Cette thèse porte sur l'étude d'un composant optique à base de guides d'onde monomodes destiné à recombiner de manière cohérente les faisceaux provenant de quatre télescopes. L'architecture proposée permet de fournir une mesure instantanée de la visibilité et de la phase des tranges pour les six paires possibles de télescopes sur la bande H de transparence de l'atmosphère. A partir des résultats de caractérisation optique obtenus sur les dispositifs réalisés en technologie silice sur silicium, des composants plus complexes destinés aux projets d'instrumentation de seconde génération du VLTI (Very Large Telescope Interferometer) ont pu être étudiés. Il est notamment montré que l'architecture proposée est extensible aux bandes d'observation J et K et à la recombinaison de faisceaux issus de six voire huit télescopes, et peut être aussi avantageusement utilisée pour réaliser un suiveur de franges.

L'interférométrie annulante est une technique d'observation qui devrait permettre aux missions spatiales DARWIN (Agence Spatiale Eurpéeenne) ou TPF-I (NASA), de détecter et de caractériser spectralement l'atmosphère de planètes extra-solaires de type tellurique et de trouver d'éventuelles bio-signatures.<br /><br />Ce travail de thèse est une étude théorique et expérimentale de cette technique. Après une présentation du contexte astrophysique justifiant l'utilisation de tels instruments, ce manuscrit se focalise sur le problème de l'obtention expérimentale des niveaux d'extinction interférométrique requis pour la détection de planètes (10-5) ainsi que leur stabilisation (elle aussi indispensable à la détection de planètes).<br /><br />Un banc banc interférométrique : NULLTIMATE a été conçu pour la caractérisation expérimentale de déphaseurs achromatiques, l'un des composants optiques essentiels d'un interféromètre annulant. Cet interféromètre de laboratoire doit fonctionner dans la bande spectrale du futur instrument : 618 µm. Il a été conçu pour fonctionner à basse température. Il devrait permettre de caractériser quatre types de déphaseurs achromatiques différents, à la fois en mesurant des niveaux d'extinction élevés (de l'ordre de 10-5) et en mesurant le déphasage introduits par ces déphaseurs en fonction de la longueur d'onde. Ce banc pourra enfin être un bon laboratoire pour tester des techniques de stabilisation de l'extinction.

L'accessibilité aux techniques d'analyse avancées est souvent un problème pour l'établissement des diagnostics, posés par le personnel médical. Les techniques classiques requièrent souvent des installations considérables (laboratoires d'analyses) ou utilisent des équipements volumineux et difficilement disponibles. Dans le but de résoudre ce problème, l'usage d'une plateforme technologique composée de l'intégration partielle d'un biodétecteur sur une structure auto-émettrice est un intéressant point de départ. Cette plateforme considère le problème d'accessibilité à la technologie directement en réduisant la taille et le coût relié à celle-ci. L'usage d'une structure compatible aux procédés de microfabrication couramment utilisés dans l'industrie de la microélectronique indique la possibilité d'augmenter l'échelle de production aisément et à faible coût. En contrepartie, les systèmes non intégrés sont généralement plus polyvalents sur les procédés de détection possibles mais aussi plus sensible, grâce à des systèmes optiques complexes. L'intégration d'un système interférométrique et son couplage à la plateforme technologique déjà existante permettraient l'implémentation d'une mesure basée sur la détection de phase additionnelle à la mesure classique de l'intensité, menant ainsi à l'augmentation de la sensibilité du biodétecteur. En se basant sur la théorie électromagnétique des modes couplés dans les structures laminaires pour créer le tissu théorique et sur des simulations FEM (modélisation par éléments finis) pour effectuer les démonstrations préliminaires, l'objectif de cette maîtrise consiste à étudier les caractéristiques d'un biodétecteur SPR (résonance de plasmons de surface) dont la mesure d'indice de réfraction de surface utilise une approche interférométrique. Pour ce faire, une microstructure est ajoutée à la surface du biodétecteur pour coupler une lumière incidente cohérente aux modes de surface. Ces modes de surface sont le produit de l'interaction et de l'interférence des plasmons diffractés par les différentes composantes de la microstructure. Dans un cas de microstructure simple, par exemple une paire de réseaux finis adjacents, l'analyse détaillée de l'interaction des plasmons diffractés est possible, comme il sera démontré dans ce document. Cette interaction sera ensuite liée à la forme de la résonance de la structure et comparée à d'autres cas simples, dont une structure classique de SPR. Cette transformation de la forme de la résonance augmente la précision globale de la mesure du biodétecteur sans en augmenter grandement la complexité. La méthode interférométrique promet des résultats très intéressants sous certain paramètres, aussi mis en évidence dans ce mémoire.

Moins de 20 ans après la découverte de HD114762b, l'exoplanétologie est déjà très riche en découvertes et elle le sera encore très certainement dans les années à venir. L'interférométrie en frange noire, ou nulling, est une des rares méthodes permettant l'observation directe des planètes extrasolaires en s'affranchissant du très fort contraste existant entre la planète et son étoile hôte. Cette méthode exige cependant une égalisation des chemins optiques, ou cophasage, avec une précision nanométrique. Mon manuscrit traite principalement de PERSEE, un banc ayant pour objectif de valider les problématiques de l'interférométrie en frange noire et du cophasage en présence de perturbations réalistes. Ma contribution au dimensionnement de PERSEE a permis de positionner au mieux la pupille et d'optimiser le choix des deux bandes spectrales. Les estimateurs de cophasage s'appuient sur une modulation spatiale codant l'interférogramme sur 4 points. Les algorithmes de démodulation exploitant la quasi-quadrature présentent deux retombées majeures : l'estimation photométrique de chaque bras et le contrôle des dérives internes. En outre, j'ai développé un estimateur de la différence de marche conjuguant grande dynamique et précision basé sur les mesures de la différence de marche dans deux bandes spectrales. Enfin, je présente les performances expérimentales du système de cophasage que j'ai intégré puis mis en œuvre. Les premiers résultats de PERSEE ont montré une précision sur la stabilisation des faisceaux égale à 0.8 nm rms, ce qui a permis d'obtenir une profondeur de l'extinction en lumière monochromatique égale à N=6.2x10−5±6.3x10−6. Ceci démontre ainsi que l'utilisation des 4 sorties d'un interféromètre de Mach-Zehnder modifié, commun au nuller et au système de cophasage, est une solution prometteuse pour les futurs instruments puisqu'elle permet de minimiser les aberrations différentielles entre ces deux systèmes. Enfin, ma contribution à la définition du système de cophasage de GRAVITY, un instrument de seconde génération du Very Large Telescope Interferometer, a permis de choisir la recombinaison interférométrique la plus performante pour le système de cophasage de GRAVITY.

La tomographie par cohérence optique (ou OCT pour Optical Coherence Tomography) est une technique d'imagerie des milieux biologiques basée sur l'interférométrie en lumière faiblement cohérente. Depuis son invention il y a 20 ans, l'OCT a connu un développement spectaculaire et suscite aujourd'hui encore une activité de recherche particulièrement dynamique et compétitive. L'OCT plein champ est une technique particulière d'OCT, dans laquelle des coupes transverses de l'échantillon biologique sont obtenues sans aucun balayage, permettant ainsi de révéler de manière non invasive la structure interne 3D de l'échantillon avec une résolution spatiale micrométrique. Réputée dans la communauté scientifique internationale, l'OCT plein champ est toutefois mal adaptée à l'imagerie des milieux fortement diffusants pour lesquels la profondeur de pénétration demeure relativement faible et à l'imagerie in vivo en raison de sa faible vitesse d'acquisition. L'OCT possède de plus un contraste structurel faible, basé sur les inhomogénéités d'indice de réfraction du milieu, qui rende parfois complexe voire impossible les diagnostics précoces. Ce manuscrit présente les différentes améliorations qui ont été apportées au dispositif d'OCT plein champ pour dépasser ces limites ainsi que les performances et les images obtenues.

Les systèmes planétaires sont nés du gaz et de la poussière des disques circumstellaires autour des étoiles jeunes. Pour comprendre comment les systèmes planétaires se forment, une connaissance détaillée de la structure et de l'évolution de ces disques est requise. Bien que, cela soit presque bien compris pour les régions des disques observés à des échelles spatiales de plusieurs unités astronomiques, la structure de ces disques explorés à l'échelle de quelques unités astronomiques et surtout à moins d'une unité astronomique reste une énigme. Au cours de ces dernières années, il est devenu possible de directement résoudre spatialement la région interne des disques protoplanétaires avec les techniques d'interférométrie optiques. L'objectif de cette thèse est une étude multi-longueur d'onde de l'évolution des disques protoplanétaires en déterminant leur distribution de densité et de température, leur taille, la composition de la poussière et aussi la cinématique du gaz. J’ai construit ma thèse en étudiant trois domaines de longueurs d'onde complémentaires: étude de la photosphère de l'étoile et de son disque gazeux à proximité par le biais de l'interférométrie visible, étude de la structure radiale et verticale du bord interne d'un disque de pré-transition à des fractions d'unité astronomique en interférométrie proche infra-rouge, et la caractérisation des régions des disques situées à quelques unités astronomiques de l'étoile centrale, au travers de la spectroscopie et de l'interférométrie infra-rouge moyen / Planetary systems are born in circumstellar gas and dust disks surrounding Young Stellar Objects (YSOs). To understand how planetary systems form, a detailed knowledge of the structure and evolution of these disks is required. Although, this is almost well understood for the regions of the disks observed with a spatial resolution of several AUs, the structure of these disks probed at a few AU scale and especially inward of 1 AU remains a puzzle. In recent years, it has become possible to directly spatially resolve the inner region of protoplanetary disks with optical interferometry technique. The context of this thesis is a multi-wavelength investigation of the protoplanetary disks evolution by determining their density distribution, their temperature distribution, the size and com- position of the dust components and finally the kinematics of the gas. I have developed my thesis following three complementary wavelength domains: study of the photosphere of the star and its nearby gaseous disk through visible interferometry, study of the radial and vertical structure of the inner rim of a pre-transitional disk at fractions of an AU through near-IR interferometry, and, the characterization of the disk regions at a few AUs from the central star through spectroscopic and mid-IR interferometry. To analyse the visible-, near- and mid-IR interferometric observations, I have focused my attention on three well known sources, 51 OPh, HD 100546 and MWC 480 respectively that they have not been observed in these wavelengths.

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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La non-linéarité des photodétecteurs constitue un obstacle à l'élargissement des frontières en spectroscopie double-peigne. Cette limitation restreint la puissance qui peut être envoyée au photodétecteur, et par conséquent, entrave les performances des spectromètres jusqu'à un point où l'étude de phénomènes exigeant une courte durée de mesure et un rapport signal sur bruit élevé devient impossible. En limitant la puissance sur le détecteur, il devient nécessaire de moyenner le signal pour améliorer le rapport signal sur bruit et ce, jusqu'à plusieurs heures ce qui n'est simplement pas possible pour plusieurs applications. Alors que la non-linéarité est déjà reconnue comme problématique en interférométrie par transformée de Fourier, la communauté optique travaille sur les peigne de fréquence offrant des niveaux de puissance dix fois supérieurs à ce que peut accepter un photodétecteur en régime linéaire et la qualité des mesures révèle maintenant que la non-linéarité produit un niveau d'erreur systématique significatif. Il s'en suit donc un besoin de comprendre le phénomène, de gérer les erreurs systématiques et d'améliorer la chaine de détection pour tirer avantage du niveau de puissance disponible. Le problème de non-linearité des photodétecteurs est étudié en profondeur dans cette thèse. D'abord, le problème de la détection est abordé en étudiant la réaction du photodétecteur à une impulsion unique, ce qui permet de simplifier la situation. Ce faisant, il a été possible d'identifier l'amplificateur du détecteur comme une source majeure de non-linéarité pour plusieurs détecteurs couramment utilisés. La non-linéarité du photodétecteur altère les impulsions optiques qui dépendent de la puissance incidente sur le détecteur, entraînant ainsi une déformation de l'information interférométrique encodée dans l'amplitude des battements entre les deux sources pulsées. Il est d'ailleurs montré que les raies d'absorption encodées dans le signal subissent des déformations en raison de la non-linéarité, pouvant conduire à une mauvaise estimation de la concentration de gaz mesurée dans une expérience de détection de gaz. La distortion de l'information qui se produit lors du fonctionnement d'un détecteur en régime non linéaire soulève la question de savoir si de l'information a été perdue dans la détection ou si une correction a posteriori permet de retrouver l'information originale. Il est démontré qu'en respectant certaines conditions expérimentales, la non-linéarité peut être considérée statique et qu'il est possible de retrouver un spectre minimalement entaché par des erreurs systématiques dues à la non linéarité, et ce même si la chaine de détection est opérée en régime fortement non linéaire. Un algorithme de correction basé sur la minimisation des artéfacts spectraux hors bande permet de retrouver un spectre corrigé avec un fort rapport signal sur bruit pour une courte durée de mesure. Il est également démontré qu'il existe des conditions expérimentales qui minimisent les impacts de la non-linéarité. Une première solution consiste à utiliser un détecteur sans amplificateur qui sature. Il est montré que sans amplificateur, la réponse non linéaire de la photodiode en régime de haute puissance crête n'a aucun impact lorsque le signal est adéquatement filtré, ce qui permet de préserver la condition de linéarité sur les interférogrammes mesurés. Ceci est possible pour les détecteurs qui présentent une relation linéaire entre l'aire de leur réponse impulsionnelle et la puissance incidente. Lorsque la relation entre l'aire et la puissance d'un photodétecteur n'est pas linéaire, il est nécessaire d'avoir recours à l'algorithme de correction mentionné précédemment. Ayant géré et minimisé les impacts de la non-linéarité des photodétecteur, des signaux haute puissance peuvent être utilisés pour produire des mesures avec de forts rapports signal sur bruit pour de courtes durées de mesure, ce qui crée de nouvelles possibilités. Par exemple, il a été possible de mettre en évidence des formes de raies asymétriques suivant le modèle de Fano et dépendant de la puissance crête excitant le gas sous étude en spectroscopie moléculaire. L'expérience a permis de montrer que les conditions d'étirement temporel des impulsions influencent le niveau d'asymétrie des raies, puisque celui-ci est influencée par l'intensité crête des impulsions. Les deux premiers chapitres de la thèse s'attardent à la manifestation de la non-linéarité dans le contexte de la spectroscopie par double-peigne. L'impact de la non-linéarité est décrit pour des détecteurs commerciaux afin de montrer que les détecteurs sont utilisés dans un régime non linéaire bien avant la limite de puissance moyenne donnée par le fabricant. L'impact de la non-linéarité en spectroscopie double-peigne est comparé à celui en spectroscopie classique pour noter les similitudes et les différences. Une mesure d'absorption est réalisée dans un régime linéaire et non linéaire pour bien comprendre l'impact de la non-linéarité. Les chapitres trois et quatre donnent une vue d'ensemble sur la gestion de la nonlinearité, que ce soit en la corrigeant par traitement numérique ou en la réduisant en respectant certaines conditions expérimentales. Le chapitre cinq présente l'observation d'un phénomène visible seulement avec un fort rapport signal sur bruit : la résonance de Fano. Finalement, le chapitre 6 dresse un portrait complet de la photodétection linéaire en spectroscopie double-peigne. / Photodetector nonlinearity (NL) is a substantial roadblock to expanding the frontiers of dual-comb spectroscopy (DCS). It restricts the power sent to a detector and ultimately limits the performances of spectrometers, reaching a point where it can hinder the study of phenomena that require both rapid measurement and a high signal-to-noise ratio (SNR). By limiting the power on a detector, experimentalists resort to averaging the signal to improve the SNR, but averaging for hours may become impractical for several applications. While detector NL has been known to be an issue in classical Fourier transform spectroscopy (FTS), the community has been using frequency combs with power levels more than ten times the amount a detector can tolerate in its linear operating regime, and the quality of measurement has reached a point where NL produces significant systematic errors. There is thus a need to understand what happens when a detector is over-illuminated, in order to provide adequate management of systematic NL errors and improvements to the detection chain to fully benefit from the information carried by the optical signal. This nonlinearity problem is thoroughly studied in this thesis. First, the photodetector's response to a dual-comb interferometric signal is analyzed by breaking it down into its reaction to a single optical pulse to gain insight into the core of the issue. This has enabled the identification of the amplifier as a main source of nonlinearity for several widely used detectors, marking a significant step towards addressing the nonlinearity problem. The nonlinearity of the photodetector creates optical pulse distortions that depend on the incident power on the detector, thus deforming the interferometric information encoded in the amplitude of the beatings between the two pulsed sources. It is demonstrated that absorption features are distorted and may lead to an incorrect estimation of gas concentration in a gas detection experiment. The distortion of information occurring under NL conditions raises a concern to know if any information is lost in the process, or if a posteriori correction is possible to retrieve the original information. It is shown that if experimental conditions are such that NL can be assumed static, the retrieval of a linear spectrum is possible. A correction algorithm based on the minimization of out-of-band spectral artifacts allowing to retrieve a high SNR spectrum acquired in a short measurement time is provided. It is also shown that there are experimental conditions that one can respect to minimize the impact of nonlinearity on a measurement. Having a detector without a saturating amplifier is a first solution. It is shown that without amplifier, the detector may still show nonlinear behaviour due to the photodiode's nonlinear response to an overillumination, but it can be managed by proper filtering to preserve the linearity of the dual-comb signal. This is possible for detectors whose impulse response area present a linear relation with input power. If the area to power relation is not linear, the previously mentioned NL correction may be applied. With NL impacts on dual-comb interferometry properly handled and minimized, higher powers can be used to produce a useful signal and thus higher SNR measurement can be performed in short durations. This paves the way to new possibilities. As such, it has been possible to observe Fano resonances in molecular spectroscopy. This has been observed as asymmetric absorption lines in a transmission spectrum. It is demonstrated that temporal pulse broadening through chirping can reduce the impact if the pulses are sufficiently broadened to reduce the high intensity excitation of gas molecules. The first two chapters of this thesis focus on the manifestation of nonlinearity in the context of dual-comb spectroscopy. The impact of NL are described in commonly used photodetectors to show that the detectors reach a nonlinear regime well below the power threshold provided by the manufacturer. The impact of NL in DCS is then compared to its impact in FTS to highlight the similarities and differences. A spectroscopic measurement for linear and nonlinear signals is also demonstrated. The third and fourth chapters provide insights on how to manage nonlinearity whether it is necessary to correct for it or whether it is possible to avoid it by respecting given conditions. The fifth chapter presents an observation of a phenomenon in dual-comb spectroscopy that high SNR has allowed to see : Fano resonance. Finally, the sixth chapter draws a complete picture of the optimal photodetection in dual-comb interferometry.