L'objectif principal de cette thèse porte sur l'étude et la conception d'une cavité Fabry Pérot de haute finesse pour amplifier un faisceau laser dans le but d'atteindre des gains de puissance allant de 1E4 à 1E5. Cette cavité est destinée à la production de rayons-X intenses et monochromatiques pour des applications médicales (anneau médical RADIOTHOMX) et de rayons gamma, pour la source de positrons polarisés pour les collisionneurs linéaires CLIC "Collisionneur Linéaire Compact" et ILC "International Linear Collider", par interaction Compton entre un faisceau laser de grande puissance et un faisceau d'électrons. <br />Pour augmenter la luminosité de l'interaction Compton aux points de collisions, il est essentiel d'avoir non seulement un faisceau laser de très grande puissance mais il faut aussi que le faisceau soit très focalisé au point d'interaction. Pour atteindre de telles performances, deux cas de figures se présentent : une cavité concentrique mécaniquement instable ou une cavité à quatre miroirs plus complexe mais plus stable. Nous avons testé numériquement la stabilité mécanique et la stabilité de polarisation des modes propres de la configuration non planaire de différentes géométries de cavités à quatre miroirs. Expérimentalement, nous avons développé une cavité à quatre miroirs tétraédrique, des rayons de l'ordre de 20 micromètres ont été obtenus. Les modes propres de cette cavité, dans ses deux géométries planaire et non planaire, ont été mesurés et comparés aux résultats calculés numériquement. Un bon accord a été observé. <br />Dans un deuxième temps, l'impact de l'interaction Compton sur la dynamique transverse, dans le cas de la source de positrons polarisés, et sur la dynamique longitudinale, dans le cas de l'anneau médical, du faisceau d'électron a été étudié. La diffusion Compton provoque une perte d'énergie et induit une dispersion d'énergie additionnelle du faisceau d'électrons. Dans le cas de la source de positrons polarisés, dix points de collisions sont prévus. La ligne de focalisation a été déterminée et une modélisation de l'effet de l'interaction Compton sur le transport du faisceau, avec un calcul matriciel simple, a été faite. Dans le cas de l'anneau médical, l'interaction Compton provoque l'allongement du paquet d'électrons, qui à son tour influence le flux de rayons-X produit. Une étude de la dynamique longitudinale du faisceau d'électrons dans l'anneau a été présentée. Les paramètres de l'anneau qui permettent d'optimiser la luminosité de l'interaction Compton ont été discutés. Le flux de rayons-X qui peut être atteint avec ces paramètres est de l'ordre de 1E13 photons/s.

Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

Un interféromètre à miroirs suspendus convertit les ondes gravitationnelles, perturbations de la géométrie de l'espace temps, en une variation de temps de vol d'aller-retour de photons entre deux masses inertielles au repos.<br />J'ai réalisé l'asservissement en fréquence du laser pour mesurer ces variations de temps de vol. La stabilité relative de fréquence en boucle du laser est de 1e-21 sur 100 ms ; je montre que le système obtenu respecte les spécifications. J'étudie dans le mémoire les propriétés d'un système où les boucles d'asservissements sont imbriquées.<br />Les cavités optiques résonnantes de l'interféromètre Virgo sont les éléments essentiels de la conversion d'une onde gravitationnelle. J'étudie l'ensemble des propriétés d'un oscillateur Fabry-Perot. Je montre comment elles peuvent être évaluées in situ à partir de mesures des fonctions de transfert utilisées pour leur verrouillage. Les cavités Fabry-Perot sont les oscillateurs de référence. Je fais un état des lieux de l'ensemble des perturbations susceptibles de perturber la stabilité de phase.

Cette thèse porte sur la localisation et la manipulation de la lumière à l'échelle de la longueur d'onde. Les travaux ont d'abord porté sur des micro-cavités à grands facteurs de qualité (Q) intégrées sur des guides rubans reposant sur un substrat (SOI). L'optimisation des miroirs grâce à une ingénierie de mode basée sur l'adaptation des profils des modes, a permis d'obtenir des Q allant jusqu'à 60000 pour un volume modal de 0,6(lambda/n)3. Le confinement a pu être observé par microscopie en champ proche et nous avons montré qu'il était possible de contrôler ces cavités par une pointe SNOM. . Enfin, nous nous sommes intéressés aux modes lents en abordant de façon théorique l'injection efficace de la lumière dans un mode lent.

Ce travail de recherche a été mené afin d'introduire une nouvelle classe de résonateurs Fabry-Pérot (FP) : les cavités FP incurvées basées sur des miroirs de Bragg sans revêtement, de forme cylindrique sont obtenues par micro-usinage du silicium. Une autre spécificité est la longueur de la cavité relativement grande (L> 200 µm) combinée à un haut facteur de qualité Q (jusqu'à 10^4 ), pour répondre aux applications de type spectroscopie d'absorption améliorée par résonance optique, dans lesquelles le produit Q.L est une figure de mérite. Dans ce contexte, l'architecture de base a été modélisée analytiquement pour déterminer les modes transverses d'ordre élevé supportés par de telles cavités. Par conséquent, les conditions expérimentales qui conduisent à une excitation préférentielle (ou rejet) de ces modes ont été testées menant à la validation de notre modèle théorique et à une meilleure compréhension du comportement de la cavité. Une seconde architecture,basée sur la cavité FP incurvée avec une lentille cylindrique a été développée dans le but de fournir une architecture plus stable. Cette dernière a été également modélisée, fabriquée et caractérisée, menant à l'amélioration attendue en termes de performances. D'un autre côté, un point surlignant l'une des applications potentielles que nous avons identifiées pour les cavités incurvées est présentée en insérant la cavité dans un système électromécanique. Ceci consiste à exciter et mesurer les vibrations d'amplitude nanométrique par couplage opto-mécanique dans un résonateur mécanique MEMS intégrant une cavité optique FP. Enfin, comme complément à notre étude sur les résonateurs, nous avons commencé à explorer les applications des interféromètres optiques à base de miroirs de Bragg en silicium. À cette fin, un microsystème de mesure optique a été conçu, fabriqué et caractérisé, il consiste en une sonde optique pour la profilométrie de surface dans des milieux confinés, basé sur un interféromètre de Michelson monolithique en silicium / This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer

La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d'un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d'une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d'onde d'excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l'observation de la saturation en régime d'éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l'accroissement du signal de détachement produit lors de l'éclairement d'un jet d'ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d'interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm - longueur d'onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres - en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S'asservir sur l'une de ces résonances permettrait d'augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l'étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l'atome neutre est laissé dans un terme excité.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de laRelativité Générale. Elles sont des perturbations de l’espace-temps que lon essaie de mettre en évidence parinterférométrie laser. Plus précisément les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs kmde long combinés avec des cavités Fabry-Perot afin d'augmenter la sensibilité de linstrument. La premièregénération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n’a pas permis d’obtenir une détection directe malgré plusieursphases d’observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde g´enération de détecteurs estactuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo. Ce détecteur devraitavoir une sensibilité améliorée d’un ordre de grandeur par rapport à linterféromètre Virgo. Les miroirs del’interféromètre jouent un rôle primordial dans la sensibilité d’Advanced Virgo puisque celle-ci est limitéeà dans les fréquences médianes par le bruit thermique des miroirs et aux hautes fréquences par la quantitéde photons que lon arrive à collecter dans les cavités de linterféromètre. La haute puissance contenue dansles cavités Fabry-Perot induit des effets de lentille thermique importants. Cette thèse s’intéresse dans unpremier temps aux effets de lentille thermique dans linterféromètre pour différentes configurations optiques.Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définitiondes besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirsdoit être sub-nanométrique de faon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi r´eduireles effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de laplanéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l’uniformité dudépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l’obtention de surface hautement réfléchissante avec enparticulier l’étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts. / Gravitational waves have been predicted by Einstein in his General Relativity theory. Theyare perturbation of the space-time metric and we try to reveal them by laser interferometry. More precisely,gravitational wave detectors are km long Michelson interferometers combined with Fabry-Perot cavities.The network of first generation detectors (Virgo, LIGO, GEO) did not permit a direct detection afterseveral observational runs in coincidence at the nominal sensitivity. A second generation of detectors is inpreparation with in particular the European project Advanced Virgo. This detector should have a sensitivityincreased by an order of magnitude compared to Virgo. The interferometer mirrors play a crucial role inthe Advanced Virgo sensitivity as it is limited by the mirror thermal noise in the mid-frequency regionand by the amount of photons collected in the interferometer cavities at high frequencies. The high powercirculating in the Fabry-Perot cavities induces important thermal lensing effect. This thesis is interestedfirst in the thermal lensing effect in the interferometer for different optical configurations. Then we areinterested in the mirrors composing the Fabry-Perot arm cavity from the calculation of the requirements interms of flatness to the realization of the mirrors flatness and its measurement. The mirror flatness shouldbe sub-nanometric in order to limit the optical losses in the Fabry-Perot cavities to reduce the effect of theshot noise and of the diffused light. We will see the correction of the substrates flatness by the so-calledcorrective coating technique. Finally, we study the uniformity of the dielectric multilayer coating depositionnecessary to obtained high-reflective mirrors. We study in particular the planetary motion of the substratesin the coating machine.

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.

Dans cette thèse, nous initions la démonstration, à échelle réduite, de la faisabilité du photodétachement presque total, par laser, d’un jet d'ions négatifs d'hydrogène en cavité optique Fabry-Perot pour les futurs injecteurs de neutres destinés au chauffage des plasmas des réacteurs de fusion nucléaire.Nous élaborons une nouvelle méthode de mesure d’une section efficace de photodétachement, dont la connaissance à la longueur d’onde d’excitation est requise pour le dimensionnement de la cavité Fabry-Perot, basée sur l’observation de la saturation en régime d’éclairement impulsionnel. Le calcul analytique de l’accroissement du signal de détachement produit lors de l’éclairement d’un jet d’ions par une impulsion laser supposée gaussienne, fait apparaître une contrainte mathématique sur le flux requis pour transiter vers le régime saturé. Cette contrainte est une caractéristique de la transition vers la saturation pour toutes les expériences réalisées en faisceau gaussien et pour tous les processus d’interaction lumière-matière linéaires. Avec cette méthode, nous déduisons une section efficace de photodétachement de H- à 1064 nm – longueur d’onde sélectionnée pour les futurs injecteurs de neutres – en léger désaccord avec les prédictions théoriques.Pour réduire les exigences technologiques sur la cavité et le laser, nous étudions les résonances de Landau qui apparaissent dans le spectre de photodétachement en champ magnétique. S’asservir sur l’une de ces résonances permettrait d’augmenter la probabilité de photodétachement à un flux donné.Par ailleurs, nous présentons nos mesures des affinités électroniques du phosphore, du sélénium et de l’étain, réalisées avec le microscope de photodétachement. L'expérience de microscopie de photodétachement du phosphore est la première où l’atome neutre est laissé dans un terme excité. / In this thesis, we initiate the demonstration, at a reduced scale, of the feasibility of the almost-complete laser photodetachment of negative hydrogen ion beams in a Fabry-Perot optical cavity for future neutral beam injectors for the heating of fusion power plants plasmas.We develop a new method to measure a photodetachement cross section, the knowledge of which at the exciting wavelength is needed to scale the Fabry-Perot cavity, based on the observation of the saturation in a pulsed lighting regime. The analytical calculus of the detachment signal growth produced while illuminating a negative ion beam with a Gaussian laser pulse bring out a mathematical constraint on the required flux to pass through the saturated regime. This constraint is the signature of the transition toward the saturation for all experiment carried out in Gaussian beam and for all linear light-matter interaction processes. With this method, we measure the photodetachement cross section of H- at 1064 nm – selected wavelength for future neutral beam injectors – in slight disagreement with theoretical predictions.To reduce the technological requirement on the Fabry-Perot cavity and the laser, we study Landau resonances which appear in the photodetachement spectrum. Locking the laser on one of these resonances would allow increasing the photodetachment probability at a given flux.We also present our phosphorus, selenium and tin electron affinity measurements carried out with the photodetachment microscope. The photodetachment microscopy experiment of phosphorus is the first one where the neutral atom is left in an excited term.