Ce travail de thèse concerne le suivi d'une caméra infrarouge sensible dans la gamme 1-5 p.m (COMIC), depuis la caractérisation en laboratoire de la mosaïque de détecteurs, jusqu'à son utilisation dans le cadre d'observations astronomiques, sur le système d'Optique Adaptative ADONIS au télescope de 3.60 m de l'Observatoire Européen Austral (ESO), au Chili. Ce manuscrit comporte trois parties qui suivent l'enchainement chronologique "naturel" de l'étude, dans des lieux de travail différents. La première partie concerne la mosaïque de détecteurs COMIC (IRCCD 128X128 HgCdTe), en commençant par sa caractérisation en laboratoire, pour finir par sa mise en opération sous télescope, au sein de la caméra COMIC. Elle s'est d'abord déroulée au sein du Laboratoire Infrarouge (LETI/DOPT/CEA-Grenoble), puis à l'ESO, au Chili. La deuxième partie traite des spécificités de l'observation infrarouge avec un instrument d'Optique Adaptative. Cette partie est le résultat de l'expérience acquise au cours d'un long séjour à l'ESO. Elle unit le point de vue technique de la première partie à celui de l'astronome utilisateur. Enfin, une illustration du potentiel de l'instrument (COMIC+ADONIS) est donnée en troisième partie dans le cadre d'un programme astronomique bien défini: l'étude de la matière circumstellaire dans des systèmes binaires pré-Séquence Principale. Cette dernière étude a été menée à l'Observatoire de Grenoble.

Ce mémoire présente la réalisation et l'étude des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de type Nb/Al-AIOx-Al/Nb, ainsi que les résultats préliminaires obtenus sur la détection et le comptage de photons à partir de ces jonctions. Les JSET incluent une couche supraconductrice photo-absorbante, en niobium ou en tantale épitaxié, dans laquelle l'énergie du photon incident est convertie en quasiparticules de durée de vie suffisante, à très basse température, pour être comptées par effet tunnel. Les couches eu aluminium, de gap réduit, fonctionnent comme un piège à quasiparticules et permettent d'augmenter l'efficacité du comptage. Une première étude a consisté en l'optimisation de la qualité cristalline des absorbeurs en niobium et en tantale. Les analyses structurale et électrique réalisées démontrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron sur saphir plan R chauffé à 600 °C, sont épitaxiés suivant la direction (100) et possèdent des rapports résistifs de l'ordre de 30 conduisant à des libres parcours moyens supérieurs à 50 nm. Dans un second temps, nous avons mis au point le procédé collectif d'élaboration des JSET, isolées ou sous forme matricielle, sur substrat trois pouces, en parallèle avec leur caractérisation électrique et magnétique à 4,2 K et 200 mK. La majorité des jonctions ont un excellent facteur de qualité (rapport de la résistance dynamique dans la partie sous le gap d'une caractéristique courant-tension sur la résistance normale de la jonction) supérieur à 250000 à 200 mK, preuve d'un procédé de fabrication fiable et reproductible. Finalement, nous démontrons la faisabilité du comptage de photons dans F l'infrarouge proche (.>.. = 0,78 mu m) à l'aide d'un détecteur mono-pixel basé sur une JSET à absorbeur en niobium, refroidie à 200 mK dans un réfrigérateur à dilution et lue par une électronique d'amplification et d'aquisition. L'utilisation de tels détecteurs aux performances inégalées ouvre la voie à d'importantes applications en astronomie dans le domaine du visible au proche infrarouge.

ChemCam est à bord de la mission Mars Science Laboratory (MSL) qui a décollé pour Mars le 26 novembre 2011. Cet instrument est très innovant car c'est la première fois que la technique du LIBS ("Laser-Induced Breakdown Spectroscopy") est utilisée pour l'exploration planétaire, afin d'étudier la géochimie des sols et roches à la surface de la planète rouge. Cette technique permet de déterminer la composition chimique de la cible analysée, en focalisant un laser à sa surface. Un plasma se créé alors par échauffement de la matière. L'analyse spectrale de la lumière émise du plasma permet d'identifier les éléments présents dans la roche, ainsi que leur concentration. Ce travail de thèse contribue à la préparation du retour scientifique de la mission MSL et de l'instrument ChemCam autour de quatre axes principaux : (i) identification et caractérisation des raies spectrales pertinentes, (ii) test des méthodes de classification des roches avec ces mesures, (iii) étude de la sensibilité aux vernis d'altération des roches ou à la couche de poussière, (iv) analyse des données pour extraire des informations sur la structure et la composition des roches. Une station sol a été développée afin d'imiter les conditions atmosphériques à la surface de Mars. Une bibliothèque de raies élémentaires a été réalisée. Cette dernière est spécifique à ChemCam et à la géochimie de Mars, et contient plus de 1300 raies. La classification des roches est efficace, quelque soit le type de cible. Les différents paramètres (distance, traitement des données, ..) pouvant influencer ces classifications ont également été caractérisés. ChemCam permet de réaliser des analyses quantitatives, que ce soit par des méthodes statistiques ou plus conventionnelles. Nous avons montré que cet instrument est capable d'analyser aussi-bien la couche d'altération d'un basalte que la roche saine au dessous. Il permet également d'effectuer des analyses très fines, comme la comparaison de différentes matrices de roches volcaniques, ou encore de la structure interne des argiles. Pour finir, ces études expérimentales réalisées durant la thèse ont démontré que ChemCam répondait à toutes les spécifications imposées au début de sa conception.

Sévèrement limité par la turbulence atmosphérique, les grands télescopes au sol ne sont pas capables d'atteindre leur limite de résolution intrinsèque de manière directe. En fonctionnement normal, ils ne peuvent pas résoudre plus de détails, aux longueurs d'ondes du visible et du proche infrarouge qu'un télescope de quelques décimètres de diamètre. La technique d'optique adaptative décrite ici, offre l'avantage sur les autres techniques, d'un traitement du front d'onde avant la détection du signal. Lorsque la détection n'est pas limitée par le bruit propre du signal incident ce traitement permet d'améliorer significativement le rapport signal sur bruit. La correction est réalisée par un miroir déformable dont les commandes sont calculées à partir des mesures des perturbations de la surface d'onde. Les limitations de cette instrumentation sont données par le nombre d'actuateurs du miroir, la précision de la mesure du front d'onde, liée au flux disponible pour réaliser la mesure, et à la bande passante de l'asservissement. Cette bande passante est surtout liée à la fréquence d'échantillonnage du signal d'erreur, et à la vitesse de calcul dans la boucle d'asservissement. Nous donnons la description d'un instrument testé en observatoire au cours de l'automne 1989. Le front d'onde corrigé au moyen d'un miroir déformable de 19 actuateurs, a permis d'obtenir en temps réel, des images limitées par la diffraction pour des longueurs d'onde supérieures à 2,2um, au foyer coudé du télescope de 1,52 m de l'OHP. La mesure de la perturbation est réalisée par un analyseur de Shack-Hartmann de 5x5 sous-pupilles pour échantillonner le signal à une fréquence de 100 Hz. La bande passante obtenu est de 9 Hz en boucle ouverte à 0 dB. Les résultats qui sont présentés illustrent l'intérêt de cette technique pour l'imagerie infrarouge en astronomie

Afin d'augmenter les capacités d'imagerie et de résolution des instruments d'observation en astronomie, la prospective Haute Résolution Angulaire propose d'augmenter le nombre de sous-pupilles des interféromètres optiques. Associés à des techniques de densification de pupille, les futurs interféromètres seront capables d'imager des cibles astrophysiques faibles et/ou de taille apparente réduite. Il en résulte des contraintes instrumentales constituant le défi technique et technologique dans lequel s'inscrit mon travail de Thèse. Les conditions de propagation et la qualité de recombinaison des faisceaux collectés par chaque sous-pupille régissent les performances en termes de stabilité de l'image et de sensibilité des réseaux optiques. Pour garantir un mélange interférométrique cohérent et la possibilité d'observer sur des temps d'intégrations supérieurs à quelques millisecondes, il est nécessaire de maintenir la différence de marche optique à une valeur inférieure à la fraction de longueur d'onde grâce à un dispositif de cophasage. Je propose une méthode dédiée à la mise en phase des grands interféromètres : la Diversité de Phase Chromatique. Celle-ci est fondée sur une analyse spectrale des images à plusieurs longueurs d'onde permettant de déterminer en temps réel les différences de marche optique à compenser par les lignes à retard de l'instrument. Après une étude théorique et numérique de la méthode à travers l'analyse de cas réalistes, je présente sa mise en œuvre pratique sur le banc hypertélescope fibré SIRIUS développé à l'Observatoire de la Côte d'Azur.

Le travail présenté dans ce manuscrit est consacré à la restitution et à l'interprétation des profils verticaux de rapports de mélange du chlorure d'hydrogène (HCl) et du formaldéhyde (H2CO) mesurés par l'instrument sous ballon SPIRALE (SPectroscopie InfraRouge par Absorption de Lasers Embarqués), au cours de deux vols effectués en région intertropicale depuis Teresina (Brésil, 5.1°S-42.9°S), le 22 Juin 2005 et le 9 Juin 2008. Les problématiques scientifiques liées à l'étude de ces composés, les caractéristiques de la haute troposphère et de la basse stratosphère intertropicale et enfin celles du spectromètre SPIRALE sont décrites. L'étude de faisabilité de la mesure de H2CO a permis de définir la position et l'intensité de la raie d'absorption la plus adéquate pour la mesure stratosphérique de ce composé (à 2912.1 et 1701.5 cm-1). Les profils verticaux de rapports de mélange de H2CO obtenus au cours de ces vols de SPIRALE sont présentés et comparés. Les mesures de HCl sont les premières à avoir été réalisées in situ dans la basse et moyenne stratosphère intertropicale. Dans la couche de transition intertropicale, celles-ci sont utilisées en lien avec des mesures récentes de composés à très courte durée de vie (VSLS), afin d'estimer la contribution de ceux-ci au bilan du chlore stratosphérique. Dans la moyenne stratosphère, les signatures visibles sur les profils verticaux de HCl et sur ceux d'ozone acquis simultanément sont étudiées en lien avec l'oscillation quasi-biennale. En outre, le bon accord entre SPIRALE et l'instrument MLS du satellite Aura a permis de conforter la fiabilité de celui-ci pour la mesure de HCl.

Les résultats basés sur les mesures d'ondes 'électromagnétiques effectuées par le satellite DEMETER sont présentés. Nous nous concentrons sur deux phénomènes différents : 1) les effets liés à l'activité sismique 2) les 'émissions avec des structures fréquentielles linéaires. 1) Nous présentons une étude statistique de l'intensité des ondes électromagnétiques observées à proximité des tremblements de terre. Nous montrons que pendant la nuit il y a une diminution statistiquement significative de l'intensité des ondes peu avant le choc principal. 2) Nous présentons une étude systématique des événements ayant des structures fréquentielles linéaires. Un ensemble d'événements statistiquement significatif a 'été obtenu en utilisant une procédure automatique ainsi qu'une inspection visuelle des données. Tous les événements sont entièrement analysés et classifiés. Dans la gamme EBF (ou toutes les six composantes électromagnétiques sont mesurées pendant le mode Burst), une analyse détaillée des ondes a été faite.

Les exigences en matière de stabilité et de linéarité des instruments utilisés en radioastronomie sont particulièrement sévères. Ce mémoire présente la conception et la réalisation d'un détecteur continuum adapté à ce cahier des charges. Une étude théorique démontre que le détecteur à diode Schottky ne répond pas à ces besoins. L'instrument finalement réalisé, construit à partir d'une diode tunnel, possède un bruit proche de la limite physique fondamentale. Il reste cependant très simple. Le chapitre suivant est consacré à l'étude et à la réalisation de l'électronique d'acquisition d'un spectrographe acousto-optique à large bande et à l'etude de ses caractéristiques dans des conditions d'utilisation réelles. Il inclut la description d'une méthode simple qui permet de s'affranchir des erreurs de linéarité différentielle du convertisseur analogique-numérique. La validation des caractéristiques du spectrographe s'appuie sur la comparaison avec deux batteries de filtres identiques. Sur le plan scientifique, il présente l'observation d'objets du système solaire entourés d'une atmosphère et l'interprétation des résultats dans le cas de Titan.

De part sa capacité de très haute résolution angulaire, l'interférométrie optique est une technique d'observation parfaitement adaptée pour l'étude des zones les plus internes d'objets complexes tels que les étoiles jeunes et leur environnement proche, les noyaux actifs de galaxie ou les binaires en interactions. Bien qu'étant entrée dans l'aire de l'imagerie avec des instruments de nouvelle génération tels que PIONIER au VLT Interferometer, ou MIRC à CHARA (combinant 4 ou 6 télescopes), l'interférométrie optique est forte- ment handicapée par les perturbations atmosphériques. Les suiveurs de franges sont des instruments développés spécifiquement dans le but de compenser ces perturbations, permettant ainsi d'augmenter la sensibilité des interféromètres d'un facteur 10 à 1000. Dans la première partie de ma thèse, je présente le résultat d'études visant à définir un concept optimal de suiveur de frange de seconde génération pour le VLTI. Je démontre en premier lieu l'intérêt du filtrage spatial monomode pour le suivi de frange, ainsi que l'importance capitale de l'Optique Adaptative pour l'interférométrie, y compris pour des télescopes de 1 à 2 mètres de diamètre. Je dé- termine ensuite la meilleure méthode de mesure de la position des franges et la configuration de recombinaison des télescopes offrant le meilleur compromis entre sensibilité et robustesse du suivi de frange. Ces études ont finalement menées au concept de suiveur de frange POPS proposé à l'ESO par l'IPAG. Dans la seconde partie de ma thèse, je me suis intéressée aux binaires en interaction, objets en mesure d'apporter des réponses à un vaste champs d'études, du fait de la diversité des processus physiques en jeu. Leur étude à très haute résolution angulaire, permise par l'interférométrie optique, se montre parfaitement complémentaire des techniques classiques employées jusque là. Je me suis intéressé au cas du système SS Leporis, observé avec les instruments AMBER et PIONIER du VLTI. Nous avons obtenu les premières reconstructions d'images d'une binaire en interaction avec le VLTI. Ces observations nous ont permis d'avoir une nouvelle vision de ce système méconnu, ouvrant par la même la voie à l'étude des binaires en interaction au VLTI.

La mission PILOT a pour objectif l'étude de l'émission polarisée des grains de poussières du milieu interstellaire dans le domaine submillimétrique, à 240 et 550 μm. L'instrument scientifique sera embarqué à bord d'un ballon stratosphérique à une altitude d'environ 40 km. Un champ de vue de 0.8°×1°, ainsi qu'une résolution de l'ordre de la minute d'arc sont requis pour atteindre les objectifs scientifiques. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser à la fois un plan focal étendu, un miroir de grand diamètre ainsi qu'un système ré-imageur. Le télescope est de plus en configuration hors axe, une combinaison de forme et d'angle entre les miroirs primaire et secondaire doit donc être respectée de façon à optimiser la qualité image et à minimiser la polarisation instrumentale. L'objectif de mes travaux de thèse était d'estimer les performances de ce système optique, ainsi que leurs variations en fonction des conditions de vol. Tous les composants optiques seront refroidis à 3 K, à l'exception du miroirprimaire. Le contrôle des caractéristiques de ce miroir en fonction des conditions d'environnement est indispensable à l'obtention de performances optimales en vol. J'ai évalué les caractéristiques du miroir primaire en combinant des mesures tridimensionnelles, une caractérisation dans le domaine submillimétrique et des modélisations de déformées en température homogène, non homogène et en gravité. Les méthodes mise en place pour le miroir primaire ont également été appliquées aux lentilles du système ré-imageur. Les résultats obtenus sur le miroir primaire et les lentilles ont été intégrés à la modélisation du système optique. Il a ainsi été possible de valider l'adéquation entre les performances nominales et réelles et d'optimiser le positionnement de chaque composant optique pour l'intégration de l'instrument. Le degré de polarisation de l'émission polarisée des grains de poussières est de l'ordre de quelques pourcents. L'interprétation du signal mesuré par l'instrument nécessite donc une bonne connaissance de la polarisation instrumentale induite par l'instrument. J'ai estimé, par modélisation, les matrices de passage de l'instrument en fonction de la position du point du champ observé, de l'orientation du plan de polarisation de l'état de polarisation incident et de l'orientation de l'axe optique de la lame demi-onde. La campagne de tests de l'instrument intégré, me permettra de vérifier et d'optimiser ces matrices.