Ce travail de thèse propose des méthodes d'holographie numérique couleur pour la mesure sans contact dans le domaine de l'acoustique, de la mécanique du solide et de la mécanique des fluides. Les méthodes développées pourraient répondre à diverses problématiques académiques et industrielles, notamment, la détection de défauts et de fissurations dans des structures composites, l'analyse des déformations et des vibrations dans leurs 3 composantes, le contrôle de surface et de forme ou l'analyse de fluides dans le cas d'écoulements turbulents à mach subsonique et à mach supersonique. Cette thèse est organisée autour de 5 chapitres qui résument les différents axes de travail. Dans un premier temps, nous avons rappelé quelques aspects théoriques de l'holographie numérique et complété la connaissance du processus de formation des images holographiques numériques en proposant une formulation analytique généralisée incluant les courbures des ondes de référence et de reconstruction numérique, ainsi que des phénomènes non linéaires à l'enregistrement. En particulier nous nous sommes intéressés à développer un modèle de formation des images tenant compte de la saturation des pixels du capteur. Nous avons démontré que, bien que le phénomène de saturation soit non linéaire, nous pouvons néanmoins écrire la relation objet-image avec une formulation analytique linéaire utilisant des produits de convolution. L'analyse théorique a été complétée par une étude expérimentale qui a permis de valider l'approche retenue. Le modèle général de reconstruction permet dans un second temps de définir des stratégies pour la reconstruction numérique d'objets étendus encodés dans des hologrammes couleur. L'algorithme doit avoir pour spécificité de conserver l'horizon reconstruit indépendamment de la longueur d'onde d'enregistrement. Dans ce contexte, ce travail nous a conduit à proposer un algorithme de transformée de Fresnel avec zéro-padding dépendant de la longueur d'onde, puis des algorithmes de convolution à balayage spectral et à grandissement variable qui sont basés sur le concept d'adaptation de bande passante spatiale. Par ailleurs, pour les problématiques rencontrées en mécanique des fluides, nous avons adapté une méthode de filtrage par transformée de Fourier à la reconstruction des objets de phase. Ces algorithmes ont été appliqués expérimentalement à des enregistrements monochromes, bi-couleurs et tri chromatiques montrant ainsi leur grande versatilité. Les deux dernières parties de la thèse traitent du développement de dispositifs holographiques numériques à deux et trois longueurs d'onde pour la métrologie sans contact. Le volet expérimental couvre les champs de la mécanique du solide, l'acoustique et la mécanique des fluides. Nous avons développé plusieurs architectures : architectures bi-couleur et tri-couleur à multiplexage spatial des hologrammes, architecture bi-couleur et tri-chromatique à codage par stack de photodiode, architecture tri chromatique à codage par triple capteur. Les deux dernières architectures s'avèrent les plus simples à mettre en oeuvre. Le banc expérimental bi-couleur à multiplexage spatial a été appliqué à des problématiques industrielles et académiques. La première concerne l'identification de causes de fissuration de capacité sur des composants PCB pour l'automobile. Nous avons mis en évidence une anisotropie de contrainte sur la capacité lors de l'encastrement du PCB dans son support, conduisant ainsi à la probable fissuration de l'élément. La seconde application constitue une première tentative de mise en évidence de modes tourbillonnaires dans des milieux granulaires non consolidés. Nous avons développé deux stratégies de détermination du mouvement 3D du milieu à partir de l'enregistrement d'hologrammes bi-couleurs multiplexés spatialement. Les résultats expérimentaux des modes planaires montrent des tourbillons à certaines fréquences d'excitation du milieu. Nos résultats expérimentaux montrent quelques contradictions dont les causes ont été identifiées. Afin de lever toute ambiguïté nous avons développé un banc d'holographie numérique pseudo-pulsée à 3 couleurs permettant la détermination exclusive de chacune des composantes du vecteur déplacement. Dans le cadre d'une collaboration avec l'ONERA (centre de Lille), nous avons développé une méthode d'holographie numérique tri-chromatique pour l'étude d'écoulements tourbillonnaires. La méthode proposée permet la détermination du champ d'indice ou de masse volumique dans un écoulement et, après validation, a été appliquée à plusieurs cas d'écoulements à mach subsonique et à mach supersonique. Les résultats expérimentaux obtenus sont une première démonstration des potentialités d'application de la méthode d'holographie numérique couleur dans le domaine de la mécanique des fluides.

Ma thèse s'inscrit dans le contexte du développement de GRAVITY, instrument de deuxième génération du VLTI, dont la première lumière est prévue pour 2014. GRAVITY pourra recombiner jusqu'à quatre télescopes en bande K (~2,2 µm). Par stabilisation de la phase sur une étoile de référence de magnitude aussi faible que K=10, il permettra de réaliser des mesures astrométriques avec une précision de 10 µas sur des objets jusqu'à K=15, et des images à référence de phase jusqu'à K=16 avec une résolution de 4 mas. Mon travail de thèse consiste à développer les algorithmes du suiveur de franges de GRAVITY, sous-système essentiel pour permettre à l'instrument d'atteindre ces limites de sensibilité inégalées en interférométrie longue base infrarouge. Pour rendre possible des intégrations supérieures à 100 s sur la voie scientifique, il devra stabiliser les différences de marche à des résidus inférieurs à 350 nm rms sur l'étoile de référence, malgré les perturbations provoquées par le piston atmosphérique, des vibrations instrumentales, et des variations de flux des faisceaux recombinés. Dans ce but, j'ai réalisé des simulations numériques de la boucle de contrôle dans son ensemble, en modélisant de façon réaliste les différentes sources de perturbations générant des fluctuations de différence de marche et des variations de flux dans les faisceaux recombinés. J'ai ainsi démontré que, par l'utilisation d'un contrôleur prédictif basé sur un filtre de Kalman utilisant un modèle des perturbations pour calculer les commandes aux actionneurs, les franges seront stabilisées à 310 nm rms sur une étoile de magnitude 10 dans les conditions d'observation attendues au VLTI en 2014. J'ai montré cependant que ces performances diminuaient fortement pour des conditions moins favorables. De plus, j'ai analysé l'efficacité du contrôleur Kalman pour compenser le piston atmosphérique et les vibrations par rapport aux algorithmes actuellement utilisés au VLTI. À partir de mesures sur ciel avec l'instrument PRIMA, j'ai montré que les perturbations sont mieux corrigées avec un contrôleur Kalman qu'avec le suiveur de franges de PRIMA. De plus, j'ai démontré par des simulations numériques que le filtre Kalman est plus efficace pour compenser les vibrations que l'algorithme VTK, consacré à leur correction au VLTI. J'ai également développé un démonstrateur de laboratoire du suiveur de franges de GRAVITY, dans le but d'en valider expérimentalement la boucle de contrôle. J'ai ainsi pu analyser des spécificités absentes des simulations initiales, telles que la procédure d'étalonnage, et l'analyse de biais induits par une dispersion spectrale imparfaite. Enfin, j'ai participé à un programme astrophysique pour lequel j'ai réalisé et analysé des observations interférométriques de la binaire X à forte masse Vela X-1 en infrarouge. J'ai mesuré un vent stellaire de tailles differentes dans les bandes H et K, démontrant la présence soit d'un fort gradient de température, soit d'évènements temporaires dans le vent. Une fois GRAVITY opérationnel, cette étude préliminaire sera étendue à des binaires X moins lumineuses, grâce à sa sensibilité inédite en interférométrie infrarouge. Pour conclure, mon travail de thèse a permis de démontrer que les performances du suiveur de franges sont compatibles avec les spécifications de GRAVITY, en faisant par conséquent le premier suiveur de franges à quatre télescopes à fonctionner sur des sources faibles, et ce malgré des perturbations importantes. GRAVITY et son suiveur de franges ouvrent ainsi la voie à des observations astrophysiques inédites en interférométrie optique.

L'exoplanétologie est une science jeune qui n'a véritablement démarré qu'en 1995 avec la découverte d'une exoplanète géante en orbite rapprochée autour de l'étoile solaire 51 Pegasi. Mes premières recherches dans de domaine datent de 1999 et concernent la mission spatiale Corot qui a conduit depuis 2006 à la détection de plus d'une trentaine de nouvelles exoplanètes très diverses. J'ai pleinement participé à l'aventure de Corot, en commençant par l'estimation du nombre de planètes détectables de 1999 à 2003, en poursuivant par la recherche et la caractérisation des signaux d'éclipses partielles, ou transits, lorsque les données furent disponibles à partir de 2007, pour finir par la mesure des propriétés physiques et orbitales des exoplanètes détectées, notamment Corot-7b en 2009, la première exoplanète rocheuse au rayon et à la masse mesurés, et Corot-8b en 2010, un mini-saturne dense. Je travaille actuellement au calcul de la probabilité de la nature planétaire de tous les signaux de transits détectés par la mission. Mes autres travaux de recherche concernent deux techniques de haute résolution angulaire pour la détection directe d'exoplanètes : l'interférométrie à longue base dans l'infrarouge et la coronographie dans le visible. En interférométrie, j'ai contribué à la précision de l'étalonnage des instruments en compilant deux catalogues d'étoiles-étalons, j'ai mesuré les propriétés d'un prototype de fibre monomode dans l'infrarouge moyen, et j'ai observé des étoiles naines, géantes et doubles. Mon résultat majeur est la détection directe du compagnon faible de l'étoile Theta Draconis. Enfin, en coronographie, j'ai développé en 2006 une méthode de correction de tavelures à l'aide d'un miroir déformable dans le cadre du projet Terrestrial Planet Finder Coronagraph de la Nasa. En cas de sélection du projet Echo par l'Esa en février 2014, mes recherches futures pourraient concerner la spectrométrie par transmission de l'atmosphère d'exoplanètes à courte période.