L'Imageur Interférométrique de Fresnel est un concept de télescope spatial dont l'objectif est d'améliorer significativement les capacités d'imagerie à haute résolution angulaire et haute dynamique, et ce dans les domaines spectraux ultraviolet, visible et infrarouge.<br /><br />Dans un télescope classique, la focalisation s'obtient par l'utilisation d'un miroir; dans le cas de l'Imageur Interférométrique de Fresnel, elle s'obtient par l'utilisation d'un masque diffractant comportant des dizaines ou des centaines de milliers d'ouvertures individuelles, réparties sur un support plan selon une loi se rapprochant de la disposition des anneaux d'une lentille zonée de Soret. Les contraintes de masse et de précision de fabrication de l'optique focalisatrice sont ainsi considérablement relâchées, ouvrant une voie pour concevoir un observatoire possédant une pupille d'entrée de très grande dimension. En revanche, de par la nature dispersive de cette optique, un module focal placé à grande distance est nécessaire pour achromatiser et mettre en forme l'image.<br /><br />La première partie de cette thèse est consacrée à la détermination des caractéristiques des éléments constitutifs de ce type d'imageur, et à l'étude des performances et limitations associées. La deuxième partie est elle dévolue à la description et à la présentation des performances d'un prototype sol montrant expérimentalement la validité du concept. Enfin, la troisième partie étudie les objectifs astrophysiques possibles d'un Imageur de Fresnel opérationnel.

L'imagerie radar à synthèse d'ouverture (SAR) est une source importante d'information pour le suivi d'objets géophysiques terrestres par télédétection.<br />Nous présentons une première partie méthodologique dédiée au filtrage du speckle des données POL/In/POL-InSAR multivariées et son impact sur l'estimation de paramètres.<br /><br />L'objectif du filtrage de speckle est de restaurer l'information spatiale et radiométrique de la scène.<br />Trois directions principales sont étudiées pour gagner en stationnarité/ergodicité : des voisinages adaptatifs vis-à-vis du signal, un estimateur adaptatif ou non (moyenne complexe multi-vue, LLMMSE) et la compensation de la composante déterministe du signal de phase interférométrique.<br />Une nouvelle stratégie pour filtrer des images SAR multivariées est proposée: l'utilisation de voisinages adaptatifs obtenus par une technique de croissance de région multivariée.<br />Cette méthode appelée IDAN combine toutes les informations d'intensité disponibles dans un processus de croissance de région pour assurer la validité des hypothèses de stationnarité/ergodicité.<br />Conjointement à IDAN, une nouvelle méthode est proposée pour estimer les fréquences locales dans des interférogrammes SAR.<br />Ces méthodes ont été testées à la fois sur des images satellitaires basse résolution provenant d'acquisitions tandem ERS et sur plusieurs jeux de données aéroportées haute résolution dans différentes bandes de fréquences et configurations polarimétriques.<br /><br />La seconde partie est dédiée à l'observation des glaciers alpins par télédétection SAR.<br />Cette partie aborde le problème du traitement des données SAR multivariées sur le site test « Chamonix Mont-Blanc ».<br />L'analyse de plusieurs interférogrammes ERS tandem acquis entre juillet 1995 et avril 1996 a permis d'obtenir les premiers champs de vitesse D-InSAR sur des glaciers des Alpes françaises et de montrer qu'il est possible de mesurer leur vitesse de surface entre octobre et avril avec un échantillonnage spatial de l'ordre de 20 m dans des interférogrammes à 1 jour en bande C.<br />La seconde application présente une analyse POL/POL-InSAR des données SAR multi-bandes haute résolution acquises par le système aéroporté E-SAR en octobre 2006, sur les glaciers d'Argentière, du Tacul et de la Mer-de-glace.<br />Ces premiers résultats illustrent plusieurs applications possibles de la télédétection radar polarimétrique/interférométrique pour l'observation des glaciers, telle que l'analyse des bandes de Forbes.

Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.

Le sujet de cette thèse est l'interférométrie X à réseaux: une technique d'imagerie développée pour la première fois il y a quelques années et qui donne des images de phase et de diffusion (small angle X-ray scattering) de haute sensibilité. Cette technique a un potentiel considérable pour la visualisation du structures qui absorbent faiblement les rayons X, et pour la détection de détails plus petits que la résolution du détecteur, par exemple les fissures et les fibres. Des structures de ce type ne peuvent pas être visualisées avec l'imagerie conventionnelle à rayons X en absorption. Dans le cadre des travaux sur cette thèse, un interféromètre à réseau à rayons X pour radiographie et tomographie multimodale a été installé à la ligne de lumière ID19 de l'European Synchrotron Radiation Facility à Grenoble, France. L'excellente performance de cet instrument a été démontrée sur une grande variété d'échantillons de tissus biologiques mous, sur des échantillons paléontologiques, et sur des tissus osseux. Une autre partie des ce travail porte sur des améliorations de la technique d'imagerie elle-même. La première des ces améliorations consiste en un développement de méthodes avancées pour la tomographie avec réseaux. Ces méthodes peuvent réduire considérablement la dose livrée à l'échantillon durant les mesures nécessaires pour la reconstruction tomographique tout en préservant la qualité d'image. Un autre résultat majeur dans le cadre de ce travail est la conception, la mise en oeuvre et la démonstration d'un interféromètre à réseau à deux dimensions (2D). Cet appareil utilise des réseaux bidimentionnels au lieu de réseaux linéaires. L'interféromètre 2D produit des cartes d'angles de réfraction et des images de type champ sombre dans plusieurs directions du plan d'image et améliore considérablement la qualité des radiographies à réseau. Le champ d'application de l'interféromètre 2D n'est pas limité à l'imagerie par rayons X, puisque le nouveau dispositif peut aussi être particulièrement utile pour la caractérisation de composantes optiques de haute précision, tel que démontré par des expériences de métrologie à la longueur d'onde d'utilisationsur des lentilles réfractives pour rayons X.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l'accélération de l'ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d'intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l'hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

L'interférométrie à rétro-injection optique, également connu sous le nom de Self-Mixing, permet de concevoir des capteurs qui sont compacts, auto-alignés et sans contact. Dans ce phénomène, une partie du faisceau laser de retour réfléchi par la cible rentre dans la cavité active de laser et fait varier ses propriétés spectrales. La diode laser agit alors comme une source de lumière, un microinterféromètre ainsi qu'un détecteur de lumière. Dans cette thèse, un capteur de déplacement, basé sur la rétro-injection optique, a été optimisé de sorte que des mesures précises peuvent être obtenues en temps réel. Le capteur est robuste à la disparition des franges de self-mixing pour des vibrations harmoniques. Il est également capable de s'adapter à un changement dans le régime de feedback optique et peut donc extraire le déplacement dans les cas les plus répandus expérimentalement, à savoir un feedback faible puis modéré. L'utilisation de l'optique adaptative, sous la forme d'une lentille liquide, a également été démontrée pour ce capteur, ce qui nous a permis de maintenir le capteur dans un régime de feedback favorable. L'influence du speckle a également été réduite de telle sorte que le capteur mesure jusqu'à la gamme centimétrique pour des cibles non- oopératives. Une nouvelle technique est également présentée, elle permet de rendre le capteur insensible aux vibrations mécaniques parasites qui fausseraient la mesure pour des conditions industrielles. / Optical Feedback Interferometry, also known as Self-Mixing, results in compact, selfaligned and contact-less sensors. In this phenomenon, a portion of the laser beam is back reflected from the target and enters the active laser cavity to vary its spectral properties. The laser diode then simultaneously acts as a light source, a micro- nterferometer as well as a light detector. In this thesis, a self-mixing displacement sensor has been optimised so that precise measurement can be obtained in real-time. The sensor is robust to the disappearance of self-mixing fringes for harmonic vibrations. It is also able to auto-adapt itself to a change in the optical feedback regime and so can extract displacement from the weak as well as moderate feedback regime signals. The use of adaptive optics, in the form of a liquid lens, has also been demonstrated for this sensor, which has allowed us to maintain the sensor in a fringe-loss less regime. The influence of speckle has also been reduced so that the sensor can now measure up to the centimetric range for non-cooperative targets. A novel technique has also been presented that makes the sensor insensitive to parasitic mechanical vibrations that would falsify the measurement under industrial conditions.

Le but de ce mémoire est de valider la microscopie électro-optique Pockels comme méthode de mesure et de cartographie de champ électrique aux échelles micro et nanométriques. Une première partie est dédiée à la description de l’instrumentation d’imagerie mise en jeu. Nous développons ensuite son application en physique et biophysique. Une étude de couches minces monocristallines de 2-methyl-4-nitroaniline (MNA) a permis de sonder localement la variation de champ électrique appliqué, mais aussi d’étudier l’orientation des axes optiques de ce cristal dans l’espace. A l’échelle sub-longueur d’onde nous avons pu isoler la modulation électro-optique de la diffusion de lumière associée à une nanoparticule isolée de KTiOPO4 (KTP) d’une taille de 150nm. La dépendance polaire du signal Pockels sur la polarisation lumineuse incidente a permis de prédire l’orientation de la maille cristalline du KTP dans l’espace. De telles sondes de champs électriques nanométriques peuvent avoir de nombreuses applications en nano-photonique. Dans le cas d’entité biologiques comme des neurones, la propagation de l’information est assurée par celle d’un champ électrique dans les membranes plasmiques. Dans une première étape, nous nous sommes intéressés à l’étude de bicouches artificielles dopées par un colorant non-linéaire, le DI-8-ANEPPS. Un signal électro-optique Pockels y a été mesuré pour la première fois. La caractérisation de l’insertion du colorant dans la membrane a été aussi discutée. La grande sensibilité à la mesure d’un champ électrique assurée par l’interféromètre permet d’envisager des possibilités d’applications dans des cellules vivantes. Des expériences menées sur des cellules de type PC12 ont montré l’existence d’un signal optique qui est associé à la distribution spatiale du champ électrique. L’ensemble de ces travaux montrent que la microscopie électro-optique s’avère constituer un outil important pour la physique et biophysique. / The aim of this thesis is to validate the electro-optical Pockels microscopy as a powerful technique for electric field imaging at nano and micrometer scales. A first part of this manuscript is dedicated to the instrumental aspects of this new microscope modality. Then we discuss its application in physical and biophysical domains. We have investiguqted 2-methyl-4-nitroaniline(MNA) monocrystalline molecular thin films where the electric field distribution could be imaged, and crystal orientation retrieved. At sub-wavelength scale, we were able to isolate the electro-optical modulation of light scattered by isolated 150nm size KTiOP04 (KTP) nanoparticles. Using the angular dependency of the Pockels response to the polarization of light we could determine the a priori random, spatial orientation of the nanocrystal. Such electric-field nano-probe configuration could find its way in various applications. In the case of biological entities such as neurons, information is transmitted via an electric field signal, propagating through the plasmid membrane. We concentrated first on a model artificial membrane doped with the DI-8-ANEPPS nonlinear dye, evidencing for the first time a Pockels electro-optical response. A relatively high sensitivity to the electric field allows to envision interesting applications in living cells. Experiences performed with PC 12 cells have shown an optical response that reflects the electric field spatial distribution. This work demonstrates that the electro-optical microscopy is emerging as a new powerful tool for sub-wavelength investigation of electro-optical properties in physics and biology.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques. / In this thesis, we report on the study of a matter-wave inertial sensor, operated in an airplane carrying out parabolic flights.We have developped a compact and robust dual-wavelength laser source to cool and interrogate 87Rb and 39K atoms. It is based on frequency-doubled telecom lasers locked on a femtosecond optical frequency comb. The use of fibered optical components makes the setup intrinsically immune to vibrations and thermal fluctuations. The laser source was validated in flight by obtaining a double-species magneto-optical trap.We have used the source to carry out airborne measurements with an atom interferometer operating with cold 87Rb atoms. An auxiliary mechanical accelerometer makes it possible to increase the atomic sensor's dynamic range, and to record interference fringes despite the high level of acceleration fluctuations. This hybrid sensor has a resolution of 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, which is approximately 100 times lower than the typical vibration level in the plane.In the perspective of testing the equivalence principle with cold atoms in microgravity, we finally theoretically study the operation of a differential interferometer and investigate the influence of some systematic effects.

La CSI (Coherence Scanning Interferometry) ou la WLSI (White Light Scanning Interferometry) est une technique d'imagerie optique bien établie pour mesurer la rugosité de surface et la forme des surfaces microscopiques. Les avantages sont la sensibilité axiale nanométrique, un large champ de vision (des centaines de μm à plusieurs mm) et la vitesse de mesure (quelques secondes à quelques minutes). La technique est basée sur l'interférométrie optique avec une configuration de Linnik très difficile à ajuster mais elle présente plusieurs avantages: des objectifs d'ouverture numérique plus élevés pour améliorer la résolution spatiale; longue distance de travail, car il n'y a aucun besoin de l'un des composants devant l'objectif; une configuration de mode de lumière polarisée; franges contrastées en raison de la possibilité de modifier les voies optiques et les intensités des deux bras indépendamment. Alors que l'utilisation d'un objectif d'immersion dans l'eau présente les avantages suivants: éviter les problèmes liés à l'ajustement entre la formation des franges et le plan de formation de l'image; et pour minimiser la différence de dispersion entre les bras de l'interféromètre. Afin de pouvoir mesurer en mode eau et d'obtenir des échantillons à haute résolution latérale de types chimiques et biologiques, plusieurs défis doivent être surmontés tels que l'équilibrage de l'OPD sur les deux bras; trouver et ajuster les bonnes franges de contraste; trouver et adapter une compensation adéquate de l'eau dans le bras de référence horizontal pour faire fonctionner un système dans l'eau. / Coherence Scanning Interferometry (CSI) or White Light Scanning Interferometry (WLSI) is a well-established optical imaging technique for measuring the surface roughness and the shape of microscopic surfaces. The advantages are the nanometric axial sensitivity, a wide field of view (hundreds of μm to several mm) and the measurement speed (a few seconds to a few minutes). The technique is based on optical interferometry with a Linnik configuration which very difficult to adjust but it offers several advantages: higher numerical aperture objectives to improve spatial resolution; long working distance, because there is no need for any of the components in front of the lens; a polarized light mode configuration; contrasting fringes because of the possibility of modifying the optical pathways and the intensities of the two arms independently. While the use of a water-immersion objective gives the following advantages: to avoid the problems related to the adjustment between the formation of the fringes and the plane of formation of the image; and to minimize the difference in dispersion between the arms of the interferometer. In order to be able to measure in water mode and to obtain high lateral resolution samples of chemical and biological types, several challenges must be overcome such as balancing the OPD on both arms; finding and adjusting the good contrast fringes; finding and adapting a suitable water compensation of water in horizontal reference arm to operate a system in water.