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.

Les métamatériaux à indice de réfraction négative ont attiré énormément l'attention ces dernières années surtout à cause de leurs propriétés électromagnétiques uniques. Ces matériaux sont des structures artificielles qui présentent des caractéristiques n'étant pas disponibles en matériaux naturels. Récemment, le développement technologique avec de nouvelles techniques de fabrication offrent un grand nombre de nouvelles application et développement de nouveaux matériaux. Il est possible d'obtenir un métamatériau en combinant des structures artificielles périodiquement. Les propriétés uniques du Split Ring Resonator (SRR), les Surfaces à Haute Impédance (HIS), les Surface Sélective en Fréquence (FSS) sont étudiées ainsi que les métamatériaux composés. Il a été démontré avec succès l'utilisation pratique de ces structures dans les circuits et les antennes. Il a été confirmé expérimentalement que les métamatériaux pourrait améliorer la performance des structures considérées dans cette thèse, pour des fréquences où la bande interdite électromagnétique se produit.

This thesis treats the development of packaging and integration methods for the cost-efficient encapsulation and packaging of microelectromechanical (MEMS) devices. The packaging of MEMS devices is often more costly than the device itself, partly because the packaging can be crucial for the performance of the device. For devices which contain liquids or needs to be enclosed in a vacuum, the packaging can account for up to 80% of the total cost of the device. The first part of this thesis presents the integration scheme for an optical dye thin film NO2-gas sensor, designed using cost-efficient implementations of wafer-scale methods. This work includes design and fabrication of photonic subcomponents in addition to the main effort of integration and packaging of the dye-film. A specific proof of concept target was for NO2 monitoring in a car tunnel. The second part of this thesis deals with the wafer-scale packaging methods developed for the sensing device. The developed packaging method, based on low-temperature plastic deformation of gold sealing structures, is further demonstrated as a generic method for other hermetic liquid and vacuum packaging applications. In the developed packaging methods, the mechanically squeezed gold sealing material is both electroplated microstruc- tures and wire bonded stud bumps. The electroplated rings act like a more hermetic version of rubber sealing rings while compressed in conjunction with a cavity forming wafer bonding process. The stud bump sealing processes is on the other hand applied on completed cavities with narrow access ports, to seal either a vacuum or liquid inside the cavities at room temperature. Additionally, the resulting hermeticity of primarily the vacuum sealing methods is thoroughly investigated. Two of the sealing methods presented require permanent mechanical fixation in order to complete the packaging process. Two solutions to this problem are presented in this thesis. First, a more traditional wafer bonding method using tin-soldering is demonstrated. Second, a novel full-wafer epoxy underfill-process using a microfluidic distribution network is demonstrated using a room temperature process. / <p>QC 20130325</p>

Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectro-metry (NICE-OHMS) is one of the most sensitive laser-based absorption techniques. The high sensitivity of NICE-OHMS is obtained by a unique combination of cavity enhancement (for increased interaction length with a sample) with frequency modulation spectrometry (for reduction of noise). Moreover, sub-Doppler detection is possible due to the presence of high intensity counter-propagating waves inside an external resonator, which provides an excellent spectral selectivity. The high sensitivity and selectivity make NICE-OHMS particularly suitable for trace gas detection. Despite this, the technique has so far not been often used for practical applications due to its technical complexity, originating primarily from the requirement of an active stabilization of the laser frequency to a cavity mode. The main aim of the work presented in this thesis has been to develop a simpler and more robust NICE-OHMS instrumentation without compro-mising the high sensitivity and selectivity of the technique. A compact NICE-OHMS setup based on a fiber laser and a fiber-coupled electro-optic modulator has been constructed. The main advantage of the fiber laser is its narrow free-running linewidth, which significantly simplifies the frequency stabilization procedure. It has been demonstrated, using acetylene and carbon dioxide as pilot species, that the system is capable of detecting relative absorption down to 3 × 10-9 on a Doppler-broadened transition, and sub-Doppler optical phase shift down to 1.6 × 10-10, the latter corresponding to a detection limit of 1 × 10-12 atm of C2H2. Moreover, the potential of dual frequency modulation dispersion spectrometry (DFM-DS), an integral part of NICE-OHMS, for concentration measurements has been assessed. This thesis contributes also to the theoretical description of Doppler-broadened and sub-Doppler NICE-OHMS signals, as well as DFM-DS signals. It has been shown that the concentration of an analyte can be deduced from a Doppler-broadened NICE-OHMS signal detected at an arbitrary and unknown detection phase, provided that a fit of the theoretical lineshape to the experimental data is performed. The influence of optical saturation on Doppler-broadened NICE-OHMS signals has been described theoretically and demonstrated experimentally. In particular, it has been shown that the Doppler-broadened dispersion signal is unaffected by optical saturation in the Doppler limit. An expression for the sub-Doppler optical phase shift, valid for high degrees of saturation, has been derived and verified experimentally up to degrees of saturation of 100.

Le détecteur Virgo est constitué d'un interféromètre de Michelson avec des cavités Fabry-Perot de 3 km de long dans les bras et utilise la technique du recyclage de la puissance. Il a pour but la détection directe des ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques. Le système d'injection Virgo est constitué essentiellement d'une cavité triangulaire de 144 m appelée le mode cleaner, son rôle est de filtrer et de contrôler le faisceau d'entrée. Le miroir suspendu de la cavité est très léger (360 g) ce qui peut le rendre sensible à la pression des photons. J'ai développé des programmes de simulations pour une cavité triangulaire avec tous les contrôles identiques au mode cleaner de Virgo réel. Ces programmes peuvent être utilisés pour d'autres études. Une partie de la thèse est consacrée à<br />voir les effets de la pression de radiation sur le verrouillage longitudinal de la cavité, les effets du ressort optique angulaire etc. Dans une autre partie de la thèse j'observe les effets de la pression de radiation dans les bras de Virgo et l'existence des effets du ressort optique sur les degrés angulaires qui n'empêchent pas le bon fonctionnement de l'alignement. Enfin, je décris ma participation dans la recette de Virgo, qui consiste essentiellement à travailler sur les contrôles du système d'injection et leurs optimisations.

Notre travail s'intègre dans les recherches actuelles sur la continuité optique du traitement et du transport de l'information. Une des techniques visant à assurer cette continuité optique consiste à réaliser une commutation de voies par déflexion holographique. Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement la déflexion d'impulsions laser d'une durée voisine de 20 picosecondes par des réseaux photoinduits dans les semiconducteurs. Après avoir décrit et caractérisé les dispositifs expérimentaux, nous présentons les performances de deux matériaux massifs II-VI, CdZnTe (à la longueur d'onde 0,8micron) et HgCdTe (à la longueur d'onde 1,5micron). Dans le domaine spectral de la queue d'Urbach, l'efficacité de diffraction au premier ordre atteint sept pour cent pour les deux matériaux. L'ensemble des résultats expérimentaux est expliqué par un modèle basé sur l'écrantage statique des microchamps électriques locaux dus aux phonons LO. Dans un second temps, nous étudions les réseaux plasma photogénérés dans des puits quantiques InGaAs / InGaAsP inclus dans une cavité de Fabry-Pérot. Les résultats sont comparés à une modélisation prenant en compte les effets de cavité. Ceux-ci induisent une amplification du signal diffracté dont les limites sont discutées. Nous présentons enfin des résultats de modulation de transmission optique dans des puits quantiques CdTe / CdZnTe sous polarisation externe. Nous montrons que les porteurs photogénérés écrantent le champ électrique appliqué produisant ainsi une variation d'absorption par disparition de l'effet Stark dans les puits. Après avoir introduit des coefficients de mérite, nous comparons les performances des différentes structures.

Ce manuscrit est consacré à la réalisation et à l'étude d'un composant à base d'absorbants saturables (AS) sur InP pour la remise en forme de signaux optiques à très hauts-débits. Le fonctionnement de ce composant tout-optique et passif est basé sur la non-linéarité d'absorption de puits quantiques (PQ) insérés dans une microcavité Fabry-Perot. Outre son insensibilité à la polarisation et son temps de réponse compatible avec les futurs signaux à hauts-débits, le composant AS présente aussi une large bande passante (BP) lui permettant de traiter plusieurs longueurs d'onde simultanément, faisant de lui un bon candidat pour les futurs dispositifs de régénération tout-optique à faible coût pour les liaisons à hauts-débits multiplexés en longueur d'onde (WDM).<br />Grâce à une structure optimisée, nous avons pu obtenir un composant avec un temps de réponse aussi court que la picoseconde et une fluence de saturation de seulement quelques µJ/cm2. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle de l'autosaturation des PQ en microcavité développé lors de cette thèse, ainsi que celui décrivant le fonctionnement du composant AS à hauts-débits et tenant compte des effets-thermique.<br />Grâce à son optimisation et à une meilleure gestion des effets thermo-optiques, nous avons pu démontrer pour la 1iére fois l'amélioration du taux d'extinction de signaux à 160 GHz (+6 dB sur une BP de 8 nm) et la remise en forme à 160 Gbits/s par un composant AS. Enfin, des résultats de régénération 2R en boucle de recirculation à 10 Gbits/s et à 43 Gbits/s sont aussi présentés et montrent une amélioration de la distance de propagation de 9,5 (sur 13 nm) et de 6 respectivement.

Crystallization is often a major bottleneck to macromolecular structure determination. This is particularly true for membrane proteins, which have hydrophobic surfaces that cannot readily form crystal contacts. Of the roughly 109,000 protein structures in the PDB, only about 539 represent unique membrane proteins, despite immense interest in membrane proteins from both a biological and therapeutic standpoint. Membrane protein crystallization has been facilitated by the development of new detergents, lipidic cubic phase methods, soluble protein chimeras, and non-covalent protein complexes. The design process of protein fusion constructs and non-covalent antibody fragments specific for each target membrane protein, however, is costly and time-consuming. An improved, more general method of membrane protein co-crystallization is needed. This dissertation details the development of two approaches for cost-effective non-covalent crystallization chaperones: (1) Engineered hypercrystallizable Fab antibody fragment with high affinity for EYMPME (EE epitope), which form complexes with EE-tagged soluble and membrane proteins. (2) Engineered monomeric streptavidin (mSA2) for complexation with biotinylated membrane proteins. Both methods are generalizable through insertion of a short epitope into a surface-exposed loop of a membrane protein by site directed mutagenesis. Crystallization trials of representative chaperone-membrane protein complexes and possible difficulties with the approach are discussed.

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

L'imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d'acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d'optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d'imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité.