Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

The existence of other habitable worlds and the possible development of life elsewhere in the Universe have been among mankinds fundamental questions for thousands of years. These interrogations about our origins and place in the Universe are today at the dawn of being answered in scientific terms. The key year was 1995 with the discovery of the first extrasolar planet orbiting around a solar-type star. About 400 extrasolar planets are known today and the possibility to identify habitable worlds and even life among them largely contributes to the growing interest about their nature and properties. However, characterizing planetary systems is a very difficult task due to both the huge contrast and the small angular separation between the host stars and their environment. New techniques have emerged during the past decades with the purpose of tackling these fantastic observational challenges. In that context, infrared interferometry is a very promising technique, since it provides the required angular resolution to separate the emission of the star from that of its environment. This dissertation is devoted to the characterization of extrasolar planetary systems using the high angular resolution and dynamic range capabilities of infrared interferometric techniques. The first part of the present work is devoted to the detection with current interferometric facilities of warm dust within the first few astronomical units of massive debris discs around nearby stars. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter discs and to extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future space-based nulling interferometers and make a comparison with ground-based projects. Finally, the third part of this work is dedicated to the impact of exozodiacal discs on the performance of future life-searching space missions, the goal being to characterize extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

La recherche de signes de vie extraterrestre par l'observation et la caractérisation d'exoplanètes est, entre autres, l'un des enjeux majeurs de l'astrophysique moderne. Cette quête se traduit de manière instrumentale par le développement de télescopes fournissant des résolutions angulaires supérieures à celles obtenues à l'heure actuelle. C'est pourquoi les projets de futurs très grands télescopes font usage de miroirs primaires dépassant les 30 mètres de diamètre. Leur conception est alors inévitablement basée, pour des raisons techniques et technologiques, sur une géométrie segmentée. De ce fait, la segmentation du miroir primaire implique une complexification des structures pupillaires du télescope. Dans le but d'atteindre les niveaux de qualité optique nécessaires aux applications scientifiques visées, la prise en compte et la correction des effets introduits par un mauvais alignement des segments est de prime importance puisque la résolution angulaire d'un télescope non cophasé serait équivalente à celle obtenue avec un segment individuel. Dans ce contexte, je développe dans cette thèse deux analyseurs de cophasage permettant de mesurer et de corriger les aberrations de piston, tip et tilt présentes sur une pupille segmentée. Le premier, nommé Self-Coherent Camera - Phasing Sensor (SCC-PS), est basé sur une analyse du signal en plan focal. Le second, nommé ZELDA - Phasing Sensor (ZELDA-PS), repose quant à lui sur une analyse du signal en plan pupille. Sont présentés dans ce manuscrit les résultats obtenus à l'aide de simulations numériques ainsi que ceux issus de l'implémentation de la SCC-PS sur un banc d'optique d'essai. / Searching for extraterrestrial life through the observation and characterization of exoplanets is, amongst others, one of the major goal of the modern astrophysics. This quest translate from an instrumental point of view to the development of telescope capable of reaching higher angular resolution that what is actually ongoing. That is why the future projects of extremely large telescopes are using primary mirrors exceeding the 30 meters in diameter. Their conception is consequently based, for technical and technological reasons, on a segmented geometry. The segmentation of the primary mirror therefore implies a growing complexity of the structure of its pupil. In order to reach the optical quality required by the sciences cases of interest, taking into account and correct for the effects introduced by a poor alignment of the segments is mandatory, as the angular resolution of a non-cophased telescope is equivalent to the one obtained with a single segment. In this context, I develop in this manuscript two cophasing sensors allowing to measure and correct for the aberrations of piston, tip and tilt present on a segmented pupil. The first one, the Self-Coherent Camera - Phasing Sensor (SCC-PS), is based on a focal plane analysis of the signal. The second one, the ZELDA - Phasing Sensor (ZELDA-PS), is based on a pupil plane analysis of the signal. The results obtained by means of numerical simulations and the first results coming from the implementation of the SCC-PS on an optical bench are presented in this manuscript.

Les binaires X, composées d'un objet compact (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir stellaire) et d'une étoile donneuse, sont des objets fascinants qui ont permis faire des découvertes majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Toutefois, l'environnement immédiat de ces dernières, à l'échelle de $\sim$ 100--10,000 unités astronomiques, n'est pour sa part que très peu compris et exploré. Dans ce mémoire, on s'intéresse à la présence de compagnons, autant de masse planétaire que stellaire, dans lesdits environnements des binaires X. Pour ce faire, on a fait appel à des techniques observationnelles qui sont normalement utilisées pour la recherche d'exoplanètes jeunes, chaudes et en orbite autour d'étoiles situées à quelques parsecs de la Terre : il s'agit de l'imagerie directe ou plus précisément de l'imagerie à haut contraste. Ainsi, pour la toute première fois, on a appliqué ces méthodes sur un échantillon de binaires X avec l'instrument proche infrarouge NIRC2 de l'Observatoire W. M. Keck, avec l'aide d'un système d'optique adaptative et d'un coronographe. Ici, on a présenté les premières images à haut contraste de 14 binaires X. Le but était de détecter des sources lumineuses dans les images et de calculer leur flux et leur position avec des méthodes d'optimisation. Ensuite, il s'agissait de définir via diverses analyses si celles-ci sont cohérentes avec des compagnons liés par la gravité à la binaire X, ou plutôt avec des étoiles de fond. Ces travaux se veulent donc une introduction à un nouveau sous-domaine de l'astrophysique qui tente de relier l'exoplanétologie et l'astrophysique des hautes énergies. / X-ray binaries, consisting of a compact object (white dwarf, neutron star or stellar-mass black hole) and a donor star, are fascinating objects that have allowed major breakthroughs in the field of high-energy astrophysics. However, their immediate environments, on the scale of $\sim$ 100--10,000 astronomical units, are still poorly understood. In this Master's thesis, we investigated the presence of companions, ranging from planetary to stellar masses, in the environments of X-ray binaries. In order to do so, we used observational techniques that are normally used for the search of young, hot and distant exoplanets orbiting stars located at a few parsecs from the Earth: direct imaging or more precisely high-contrast imaging. Thus, for the very first time, we applied these techniques on a sample of X-ray binaries with the near-infrared instrument NIRC2 of the W. M. Keck Observatory, with the help of an adaptive optics system and a coronagraph. Here, we present the first high-contrast images for 14 X-ray binaries. The goal was to detect point sources in the images and to calculate their flux and position with optimization methods. Afterward, we determined via a variety of analyses if these were consistent with companions gravitationally bounded to the X-ray binary, or rather with background stars. This work acts as an introduction, albeit exploratory, to a new subfield of astrophysics that attempts to link exoplanetology and high-energy astrophysics.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.