances.My thesis work consisted in integrating the bench in successive stages and to develop calibration procedures. This helped me to characterize the critical elements separately before grouping them. After having implemented the control loops of the cophasing system, their precise analysis helped me to reduce down to 0.3 nm rms the residual OPD, and 0.4 % of the Airy disk the residual tip/tilt, despite disturbances of tens of nanometers, consisting of several tens of vibrational frequencies between 1 and 100 Hz. This has been achieved by the implementation of a linear quadratic Gaussian controller, parameterized by the preliminary measurement of the disturbance to minimize. Thanks to these excellent results, I obtained on the band [1.65 – 2.45] µm a record null rate of 8.8x10^-6 stabilized at 9x10^-7 over a few hours, a decade better than the original specifications. An extrapolation of these results to the case of a space mission shows that the expected performance is achievable if the available flux is sufficiently important. With telescopes of 40 cm and a control frequency around 100 Hz, stars brighter than magnitude 9 should be observable.

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.

Avec le développement des nanotechnologies, il est devenu possible et souhaitable de créer et d'assembler des nano-objets. Afin d'obtenir des processus automatisés robustes et fiables, la manipulation à l'échelle nanométrique est devenue, au cours des dernières années, une tâche primordiale. La vision est un moyen indispensable pour observer le monde à l'échelle micrométrique et nanométrique. Le contrôle basé sur la vision est une solution efficace pour les problèmes de contrôle de la robotique. Dans cette thèse, nous abordons la problématique du micro- et nano-positionnement par asservissement visuel via l'utilisation d'un microscope électronique à balayage (MEB). Dans un premier temps, la formation d'image MEB et les modèles géométriques de la vision appliqués aux MEB sont étudiés afin de présenter, par la suite, une méthode d'étalonnage de MEB par l'optimisation non-linéaire considérant les modèles de projection perspective et parallèle. Dans cette étude, il est constaté qu'il est difficile d'observer l'information de profondeur à partir de la variation de la position de pixel de l'échantillon dans l'image MEB à un grossissement élevé. Afin de résoudre le problème de la non-observabilité du mouvement dans l'axe de la profondeur du MEB, les informations de défocalisation d'image sont considérées comme caractéristiques visuelles pour commander le mouvement sur cet axe. Une méthode d'asservissement visuelle hybride est alors proposée pour effectuer le micro-positionnement en 6 degrés de liberté en utilisant les informations de défocalisation d'image et de photométrique d'image. Cette méthode est ensuite validée via l'utilisation d'un robot parallèle dans un MEB. Finalement, un système de contrôle en boucle fermée pour l'autofocus du MEB est introduit et validé par des expériences. Une méthode de suivi visuel et d'estimation de pose 3D, par la mise en correspondance avec un modèle de texture, est proposée afin de réaliser le guidage visuel dans un MEB. Cette méthode est robuste au flou d'image à cause de la défocalisation provoquée par le mouvement sur l'axe de la profondeur car le niveau de défocalisation est modélisée dans ce cadre de suivi visuel. / With the development of nanotechnology, it became possible to design and assemble nano-objects. For robust and reliable automation processes, handling and manipulation tasks at the nanoscale is increasingly required over the last decade. Vision is one of the most indispensable ways to observe the world in micrioscale and nanoscale. Vision-based control is an efficient solution for control problems in robotics. In this thesis, we address the issue of micro- and nano-positioning by visual servoing in a Scanning Electron Microscope (SEM). As the fundamental knowledge, the SEM image formation and SEM vision geometry models are studied at first. A nonlinear optimization process for SEM calibration has been presented considering both perspective and parallel projection model. In this study, it is found that it is difficult to observe the depth information from the variation of the pixel position of the sample in SEM image at high magnification. In order to solve the problem that the motion along the depth direction is not observable in a SEM, the image defocus information is considered as a visual feature to control the motion along the depth direction. A hybrid visual servoing scheme has been proposed for 6-DoF micro-positioning task using both image defocus information and image photometric information. It has been validated using a parallel robot in a SEM. Based on the similar idea, a closed-loop control scheme for SEM autofocusing task has been introduced and validated by experiments. In order to achieve the visual guidance in a SEM, a template-based visual tracking and 3D pose estimation framework has been proposed. This method is robust to the defocus blur caused by the motion along the depth direction since the defocus level is modeled in the visual tracking framework.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude de sources laser à semi-conducteur de haute cohérence, émettant à 894 nm, pour application aux horloges atomiques Césium compactes pompées optiquement, dans un contexte de développement industriel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à émission par la tranche, dits "Distributed-Feedback" (DFB), pompés électriquement. L'objectif est d'obtenir un laser monomode en fréquence, à faible seuil, à rendement optique élevé et de largeur de raie inférieure à 1 MHz. Nous traitons d'abord de la conception et de la caractérisation au 1er ordre des diodes DFB, jusqu'à leur mise en modules pour horloge, puis nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle, en introduisant une nouvelle méthode universelle de caractérisation du bruit de fréquence optique. Enfin, nous nous intéressons aux propriétés spectrales de l'émission en configuration d'asservissement sur une raie de fluorescence du Césium ("Dither-Locking"). Nous montrons que les propriétés intrinsèques du composant satisfont aux exigences du système industriel tel qu'il a été défini lors de l'étude. / This PhD work deals with the design, the fabrication and the study of high-coherence semiconductor laser sources emitting at 894 nm, for application to compact, optically-pumped cesium atomic clocks in an industrial context. We are particularly interested in the electrically pumped "Distributed-Feedback" in-plane laser diodes (DFB). The aim is to obtain a low-threshold, single-mode laser with high optical efficiency and a linewidth of less than 1 MHz. We first deal with the design and first-order characterization of the DFB diodes until they are put into modules for the clock. We then carry out an in-depth study of the physical properties of the laser emission in terms of coherence time. For that purpose, a new universal method for characterizing the optical frequency noise is introduced. Finally, we look further into the spectral properties of the emission in a servo configuration on a fluorescence line of the cesium ("Dither-Locking"). We show that the intrinsic properties of the component satisfy the requirements of the industrial system as defined in the study.

La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part. / Long distance quantum communications are limited to few tens of km due to the attenuation of light in telecom fibres. Quantum repeaters (quantum relays synchronized by photonic quantum memories) were introduced in order to increase distances. Or, currently, the most efficient memories do not operate at wavelengths in the telecom C band. In order to take advantage of these memories, the use of quantum interfaces (second order nonlinear medium) was proposed as an alternative. Thus, by adding by sum frequency generation a pump photon at an appropriate wavelength to the telecom photon carrying the information, one transfers the information to a wavelength compatible with these memories, and this with a preservation of the information initially carried by the telecom photon. Our aim is thus to build a continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator (cw SRO) which will provide a wave at 1648 nm that will be frequency summed to telecom photons at 1536 nm to transfer the information to a photon storable into alkali atoms based memory. To efficiently transfer the information, the cw SRO has to fulfill some requirements: a high spectral purity (linewidth ~kHz), a high output power (~1 W) and a wavelength longer than that of the telecom photon to be converted. To this aim, we use the non-resonant wave of a cw SRO. The first work done during this thesis was to experimentally prove the possibility to have both high output power and high spectral purity from a cw SRO. By reusing a cw SRO already built during our previous works, we were able to stabilize at the kHz level the frequency of the non-resonant wave at 947 nm (signal wave) of this SRO, with an output power of more than one watt. Then, we built the cw SRO of which non-resonant wave at 1648 nm (idler wave) has been frequency stabilized below the kHz level along with an output power of the order of one watt. We next studied the long term stability of the idler wavelength at 1648 nm. We have measured frequency drifts of the order of 10 MHz/mn. These drifts originating mainly from the reference cavity to which the SRO is locked, can be reduced by, firstly, an active control of the cavity and by, secondly, the use of robust frequency stabilization techniques.