In astronomy, interferometry by ground-based telescopes offers the greatest angular resolution. However, the Earth´s atmosphere distorts the incident wavefront from a celestial object, leading to blurring and signal loss. It also restricts the transmission of specific wavelengths within the electromagnetic spectrum. Space-based interferometers would mitigate atmospheric obstruction and potentially enable even higher angular resolutions. The main challenge of implementing space-based interferometry is the necessity of matching the light´s optical path differences at the telescopes within the coherence length of the light utilizing physical delay lines. This thesis explores the potential realization of digital delay lines via heterodyne interferometry. The technique generates a heterodyne beat note at the frequency difference between the incident stellar light and a reference laser in the radio regime, permitting digitization of the delay line while preserving the phase information for image reconstruction. The primary objective of the thesis is to advance the field of astronomy by constructing a testbed environment for investigating future space-based heterodyne interferometry in the NIR light range. It requires the achievement of two main tasks. Firstly, a laboratory starlight simulator is developed to simulate a distant star´s wavefront appearance as it reaches telescopes on or around Earth. The consequent starlight simulator contains an optical assembly that manifests a point source in NIR light, aligned with a mirror collimator’s focal point, transforming the wavefront from spherical to planar. Secondly, a fiber optical circuit with interference capability is constructed, consisting of a free-space optical delay line and a polarization-controlled custom-sized fiber. The delay line matches the optical paths within the light's coherence length, while the polarization controller optimizes interference visibility. The completion of the tasks establishes the foundation to investigate space-based heterodyne interferometry in the NIR light with the potential implementation of delay line digitization.

Des percées récentes ont été faites dans l’étude des trous noirs supermassifs (SMBH), grâce en grande partie à l’équipe du télescope de l’horizon des évènements (EHT). Cependant, déterminer la masse de ces entités colossales à des décalages vers le rouge élevés reste un défi de taille pour les astronomes. Il existe diverses méthodes directes et indirectes pour mesurer la masse de SMBHs. La méthode directe la plus précise consiste à résoudre la cinématique du gaz moléculaire, un traceur froid, dans la sphère d’influence (SOI) du SMBH. La SOI est définie comme la région où le potentiel gravitationnel du SMBH domine sur celui de la galaxie hôte. Par contre, puisque la masse d’un SMBH est négligeable face à la masse d’une galaxie, la SOI est, d’un point de vue astronomique, très petite, typiquement de quelques dizaines de parsecs. Par conséquent, il faut une très haute résolution spatiale pour étudier la SOI d’un SMBH et pouvoir adéquatement mesurer sa masse. C’est cette nécessité d’une haute résolution spatiale qui limite la mesure de masse de SMBHs à de plus grandes distances. Pour briser cette barrière, il nous faut donc trouver une manière d’améliorer la résolution spatiale d’objets observés à un plus au décalage vers le rouge. Le phénomène des lentilles gravitationnelles fortes survient lorsqu’une source lumineuse en arrière-plan se trouve alignée avec un objet massif en avant-plan, le long de la ligne de visée d’un observateur. Cette disposition a pour conséquence de distordre l’image observée de la source en arrière-plan. Puisque cette distorsion est inconnue et non-linéaire, l’analyse de la source devient nettement plus complexe. Cependant, ce phénomène a également pour effet d’étirer, d’agrandir et d’amplifier l’image de la source, permettant ainsi de reconstituer la source avec une résolution spatiale considérablement améliorée, compte tenu de sa distance initiale par rapport à l’observateur. L’objectif de ce projet consiste à développer une chaîne de simulations visant à étudier la faisabilité de la mesure de la masse d’un trou noir supermassif (SMBH) par cinéma- tique du gaz moléculaire à un décalage vers le rouge plus élevé, en utilisant l’apprentissage automatique pour tirer parti du grossissement généré par la distorsion d’une forte lentille gravitationnelle. Pour ce faire, nous générons de manière réaliste des observations du gaz moléculaire obtenues par le Grand Réseau d’Antennes Millimétrique/Submillimétrique de l’Atacama (ALMA). Ces données sont produites à partir de la suite de simulations hydrody- namiques Rétroaction dans des Environnements Réalistes (FIRE). Dans chaque simulation, l’effet cinématique du SMBH est intégré, en supposant le gaz moléculaire virialisé. Ensuite, le flux d’émission du gaz moléculaire est calculé en fonction de sa vitesse, température, densité, fraction de H2, décalage vers le rouge et taille dans le ciel. Le cube ALMA est généré en tenant compte de la résolution spatiale et spectrale, qui dépendent du nombre d’antennes, de leur configuration et du temps d’exposition. Finalement, l’effet de la forte lentille gravi- tationnelle est introduit par la rétro-propagation du faisceau lumineux en fonction du profil de masse de l’ellipsoïde isotherme singulière (SIE). L’exploitation de ces données ALMA simulées est testée dans le cadre d’un problème de régression directe. Nous entraînons un réseau de neurones à convolution (CNN) à apprendre à prédire la masse d’un SMBH à partir des données simulées, sans prendre en compte l’effet de la lentille. Le réseau prédit la masse du SMBH ainsi que son incertitude, en supposant une distribution a posteriori gaussienne. Les résultats sont convaincants : plus la masse du SMBH est grande, plus la prédiction du réseau est précise et exacte. Tout comme avec les méthodes conventionnelles, le réseau est uniquement capable de prédire la masse du SMBH tant que la résolution spatiale des données permet de résoudre la SOI. De plus, les cartes de saillance du réseau confirment que celui-ci utilise l’information contenue dans la SOI pour prédire la masse du SMBH. Dans les travaux à venir, l’effet des lentilles gravitationnelles fortes sera introduit dans les données pour évaluer s’il devient possible de mesurer la masse de ces mêmes SMBHs, mais à un décalage vers le rouge plus élevé. / Recent breakthroughs have been made in the study of supermassive black holes (SMBHs), thanks largely to the Event Horizon Telescope (EHT) team. However, determining the mass of these colossal entities at high redshifts remains a major challenge for astronomers. There are various direct and indirect methods for measuring the mass of SMBHs. The most accurate direct method involves resolving the kinematics of the molecular gas, a cold tracer, in the SMBH’s sphere of influence (SOI). The SOI is defined as the region where the gravitational potential of the SMBH dominates that of the host galaxy. However, since the mass of a SMBH is negligible compared to the mass of a galaxy, the SOI is, from an astronomical point of view, very small, typically a few tens of parsecs. As a result, very high spatial resolution is required to study the SOI of a SMBH and adequately measure its mass. It is this need for high spatial resolution that limits mass measurements of SMBHs at larger distances. To break this barrier, we need to find a way to improve the spatial resolution of objects observed at higher redshifts. The phenomenon of strong gravitational lensing occurs when a light source in the back- ground is aligned with a massive object in the foreground, along an observer’s line of sight. This arrangement distorts the observed image of the background source. Since this distor- tion is unknown and non-linear, analysis of the source becomes considerably more complex. However, this phenomenon also has the effect of stretching, enlarging and amplifying the image of the source, enabling the source to be reconstructed with considerably improved spatial resolution, given its initial distance from the observer. The aim of this project is to develop a chain of simulations to study the feasibility of measuring the mass of a supermassive black hole (SMBH) by kinematics of molecular gas at higher redshift, using machine learning to take advantage of the magnification generated by the distortion of a strong gravitational lens. To this end, we realistically generate observations of molecular gas obtained by the Atacama Large Millimeter/Submillimeter Antenna Array (ALMA). These data are generated from the Feedback in Realistic Environments (FIRE) suite of hydrodynamic simulations. In each simulation, the kinematic effect of the SMBH is integrated, assuming virialized molecular gas. Next, the emission flux of the molecular gas is calculated as a function of its velocity, temperature, density, H2 fraction, redshift and sky size. The ALMA cube is generated taking into account spatial and spectral resolution, which depend on the number of antennas, their configuration and exposure time. Finally, the effect of strong gravitational lensing is introduced by back-propagating the light beam according to the mass profile of the singular isothermal ellipsoid (SIE). The exploitation of these simulated ALMA data is tested in a direct regression problem. We train a convolution neural network (CNN) to learn to predict the mass of an SMBH from the simulated data, without taking into account the effect of the lens. The network predicts the mass of the SMBH as well as its uncertainty, assuming a Gaussian a posteriori distribution. The results are convincing: the greater the mass of the SMBH, the more precise and accurate the network’s prediction. As with conventional methods, the network is only able to predict the mass of the SMBH as long as the spatial resolution of the data allows the SOI to be resolved. Furthermore, the network’s saliency maps confirm that it uses the information contained in the SOI to predict the mass of the SMBH. In future work, the effect of strong gravitational lensing will be introduced into the data to assess whether it becomes possible to measure the mass of these same SMBHs, but at a higher redshift.

Atominterferometrie (AI) auf Basis von Lichtpulsen ist ein wichtiges Werkzeug der Präzisionsmesstechnik in Bereichen der inertialen Sensorik oder Fundamentalphysik geworden. Vor allem in Kombination mit ultrakalten, atomaren Quellen, sowie der Verwendung im schwerelosen Raum, werden hohe Sensitivitäten erwartet, die Verletzungen des schwachen Äquivalenzprinzips nachweisen können. QUANTUS-2 ist ein mobiles Atominterferometer, das am ZARM Fallturm in Bremen operiert. Durch seine Atomchip-basierte atomare Rubidiumquelle mit hoher Flussdichte dient es als Vorreiterexperiment für zukünftige Weltraummissionen, bei denen Schlüsseltechnologien wie die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten (BECs), Delta-Kick Kollimation oder Anwendung verschiedener AI-Geometrien auf sekundenlangen Zeitskalen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kalium-Diodenlasersystem aufgebaut, um die Funktionalität auf Zwei-Spezies Nutzung zu erweitern. Basierend auf dem Design des Rubidium-Diodenlasersystem mit mikrointegrierten Laserdiodenmodulen und kompakter Elektronik, konnte es erfolgreich qualifiziert werden. In einem Machbarkeitsbeweis wurde eine magneto-optische Falle mit Kalium generiert, die die Fähigkeit des Lasersystems zum Fangen von Atomen demonstriert. Mit Rubidium wurden offene Ramsey-Interferometer und Mach-Zehnder Interferometer (MZIs) am Boden und in über 155 Abwürfen untersucht. Die Kombination von unterschiedlich stark Delta-Kick kollimierten BECs und AI in Schwerelosigkeit eröffnete eine neue Methode zur Bestimmung der magnetischen Linsendauer zur optimalen Kollimierung. Asymmetrische MZIs mit Interferometerzeiten von 2T > 1s konnten erfolgreich demonstriert werden. Mit gravimetrischen Untersuchungen am Boden auf Basis von MZIs und einer zusätzlichen Methode der Atomlevitation wurde die lokale Gravitationsbeschleunigung g ermittelt. Die untersuchten Schlüsseltechnologien sind fundamentale Notwendigkeiten, um den Weg für zukünftige Weltraummissionen aufzubereiten. / Light-pulse atom interferometry (AI) is an important tool for high precision measurements in the fields of inertial sensing or fundamental physics. Especially in combination with ultra-cold atomic sources and operation in microgravity, high sensitivities are expected that are necessary for the search for violations of the weak equivalence principle. QUANTUS-2 is a mobile atom interferometer operating at the ZARM drop tower in Bremen. With its high-flux, atom chip-based atomic rubidium source, it serves as a pathfinder for future space missions, examining key technologies like the generation of Bose-Einstein condensates (BECs), implementation of delta-kick collimation or application of various AI geometries. In this thesis, a potassium diode laser system has been built to complete the preordained functionality of dual-species operation. Based on the design of the rubidium laser system with micro-integrated laser diode modules and compact electronics, it successfully passed the qualification tests. In a proof of principle measurement, a potassium magneto-optical trap could be generated to prove the system’s capability of trapping atoms. With rubidium, open Ramsey type interferometers and Mach-Zehnder interferometers (MZIs) were examined on ground and in over 155 drops in microgravity. The combination of variably delta-kicked collimated BECs and AI in microgravity revealed a new technique to determine the magnetic lens duration for optimal collimation. Asymmetric MZIs with interferometry times of 2T > 1s have successfully been demonstrated. Gravimetric examinations on ground with MZIs and by an additional levitation technique have been performed to determine the local gravitational acceleration g. The examined key technologies are fundamental necessities that have to be considered to pave the way for future space missions.

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[ES] Esta tesis aborda la caracterización de circuitos fotónicos integrados (PIC) usando interferometría óptica en el domino de las frecuencias (OFDI). OFDI tiene una implementación razonablemente simple e interroga al dispositivo bajo test (DUT) proporcionando su respuesta en el dominio del tiempo, en la que los distintos caminos ópticos seguidos por la luz se manifiestan en contribuciones que contienen información de posición, amplitud y fase. Junto con un "setup" OFDI construido en nuestros laboratorios y estructuras de test integradas que involucran anillos resonantes, interferómetros, etc., proponemos e implementamos técnicas para obtener parámetros ópticos cruciales tales como el índice de grupo, dispersión cromática, rotación de polarización y pérdidas de propagación en guías de onda. También para caracterizar acopladores ópticos. Se realizan evaluaciones directas de fase óptica en diferentes experimentos para, entre otras aplicaciones, caracterizar efectos de calor en chips. En la culminación de la tesis, se aborda la integración conjunta de los interferómetros de OFDI junto con el DUT, concibiéndolo como una estructura de caracterización integrada. El uso de guías de onda integradas proporciona una alta estabilidad y adaptación al DUT, además de un mecanismo inherente de compensación de la dispersión. Se realiza un análisis y prueba de concepto experimental caracterizando un "arrayed waveguide grating" en tecnología de nitruro de silicio. Seguidamente, se da un paso adelante proponiendo una arquitectura interferométrica de tres brazos novedosa que permite reducir la complejidad de la medida. Se lleva a cabo una validación experimental amplia usando distintos equipos de laboratorio, acoplamiento horizontal y vertical al chip, y diferentes DUTs en tecnologías de nitruro de silicio y "silicon-on-insulator". / [CAT] Aquesta tesi aborda la caracterització de circuits fotònics integrats (PIC) usant interferometria òptica al domini de les freqüències (OFDI). OFDI té una implementació raonablement simple i interroga el dispositiu sota test (DUT) proporcionant la seva resposta en el domini del temps, en què els diferents camins òptics seguits per la llum es manifesten en contribucions que contenen informació de posició, amplitud i fase. Juntament amb un "setup" OFDI construït als nostres laboratoris i estructures de test integrades que involucren anells ressonants, interferòmetres, etc., proposem i implementem tècniques per obtenir paràmetres òptics crucials com ara l'índex de grup, dispersió cromàtica, rotació de polarització i pèrdues de propagació en guies d'ona. També per caracteritzar acobladors òptics. Es fan avaluacions directes de fase òptica en diferents experiments per, entre altres aplicacions, caracteritzar efectes de calor en xips. A la culminació de la tesi, s'aborda la integració conjunta dels interferòmetres d'OFDI juntament amb el DUT, concebent-ho com una estructura de caracterització integrada. L'ús de guies d'ona integrades proporciona una alta estabilitat i adaptació al DUT, a més d'un mecanisme inherent de compensació de la dispersió. Es realitza una anàlisi i prova de concepte experimental caracteritzant un "arrayed waveguide grating" en tecnologia de nitrur de silici. Seguidament, es fa un pas avant proposant una arquitectura interferomètrica de tres braços nova que permet reduir la complexitat de la mesura. Es du a terme una validació experimental àmplia usant diferents equips de laboratori, acoblament horitzontal i vertical al xip, i diferents DUTs en tecnologies de nitrur de silici i "silicon-on-insulator". / [EN] This PhD thesis covers the characterization of complex photonic integrated circuits (PIC) by using Optical Frequency Domain Interferometry (OFDI). OFDI has a fairly simple implementation and interrogates the device under test (DUT) providing its time domain response, in which the different optical paths followed by light manifest in contributions with position, amplitude and phase information. Together with a working OFDI setup built in our laboratory and integrated test structures involving devices such as ring resonators, interferometers, etc., we propose and implement techniques to get crucial optical parameters such as waveguide group refractive index, chromatic dispersion, polarization rotation, and propagation loss. Also, to characterize optical couplers. Direct optical phase assessment is made in different experiments permitting, amongst others, the characterization of on-chip heat effects. In the culmination of the thesis, the co-integration of the OFDI interferometers with the DUT is addressed, conceiving it as an integrated characterization structure. The use of integrated waveguides provide high stability and adaptation to the DUT, as well as an inherent dispersion de-embedding mechanism. It is provided analysis and experimental proof of concept with an arrayed waveguide grating as DUT in a silicon nitride platform. A considerable leap forward is then taken by proposing a novel three-way interferometer architecture, reducing the measurement complexity. Wide experimental validation is carried out using different laboratory equipment, horizontal and vertical chip coupling, and different DUTs in silicon nitride and silicon-on-insulator. / Bru Orgiles, LA. (2022). Optical Frequency Domain Interferometry for the Characterization and Development of Complex and Tunable Photonic Integrated Circuits [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181635

F₁-ATPase, the sector of ATP synthase where the synthesis of cellular ATP occurs, is a rotary molecular motor in its own right. Driven by ATP hydrolysis, direct observation of the rotation of the central axis within single molecules of F₁ is possible. Operating at close to 100% efficiency, F₁ from thermophilic Bacillus has been shown to produce ~40pN˙nm of torque during rotation. This thesis details the groundwork required for the direct measurement of the torque produced by F₁ using a rotary angle clamp, an optical trapping system specifically designed for application to rotary molecular motors. Proof-of-concept experiments will be presented thereby demonstrating the ability to directly manipulate single F₁ molecules from Escherichia coli and yeast mitochondria (Saccharomyces cerevisiae), along with activation of F₁ out of its inhibited state by the application of external torque. Despite in-depth knowledge of the rotary mechanism of F₁ from thermophilic Bacillus, the rotation of F₁ from Escherichia coli is relatively poorly understood. A detailed mechanical characterization of E.coli F₁ will be presented here, with particular attention to the ground states within the catalytic cycle, notably the ATP-binding state, the catalytic state and the inhibited state. The fundamental mechanism of E.coli F₁ appears to depart little from that of F₁ from thermophilic Bacillus, although, at room temperature, chemical processes occur faster within the E.coli enzyme, in line with considerations regarding the physiological conditions of the different species. Also presented here is the verification of the rotary nature of yeast mitochondrial F₁. The torque produced by F₁ from thermophilic Bacillus, E.coli and yeast mitochondria is the same, within experimental error, despite their diverse evolutionary and environmental origins.

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques. / A new EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) controller is presented. It allows the EMCCD to be used for photon counting by drastically taking down its dominating source of noise : the clock induced charges. A new EMCCD camera was built using this controller. It has been characterized in laboratory and tested at the observatoire du mont Mégantic. When compared to the previous generation of photon counting cameras based on intensifier tubes, this new camera renders the observation of the galaxies kinematics with an integral field spectrometer with a Fabry-Perot interferometer in Ha light much faster, and allows fainter galaxies to be observed. The integration time required to reach a given signal-to-noise ratio is about 4 times less than with the intensifier tubes. Many applications could benefit of such a camera: fast, faint flux photometry, high spectral and temporal resolution spectroscopy, earth-based diffraction limited imagery (lucky imaging), etc. Technically, the camera is dominated by the shot noise for flux higher than 0.002 photon/pixel/image. The 21 cm emission line of the neutral hydrogen (HI) is often used to map the galaxies kinematics. The extent of the distribution of the neutral hydrogen in galaxies, which goes well beyond the optical disk, is one of the reasons this line is used so often. However, the spatial resolution of such observations is limited when compared to their optical equivalents. When comparing the HI data to higher resolution ones, some differences were simply attributed to the beam smearing of the HI caused by its lower resolution. The THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) project observed many galaxies of the SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey) project. The kinematics of THINGS will be compared to the kinematic data of the galaxies obtained in Ha light. The comparison will try to determine whether the sole beam smearing is responsible of the differences observed. The results shows that intrinsic dissimilarities between the kinematical tracers used are responsible of some of the observed disagreements. The understanding of theses differences is of a high importance as the dark matter distribution, inferred from the rotation of the galaxies, is a test to some cosmological models.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.