Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée. / For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented.

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. / The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.

Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital. / It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Einstein dans sa théorie de la Relativité Générale. Elles sont des perturbations de l'espace-temps que l'on essaie de mettre en évidence par interférométrie laser. Les détecteurs sont des interféromètres de Michelson de plusieurs km de long combinés avec des cavités Fabry- Perot afin d'augmenter la sensibilité de l'instrument. La première génération de détecteurs (Virgo, LIGO, GEO) n'a pas permis d'obtenir une détection directe malgré plusieurs phases d'observations en coïncidence à la sensibilité prévue. Une seconde génération de détecteurs est actuellement en préparation avec notamment le projet européen Advanced Virgo qui devrait avoir une sensibilité améliorée d'un ordre de grandeur. Cette thèse s'intéresse dans un premier temps aux effets de lentille thermique due à la haute puissance contenue dans les cavités Fabry-Perot pour différentes configurations optiques de l'interféromètre. Par la suite, nous nous intéresserons aux miroirs qui composent les cavités Fabry-Perot depuis la définition des besoins en termes de planéité à la réalisation de cette planéité et à sa mesure. La planéité de ces miroirs doit être sub-nanométrique de façon à limiter les pertes optiques dans les cavités Fabry-Perot et ainsi réduire les effets du bruit de photons et de la lumière diffusée. Nous verrons la réalisation de la correction de la planéité des substrats par la technique dite du traitement correctif. Nous étudierons aussi l'uniformité du dépôt des couches minces diélectriques nécessaires à l'obtention de surface hautement réfléchissante avec en particulier l'étude du mouvement planétaire des substrats dans la machine de dépôts.