Mesurer le rayonnement infrarouge de manière résolue spectralement à partir de satellites avec une très haute précision radiométrique constitue un besoin critique pour les futures missions de référence climatique. Pour les spectres de rayonnement infrarouge, il a été déterminé qu'une précision de mesure exprimée comme une erreur de température de brillance inférieure à 0,1 K est nécessaire pour la détection de tendances au-delà de la variabilité naturelle des signatures climatiques sur une décennie. Le “Space Science and Engineering Center” de l'Université du Wisconsin (UW-SSEC), avec le soutien financier du programme d'incubateur d'instrument de la NASA, a développé “l'Absolute Radiance Interferometer” (ARI). L' ARI est conçu pour répondre aux exigences nécessaires afin de réaliser des mesures de radiance absolue résolues spectralement à partir de l’espace, dans le cadre d’une mission de référence pour suivre les tendances du climat. Le défi dans le développement de capteurs infrarouges pour une telle mission est d'atteindre cette haute précision avec un design qui peut être qualifié pour le vol spatial, qui a une longue durée de vie et qui est relativement petit, simple et abordable. L’approche pour la conception de l’ARI fait usage de composants ayant un historique de vol spatial qui sont combinés en un ensemble fonctionnel pour tester les performances détaillées. La simplicité requise est réalisable en raison des grandes différences dans les exigences d'échantillonnage et de bruit par rapport à celles des sondeurs infrarouges de télédétection typiques pour la recherche ou les déploiements opérationnels pour la météo. L’aspect original de cet instrument et de cette thèse est donc la démonstration de l’atteinte de la haute précision radiométrique. Le but de cet effort est de démontrer avec succès la possibilité de telles mesures dans des conditions de laboratoire et de vide, sur un sous-ensemble de la gamme des températures de brillance attendues en orbite. Des progrès dans la compréhension de aspects instrumentaux des spectromètres ont été accomplis en lien avec la poursuite de cet objectif et sont également rapportés dans cette thèse. / Spectrally resolved infrared radiances measured from orbit with extremely high absolute accuracy constitute a critical observation for future climate benchmark missions. For the infrared radiance spectra, it has been determined that a measurement accuracy, expressed as an equivalent brightness temperature error, of 0.1 K confirmed on orbit is required for signal detection above natural variability for decadal climate signatures. The University of Wisconsin Space Science and Engineering Center (UW-SSEC), with funding support from the NASA Instrument Incubator Program (IIP), developed the Absolute Radiance Interferometer (ARI). The ARI is designed to meet the uncertainty requirements needed to establish a spectrally resolved thermal infrared climate benchmark measurements from space. The challenge in the infrared sensor development for a climate benchmark measurement mission is to achieve this ultra-high accuracy with a design that can be flight qualified, has long design life, and is reasonably small, simple, and affordable. In this area, our design approach for the Absolute Radiance Interferometer (ARI) made use of components with strong spaceflight heritage (direct analogs with high TRL) combined into a functional package for detailed performance testing. The required simplicity is achievable due to the large differences in the sampling and noise requirements for the benchmark climate measurement from those of the typical remote sensing infrared sounders for weather research or operations. The new aspect of the interferometer development is the ultra high absolute accuracy sought, and is the subject of this thesis. The goal of this effort is to successfully demonstrate this measurement capability under laboratory and vacuum conditions, over a subset of the range of equivalent earth scene brightness temperatures expected on-orbit. Advances in instrumental aspects have been achieved in the pursuit of this goal.

La détection de présence humaine est devenu un enjeu important dans de nombreux domaines comme la domotique ou l'automobile, par exemple. Les détecteurs infrarouges grand public, actuellement disponibles sur le marché ne sont pas aptes à faire la distinction entre une personne ou un animal domestique de façon absolument fiable. Pour répondre à ce problème, les matrices imageantes infrarouges classiques sont beaucoup trop onéreuses et trop performantes. C'est pourquoi nous avons choisi de développer des réseaux de microcapteurs de rayonnement infrarouge de quelques pixels avec le souci permanent de minimiser au maximum le coût de fabrication. Ces microcapteurs de type thermoélectrique, sont basés sur une structure originale permettant de les utiliser à l'air libre, sans encapsulation. Un modèle mathématique, prenant en compte les caractéristiques technologiques du microcapteur ainsi que son environnement thermique, a été mis au point et permet de définir la structure optimale à partir d'un cahier des charges. Une étude approfondie a été menée pour chaque étape technologique nécessaire à la réalisation de ces microcapteurs, depuis la membrane compensée en contrainte, jusqu'au dépôt de la couche de polyimide constituant l'absorbant infrarouge. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre le modèle mathématique et les valeurs expérimentales. Des microcapteurs destinés à optimiser la sensibilité à l'éclairement puis la détectivité spécifique ont été étudiés et fabriqués. L'objectif initial de réaliser une matrice imageante infrarouge basse résolution et faible coût a été atteint.

La conception d'instruments de mesure optique complexes comme des spectromètres par transformation de Fonder nécessite l'intégration de plusieurs sous-systèmes jouant tous un rôle critique dans les performances de l'ensemble. Ce mémoire fait d'abord un survol de l'intégration des systèmes lors de la conception d'un spectromètre par transformation de Fourier imageur avec une emphase particulière sur l'intégration du détecteur dans l'instrument. Une présentation des méthodes habituelles de caractérisation des performances des détecteurs sensibles à la lumière infrarouge; est ensuite effectuée puis une nouvelle méthode est proposée. Cette nouvelle approche de caractérisation de responsivité de détecteurs est dérivée; des techniques utilisées habituellement. Une étude de la théorie sous-jacente à cette méthode de caractérisation de responsivité est faite et les hypothèses requises sont présentées. Par la suite, une étude des performances de bruit des détecteurs est effectuée; et une méthode d'analyse expérimentale qui vise principalement à évaluer le bruit de grenaille de photodétecteur est analysée.

Ce travail évalue la potentialité de couches minces LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) déposées sur substrat comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique au voisinage de 300 K. Un banc de mesure optique a été mise en place (conception et réalisation) pour achever cet objectif. Ce banc a été utilisé pour caractériser les échantillons LSMO comme détecteur de rayonnement bolométrique. Un modèle thermique analytique détaillé de la structure couche-mince-sur-substrat est proposé. Il interprète les variations de la sensibilité optique par rapport la fréquence de modulation de la puissance laser rayonnée. La discussion du modèle comprend la présentation de la diffusion de la chaleur dans le substrat et la résistance thermique d'interface couche-substrat. Ce modèle a été analysé et validé à l'aide des résultats de mesure de plusieurs surfaces de détection (méandre forme) pour différents matériaux de substrat. La valeur de la résistance thermique de l'interface couche-substrat a été estimée pour les différents substrats. La caractérisation de bolomètre inclut les paramètres thermiques et électriques, comme le TCR et la conductance thermique, nécessaires pour qualifier sa performance. Ainsi, la mesure et l'analyse de sensibilité optique et le bruit de plusieurs pixels surfaces sur différents substrats sont présentés. Le rôle de pixel géométrie (pixel surface, l'épaisseur du film, nombre de méandres) et le matériau de substrat (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) sur les performances du bolomètre est étudiée, en utilisant les résultats de mesure et les données de calcul issus du modèle. La détectivité spécifique mesurée augmente pour une taille du pixel plus grand et une conductivité thermique du substrat plus petit. On estime 2x107 cm.W-1.Hz1/2 pour échantillon 200x200 µm² LSMO/STO. Pour LSMO/Si, un temps de réponse 21 µs été obtenue pour 50x50 µm², ce qui est comparable à celui des détecteurs photonique.

Ce travail propose une nouvelle voie de conception de micro-bolomètres non-refroidis, qui exploite la variation de résistance électrique avec la température au voisinage de 300 K de couches minces La0,7Sr0,3MnO3 déposées sur substrat de silicium. Un procédé de fabrication utilisant le micro-usinage du silicium a été optimisé afin de réduire la conductance thermique liant la couche mince au substrat. Nous avons vérifié que les propriétés électriques (résistivité électrique et bruit à basse fréquence) du La0,7Sr0,3MnO3 ne sont pas dégradées sur des ponts suspendus de largeur 2 ou 4 µm et de longueur 50 à 200 µm. La conductance thermique mesurée est bien décrite par un modèle analytique simple. L'isolation thermique du détecteur est réduite de 5 ordres de grandeur, augmentant d'autant la sensibilité des bolomètres. La détectivité spécifique dans la bande passante estimée à partir des mesures est égale à 1,1×1010 cm.Hz-1/2.W-1 à 1,5 µm et à 300 K, ce qui très proche de la limite théorique pour des détecteurs thermiques à 300 K (1,8×1010 cm.Hz-1/2.W-1). Nos détecteurs de rayonnement, dont les performances sont limités par le bruit de phonons, présentent des constantes de temps de réponse faible (<1 ms). Ils pourraient trouver préférentiellement des applications dans lesquelles un petit nombre de détecteurs et où une grande détectivité spécifique (ou une petite constante de temps de réponse) sont nécessaires. C'est par exemple le cas des applications pour la spectrométrie infrarouge ou des détecteurs de gaz de type non dispersif. Associés à des antennes, nos bolomètres pourraient également trouver des applications en détection THz.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec et Université de Rennes I, France / Le réchauffement climatique dû à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre constitue l’une des problématiques majeures actuelles. Dans ce contexte, le stockage du CO₂ dans des réservoirs géologiques se présente comme un moyen susceptible de limiter les conséquences de ces émissions sur l’environnement. Pour des raisons sécuritaires, cette méthode de gestion nécessite une surveillance continue des réservoirs de stockage à l’aide de capteur IR pouvant descendre dans les puits. L’application de cette technologie nécessite également de connaitre le comportement du CO₂ lors des différentes étapes de stockage, notamment lorsqu’il est dans son état supercritique. C’est pourquoi la microfluidique est actuellement utilisée afin de simuler et comprendre les phénomènes liés à l’injection et au stockage du CO₂ sous forme supercritique. La mise en œuvre d’une telle approche requiert : (i) le développement de nouvelles solutions compactes pour la surveillance in situ des réservoirs en continu pour sécuriser les sites de stockage et; (ii) la bonne compréhension du comportement du CO₂ lors des différentes étapes de stockage.Le premier axe de recherche consiste à synthétiser des matériaux vitreux afin d’optimiser l’efficacité d’un capteur optique de CO₂ pour la surveillance des sites de stockage en aquifère salin et susceptible de détecter d’autres gaz, tels le méthane ou le monoxyde de carbone. Le capteur doit pouvoir être déployé en profondeur et capable de détecter des concentrations inférieures à 1000 ppmv pour repérer rapidement d’éventuelles fuites. Les verres de chalcogénures dopés avec des ions de terres rares spécifiques, peuvent produire une luminescence qui peut ensuite être utilisée pour détecter les signatures infrarouges de toutes les molécules possédant des bandes d'absorption dans la région spectrale 3-5 μm. Les compositions vitreuses Ga₅Ge₂₀Sb₁₀(Se, S)₆₈ (%mol.) dopées Pr³+ et Dy³+ ont été développées en vue de réaliser un capteur environnemental de CO₂. Le potentiel de ces matériaux pour la multidétection de gaz (CO₂, CH₄ et CO) a également été exploré. Les systèmes microfluidiques HP/HT actuels ne permettent pas de coupler simultanément la spectroscopie infrarouge et Raman à ces dispositifs. Ce problème est dû à l’utilisation du verre Pyrex associé au wafer de silicium pour la fabrication des microréacteurs. C’est pourquoi le deuxième axe de recherche développé au cours de cette thèse vise à explorer différents systèmes vitreux pour trouver une alternative au Pyrex. Le verre en question doit présenter le meilleur compromis entre les propriétés optiques, thermomécaniques et électriques visées. Ainsi, des verres à base de GeO₂ ont été développés pour répondre aux spécifications attendues, telle que le procédé de collage anodique utilisé pour fixer le verre au wafer de silicium. La composition vitreuse retenue pour les tests est 70GeO₂-15Al₂O₃-10La₂O₃-5Na₂O (%mol.). / Global warming due to the increase of greenhouse gas emissions is one of the main current challenges. In this context, the CO₂ storage in geological reservoirs appears as a likely way to limit the consequences of these emissions on the environment. For safety reasons, this management method requires continuous monitoring of the storage tanks by using IR sensors who can go down into the wells. The application of this technology also requires to know the CO₂ behavior during various storage steps, in particular when it is in its supercritical state. This is why microfluidics is currently used to simulate and understand the phenomena related to the injection and storage of CO₂ in supercritical form. The implementation of such approach requires: (i) the development of novel compact solutions for in situ continuous gas monitoring to secure the storage site and; (ii) a better understanding of the CO₂ behavior during the different storage steps.The first research axis of this thesis has consisted in developing vitreous active materials to increase the efficiency of optical CO₂ sensor (and eventually other gas like CH₄ or CO) for their continuous monitoring in saline aquifer storage sites. This sensor must be able to be deployed in depth and be sensitive to CO₂ concentrations below 1000 ppmv to quickly identify any leak. Chalcogenide glasses doped with specific rare earth ions may provide broadband luminescence that can be used to detect infrared signatures of all molecules whose absorption bands are located in the 3-5 μm spectral region. Glass compositions Ga₅Ge₂₀Sb₁₀(Se, S)₆₈ (mol.%) doped Pr³+ et Dy³+ have been developed in order to be integrated into a functional environmental CO₂sensor. The multi-sensing gas (CO₂, CH₄ et CO) potential of these materials has also been investigated. Current HP/HT microfluidic systems do not allow coupling FTIR and Raman spectroscopies. This problem is due to the using of Pyrex glass for the manufacture of these microreactors. That is why the second research axis developed during this thesis has consisted in exploring various vitreous systems to propose an alternative to the Pyrex glass. The target glass had to demonstrate the best compromise between the desired optical, thermomechanical and electrical properties. In this way, glasses based on GeO2 have been developed to meet these specifications, such as the anodic bonding process used to attach the glass on the silicon wafer. The glass composition selected after the completed studies is 70GeO₂-15Al₂O₃-10La₂O₃-5Na₂O (mol.%).

Après une étude théorique, puis modélisée, de l'analyse d'une image dans le plan focal d'un télescope par un détecteur à deux dimensions (chapitre 1) et un bref rappel de physique du solide (chapitre 2) on étudie un détecteur infrarouge bidimensionnel de 32x32 l'IRCCD. La description d'une caméra astronomique basée sur ce détecteur, et des choix effectués dans sa réalisation est donnée (chapitre 3). L'attention est portée sur les problèmes de l'observation sous fort flux de photons du fond. Un chapitre entier est consacré à une étude détaillée de l'IRCCD et de ses caractérisriques (chapitre 4). On décrit ensuite l'ensemble du système monté sur télescope, ainsi que les procédures d'observation adoptées (chapitre 5). Quelques résultats de mesure et de calibration sur télescope sont proposés. Le dernier chapitre est consacré à la présentation de résultats astrophysiques préliminaires.