Ce mémoire a pour but le développement d’un système interférométrique à peignes de fréquence simple d’utilisation et performant afin de démocratiser l’utilisation de cette nouvelle technologie. Dans ce mémoire, le principe d’interférométrie par peignes de fréquence est décrit ainsi que des techniques de référencement. Par la suite, le référencement est utilisé afin de concevoir un système de correction et de moyennage temps-réel. Ce mémoire présente le système optique et électronique nécessaire à la réalisation d’un tel système. Toutes les étapes de la conception de l’algorithme de correction et de moyennage y sont exposées ainsi que les différents compromis et optimisations effectués. Finalement, des mesures expérimentales prises et corrigées à l’aide du système développé sont présentées. À ce jour, la mesure d’HCN et de C¬¬2H2 ainsi que celle du micro-résonateur présentées dans ce mémoire possèdent le plus haut rapport signal sur bruit pris par un interféromètre à peignes de fréquence.

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Le mandat de ce mémoire est de vérifier la possibilité d'effectuer la spectroscopie d'une cellule de gaz HCN et d'une cellule de gaz méthane avec la technique d'interférométrie à l'aide de deux lasers indépendants sans l'auto référencement du battement 1f − 2f.L'approche choisie est d'analyser les spectres de fréquence obtenus à partir d'un double peigne stabilisé que l'on déstabilise en enlevant la boucle de contrôle des fCEO et de comparer ces spectres expérimentaux avec des spectres de référence provenant soit de la base de données HITRAN (cas du méthane) ou soit par une construction à partir de données expérimentales provenant du NIST (cas du HCN). Afin de pouvoir reconstruire adéquatement les spectres de fréquence, on utilise un algorithme d'autocorrection des interférogrammes (IGM) qui permet d'augmenter les temps de cohérence des IGM et ainsi d'étendre le temps de moyennage tout en conservant la résolution spectrale. Déjà utilisée pour des lasers stables à forts taux de répétition, son utilisation sur des lasers à taux de répétition beaucoup plus faible nécessite certaines modifications pour son bon fonctionnement. La première modification est l'ajout d'un prétraitement des données qui consiste par l'extraction de l'évolution des phases des signaux de battement à fopt et par la démodulation du signal contenant les IGM avec la combinaison extraite des phases. La seconde modification permet son utilisation sur de grandes quantités de données évitant ainsi des dépassements d'espace mémoire vive lors de l'exécution de l'algorithme sous MATLAB®. Les résultats obtenus avec le HCN démontrent que la spectroscopie à l'aide d'un double peigne de fréquences est possible lorsque la régulation des lasers s'effectue uniquement par l'asservissement des fopt et que le battement des peignes est prétraité et post-traité permettant ainsi de conserver la résolution spectrale. En ce qui concerne la spectroscopie du méthane, nos résultats montrent que le système interférométrique fonctionne seulement lorsque que la stabilisation du double peigne s'effectue par les asservissements du fCEO et du fopt. Toutefois, certaines modifications à notre système telles que : l'utilisation d'un laser CW à1650 nm au lieu de celui à 1550 nm ; l'ajout d'un second laser CW ou bien par la mesure de f r ou d'une harmonique permettraient d'obtenir une spectroscopie adéquate du méthane et cela sans utiliser l'autoréférencement des peignes.

La spectroscopie double-peigne est une technique qui consiste à faire interférer deux peignes de fréquences laser légèrement désynchronisés ayant sondé un échantillon afin de retrouver sa signature spectrale avec une haute résolution et à grande vitesse. Cependant, elle requiert deux lasers qui sont mutuellement cohérents, une contrainte qui est habituellement satisfaite par stabilisation active au prix d’une plus grande complexité matérielle. Cette thèse aborde ce problème en présentant des solutions qui permettent l’utilisation de peignes en opération libre, simplifiant ainsi la technique du double-peigne. On démontre d’abord une plateforme laser compacte capable de générer une paire de peignes de fréquences qui sont affectés de manière similaire par les perturbations environnementales. Elle est basée sur une puce de verre dopée à l’erbium contenant plusieurs guides d’ondes inscrits par laser et séparés de quelques centaines de microns. Deux guides adjacents sont pompés simultanément et opérés en régime de synchronisation modale à ∼ 1 GHz dans la bande de 1.5 μm pour fournir une paire de peignes corrélés. Le bruit de fréquence en opération libre de cette source est ensuite caractérisé et on estime un temps de cohérence mutuelle qui dépasse le temps de mesure requis pour obtenir un spectre à haute résolution. Ceci est rendu possible grâce à l’utilisation de lasers qui sont intrinsèquement peu bruités, à l’intégration mécanique de la source, et à l’utilisation d’une grande différence entre les cadences des peignes. On présente aussi deux algorithmes de correction qui, lorsque combinés avec notre source double-peigne, permettent d’étendre artificiellement son temps de cohérence afin d’augmenter le temps de moyennage utile sans sacrifier la résolution spectrale. Ces algorithmes estiment et compensent la phase et le temps d’arrivée des interférogrammes mesurés, et ce sans recourir à aucune mesure externe des fluctuations des peignes. Ils sont d’abord décrits en détail puis leurs limites sont déterminées de façon quantitative à partir des paramètres des peignes et de leur bruit de fréquence relatif, où une grande différence entre les cadences apparaît comme étant la clé d’une correction réussie. Finalement, les performances du spectromètre double-peigne assisté par la correction logicielle sont démontrées en mesurant le spectre de transmission de l’acétylène et du cyanure d’hydrogène avec un échantillonnage spectral de ∼1 GHz. La qualité des mesures est validée par comparaison avec des spectres simulés à partir de données connues. / Dual-comb spectroscopy is a technique where two slightly detuned laser frequency combs are interfered together after probing a sample under study in order to retrieve its spectral signature with a high resolution and at high speed. However, it requires two lasers that are mutually coherent, a constraint that is most often satisfied by active stabilization at the cost of an increased hardware complexity. This thesis tackles this issue by presenting solutions that allow the use of free-running combs, thus simplifying the dual-comb technique. First, we demonstrate a compact laser platform able to generate a pair of frequency combs that are similarly affected by environmental perturbations. It is based on an erbium-doped glass chip containing a number of ultrafast-laser-inscribed waveguides separated by a few hundred microns. Two adjacent waveguides are pumped simultaneously and passively mode-locked at ∼1 GHz in the 1.5 μm band to deliver a pair of correlated frequency combs. The free-running frequency noise of this source is characterized thoroughly and its mutual coherence time is found to exceed the measurement time required to retrieve a high-resolution spectrum. This is made possible by the use of intrinsically low-noise waveguide lasers, by the dual-comb source’s mechanical integration, and by the use of a large repetition rate difference between the combs. We also present two correction algorithms that, when combined with our dual-comb source, allow to artificially extend its coherence time in order to increase the useful averaging time without sacrificing the spectral resolution. These algorithms work by estimating and compensating the phase and timing of the measured interferograms without relying on any external measurement of the combs’ fluctuations. They are first described in detail and their limitations are determined quantitatively in terms of the combs’ parameters and relative frequency noise, where a large repetition rate difference appears to be the key to a successful correction. Finally, the performance of the dual-comb spectrometer assisted by a software correction is demonstrated by measuring the transmission spectrum of acetylene and hydrogen cyanide with a spectral sampling of ∼1 GHz. The quality of the measurements is validated by comparison to spectra simulated from known data.

Ce mémoire décrit le développement d’une technique incohérente de détection LADAR à l’aide d’une diode laser à longueur d’onde accordable afin d’identifier un échantillon multicouches à distance avec une résolution submillimétrique. Les principes de LADAR ainsi que les techniques d’interférométrie utilisés pour la détection d’un échantillon multicouches sont présentés. Par la suite, les concepts théoriques essentiels pour ce mémoire sont décrits, en particulier l’interféromètre à fréquence accordable, la comparaison des mesures prises en réflexion et transmission, et l’effet des mesures prises à un angle d’incidence. La phase expérimentale consistait en une série d’essais en laboratoire pour valider le montage expérimental, ainsi qu’un programme diversifié de mesures extérieures avec une multitude de configurations d’échantillons multicouches. Les résultats concluants démontrent la capacité d’identifier et de définir des échantillons multicouches à distances, incluant lorsque mesurés à un angle d’incidence. / This thesis outlines the development of an incoherent LADAR detection technique using a tunable laser diode source to identify and characterize multilayer samples with sub-millimeter resolution at long-range distances. The principles of LADAR and interferometry techniques currently being utilized to detect a stratified medium are first described. This is followed by the theoretical concepts that underline the work of this thesis, where in particular the frequency swept interferometer, the comparison of measurements performed in reflection versus transmission, and the effects of off-axis measurements are explained. The experimental phase consisted of a series of indoor tests to validate the experimental setup and the signal analysis code, and a wide-ranging outdoor measurement programme with numerous configurations of multilayer samples. The results successfully demonstrate the ability to identify and characterize multilayer samples at long-range distances, including when there is an angle of incidence on the substrate.

Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur sont souvent responsables d’intensification des flux thermiques aux parois, de vibrations et d’émissions sonores qui peuvent éventuellement dégénérer en instabilités thermo-acoustiques auto-entretenues. Ces phénomènes instationnaires dégradent les performances des foyers, provoquent un vieillissement prématuré de certains éléments de la chambre de combustion, voire des dégâts plus importants sur l’installation. Ces perturbations sont cependant difficiles à mesurer dans les foyers car il n’existe pas de diagnostic qui permette d'accéder directement au taux de dégagement de chaleur. L’objectif de ce travail est d'explorer deux alternatives aux solutions existantes pour accéder aux fluctuations du taux de dégagement de chaleur avec une bonne résolution temporelle. Ces nouvelles méthodes sont testées dans des configurations génériques parfaitement prémélangées pour des écoulements laminaires. La première méthode est une technique acoustique, qui repose sur la détermination du temps de vol d’ondes ultrasonores qui traversent l’écoulement. Les fluctuations du temps de vol de ces ondes sont utilisées pour détecter des perturbations de la largeur des gaz brûlés le long du chemin acoustique. Cette information permet de reconstituer les fluctuations du taux de dégagement de chaleur dans des flammes prémélangées. Les premières validations de cette méthode sont présentées pour des flammes en l'absence de perturbation externe lorsqu'elles présentent une instabilité de type Kelvin-Helmholtz pilotée par les phénomènes de flottabilité du panache des gaz brûlés. Des mesures sont ensuite conduites pour des flammes soumises à des modulations harmoniques de l'écoulement. Les données obtenues dans ces configurations sont comparées à des mesures optiques ainsi qu'à des prévisions analytiques. La seconde méthode est une technique optique utilisant un système d’interférométrie laser Doppler permettant de déterminer les fluctuations de densité intégrées le long du chemin optique. On montre dans un premier temps que les perturbations de densité sont principalement causées par des fluctuations du taux de dégagement de chaleur lorsque les flammes sont confinées. Un lien est établi pour reconstituer les perturbations du taux de dégagement de chaleur exploitant le signal de l'interféromètre. La technique est validée pour des flammes pulsées pour différentes richesses et débits. Les données obtenues sont comparées à des mesures reposant sur la chimiluminescence de la flamme. Un bon accord est obtenu pour des modulations harmoniques de l'écoulement à différentes fréquences et niveaux de perturbation. Ce travail permet de valider le principe de ces deux techniques pour détecter les perturbations du taux de dégagement de chaleur lorsque l'accès optique à la zone de combustion est réduit et lorsque des informations quantitatives résolues temporellement sont nécessaires. / Heat release rate disturbances are the sources of additional thermal stresses, direct and indirect combustion noise and undesirable vibrations. In extreme cases, these perturbations may even cause destructive combustion instabilities. These quantities are difficult to measure in practical burners. The objective of this work is to develop two alternative diagnostics to measure heat release rate fluctuations in unsteady flames. These techniques are validated in generic configurations for perfectly premixed laminar flames. The first method is an acoustic technique, which is based on the measurement of the travel time of ultrasonic waves through the flames. Fluctuations of the sound propagation time transmission through unsteady flames are used to estimate perturbations in the burned gases width along the acoustic path. This information is then used to reconstruct heat release rate fluctuations. This technique is validated in the cases of unstable laminar premixed flames driven by buoyancy forces and for flames submitted to harmonic flow velocity modulations. Analytical expressions are derived linking fluctuations in heat release rate and disturbances of the sound travel time. Measurements made with this acoustic technique are compared with optical detections based on the flame chemiluminescence and with predictions from an analytical model. Good agreements are obtained between these different methods validating the proposed technique. The second method envisaged is an optical technique based on a Laser Interferometric Vibrometer used to measure integrated density perturbations along the optical path of a laser beam. It is shown that density disturbances along this path result mainly from heat release rate fluctuations when the flames are confined. A link is established to reconstruct heat release rate disturbances from the signal of the interferometer. The technique is validated in the case of pulsated laminar premixed flames. Measurements are compared to line-of-sight integrated chemiluminescence emission measurements. A good agreement is obtained for harmonic flow modulations at different forcing frequencies and perturbation levels for flames operating at different flow conditions. This work validates the principle of this alternative technique for detecting heat release rate perturbations.

Les nouvelles techniques de spectrométrie utilisant le battement de deux peignes de fréquences sont en plein essor. Le présent mémoire de maîtrise a pour but d'exposer la double utilisation possible d'un même système en adoptant cette nouvelle technique; soit la détermination du spectre d'un objet à une certaine distance ainsi que la mesure de cette même distance. Ce mémoire fera donc une brève description des systèmes actuels permettant d'effectuer des mesures pour ces deux domaines. Ensuite, nous ferons une description détaillée des différentes méthodes que nous avons utilisées afin d'adapter notre montage pour prendre ces mesures. Finalement, nous vous exposerons nos résultats et en ferons l'analyse.

Dans le but d'étendre la plage d'utilisation des instruments à peignes de fréquence en les rendant plus polyvalents, les travaux de cette thèse présentent des solutions à deux limitations fondamentales liées à leur utilisation : le rapport cyclique de mesure utile et la bande optique limitée, et parfois non disponible, des sources lasers utilisées. La première limitation provient du fait que dans un interféromètre à peignes, la plage de l'interférogramme mesurée est fixée par le taux de répétition des peignes. Ainsi, lorsqu'une plage plus petite est nécessaire, du temps de mesure est perdu et l'utilisation de l'instrument n'est plus optimale. La solution qui est proposée est d'utiliser seulement un peigne, mais dans une configuration où l'échantillonnage optique est réalisé en variant la longueur de la cavité laser. Ensuite, pour démontrer comment la deuxième limitation peut être contournée, des peignes générés de manière non linéaire par doublage de fréquence sont utilisés pour développer un interféromètre référencé à peignes doublés. Afin d'extraire des mesures précises avec les interféromètres à peignes, le battement entre les peignes doit être référencé. Dans les travaux de cette thèse, un système de référencement optique développé pour les interféromètres à peignes est adapté aux deux instruments proposés. Dans le cas de l'interféromètre à peignes doublés, un système de référencement fonctionnant à la fréquence fondamentale des peignes est démontré. Pour évaluer les performances des instruments développés dans ces travaux, des mesures précises de l'absorption du cyanure d'hydrogène, du rubidium, de l'oxygène et de l'acétylène sont présentées, incluant des mesures moyennées sur quelques heures par un système de correction et de moyennage en temps réel.

Ce manuscrit présente une étude de l'interaction non-linéaire d'ondes élastiques et de différentes techniques dédiées à la mesure des propriétés non-linéaires des matériaux et des champs de pression. Nous développons l'analogie entre fluides et solides pour les ondes longitudinales dans l'approximation quadratique. L'interaction de deux ondes (30 et 2,5 MHz), analogue à une modulation de phase, permet de mesurer les coefficients de non-linéarité de différents matériaux, sur des échantillons d'environ 10 mm d'épaisseur. Les résultats obtenus dans les fluides, les gels et les solides, notamment grâce aux améliorations de l'électronique, montrent la souplesse de cette technique. L'élasticité spécifique des solides mous rend possible des expériences de génération d'harmonique et d'interaction d'onde de cisaillement, qui illustrent les caractéristiques de la non-linéarité cubique et confirment l'influence des effets de diffraction. Ces derniers sont responsables de l'apparition d'harmoniques paires. Le palpeur d'élastographie 1D constitue une configuration expérimentale qui nous rapproche des applications. L'interférométrie optique a été appliquée à la mesure de fortes pressions dans l'eau (à la focale de transducteurs de forte puissance) et de très faibles déplacements (induit par la contrainte de radiation à la surface des solides). Les améliorations de l'optique, de l'électronique et du traitement du signal rendent possible l'étude des phénomènes d'acoustique non-linéaire.

Le suivi de la déformation de la croûte terrestre durant la phase intersismique pour la recherche des transitoires nécessite des instruments précis capables d'opérer pour de très longues durées. Le projet ANR-LINES a visé le développement de trois nouveaux instruments : un sismomètre mono-axial, un inclinomètre hydrostatique à longue base et un inclinomètre de forage pendulaire. Ces trois instruments profitent d'un capteur interférométrique de déplacement à longues fibres optiques du type Fabry-Pérot Extrinsèque (EFFPI). Leurs architectures mécaniques et l'utilisation de longues fibres permettent à ces instruments géophysiques nouvellement fabriqués d'atteindre les objectifs fixés.Le premier objectif de cette étude est de proposer des méthodes adaptées à l'estimation de la phase du chemin optique dans les cavités Fabry-Pérot. Une modulation du courant de la diode laser, suivie par une démodulation homodyne du signal d'interférence et un filtre de Kalman permettent de déterminer la phase en temps réel. Les résultats sont convaincants pour des mesures de courtes durées mais exigent des solutions complémentaires pour se prémunir des effets de la variation des phénomènes environnementaux.Le capteur EFFPI intégré dans l'inclinomètre de forage LINES lui offre l'opportunité d'établir une mesure différentielle de l'oscillation de la masselotte pendulée grâce à trois cavités Fabry-Pérot. Le sismomètre LINES utilise lui aussi le capteur de déplacement EFFPI pour la mesure du déplacement de sa bobine. Une description de l'architecture mécanique de ces instruments et une analyse des phénomènes détectés (mouvements lents, marées, séismes, microséismes . . . ) font partie de cette thèse. / Monitoring crustal deformation during the interseismic phase when searching for earth transients requires precise instruments able to operate for very long periods. The ANR-LINES project aimed to develop three new instruments: a single-axis seismometer, a hydrostatic long base tiltmeter and a borehole pendulum tiltmeter. These three instruments benefit of an extrinsic Fabry-Pérot interferometer (EFFPI) with long optic fibers for displacement detections. Their mechanical architectures and their disposal of long fibers help these newly manufactured geophysical instruments complete their goals.The first objective of this study is to propose appropriate methods for estimating the phase of the optical path in the Fabry-Pérot cavities. A modulation of the laser diode current, followed by a homodyne demodulation of the interference signal and a Kalman filter, allow determining the phase in real time. The results are convincing while taking short periods measurements but require additional solutions for protection against environmental phenomena variations. The EFFPI sensor integrated in the LINES borehole tiltmeter gives it the opportunity to establish a differential measurement of the bob's oscillation thanks to three Fabry-Perot cavities. The LINES seismometer also uses the EFFPI displacement sensor to measure its coil's displacement. A description of the two instruments' mechanical structures and an analysis of the detected phenomena (slow movements, tides, earthquakes, microseisms . . . ) are part of this thesis.Keywords: Laser interferometry, wavelength modulation, synchronous homodyne demodulation, ellipse fitting, Kalman filter, temperature compensation, borehole tiltmeter, simple pendulum, differential measurements, slow drift, seismicobservations, seismometer.