Cette thèse s'appuie sur la spectroscopie de NiH établie à la fin des années 1980 et au début des années 1990, principalement par le groupe du Pr. R. W. Field au MIT. Les mesures expérimentales ont amélioré de manière significative les travaux antérieurs, tant en spectroscopie en champ nul qu'en spectroscopie Zeeman. Le radical NiH est obtenu avec une source à décharge à température ambiante (310 K). Les radicaux formés dans la décharge sont excités par un laser continu à colorant et étudiés soit en spectroscopie d'excitation laser soit en fluorescence dispersée. Un circuit magnétique à aimants permanents (NdFeB) fournit un champ magnétique statique (0.4 – 0.9 T). En champ nul, les spectres de fluorescence par transformée de Fourier ont élargi les observations de l'état électronique fondamental jusqu'à 6000 cm-1, pour 58NiH et 60NiH. Les énergies sont modélisées avec un Hamiltonien effectif obtenu à partir du formalisme du modèle du 3d9 supermultiplet développé par le groupe de Field. Les mesures Zeeman se sont principalement concentrées sur l'étude des états Ω=3/2. Les facteurs de Landé effectifs ont été déterminés pour chaque niveau ro-vibrationnel pour les états de basse énergie et les états excités de 58NiH. L'inhabituelle dépendance en J des facteurs de Landé obtenus pour les états de basse énergie est expliquée par le modèle du supermultiplet, quantifiant alors l'ampleur des mélanges spin-orbite présents dans les états inférieurs. Les transitions étudiées ont un intérêt astrophysique depuis que plusieurs transitions d'hydrure métallique ont été observées dans les spectres d'étoiles froides et les taches solaires. / This thesis builds on the spectroscopy of NiH established in the late 1980s and early 1990s, principally by Pr. R. W. Field's group at MIT. Experimental measurements significantly extend earlier work, both in field-free and Zeeman spectroscopy. The NiH radical is obtained with a room-temperature metal-hydride discharge source (310 K). Radicals formed in the discharge are excited by a single-mode, continuous wave dye laser and can be conveniently studied either in laser excitation or in dispersed fluorescence. A magnetic circuit with permanent magnets (NdFeB) provides a static magnetic field (0.4 – 0.9 T). In the field-free regime, Fourier transform resolved fluorescence spectra have extended the range of observations up to 6000 cm-1 above v=0 of the electronic ground state, for 58NiH and 60NiH. Energies are modeled with an effective Hamiltonien matrix using the 3d9 supermultiplet formalism developed by Field's group. Zeeman measurements have focused mainly on the range of states studied by including transitions involving the Ω=3/2 excited states. Effective Landé factors have been determined for individual ro-vibrational levels of low-lying and excited states of 58NiH. The unusual J-dependence of the Landé factors obtained for low-lying states are explained by the 3d9 supermultiplet model, quantifying the extent of spin-orbit mixing present in the lower states. The transitions are of potential astrophysical interest since several transition metal hydrides have been observed in the spectra of cool stars and sunspots.

Les boîtes quantiques sont des sources de photons uniques prometteuses pour les réseaux d’information quantique, qui peuvent être intégrées dans des circuits photoniques et s’appuyer sur des technologies de semi-conducteur éprouvées. Dans ce contexte, ce travail se concentre sur les propriétés d’indiscernabilité des photons émis par une boîte quantique semiconductrice sous excitation résonnante. Nous utilisons une configuration particulière où les boîtes sont insérées dans une microcavité planaire permettant de s’affranchir du fond de diffusion parasite du laser d’excitation et d’améliorer la collection du signal d’émission. Nous pouvons ainsi explorer un régime de très basse puissance, où les photons d’excitation sont diffusés élastiquement sur la transition fondamentale de la boîte quantique (régime de diffusion Rayleigh résonnante). Dans ce régime, la cohérence du laser d’excitation est transmise aux photons émis, faisant des boîtes quantiques une source de photons uniques avec une cohérence extrêmement longue.Les propriétés d’indiscernabilité sont étudiées en utilisant les interférences à deux photons (coalescence) dans un interféromètre de Hong–Ou–Mandel. Une étude expérimentale complète de l’indiscernabilité est présentée en fonction de la puissance d’excitation ainsi que du temps de cohérence du laser d’excitation. Elle montre en particulier l’effet de la diffusion élastique dans la limite de basse puissance d’excitation. Il apparaît qu’une nouvelle caractéristique quantitative doit être introduite afin d’estimer l’indiscernabilité en tant que phénomène temporel, un aspect particulièrement important lorsque les émetteurs sont des sources continues de photons. / Quantum dots are good candidates as single photon emitters for quantum information networks, facilitating their integration in photonic circuits based on well known semiconductor technology. In this context, this work focuses on the indistinguishability of the photons emitted by semiconductor quantum dots excited resonantly. We use a peculiar configuration where the quantumdots are embedded in a planar microcavity, allowing for better excitation and collection efficiencies. We are then able to investigate very low excitation power regimes, where the photons are elastically scattered by the fundamental transition of the quantum dot (Resonant Rayleigh Scattering). In this regime, the coherence of the excitation laser is imprinted on the emitted photons, making the quantum dot a source of single photons with a very long coherence.The indistinguishability is investigated by using a Hong–Ou–Mandel interferometer to perform two-photon interference. We carry out a comprehensive experimental study of the excitation power dependence of the indistinguishability as well as its dependence on the excitation laser coherence, which shows the important role of elastic scattering in the low excitation power limit. It appears that a new figure of merit needs to be introduced to assess the indistinguishability as a temporal phenomenon, an aspect which is particularly relevant when dealing with continuous-wave excitation.

This thesis consists of two parts and nine chapters. The first part (Part I) presents theoretical studies on non-radiative mode of excitation energy transfer (EET) in donor-acceptor (D-A) systems involving metal nanoparticles. Part I contains four chapters and describes EET in following different D-A systems: (i) dye and a spherical metal nanoparticle of different sizes, (ii) two spherical metal nanoparticles, and (iii) two prolate shaped metal nanoparticles at different relative orientations. Part II provides a detailed study on the origin of photochemical funneling of excitation energy in conjugated polymers like poly-[phenylenevinylene] (PPV) and consists of three chapters. The ninth chapter provides a concluding note. The thesis begins with a basic introduction on Forster resonance energy transfer(FRET), presented in chapter 1. This chapter provides a detail derivation of Forster’s rate expression for a non-radiative process of EET from a donor to an acceptor molecule and discusses the limitations of Forster theory. The chapter highlights the huge success of FRET technique in understanding biological processes assisted by changes in conformations of biopolymers under conditions where Frster theory is valid. The chapter also discusses practical limitations of FRET technique such as use of pre-averaged value of orientation factor and photobleaching of dye molecules. Part I starts with chapter 2 which explains the advantages of using metal nanoparticles over dye molecules in D-A systems. The chapter discusses recent experimental re-ports of excitation energy transfer to nanoparticles, now commonly referred to as nanoparticle surface energy transfer (NSET). Theories describing the process of EET from a dye molecule (dye molecule is assumed to be a point dipole) to a planar metallic surface are discussed. In the case of energy transfer from a donor dye molecule to a planar metallic surface, the distance dependence of the rate of EET is found to vary as 1/d4 where dis a distance from the center of a dye molecule to the metallic surface. This is unlike conven-tional FRET where rate of EET follows 1/R6 distance dependence with R as a distance between the centers of D and A. Also, a recent experimental study by Yun et al [J. Am. Chem. Soc. 127, 3115 (2005)] on energy transfer from a dye molecule to a spherical gold nanoparticle reports that the rate of EET follows 1/d4 distance dependence. The remaining chapters of this part focus on understanding this deviation from the Forster theory in different D-A systems. Chapter 3 describes quantized electro-hydrodynamic approach used to model the plasmonic excitations in metal nanoparticles. The optical absorption frequencies of nanoparticles computed here are subsequently used in chapters 4 and 5 for the calculation of the rate of EET. The chapter discusses the merits and de-merits of electro-hydrodynamic approach in comparison to other available techniques. The electro-hydrodynamic method of calculating the absorption frequencies provide a physically appealing, mathematically simple and numerically tractable approach to the problem and is also at the same time, semi-quantitatively reliable. The optical frequencies obtained as a function of size and aspect ratio of metal nanoparticles are found to be in good agreement with physical predictions. Chapter 4 studies the distance dependence of rate of EET for a D-A system similar to one studied by Yun et al [J. Am. Chem. Soc. 127, 3115 (2005)]. The chapter contains the relevant derivations of the quantities required for computing the interaction matrix elements. The dependence of the rate of EET on R is found surprisingly to be in agreement with Forster theory even at intermediate distances compared to the size of spherical nanoparticles (a). However, the dependence of rate of EET on d is found to vary as 1/dσwith σ=3 - 4 at intermediate distances which is in good agreement with the experimental results of Yun et al. At large values of d, the distance dependence of rate is found to vary as 1/d6 . The chapter discusses the physical basis behind these results. The theory predicts a non-trivial dependence of rate on the size of a nanoparticle which ultimately attains the asymptotic a3 size dependence. The rate of EET is also studied for different orientations of dye molecule. Chapter 5 studies surface plasmon mediated EET between two metal nanoparticles. The rate of EET between two prolate and spherical shaped silver nanoparticles is studied as a function of Rand d. d, in present chapter denotes surface-to-surface separation distance between two nanoparticles. In case of EET between two non-spherical nanoparticles, even at separations larger than the size of the nanoparticle, a significant deviation from 1/R6 dependence is obtained. However, 1/R6 distance dependence of EET rate is found to be robust for spherical nanoparticles over an entire range of separations. The deviation of rate from 1/R6 distance dependence becomes more pronounced with in-crease in the aspect ratio of the nanoparticle. The relative orientation of the nanoparticles is found to markedly influence the R-dependence of EET rate. Interestingly, the relative orientation of nanoparticles effect the d-distance dependence of the rate to a lesser extend in comparison to the R-dependence of the rate. Therefore, we predict that for non-spherical nanoparticles studying EET rate as a function of will provide more conclusive results. The chapter also discusses the size dependence of rate of EET for this particular D-A system. In Part II, excitation energy transfer (EET) in a conjugated polymer is studied. To start with, chapter 6 provides a brief introduction to photophysics of conjugated polymers. The chapter discusses the nature of photoexcitations in these systems and stresses on the influence of polymer’s morphology on the optical properties of conjugated polymers. Chapter 7 describes the theory used for modeling conjugated polymer chain. A polymer chain consists of number of spectroscopic units (chromophores) of varying lengths. The average length of chromophores in conjugated polymer depends on defect concentration. In the present study we treat an excitation generated on each chromophore within “particle-in-a-box” formalism but one that takes into account the electron-hole interactions. The transition dipole moments and the radiative rates are computed for different lengths of chromophores with parameters appropriate for PPV chain. These quantities are used in chapter 8 for calculating the absorption and emission spectra of conjugated polymer chains at different defect concentrations. The main aim of Chapter 8 is to understand the origin of photochemical funneling of excitation energy in conjugated polymers. PPV chain is modeled as a polymer with the length distribution of chromophores given either by a Gaussian or by a Poissonian distribution. We observe that the Poissonian distribution of length segments explains the optical spectra of PPV rather well than the Gaussian distribution. The Pauli’s master equation is employed to describe the excitation energy transfer among different chromophores. The rate of energy transfer is assumed to be given here, as a first approximation, by the well-known Forster expression. The observed excitation population dynamics confirm the photochemical funneling of excitation energy from shorter to longer chromophores of the polymer chain. The calculations show that even in steady state more than one type of chromophore contribute towards the emission spectrum. The observed difference between the calculated emission spectra at equilibrium and in steady state indicates the existence of local domains in a polymer chain within which the non-radiative excitation energy transfer from shorter to longer chromophores take place. These results are found to be in agreement with recent experimental reports. The concluding chapter 9 gives a brief summary of the outcome of the thesis and ends up with suggestion of a few future problems which in current scenario are of great interest.

L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals. / The aim of this thesis is to investigate different aspects of few-body interactions in cold Rydberg atoms. It has been realized in a co-tutelle program between the University of Paris-Saclay and the University of Pisa working on two different experimental set ups: one at Laboratoire Aimé Cotton on cold Cs Rydberg atoms and a second at Physics Department of Pisa on cold Rb Rydberg atoms. In Laboratoire Aimé Cotton we demonstrated the existence of new few-body interactions we observed in a frozen Rydberg gas of Cs atoms. These new resonances are a generalization of already known two-body Förster resonances. They act on the internal degrees of freedom of the Rydberg atoms leading to a resonant energy transfer analogous to the one in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). In analogy with Förster resonance, three-body FRETs are tuned with an external electric field and can be observed for different principal quantum number. The three-body interaction appeared in the absence of any two-body ones and for this reasons it has a Borromean character. The presence of this external electric field leads to additional resonances between Rydberg atoms supposedly forbidden. These resonances, we call quasi-forbidden Förster resonances, are due to dipole-dipole interaction as in the case of Förster resonance. We investigated these resonances finding a large number close to the allowed two-body and three-body FRET. A precise study was necessary in order to identify and discriminate these resonances from the allowed ones.In the experiment in Pisa we instead focus our attention on the mechanical effect of van der Waals repulsion between Rydberg atoms. We studied the spatial expansion due to a van der Waals interaction in a 1D chain of Rb Rydberg atoms excited with an off-resonant laser excitation. The comparison of the spatial expansion for different detuning of the laser excitation reveals the central role of the van der Waals interaction whose strength is equal to the detuning of the laser excitation.

Cette thèse est dédiée à l'étude des fluctuations non-linéaires dans les condensats de Bose-Einstein à deux composantes. On présente dans le premier chapitre la dynamique de champ moyen des condensats à deux composantes et les différents phénomènes typiques associés au degré de liberté spinoriel. Dans ce même chapitre, on montre que la dynamique des excitations se sépare en deux modes distincts : un mode dit de densité correspondant au mouvement global des atomes à l'intérieur du condensat et un mode dit de polarisation correspondant à la dynamique relative entre les deux espèces constituant le condensat. Ce calcul est généralisé dans le deuxième chapitre où l'on montre que le mode de polarisation persiste en présence d'un couplage cohérent entre les deux composantes. En particulier on analyse la stabilité modulationnelle du mode en déterminant, à l'aide d'une analyse multi-échelle, la dynamique des excitations non-linéaires. On montre alors que les excitations de polarisation, au contraire des excitations de densité, souffrent d'une instabilité de Benjamin-Feir. Cette instabilité est stabilisée aux grandes impulsions par une résonance onde longue - onde courte. Enfin dans le dernier chapitre, on dérive de façon non-perturbative la dynamique de polarisation proche de la limite de Manakov, dynamique quise révèle être régie par une équation de Landau-Lifshitz sans dissipation. Les équations de Landau-Lifshitz appartiennent à une hiérarchie d'équations intégrables (hiérarchie Ablowitz-Kaup-Newell-Segur) et on étudie les solutions à une phase à l'aide de la méthode d'intégration finite-gap ; on détermine notamment à l'aide de cette méthode un nouveau type de soliton pour les condensats à deux composantes. Finalement, profitant de l'intégrabilité du système, on résout le problème de Riemann à l'aide de la théorie de modulation de Whitham et on montre que les condensats à deux composantes peuvent propager des ondes de raréfaction ainsi que des ondes de choc dispersives ; on décrit notamment la modulation de ces ondes de choc par la propagation d'ondes simples et d'ondes de contact d'invariants de Riemann. / This thesis is devoted to the study of nonlinear fluctuations in two-component Bose-Einstein condensates. In the first chapter we derive the mean field dynamics of two-component condensates and we present the distinctive phenomena associated to the spinorial degree of freedom. In the same chapter, we show that the dynamics of the excitations is divided in two distinct modes: a so-called density mode which corresponds to the global motion of the atoms, and a so-called polarization mode which corresponds to the relative motion between the two species composing the condensate. The computation is generalized in the second chapter in which we demonstrate that the polarization mode remains in presence of a coherent coupling between the two components. In particular we study the modulational stability of the mode and we determine through a multi-scaling analysis the dynamics of non-linear excitations. We show that the excitations of polarization undergo a Benjamin-Feir instability contrary to the density excitations. This instability is then stabilized in the short wavelength regime by a long wave - short wave resonance. Finally in the last chapter, we derive in a non-perturbative way the polarisation dynamics close the Manakov limit.In this limit, the dynamics proves to be governed by a Landau-Lifshitz equation without dissipation. Landau-Lifshitz equations belong to a hierarchy of integrable equations (Ablowitz-Kaup-Newell-Segur hierarchy) and we derive the single-phase solutions thanks to the finite-gap method; in particular we identify a new type of soliton for the two-component Bose-Einstein condensates. Finally, taking advantage of the integrability of the system, we solve the Riemann problem thanks to the Whitham modulation theory and we show that the two-component condensates can propagate rarefaction waves as well as dispersive shockwaves; we describe the modulation of the shockwaves by the propagation of simple waves and contact waves of Riemann invariants.

Dans cette thèse, nous utilisons différentes nanostructures plasmoniques pour contrôler l'émission de lumière excitée électriquement. Notre émission électrique provient d'une "nanosource STM" qui utilise le courant tunnel inélastique entre la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) et un échantillon métallique, pour exciter localement les plasmons polaritons de surface localisés et propagatifs. L’interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique circulaire (une série de fentes concentriques gravées dans un film d'or épais) produit une microsource radialement polarisée de faible dispersion angulaire (≈ ± 4 °). L'influence des paramètres structuraux sur la propagation angulaire de la microsource résultante est également étudiée. En outre, une faible dispersion angulaire (<± 7 °) pour une grande plage de longueurs d'onde (650-850 nm) est obtenue. Ainsi, cette microsource électrique de lumière presque collimatée a une réponse spectrale large et est optimale sur une large plage d'énergie, en particulier en comparaison avec d'autres structures plasmoniques résonantes telles que les nanoantennes Yagi-Uda. L'interaction de notre nanosource STM et d'une lentille plasmonique elliptique (une seule fente elliptique gravée dans un film d'or épais) est également étudiée. Lorsque l'excitation STM est située au point focal de la lentille plasmonique elliptique, un faisceau lumineux directionnel à faible divergence est acquis. De plus, expérimentalement, nous trouvons qu'en changeant l'excentricité de la lentille plasmique elliptique, l'angle d'émission varie. On constate que plus l'excentricité de la lentille elliptique est grande, plus l'angle d'émission est élevé. Cette étude permet de mieux comprendre comment les nanostructures plasmoniques façonnent l'émission de lumière. L'interaction de SPP excités par STM et d'une structure de pile multicouche planaire plasmonique est également étudiée. Il est démontré qu'en utilisant l'excitation STM, nous pouvons sonder la structure de bande optique de la pile Au-SiO₂-Au. Nous trouvons que l'épaisseur du diélectrique joue un rôle important dans la modification du couplage entre les modes. Nous comparons également les résultats obtenus par excitation laser et STM de la même structure de pile. Les résultats indiquent que la technique STM est supérieure en sensibilité. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la STM en tant que technique de nanoscopie optique sensible pour sonder les bandes optiques des nanostructures plasmoniques. Enfin, l'interaction d'une nanosource STM et d'une plaque triangulaire individuelle est également étudiée. Nous trouvons que lorsque l'excitation STM est centrée sur la plaque triangulaire, il n'y a pas d'émission de lumière directionnelle. Cependant, lorsque la nanosource STM est située sur le bord du triangle, on obtient une émission de lumière directionnelle. Cette étude nous fournit une nouvelle voie pour atteindre l'émission de lumière directionnelle. Nous étudions également l'exploration du LDOS optique du triangle avec la nanosource STM. Ainsi, nos résultats montrent que la manipulation de la lumière est réalisée par des interactions SPP-matière. En utilisant des nanostructures plasmoniques, nous contrôlons la collimation, la polarisation et la direction de la lumière provenant de la nanosource STM. / In this thesis, we use different plasmonic nanostructures to control the emission of electrically-excited light. Our electrical emission is from an “STM-nanosource” which uses the inelastic tunnel current between the tip of a scanning tunneling microscope (STM) and a metallic sample, to locally excite both localized and propagating surface plasmon polaritons. The interaction of our STM-nanosource and a circular plasmonic lens (a series of concentric slits etched in a thick gold film) produces a radially polarized microsource of low angular spread (≈±4°). The influence of the structural parameters on the angular spread of the resulting microsource is also investigated. In addition, a low angular spread (<±7°) for a large wavelength range (650-850 nm) is achieved. Thus this electrically-driven microsource of nearly collimated light has a broad spectral response and is optimal over a wide energy range, especially in comparison with other resonant plasmonic structures such as Yagi-Uda nanoantennas. The interaction of our STM-nanosource and an elliptical plasmonic lens (a single elliptical slit etched in a thick gold film) is also studied. When the STM excitation is located at the focal point position of the elliptical plasmonic lens, a directional light beam of low angular spread is acquired. Moreover, in the experiment we find that by changing the eccentricity of the elliptical plasmonic lens, the emission angle is varied. It is found that the larger the eccentricity of the elliptical lens, the higher the emission angle. This study provides a better understanding of how plasmonic nanostructures shape the emission of light. The interaction of STM-excited SPPs and a planar plasmonic multi-layer stack structure is also investigated. It is demonstrated that using STM excitation we can probe the optical band structure of the Au-SiO₂-Au stack. We find that the thickness of the dielectric plays an important role in changing the coupling between the modes. We also compare the results obtained by both laser and STM excitation of the same stack structure. The results indicate that the STM technique is superior in sensitivity. These findings highlight the potential of the STM as a sensitive optical nanoscopic technique to probe the optical bands of plasmonic nanostructures. Finally, the interaction of an STM-nanosource and an individual triangular plate is also studied. We find that when the STM excitation is centered on the triangular plate, there is no directional light emission. However, when the STM-nanosource is located on the edge of the triangle, directional light emission is obtained. This study provides us a novel avenue to achieve directional light emission. We also study probing the optical LDOS of the triangle with the STM-nanosource. Thus, our results show that the manipulation of light is achieved through SPP-matter interactions. Using plasmonic nanostructures, we control the collimation, polarization, and direction of the light originating from the STM-nanosource.

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse. / The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis.

The eciency of electrical machines is of major concern due to their widespread usage and the globally increasing awareness of energy consumption issues. Iron losses have a signicant impact on the total and thus researchers and manufacturers of electrical machines are developing dierent strategies in order to reduce them. The iron losses are highly dependent on the magnetic material that is used and thus it is necessary to identify its relevant characteristics. In this work, the development of a control system for inducing a pure sinusoidal magnetic ux density in the magnetic material is described. This is necessary in order to perform characterisation of the magnetic material. The main diculty is the highly non-linear and hysteretic relationship between the magnetic eld strength and the magnetic ux density. In order to mitigate the eect of the hysteresis, a mathematical inverse model was used in the control system. To nd a suitable model, an extensive study of literature was performed and discussed in this work. The Preisach model and its dynamic extension was chosen as the most suitable approach. A detailed description of both theory and implementation details is provided in this work. Furthermore, the model is validated by comparing simulation against measurement data for two dierent materials. In the last part of this work, the inverse model is combined with a controller to form a feedback control system. Two dierent control schemes are investigated: a simpler PI controller and a more elaborate disturbance observer (DOB) based control scheme. The DOB is used to observe the hysteresis inversion error and the observation is used to correct for the error. The controller's ability to produce a pure sinusoidal magnetic ux density was assessed by simulations with dierent magnetic materials at varying frequencies. / Verkningsgraden for elmotorer ar av okande intresse pa grund av deras omfattande anvandning och vaxande oro for globala energiforbrukningsfragor. Jarnforluster har ett stort inytande i de totala forlusterna och ar darfor ett viktigt omrade for forskare och tillverkare av elektriska motorer. Jarnforlusterna beror till stor del av det magnetiska materialet som anvands i konstruktion av elmotorer och det ar darfor nodvandigt att identiera materialets egenskaper. I det har arbetet beskrivs utvecklingen av ett reglersystem for att inducera en ren sinusformat magnetisk odestathet i ett magnetiskt material. Detta ar nodvandigt for att kunna bestamma det magnetiska materialets egenskaper under kontrollerade forhallanden. Huvudsvarigheten ar det icke-linjara sambandet mellan magnetiska faltstyrkan och odest atheten. Sambandet formar en hysteres och for att eliminera dess inytande anvandes en matematisk invers model. For att hitta en lamplig model genomfordes en literaturstudie och Preisach modellen och dess dynamiska utokning valdes. I detta arbete nns en detaljerad beskrivning av bade teorin bakom modellen och dess implementering. Modellen utvarderades genom att jamfora matvarden med simulationsresultat for olika magnetiska material. I sista delen av detta arbete kombineras inversmodellen med ett reglerssystem for att kunna uppna en sinusformat odestathet i det magnetiska materialet. Tva olika regleralgoritmer utvarderas, en enklare PI-regulator och en regulator som inkluderar en sa kallat "Disturbance Observer" (DOB). DOB:n anvandes for att observera felet som uppstar vid invertering av hysteresen och for att korrigera felet. De bada regulatorernas formaga attaterskapa en ren sinusformat magnetisk odestathet testas genom att genomfora simulationer for olika magnetiska material vid varierande frekvenser.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der 'Voltage-Modus-Ansatz' mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.

Having a accurate model of a system is essential for many applications today, especially those related to advanced process control. When executing a project often a lot of time is spent performing experiments on the real system to estimate a model. By designing higher quality experiments the time needed to estimate and identify these models can be reduced saving both resources and engineering efforts. This masters thesis investigates optimal input design to minimize the time needed to identify a linear time-invariant multivariable system fulfilling certain requirements on the model accuracy. Previous input designs mostly focused on sequential excitation but here the effects of using combined simultaneous and sequential excitation is investigated. The design is performed in simulations and evaluated in closed loop using a model predictive controller to further guarantee that the output constraints are not violated. The results indicate that there are many cases where using combined simultaneous and sequential excitation outperforms the previous methods. The effects of the color of the noise on the input design is investigated and the ability of different designs to estimate system delay is also studied. In addition it is shown how an iterative scheme can be used to guarantee that the accuracy requirements on the estimated model are met. / Att ha en god modell av ett system är viktigt för många applikationer idag, särskilt de som är relaterade till avancerad processtyrning. När man genomför ett projekt läggs ofta mycket tid på att utföra experiment på det verkliga systemet för att identifiera en modell. Genom att utforma experiment av hög kvalitet kan den tid som behövs för att identifiera dessa modeller minskas, vilket minimerar både processpåverkan och ingenjörsinsatsen. Denna masteruppsats undersöker metoder för optimal experimentdesign för att minimera tiden som behövs för att identifiera ett multivariabelt system där det finns krav på modellens noggrannhet. Tidigare metoder fokuserade mest på sekventiella experiment, men här undersöks effekterna av att använda en kombination av samtidiga och sekventiella experiment. Här används simuleringar som utvärderas i sluten loop med hjälp av en modellprediktiv regulator för att undvika att utsignalbegränsningarna inte överskrids. Resultatet indikerar att det finns många fall där användning av kombinerade samtidiga och sekventiella experiment överträffar tidigare metoder. Effekterna av färgat brus på ingångsdesignen undersöks och olika metoders förmåga att uppskatta systemfördröjning studeras också. Dessutom visas hur ett iterativt schema kan användas för att garantera att noggrannhetskraven på den uppskattade modellen uppfylls.