Depuis la découverte des rayons X par Röntgen, l'imagerie radiographique utilise le contraste d'absorption. Cette technique est efficace uniquement si les objets à étudier sont suffisamment absorbants. C'est pour cela qu'on peut détecter une lésion osseuse avec une radiographie, mais pas une lésion ligamentaire.Toutefois, l'imagerie par contraste de phase peut permettre de surmonter cette limite. Depuis les années 2000, s'appuyant sur des travaux similaires existant en optique visible, les scientifiques des rayons X essayent de mettre au point des dispositifs sensibles au contraste de phase et compatibles avec des applications industrielles comme l'imagerie médicale ou le contrôle non-destructif. Néanmoins, les architectures classiques des interféromètres sont très difficiles à mettre en place dans les rayons X durs, et sont trop contraignantes pour être transférables vers l'industrie. C'est pourquoi des dispositifs utilisant des réseaux de diffraction ont été les plus développés. Ils ont permis d'obtenir les premières images de radiographie par contraste de phase sur des humains vivants.Mais les architectures proposées aujourd'hui utilisent plusieurs réseaux et son contraignantes pour les industriels. C'est pourquoi j'ai développé au cours de ma thèse un système n'utilisant qu'un unique réseau de phase. J'ai montré qu'un tel dispositif peut générer des interférogrammes achromatiques et invariants par propagation. Ce dispositif a permis d'effectuer des mesures de contraste de phase quantitatives sur un fossile biologique, ainsi que des mesures métrologiques sur des miroirs plans sensibles aux rayons X.

Ce manuscrit d'Habilitation décrit les principales activités de recherche que je mène au sein du groupe Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués du LAAS depuis 2003. Dans un premier temps, les travaux porteront sur le développement des capteurs à fibres optiques à base de fibres cristallines de rubis pour des environnements hostiles à savoir température élevée et déformations mécaniques très importantes. Il est à noter que ces capteurs sont insensibles aux dernières perturbations, et par conséquence, ne mesurent que la grandeur physique ciblée. Une deuxième partie concerne le développement initial d'un interféromètre fibré de Fabry-Pérot extrinsèque (EFFPI). Ce premier dispositif est basé sur la décomposition du mode fondamental injecté dans l'interféromètre en deux signaux intrinsèques interférométriques déphasés en quadrature, d'où l'EFFPI à double-cavité optiques. L'EFFPI à double-cavité se montre cependant sensible aux effets de polarisation lors des perturbations induites (variations de température et vibration parasites). Pour éliminer ces difficultés, un EFFPI à modulation est développé. Ce travail est effectué dans le cadre d'un projet ANR qui a pour objectif de développer des nouveaux instruments pour les applications en géophysique. En effet, une double modulation du courant de la diode laser est appliquée, ce qui équivaut une modulation sur la longueur d'onde du laser. Ainsi, nous obtenons une condition de quadrature où l'amplitude du déplacement ainsi que sa direction peuvent être précisément déterminées sans aucune ambiguïté. Par ailleurs, grâce a cette double modulation, l'EFFPI est aussi capable de mesurer des très faibles déplacements, inférieurs à lambda/4 (< 327.50 nm pour lambda = 1310 nm). Trois instruments opto-géophysiques ont ainsi été développés à savoir un inclinomètre longue base à fibre optique, un inclinomètre de forage à fibre optique et un sismomètre à fibre optique. La troisième partie taitera le développement des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg pour la mesure de déformations mécaniques. Pour ce travail, une nouvelle technique d'interrogation des fibres à réseaux de Bragg basée sur la rétro-injection optique (ou "self-mixing") est exploitée pour réaliser des capteurs de contraintes (déformations mécaniques) avec une bonne précision.

Malgré sa capacité unique à discerner des détails qu'aucun instrument "classique" ne peut voir, l'interférométrie optique est fortement handicapée par l'atmosphère. Celle-ci limite drastiquement les temps de pose des interféromètres au sol et les empèche d'accumuler suffisamment de photons pour observer des sources toujours plus faibles, limitant de facto l'échantillon des astres observables. Les suiveurs de franges sont des instruments développés spécifiquement dans le but de compenser ces perturbations atmosphériques, et ainsi de repousser les limites de l'univers visible par les interféromètres optiques. Le but premier de cette thèse est d'étudier et d'améliorer ces instruments, dans le contexte des technologies actuelles et des nouvelles générations d'interféromètres combinant 4 télescopes et plus. La seconde grande partie de cette thèse s'attachera quant à elle à montrer l'intérêt de l'interférométrie optique dans l'étude des binaires en interaction, astres en mesure d'apporter des réponses à un vaste panel de champs d'étude du fait de la diversité des processus physiques en jeu en leur sein.

Le sujet de thèse porte sur la maîtrise et la mesure des formes neuronales, “maîtrise” du fait de l’emploi de micropatterns adhésifs permettant un contrôle des formes cellulaires en deux dimensions, “mesure” du fait de notre volonté d’accéder au volume ainsi qu’à la masse sèche de la cellule par l’emploi de deux techniques complémentaires faisant appel à l’interférométrie ou à des mesures de fluorescence en espace confiné.La question biologique au cœur de cette thèse est celle de la régulation par le neurone de diverses caractéristiques morphologiques comme sa longueur, son volume en lien avec l’établissement de la polarité axo-dendritique. Ces aspects sont développés et approfondis au cours de cette thèse des points de vue expérimentaux mais aussi théoriques (coll. Nir Gov, Institut Weizmann).Ce sujet de thèse multidisciplinaire porte ainsi des aspects de biologie et d’instrumentation physique. / The thesis deals with the control and the measurement of neuronal shapes, "control" by using adhesive micropatterns allowing to constrain cells shape in two dimensions, "measurement" by using either interferometry or fluorescence measurements in confined spaces to gain knowledge on cell dry mass and volume.The biological question at the heart of this thesis is the regulation by the neuron of its various morphological characteristics such as length, volume, in association with the establishment of the axo-dendritic polarity. These aspects are developed and deepened in the course of this thesis on experimental but also theoretical (coll. Nir Gov, Weizmann Institute) point of views.This multidisciplinary thesis topic thus builds on biological aspects and physical instrumentation.

Les disques de gaz et de poussières entourant les étoiles jeunes sont d'une importance capitale pour notre compréhension de la formation planétaire. Les observations de ces disques permettent d'avoir un niveau de détails sans précédent sur ces derniers et apportent des contraintes toujours plus fortes sur leur structure et sur les modèles de formation planétaire. Les parties de ces disques les plus proches de l'étoile sont néanmois encore assez mal connues; en effet, pour pouvoir résoudre ces parties internes pour les étoiles jeunes les plus proches de la Terre, un télescope de 100 mètres de diamètre serait nécessaire, ce qui est technologiquement et financièrement impossible actuellement. L'interférométrie permet de contourner ce problème en combinant la lumière de paires de télescopes, permettant ainsi un plus grand pouvoir de résolution. Ma thèse à portée sur l'observation et l'étude des parties internes des disques circumstellaire d'étoiles de type T Tauri. Une étude statistique sur l'environnement de ces étoiles y est présentée, ainsi que leur modélisation par un modèle prenant en compte les mécanisme d'émission et de diffusion de la lumiere par la poussière. La modélisation de disque circumstellaires par un code de transfert radiatif et en combinant des données interférométriques, photométriques et spectroscopiques est aussi abordée. / Observing gas and dusty disks around young stars are of utmost importance for our knowledge about planetary formation. Observations of these disks bring unprecedented details about their structure and composition, and provide stronger and stronger constrains on planetary formation models. However, the inner parts of these disk are still barely known. indeed, a 100 m diameter telescope would be required in order to resolve these inner region, for the closest young stars; nowaday, the construction of such telescope is impossible technologically and financially. By combining the light of pairs of telescopes, the interferometry technique is able to reach the sufficient resolving power, and permits us to observe the inner parts of circumstellar disks. My thesis has been focused on the observation and study of the inner part of TTauri's circumstellar disks. I present in this manuscript a statistical study on the environment around these stars, along with its modeling by taking into account thermal emission and light scattering of the disk. Finally, I present a more complete modelling for some of these stars, done by constraining spectroscopic, interferometric and photometric datasets with a radiative transfer code.

Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’une nouvelle expérience d’interféromètre atomique au SYRTE. Elle permettra de réaliser des mesures ultrasensibles du gradient vertical de gravité. Cette expérience fonctionnera à terme en utilisant comme source des atomes ultra-froids, préparés sur une puce à atomes. Elle utilisera comme séparatrices des transitions multiphotoniques, obtenues par diffraction de Bragg d’ordre élevé. Le transport des atomes sera assuré par des réseaux optiques en mouvement. Une première partie du dispositif expérimental a été assemblée et son fonctionnement a été validé en réalisant un interféromètre dual. Cet interféromètre est réalisé sur deux ensembles d’atomes produits successivement à partir de la même source d’atomes froids, et interrogés par une même paire de faisceaux Raman. Une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle a été démontrée expérimentalement. Elle repose sur l’exploitation des corrélations entre les mesures de phase des interféromètres et une estimation de la phase sismique fournie par la mesure annexe d’un capteur classique. / This thesis is about the design and realisation of a new atomic interferometer experiment at SYRTE. It will allow ultra-sensitive measurements of the vertical gradient of gravity. This experiment will work using ultra-cold atoms as a source, prepared on an atom chip. It will use large momentum transfer beam-splitter, obtained by high order Bragg diffraction. The transport of atoms will be provided by moving optical lattices. A first part of the experimental setup was assembled and its operation was validated by producing a dual interferometer. This interferometer is performed on two atomic clouds produced successively from the same source of cold atoms, and interrogated by the same pair of Raman beams. A new method of differential phase extraction has been experimentally demonstrated. It is based on the exploitation of the correlations between the interferometer phase measurements and the estimation of the seismic phase provided by an additional classical sensor.

Cette thèse porte sur l’étude de la déformation de surface (petite et grande déformation) pouvant être détectée en utilisant la méthode de l’interférométrie "InSAR " pour le traitement des images SAR (Synthetic Aperture Radar, bande C : λÉ = 5.6 cm) et signal associé à synthèse d'ouverture. Les nouveaux développements des techniques de traitement InSAR permettent le suivi de la déformation en surface avec une précision de l'ordre millimétrique. Les traitements dites conventionnels de l'InSAR utilisent une paire d'images SAR ("Maitre" et "Esclave") afin de mesurer la différence de phase entre les deux prises de la même scène d'image à des moments différents. Les incertitudes dans les mesures obtenus à partir du traitement conventionnel de l'InSAR sont nombreuses : la décorrelation dans le signal en raison du délai du à l'atmosphère, la contribution topographique et les positions orbitales sont les handicaps majeurs de cette technique. En 2001, Ferretti et al. ont introduit une nouvelle méthode appelée Permanent Scatterer (PS-InSAR) également connue sous le nom de Persistent Scatterer. Pour cette méthode, nous utilisons une série d'images, dont une dite esclave pour construire des interférogrammes avec la même image dite « Maître ». Cette méthode permet d'améliorer le signal de visé (LOS) en terme de correlation pour chaque pixel (PS) en utilisant les meilleurs réflecteurs donnant une corrélation maximale (à partir de l'amplitude et/ou la phase) dans le temps et dans l'espace. Un grand nombre d'algorithmes a été élaboré à cet effet en utilisant le même principe (des variantes) décrit auparavant. En 2002, Berardino et al. publient un nouveau algorithme développé pour le suivi de la déformation en surface en se basant sur les interférogrammes produits à partir des couples d’image SAR ayant une petite séparation spatial (SBAS) de la ligne de base.Dans cette thèse, les techniques InSAR sont appliquées pour différents cas d’étude allant de la petite déformation en surface telle que: 1) Un affaissement dans une zone de puits de pétrole, 2) des glissements de terrain dans une zone urbaine, et 3) la déformation lente à travers les zones de failles des zones sismiques. Afin d'étudier la petite déformation j'opte pour l’utilisation des deux algorithmes (PS et SBAS) dit de traitement multi-temporelle de l’InSAR incorporés dans le logiciel StaMPS (Hooper, 2008). Ainsi, j’ai pu calculer la méthode de combinaison ou hybride entre PS et SBAS et ce, pour toutes les études de cas présentées dans cette thèse. Par ailleurs, certains logiciels en libre accès sont utilisés tout au long de cette thèse tel que, Roi-pac (Rosen et al., 2004) pour aligner les images SAR ainsi que Doris (Kampes et al., 2003) pour calculer interférogrammes à partir de images SAR.[...] / This thesis aims at the study of small to large surface deformation that can be detected using the remote sensing interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The new developments of InSAR processing techniques allow the monitoring of surface deformation with millimeter surface change accuracy. Conventional InSAR use a pair of SAR images (“Master” and “Slave” images) in order to measure the phase difference between the two images taken at different times. The uncertainties in measurements using the conventional InSAR due to the atmospheric delay, the topographic changes and the orbital artifacts are the handicaps of this method. The idea of InSAR method is to measure the phase difference between tow SAR acquisitions. These measure refere to the ground movment according to the satellite position. In interferogram the red to blue colors refere to the pixel movement to or far from the satellite position in Line-Of-Sight (LOS) direction. In 2000’s, Radar spacecraft have seen a large number of launching mission, SAR quisitions and InSAR applicability have seen explosion in differents geophysical studies due to the important SAR datas and facility of data accessibity. This SAR-mining needs other type and generation of InSAR processing.In 2001, Ferretti and others introduce a new method called Permanent Scatterer InSAR (PS) that is based on the use of more than one Slave image in InSAR processing with the same Master image. This method allows enhancing the LOS signal for each pixel (PS) by using the best time and/or space-correlated signal (from amplitude and/or from phase) for each pixel over the acquisitions. A large number of algorithms were developed for this purpose using thesame principle (variantes). In 2002, Berardino et al developed new algorithm for monitoring surface deformation based on the combination of stack of InSAR results from SAR couples respecting small baseline (SB) distance. Nowadays, these two methods represent the existing time series (TS) analysis of SAR images approaches. In addition, StaMPS software introduced by Hooper and others, in 2008 is able to combine these two methods in order to take advantages from both of this TS approaches in term of best signal correlation and reducing the signal noise errors. In this thesis, the time series studies of surface changes associate to differents geophysical phenomena will have two interest: the first is to highlight the PS and SBAS results and discuss the fiability of obtained InSAR signal with comparation with the previous studies of the same geophysical case or observations in the field and in the second time, the combined method will also validate the results obtained separately with differents TS techniques. The validation of obtained signal is assured by these two steeps: Both of PS and SBAS methods should give relatively the same interferograms and LOSdisplacement signal (in term of sign and values), in addition these results will be compared with the previous studies results or with observations on the field.In this thesis, the InSAR techniques are applied to different case-studies of small surface deformation [...]

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30 nrad/s/Hz^1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,23 nrad/s en 30 000 s. / Sagnac atomic gyroscopes have great potential due to their high sensitivity to rotation. The SYRTE atomic gyroscope uses laser cooled cesium atoms. Thank to stimulated Raman transitions, we form a folded Mach-Zehnder type interferometer. The instrument allows interrogation times up to 800~ms, which corresponds to a 11~cm$^2$ Sagnac area, the largest demonstrated for atom interferometers. This is a major step toward the use of such instruments in inertial navigation. I describe the methods implemented to push the short-term sensitivity and performed the first detailed study of systematics, such as those linked to light-shifts due to the preparation and the detection of the atoms and those linked to misalignment of parallelism of the mirrors and of the trajectories of the atoms. I demonstrated a short-term stability of 30~nrad.s$^{-1}$.Hz$^{-1/2}$ in triple interleaved joint interrogation which improves the state of the art by a factor 3. The state of the art has also been improved by a factor 5 in long-term with a 0,2~nrad.s$^{-1}$ stability in 30~000~s.

Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d'un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure repose sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l'utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d'interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l'échantillon, ou en variant la position de la membrane à l'aide d'une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d'interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résonateur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d'expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l'augmentation des contraintes mécaniques à résonance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique. / Graphitic nano systems, such as graphene or carbon nanotubes, share unique mechanical, optical, electrical and vibrational properties. Combining low mass, high rigidity and semi-transparent behavior, membranes made of 10 to 100 graphene layers have been suspended over a reflecting substrate. This results in a nanomechanical resonator coupled to an optical cavity. This Phd project is based on elastic and inelastic scattering of light in order to probe mechanical stress and thermal effects within graphitic nano systems. This type of measurement is made by Raman spectroscopy which is sensitive to optical phonons. A first part of this Phd project is about using graphene based optical cavities as a constitutive blocks to make a hybrid system. We have shown interferential enhancement of Raman signal of molecules grafted on the membrane surface. We have also demonstrated the possibility to tune this molecular Raman signal by moving along the suspended membrane, or by changing the membrane position using electrostatic actuation. Moreover, we have observed important thermal effects associated to optical interferences within these graphene based cantilevers. A second part of this Phd project is the detection of motion and mechanical stress within a graphitic nano resonator. Through experiments on suspended multilayer graphene membranes, we have detected the mechanical resonance by two different means : by analyzing the reflected light modulation, and by measuring the variations of the Raman signal of the resonator. This spectral detection, based on the increase of the mechanical stress at resonance, couples the mechanical motion of the resonator to a shift in energy of the Raman scattered photons. This represents an original scheme for optomechanical coupling.

La spectrométrie est une méthode d'analyse permerttant d'avoir accès à la composition et à la strucuture de la matière. Les spectromètres étant utilisés dans de nombreux domaines , beaucoup de développements sont réalisés afin de les rendre plus compacts pour des raisons de place et de mobilité. Cette thèse présente la réalisation et la caractérisation d'un spectromètre de Fourier en optique intégrée sur verre appelé LLIFTS (Leaky Loop Integrated Fourier Transform Spectrometer). Il utilise le couplage d'un guide plan avec un guide courbe à fuite pour créer un interférogramme de Fourier. Des caractérisations dans le proche infrarouge et dans le domaine du visible ont permis de mesurer une résolution spectrale de 7nm (R=221) entre 1500nm et 1600nm et de 3nm (R=260) à 4nm (R=221) entre 700nm et 900nm. Le LLIFTS permet donc d'obtenir des résolutions spectrales équivalentes aus autres spectromètres compacts existants mais avec l'avantage d'être facilement réalisable. L'accès à l'interférogrmme de Fourier permet aussi de détecter des variations de phase entre deux ondes. Ce qui permet d'utiliser le LLIFTS dans des applications comme la tomographie optique cohérente (OCT). Des premières mesures de déphasage sont présentées dans cette thèse. / Spectrometry is an analytical method to access the composition and structure of the matter. Spectrometers are used in many fields. For reasons of space and mobility, many development are made to decrease the size of these spectrometers. This thesis presents the realization and characterization of a Fourier spectrometer in glass integrated optics called LLIFTS (Leaky Loop Integrated Fourier Transform Spectrometer). It uses the coupling of a plane waveguide with a bend waveguide to obtain a Fourier interferogram. Characterizations in the near infrared and visible domain were made. A spectral resolution of 7 nm (R = 221) between 1500nm and 1600nm and 3 (R = 260) 4 nm (R = 221) between 700nm and 900nm is obtained. The Fourier spectrometer developed in this thesis allows to obtain spectral resolution equivalent to other existing compact spectrometers but with an easier realisation. The measurement of the Fourier interferogram allows to detect phase changes between the two waves. So the LLIFTS can be used for applications such as optical coherence tomography (OCT). The first measurements of phase shift are presented in this thesis.