Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

L'information polarimétrique des ondes électromagnétiques est fondamentalement semblable pour les micros ondes (radar), l'infrarouge et le visible (optique). Cependant, les échelles et les moyens de mesures impliqués varient très fortement ce qui explique que les divers outils développés (étalonnage, configuration géométrique, filtrage du bruit) divergent entre les différentes communautés. Ces divergences s'illustrent notamment sur les points suivants : - La géométrie d'acquisition, classiquement bistatique en optique et majoritairement monostatique en radar. - La nature de la mesure, cohérente pour le radar (intensité et phase) et en énergie pour l'optique ; quand l'optique mesure directement des grandeurs quadratiques du champ électrique, en radar il faut effectuer des estimations statistiques pour obtenir ces mêmes grandeurs. - Les traitements : en radar ce sont les décompositions polarimétriques en sommes matricielles qui sont les plus populaires, en optique les traitements sont le plus souvent multiplicatifs. Cette thèse exploite l'utilisation transverse des outils appartenant à ces deux mondes afin d'améliorer notre compréhension globale de la polarimétrie et son exploitation. Le travail présenté suit l'organisation logique d'un protocole de la mesure à l'exploitation. Nous avons d'abord adapté une méthode de calibration inspirée de l'optique au cas du radar bistatique. Ensuite nous avons analysé l'impact des géométries bistatiques et des choix de référence, pour proposer le choix du plan de diffusion dans l'analyse des images radar. Puis nous nous sommes penchés sur l'estimation de la matrice de covariance polarimétrique dans le cadre du radar. Ceci a permis de proposer une méthode originale de segmentation des images SAR ainsi que de nouveaux types de détecteurs. Enfin, nous présentons les différents "traitements polarimétriques" à proprement parler, et diverses applications auxquels ces traitements peuvent servir : caractérisation de milieux dépolarisants en optique (tissus) ou radar (forêt), détection de cibles déterministes, aide à la restitution 3D.

L'exploitation en série temporelle d'un large volume d'images radar se heurte au problème de la sélection de couples d'images pertinents, permettant une estimation de bonne qualité du signal de déformation. La qualité d'un couple interférométrique et des mesures différentielles associées (recalage, phase interférométrique) peut être déterminée a priori par le modèle de cohérence de [Zebker et Villasenor, 1992]. En pratique, la confrontation de ce modèle à des observations réelles est difficile par variabilité temporelle des scènes. Dans un premier temps, nous qualifions le modèle de cohérence sur 82 images ERS-1/2 acquises entre 1992 et 2002. La confrontation de ce modèle à des mesures expérimentales sur une zone cohérente temporellement stable (barrage de Serre-Ponçon, Hautes-Alpes) met en évidence des pertes de cohérence dues à un recalage imprécis, demandant une méthode d'estimation de la cohérence adaptée. Dans un second temps, nous proposons une stratégie de sélection de couples adaptée au recalage global de cette série temporelle afin d'améliorer l'estimation de la cohérence. Nous exprimons la distance entre images à l'aide d'une conorme triangulaire, utilisée pour sélectionner le meilleur jeu de couples via un arbre de recouvrement minimal, tel que l'ont proposé [Refice et al., 2006]. Nous caractérisons les limites de cette approche et proposons des solutions nouvelles basées sur deux méthodes originales de sélection de couples intégrant de la redondance. L'apport de ces méthodes est démontré par simulation et sur des données ERS, en mettant en évidence le compromis existant entre le nombre de couples traités et la qualité du résultat global obtenu.

Ce travail expérimental porte sur l'étude du comportement colloïdale aux interfaces de nématiques. Dans un premier temps, nous détaillons la séquence de phase observée par des billes de silice à ancrage homéotrope fort piégées à l'interface air-nématique. En fonction de leur densité ainsi que l'épaisseur du film, les colloïdes forment différentes structures spontanément. A l'aide des pinces optiques, nous mesurons le potentiel de paire et nous discutons les rôles respectifs des forces capillaires et élastiques. Dans un second temps, nous étudions le comportement des colloïdes sur des interfaces nématiques plus complexes. En contrôlant la géométrie des interfaces et la densité des particules piégées, à l'aide de la technique de microfluidique, nous étudions le comportement colloïdale à la surface des coques nématiques fines. La compétition entre les conditions d'ancrage aux interfaces, l'élasticité du CL, les défauts et les densités des fluides est à l'origine de la formation de nouvelles configurations topologiques. Dans cette partie nous discutons le rôle des colloïdes dans la formation de ces structures.

Ce travail, qui se place dans le cadre général de l'étude de la dynamique primaire des protéines, concerne les protéines à rétinal, protéines impliquées en particulier dans la vision. La protéine bactérienne modèle utilisée est la bactériorhodopsine, dont le rôle est la conversion de l'énergie lumineuse en un gradient de protons. L'interaction photon-rétinal induit initialement deux phénomènes, dont le rôle et la chronologie sont encore incertains: isomérisation du rétinal en quelques centaines de femtosecondes et établissement d'une polarisation ultrarapide au niveau du système rétinal/protéine. La méthode spectroscopique femtoseconde utilisée permet de détecter et quantifier des déplacements de charges avec une résolution temporelle de 13 fs, et ainsi de séparer temporellement ces deux phénomènes. Elle est basée sur un phénomène non linéaire du deuxième ordre, le redressement optique: l'excitation avec un champ électrique oscillant d'un matériau non centrosymétrique va créer une polarisation pointant toujours dans le même sens. Ce matériau consiste de multicouches anhydres orientées de membranes pourpres contenant la bactériohodopsine. Le champ infrarouge émis suite à l'établissement de cette polarisation est détecté en le faisant interférer avec un signal infrarouge de référence, généré par redressement optique dans un cristal non linéaire (GaAs ou AgGaS2). Le champ infrarouge émis par la bactériorhodopsine reflète directement la différence entre les moments dipolaires de l'état fondamental et de l'état excité. En plus de la réponse électronique instantanée de l'échantillon, une émission infrarouge est détectée qui dure sur plusieurs picosecondes, caractéristique des mouvements de charges associés aux mouvements vibrationnels du système rétinal/protéine. La séparation des deux types de réponse et la description d'etaillée, en fréquence et en phase, de l'ensemble du signal complexe nécessitent l'utilisation concertée de plusieurs méthodes d'analyse. Nous avons ainsi pu montrer qu'un déplacement de charges transmembranaire photoinduit ultrarapide (<13 fs) apparaît dans la bactériorhodopsine. Le changement de moment dipolaire du rétinal (30 D) est augmenté d'un facteur proche de 1.5 par rapport au cas du rétinal en solution: il est donc favorisé par la présence du complexe protéique. La détection simultanée des réponses électronique et vibrationnelle ouvre des pistes sur la détermination du rôle fonctionnel de la polarisation initiale pour la dynamique structurale qui lui est subséquente.

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.

La compréhension des réactions biochimiques qui se déroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace.<br />Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.<br /><br />Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm. <br /><br />Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.

La compréhension des réactions biochimiques qui se d'eroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace. Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée. Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm−1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique HOT SPIDER, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 μm. Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la presence d'une anharmonicité électrique importante.

La détection directe de planètes extrasolaires est nécessaire à leur caractérisation. Cependant, c'est une tâche difficile à cause de la faible séparation angulaire, et du fort contraste entre l'étoile et sa planète. L'interférométrie annulante est une solution possible, mais elle requiert l'utilisation d'un déphaseur achromatique. Cette thèse en étudie un nouveau, dit "damier de phase". Il s'agit de deux miroirs ou lames transparentes composés de plusieurs cellules, dont la position et le déphasage introduit est contraint par un modèle mathématique. Le principal effet est que pour un niveau d'atténuation donné, plus on augmente le nombre de cellules dans les damiers, et la plus la bande passante s'élargit, ce qui traduit un comportement quasi-achromatique. Un banc optique automatisé a été construit afin de mesurer l'atténuation produite par les damiers dans le visible. Les premiers résultats ont été obtenus avec des damiers fabriqués par photolithogravure sur une lame transparente, et une atténuation d'un facteur 500 a été mesurée avec un laser blanc. Les erreurs sur le déphasage des cellules sont le principal facteur de perte de performances. Or celles engendrées par la fabrication de ce type de damiers étant irréversibles, il a été choisi de travailler avec un miroir segmenté qui permet de les contrôler. Afin de synthétiser les damiers, le contrôle du déphasage effectif de chaque cellule est nécessaire et se fait au moyen de la strioscopie. Ainsi, on a pu mesurer le comportement des damiers en fonction de la longueur d'onde, et valider expérimentalement leur comportement quasi-achromatique des damiers.

L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.