Les performances des filtres interférentiels répondent aujourd'hui à des spécifications de plus en plus exigeantes et permettent de repousser les limites physiques des instruments optiques dans lesquels ils sont intégrés. Au cours du processus de fabrication d'un filtre, il est évidemment primordial de maîtriser avec une très grande précision (typiquement sub-nanométrique) l'épaisseur optique des couches déposées. Ceci nécessite le recours à une mesure in situ des caractéristiques optiques de l’empilement tout au long de son dépôt.Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau système de contrôle optique qui rend possible la mesure simultanée de la transmission d’un empilement, d’une part à une seule longueur d’onde, définie par l’utilisateur dans le domaine spectral compris entre 350 et 1000 nm (contrôle monochromatique présentant une résolution de 0,35 nm), et d’autre part sur l’ensemble de ce domaine spectral (contrôle large bande présentant une résolution de 3 nm). Ces deux mesures sont réalisées en 6 millisecondes à une cadence de 2 Hz (fréquence de rotation du porte-substrat), et ce, de manière parfaitement synchrone. En outre, grâce à la mise en place, dans le plateau porte-substrat, d’une voie de référence correspondant à une absence d’échantillon, ce dispositif de contrôle présente une très grande stabilité et une justesse meilleure que le pour mille. Enfin, une méthode numérique a été développée pour rendre possible une comparaison fiable des résultats fournis par les deux voies de mesure malgré la différence de leur résolution spectrale.Ce dispositif ouvre la voie à l’utilisation de plusieurs critères indépendants pour définir en temps réel l’instant précis où le dépôt d’une couche doit être arrêté (annulation de la dérivée de la transmission à une longueur d’onde, comparaison de cette transmission monochromatique à un niveau pré-défini, minimisation d’une fonction de mérite quantifiant l’écart entre le spectre mesuré et un spectre de référence défini par le calcul, respect d’une durée de dépôt utilisant une mesure optique in situ de la vitesse de dépôt). Il s’agit donc bien d’un contrôle multi-critère tout optique.La première application des potentialités de ce nouveau système a concerné la détermination des constantes optiques (indice de réfraction, coefficient d’extinction) d’un matériau diélectrique de haut indice, le pentoxyde de tantale. La méthode utilisée met en œuvre un enregistrement de l’évolution de la transmission spectrale de l’échantillon tout au long de la croissance de la couche (voie large bande) et un traitement, longueur d’onde par longueur d’onde, du profil temporel de cette évolution. Cette nouvelle méthode ne nécessite donc pas le choix a priori d’une loi de dépendance spectrale pour chacune de ces deux constantes optiques. Elle ouvre également la voie à une analyse de l’évolution de l’indice de réfraction d’une couche en fonction de l’épaisseur qui lui est assignée. Enfin, elle est transposable à des matériaux bas indice, comme, par exemple, la silice / The performances of complex interference filters meets today to exigent specifications and permit to enhance the physical limits of optical instruments in which they are integrated. During the manufacturing of a filter, it is obviously important to monitor with very high accuracy (typically sub-nanometric) the thickness of the deposited layers. This requires the use of an in situ measurement of the optical characteristics of the multilayer during the process.In the framework of this thesis, we have developed a new optical monitoring system which makes possible to achieve the simultaneous measurement of the transmittance of a multilayer filter, on one hand at a single wavelength defined by the user in the spectral range between 350 nm and 1000 nm (monochromatic monitoring with a resolution of 0.35 mm), and on the other hand on this whole spectral range at single shot (broadband monitoring with a resolution of 3 nm). These two measurements are made in 6 milliseconds at a rate of 2 Hz (corresponding to the rotation speed of the substrate holder), and are perfectly synchronized. In addition, the substrate holder tray is designed with a reference channel corresponding to a void position (without sample). Thanks to that configuration the monitoring system has a very high stability and accuracy better than 0.001. Finally, a numerical method has been developed to enable the comparison of the results provided by the two acquisition channels (monochromatic and broadband) taking into account the difference of their spectral resolution.This system opens the way for the use of several independent criteria to determine in real time the exact moment when the deposition of a layer must be stopped (turning point monitoring, trigger point monitoring, broadband monitoring, achievement with time monitoring using an optical in situ determination of the deposition rate). So this is indeed an all optical multi-criteria monitoring systems.This first application of this system has involved the determination of the optical constants (refractive index and extinction coefficient) of a high index dielectric material: the tantalum pentoxide. The method used is based on a recording of the evolution of the transmitted spectrum of a witness sample during the growth of the layer (broadband channel) and a processing, wavelength by wavelength, of the timing data profile of that evolution. This new method does not require any descriptive spectral dependence law for each of the two optical constants. It also paves the way for an analysis of the behavior of the refractive index of a layer in function of the thickness. Finally, it is applicable to low index materials, such as, for example, silica.

Ce travail avait pour objectif d'aborder la problématique des dispositifs accordables en radiofréquence. Il a été mené au travers des conceptions et caractérisations de deux fonctions : un adaptateur d'impédance à 1 GHz et un filtre passe-bas contrôlé optiquement à 6 GHz.<br />L'adaptateur d'impédance accordable a été réalisé en technologie hybride : structure coplanaire et composants montés en surface. La topologie choisie est une structure en Π avec comme composant accordable un varactor en série avec une inductance. Les simulations et les mesures sont en très bon accord. L'adaptateur couvre largement l'abaque de Smith, les impédances variant entre 6 Ω et 1 kΩ en module, avec un accord en fréquence sur une bande relative de 50%.<br />La seconde étude a porté sur un filtre passe-bas à structure périodique. Après avoir étudié une variation périodique particulière de l'impédance caractéristique (en forme d'exponentielle de sinusoïde) grâce à la théorie des modes couplés, une étude des possibilités d'utilisation du contrôle optique dans cette structure a été menée et un prototype de filtre passe bas a été réalisé avec les moyens de la salle banche de l'IMEP-LAHC. L'accord en fréquence du filtre est fait par le contrôle optique de défauts dans le plan de masse. Ceci permet une variation théorique de la fréquence de coupure de 1 GHz.

Depuis la fin de ma thèse, mes travaux de recherche se sont orientés vers la modélisation, la conception et la caractérisation de dispositifs passifs hyperfréquences accordables. L'accordabilité pouvant être envisagée aussi bien par du contrôle optique sur substrat silicium haute résistivité, que par des varactors intégrés ou reportés, ou bien encore par des capacités MIM ferromagnétiques. Ces activités sont à la fois liées au domaine de la modélisation électrique et électromagnétique de filtres et d'adaptateurs d'impédances accordables ainsi qu'au domaine des techniques de mesures sensibles hyperfréquences sur silicium. Je résumerai donc ces recherches qui s'appuient sur les travaux des doctorants et stagiaires que j'ai encadrés depuis une dizaine d'années.

L'étude du contrôle optique de composants hyperfréquences consiste en la compréhension et la simulation des phénomènes physiques mis en jeu, à savoir, l'injection optique et la propagation d'une onde hyperfréquence au sein de la charge photo-induite. L'objectif est d'obtenir une simulation complète. Ainsi la partie optique est résolue par un calcul semi-analytique tridimensionnel de l'injection optique pour obtenir la concentration de porteurs excédentaires dans le substrat. Ce calcul semi-analytique permet de plus la réalisation d'une étude de sensibilité par rapport aux paramètres physiques et géométriques du substrat et du faisceau laser. Dans un deuxième temps, cette charge photo-induite, déduite de la concentration, est modélisée sous un logiciel électromagnétique pour obtenir le comportement fréquentiel du composant contrôlé optiquement. Toutes ces simulations sont enfin comparées aux mesures pratiques réalisées sur des composants simples en technologie coplanaire.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l'émission résonnante de boîtes quantiques uniques InAs/GaAs en microcavité planaire. Un montage original d'excitation par fibre optique est mis en oeuvre afin de découpler spatialement l'excitation résonnante de l'émission des boîtes quantiques et de s'affranchir de la diffusion parasite du laser superposée au signal d'émission résonnante. Des études en puissance d'excitation et les mesures des fonctions de corrélation du premier et deuxième ordre confirment qu'une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante peut être assimilée à un véritable système à deux niveaux. Cependant, l'environnement électrostatique lié aux impuretés non-intentionnelles de l'échantillon influence fortement l'émission résonnante des boîtes quantiques. Il apparaît pour la quasi-totalité des boîtes quantiques une complète inhibition de l'émission résonnante par blocage de Coulomb. L'utilisation d'un laser non-résonant supplémentaire de très faible puissance permet de résoudre ce problème grâce à un contrôle optique très efficace de l'émission résonnante. En effet, en présence de ce " gate " optique, l'émission résonnante est débloquée et les propriétés d'un système à deux niveaux sont spectaculairement restituées. Les effets du " gate " optique sur l'émission résonnante, le décalage spectral de l'émission résonnante et la statistique des photons émis sont parfaitement expliqués de manière quantitative par un modèle de population aléatoire que nous avons développé au cours de cette thèse.

Les optiques utilisées pour les expérimentations utilisant la lumière blanche ou des lasers, sont généralement traitées afin de fonctionnaliser optiquement la surface pour, par exemple accroître leur faculté à réfléchir la lumière ou au contraire à la transmettre. Ceci est fait au moyen de machines de dépôt sous vide dans lesquelles différentes techniques de dépôt peuvent être utilisées. Dans tous les cas, de la matière est envoyée sur la surface de l'optique à traiter : des couches minces de différents matériaux sont alternativement déposées à leur surface. Cette amélioration des fonctions optiques exploite l'interférence des rayons lumineux qui sont réfléchis ou transmis par ces couches minces. Mais pour que le traitement soit efficace, il est nécessaire que les épaisseurs de chaque couche déposées respectent un schéma défini à l'avance : le design optique, il s'agit du plan de l'empilement des couches à déposer et de leurs épaisseurs théoriques.Différentes techniques de contrôle in-situ de l'épaisseur des couches minces existent. L'une d'elles, le contrôle quartz, est une technique de contrôle largement répandue pour sa simplicité de mise en œuvre mais possède une précision limitée à seulement quelques pourcents. Le sujet de cette thèse porte sur le développement et l'installation dans une machine de dépôt, prévue pour de grandes optiques, d'un système de contrôle basé sur l'analyse spectrale d'une lumière réfléchie par l'optique en cours de dépôt. Il s'agit d'un contrôle optique large-bande, technique mise en place dans la grande machine de dépôt du laboratoire afin de remplacer le contrôle quartz.Nous commencerons cette thèse par un aperçu des différentes techniques de dépôts utilisées au laboratoire puis des techniques de contrôle d'épaisseur les plus répandues dans le domaine des couches minces. Ensuite, nous continuerons sur le design et l'installation du système optique qui permet d'effectuer la mesure des couches en cours de dépôt. Enfin, nous monterons que les spécifications fixées sur les empilements de couches minces ont été atteintes avec précision et répétabilité / The optics that are generally used for the experiments using white light or lasers, have their surfaces usually treated in order to enhance their optical characteristics. This is done inside vacuum coating machines with different possible techniques. With all these techniques, some matter is deposited on the optical surface: several thin films of different materials are deposited in a stack. These improvements use the light interference properties of the beams that are reflected or transmitted by the thin films. But in order to make this effect the most efficient, it is necessary that the layer thicknesses respect an optical design: the layer stack and their theoretical thicknesses.Different in-situ thickness monitoring techniques exist. One of them, the quartz crystal microbalance technique, is widely used for its simplicity but it only allows an accuracy of a few percent. The thesis topic was the development and the installation of a thickness monitoring, in a large coating chamber used for large optics coating, in order to replace th quartz microbalance monitoring. . This is a broadband optical system performing a spectral analysis of the reflected beam from the optic during the coating. We will start this manuscript with a quick overviewof the deposition techniques available at the laboratory. Then, we will review the most widely used thickness monitoring methods in the domain of thin films. We will continue with the design and the installation of the optical system inside the coating chamber. Finally, we will show that the success criteria of the deposition tests were met with accuracy and repeatability

La réalisation de fonctions de filtrage complexes nécessite une parfaite maîtrise du processus de dépôt ainsi qu’un contrôle précis et en temps réel de l’épaisseur optique des couches déposées. Au cours de ma thèse, consacrée au développement de nouvelles modalités de contrôle optique in situ, je me suis particulièrement intéressé à deux sujets différents, à savoir : - D’une part, la détermination de la dépendance spectrale des constantes optiques (indice de réfraction et coefficient d’extinction) de matériaux diélectriques. Un moyen possible pour effectuer cette détermination consiste à utiliser un système de contrôle optique large bande afin d’enregistrer les spectres de transmission de l’empilement au fur et à mesure de sa formation. En effet, l’évolution temporelle, à chaque longueur d’onde, de ces spectres de transmission contient des informations quantitatives liées aux constantes optiques que nous souhaitons déterminer. - D’autre part, la mesure en temps réel du coefficient de réflexion (r) d’un empilement, en amplitude et en phase, lors de son dépôt. En effet, les méthodes de contrôles optiques en intensité présentent des limitations que la connaissance de l’information de phase devrait permettre de contourner. Cette mesure est réalisée par interférométrie holographique digitale à faible cohérence sur un substrat éclairé par sa face arrière et dont la face avant est équipée d’un masque annulaire. Ceci donne accès aux information de phase et d’amplitude recherchées tout en s’affranchissant des vibrations générées par le fonctionnement de la machine de dépôt ainsi que du mouvement de rotation à 120 tours par minute qu’effectue le porte-substrat. / The realization of complex filtering functions requires a perfect mastering of the deposition process as well as an accurate real time monitoring of the optical thickness of the deposited layers. During my PhD thesis, devoted to the development of new methods of in situ optical monitoring, I was particularly interested in two different subjects, namely:- On the one hand, the determination of the spectral dependence of optical constants (refractive index and extinction coefficient) of dielectric materials. A possible way to achieve this determination consist in using a broadband optical monitoring system in order to record the transmission spectra, in real time, of the stack during its formation. Indeed, the temporal evolution, at each wavelength, of these transmission spectra provide quantitative information related to the optical constants that we wish to determine.- On the other hand, the real time measurement of the reflection coefficient (r) of a stack, in amplitude and phase, during its deposition. Indeed, the optical monitoring methods based on intensity proprieties present some limitations that the knowledge of phase information should overcome. This measurement is performed by low coherence digital holographic interferometry on a substrate illuminated by its rear face and whose front face is equipped with an annular mask. This gives access to desired phase and amplitude information while avoiding the parasitic influence of the substrate motions induced by the vibrations of the deposition machine, and the rotation of the substrate holder at 120 rounds per minute.

Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites " magiques " où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs.

Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites « magiques » où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs. / The theoretical work presented in this thesis is focused on the formation of ultracold bialcaline molecules and on the control of their external and internal degrees of freedom. This study is motivated by the increasing number of experiments aiming at obtaining a quantum degenerate gas of molecules in their absolute ground state. The formation scheme we worked on is based on the Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) technique operated while molecules are trapped inside an optical lattice.We have determined the parameters of the optical lattice (intensity and wavelength of the laser) that allow for an efficient trapping of the alkali dimers by evaluating the dynamic polarizability of molecules in the presence of an external field. Such calculations require the accurate knowledge of the electronic structure of the molecules. We have identified the so-called ``magic'' wavelength for which all levels populated during the STIRAP sequence have the same polarizability, thus ensuring an optimal transfer. The same approach has also been used to compute the strength of the long-range interaction between polar bialkali molecules needed to evaluate collision rates.The particular case of the RbCs molecule has been investigated. We have selected a radiative transition allowing for an efficient STIRAP scheme yielding molecules in their rovibrational ground state. These works have raised the need for the precise knowledge of the hyperfine structure of the excited electronic molecular state involved in the STIRAP scheme. We have developed an asymptotic model to obtain a first estimate of the hyperfine structure for the potential curves of the lowest excited states of Cs2 and RbCs.

Ce travail a porté sur l'étude expérimentale de la dynamique électronique et vibrationnelle dans les nanoparticules de métaux nobles par des techniques pompe/sonde femtosecondes basées sur un oscillateur titane-saphir. Dans un premier temps nous nous sommes intéressés à la thermalisation électrons-réseaux. Une étude en fonction de l'énergie des impulsions de pompe montre la transition entre un régime de forte perturbation et un régime de faible perturbation. Dans ce dernier cas, les temps caractéristiques mesurés sont indépendants de la puissance de pompe et diminuent avec la taille de la nanoparticule pour des diamètres inférieurs à 10 nm. Cette accélération du transfert d'énergie électrons-réseau a été attribuée à une diminution de l'écrantage de l'interaction coulombienne au voisinage des surfaces. Des études préliminaires sur des nanoparticules dont la surface a été modi fiée ont été réalisées. Nous avons ensuite étudié les modes de vibrations acoustiques de nanoparticules métalliques. La contribution au signal dans le domaine temporel de modes radiaux d'ordres supérieurs a été mise en évidence. En réalisant le contrôle optique de ces oscillations, nous avons pu observer sélectivement le mode harmonique radial d'ordre 1 et extraire ses caractéristiques. Parallèlement, une méthode optique de détection et de mesure directe de l'extinction d'une nanoparticule individuelle a été développée. Elle consiste à moduler périodiquement la position d'un échantillon formé par des nanoparticules déposées sur un substrat transparent à très faible densité. L'absorption par une nanoparticule d'un faisceau laser fortement focalisé se traduit par une modulation de l'énergie transmise, qui est détectée. Cette méthode a été utilisée pour mesurer la section e fficace d'extinction de nanoparticules d'or isolées jusqu'à un diamètre de 5 nm. Les valeurs obtenues sont en bon accord avec les prédictions de la théorie de Mie réalisées en prenant une constante diélectrique effective.