Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM. / Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.

The submicron-aperture fiber point-diffraction interferometer (SFPDI) can be applied to realize the measurement of three-dimensional absolute displacement within large range, in which the performance of point-diffraction wavefront and numerical iterative algorithm for displacement reconstruction determines the achievable measurement accuracy, reliability and efficiency of the system. A method based on fast searching particle swarm optimization (FS-PSO) algorithm is proposed to realize the rapid measurement of three-dimensional absolute displacement. Based on the SFPDI with two submicron-aperture fiber pairs, FS-PSO method and the corresponding model of the SFPDI, the measurement accuracy, reliability and efficiency of the SFPDI system are significantly improved, making it more feasible for practical application. The effect of point-diffraction wavefront error on the measurement is analyzed. The error of point-diffraction wavefront obtained in the experiment is in the order of 1x10(-4). (the wavelength. is 532 nm), and the corresponding displacement measurement error is smaller than 0.03 mu m. Both the numerical simulation and comparison experiments have been carried out to demonstrate the accuracy and feasibility of the proposed SFPDI system, high measurement accuracy in the order of 0.1 mu m, convergence rate (similar to 90.0%) and efficiency have been realized with the proposed method, providing a feasible way to measure three-dimensional absolute displacement in the case of no guide rail.

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Ce mémoire présente la conception et réalisation d'un montage expérimental pour le développement d'un interféromètre à atomes froids de 87Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l'objectif final étant la réalisation d'un capteur inertiel de rotations. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous a permis d'identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d'un paquet d'onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l'interféromètre atomique, ainsi que toute l'électronique de contrôle de cette expérience. / This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment.

This master’s thesis deals with calibration of a coherence scanning interferometer Talysurf CCI Lite. Basic terms related to surface texture evaluation were described along with selected profile and areal surface texture parameters. The working principle and design of the calibrated instrument were explained. Manufacturer’s calibration procedure was analyzed in relation to the definition of calibration in the International vocabulary of metrology. Further calibration steps leading to calculation of measurement uncertainty were presented. Last but not least, measurement uncertainties of areal surface texture parameters Sq and Sz were evaluated. The procedures and results described in this thesis may contribute to wider use of non-contact surface texture measuring instruments.

The thesis is about deformation measurement of the nozzle ring in variable nozzle turbine mechanism under temperature load. In the first part, there is a brief description of the turbocharger. In the second part, methods of deformation measurement are mentioned there. The main part of the thesis includes component testing of selected measuring methods and their application for measuring deformation of the nozzle ring on the turbocharger. Test is done on a gas stand which simulates the thermal load conditions of the turbocharger, same which is exposed to on the engine.

The aim of this thesis is to quantify the impact of atmospheric turbulence on optical signal used in free space optic communication systems. The first part is associated with atmosphere as transmission medium. Following part deals with interferometry and components of interferometers. Various methods of analysis of trasmission environment for optical beam are introduced theoretically and experimentally. Mathematical apparatus based on Kolmogorov’s cascade theory, Rytov’s variance was used to find value of structural parameter of refraction as a main measure of turbulence intensity. Experimentally obtained data were subjected to statistical analysis. The visualization of interference pattern fluctuations under turbulent conditions is shown in the last section. Interferometric method was realized with Michelson interferometer.

The dissertation is concerned with the description and utilization of interference of two coherent optical rays. In addition, the conditions of coherence and its connections with the occurance of interference are discussed. Michelson's interferometer is used for the practical utilization of the interference effect. The possibility of measuring relatively small changes is demonstrated - deviation of piezocrystal, measurement of the coherent length of optical source and measurement of the index of refraction of tramsparent materials. The manner of optical coherent detention and its utilization in optical communication systems is indicated. After demonstration of the principle was carried out the measuring of detection of optical signal modified by the external modulator.

Connaitre précisément la structure interne des corps célestes est indispensable pour, à la fois, comprendre la physique qui régit leur existence et le processus qui leur a donné naissance. La sismologie, d’abord appliquée à la Terre puis au soleil, s’est révélée être un outil très efficace pour sonder leurs intérieurs. Dans les années 70 (Vorontsov et al 1976), des premiers travaux théoriques ont étudié la possibilité d’une sismologie des planètes géantes gazeuses. Les premières tentatives de mesures d’oscillations ont eu lieu à la fin des années 80. La détection des modes d’oscillations de Jupiter s’est avérée une entreprise très délicate en raison de sa rotation rapide. Pour augmenter les chances de détection, un instrument spécifique a été construit au début des années 2000 à l’OCA. Cet instrument, appelé SYMPA, est un spectromètre imageur de type Mach-Zehnder capable de produire une carte de vitesse radiale de Jupiter. Une détection de modes d’oscillations sur Jupiter par cet instrument a été publiée par Gaulme et al en 2011. Une version améliorée de l’instrument (appelé DSI) a été proposée pour la mission spatiale JUICE à destination de Jupiter, et un nouveau prototype a été construit dans ce but. Par la suite, le projet s’est réorienté vers un programme d’observation depuis le sol sous la forme d’un réseau de trois télescopes répartis en longitude (USA, France, Japon) et financé par l’ANR à partir de 2015 (ANR JOVIAL). L’intérêt de la mise en réseau est d’assurer la continuité des données (météo mise à part). L’instrument étant capable de produire des cartes de vitesse radiales, le projet permet également l’étude de la dynamique atmosphérique des planètes géantes. Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de préparation de JOVIAL, avec pour objectif de caractériser l’instrument en laboratoire et d’identifier les problèmes liés aux conditions réelles d’observation. Les mesures en laboratoires ont montré des performances conformes aux attentes, avec un bruit de mesure propre à l’instrument inférieur au bruit de photon attendu sur Jupiter. Les premières mesures sur le ciel avec un télescope ont mis en évidence une sensibilité de l’instrument au degré de polarisation de la lumière ainsi qu’une dérive de la vitesse mesurée liée aux instabilités de position de la pupille pendant les observations. Le design de l’instrument et de son interface avec le télescope a été revu pour résoudre ces problèmes. Plusieurs campagnes d’observations de Jupiter ont été réalisées, permettant de mettre sur pied une chaine complète de traitement des données, dont la validité a été vérifiée par des simulations réalistes. Les observations de Jupiter ont donné des résultats scientifiques particulièrement intéressants. L’analyse des données de deux campagnes de 2015 et 2016 a fourni des séquences temporelles de cartes de vitesses radiales de Jupiter. Une première étude a consisté à chercher dans ces cartes la signature des vents zonaux et de les comparer aux mesures réalisées par suivi des nuages sur des images résolues (cloud-tracking). Une telle mesure n’avait jamais été faite par effet Doppler. Le résultat, bien qu’affecté par des biais de mesures identifiés, montre des profils de vents stables d’une année sur l’autre et en cohérence avec les valeurs issues du cloud-tracking, sauf au niveau de la partie nord de la bande équatoriale de Jupiter. La mesure Doppler suggère en effet une vitesse de vent bien inférieure à la vitesse apparente dans cette zone, ce qui a potentiellement des implications sur les modèles de dynamique atmosphérique. Ces résultats sont très importants pour mieux comprendre les mesures de la sonde Juno, actuellement en orbite autour de Jupiter. L’analyse fréquentielle des données temporelles a été abordée en fin de thèse. Les analyses préliminaires ne semblent pas pour l’instant reproduire la détection de SYMPA. Une analyse plus poussée est nécessaire avant de conclure à une absence du signal. / To know precisely the internal structure of the celestial bodies is essential to both to understand the physics which governs their existence, and the process which gave them birth. First applied to the Earth and then to the sun, seismology has proven to be a very effective tool to sound their interiors. It has become natural and legitimate to question the possibility of seismology of gaseous giant planets. The first theoretical work was carried out in the 1970s (Vorontsov et al. 1976), and the first attempts to measure oscillations at the end of the 1980s. The detection of Jupiter's oscillating modes turned out to be very difficult (reduced flux, small apparent diameter, fast rotation ...). To increase the chances of detection, a specific instrument was built in the early 2000s at the OCA. This instrument, called SYMPA, is a Mach-Zehnder-type imaging spectrometer enable to produce radial velocity maps of Jupiter. A first detection of acoustic modes on Jupiter with this instrument was published by Gaulme et al in 2011. An improved version of the instrument (called DSI), based on the same principle, was built in the wake, with the primary objective of boarding a spacecraft to Jupiter. The project was finally reoriented towards an observation program from the ground in the form of a network of three telescopes equidistant in longitude (USA, France, Japan) and supported by the ANR fund starting in 2015 (ANR JOVIAL). The interest of the network is to ensure the continuity of data (weather apart). The instrument being able to produce radial velocity maps, the project also aims to study the atmospheric dynamics of giant planets. This thesis work is part of a preparation for JOVIAL, with the aim of characterizing the instrument and identifying the problems related to real observations conditions. Laboratory measurements showed expected performances with an instrumental noise level (related to thermal fluctuations) lower than expected photon noise on Jupiter. The first measurements on the sky with a telescope showed a sensitivity of the instrument to the degree of polarization of the light as well as drifts of the velocity measurements due the motions of the pupil position. Some adjustments of the design of the instrument and its interface with the telescope were necessary to solve these issues. Several Jupiter observation campaigns were carried out during the thesis, allowing the development of full data processing software. The complete procedure was tested against simulated data and validated. Two observations runs in 2015 and 2016 were analyzed to produce time sequences of radial velocity maps of Jupiter, providing very interesting scientific results. First, the maps were analyzed to look for the signature of the zonal winds and to compare them with the measurements made by cloud-tracking. Such measurements by Doppler effect were never made before. The result, albeit affected by measurement biases, showed stable year-to-year wind patterns and coherent results with cloud-tracking measurements, except at the northern part of the Jovian’s equatorial band. The Doppler measurement indeed suggests a wind speed well below the apparent speed in this area, which potentially has implications for the theory of atmospheric dynamics and will be helpful to interpret the Juno (a spacecraft presently orbiting Jupiter) measurements. Frequency analysis of temporal data was undertaken at the end of the thesis. The preliminary results do not seem for the moment to reproduce the SYMPA detection. Further analysis is necessary before concluding if the signal is absent or attenuated.

We explore the optical parametric amplifier, an optical device where a pump field creates a pair of lower-frequency fields: signal and idler. The pump field is usually treated classically, but this thesis focuses on scenarios where the pump must be treated quantum mechanically. One of these scenarios is the growing field of nonlinear interferometry, where the fundamental sensitivity of a probed relative phase can beat the classical bounds and reach the maximum limit allowed by quantum mechanics, the Heisenberg limit. Indeed, we show that a fully quantum nonlinear interferometer displays a Heisenberg scaling in terms of the mean number of input pump photons. This result goes beyond the well-accepted Heisenberg scaling with respect to the down-converted photons inside the interferometer, which predicts unphysical phase sensitivities starting at a particular input pump energy. Our theoretical findings are particularly useful when designing a nonlinear interferometer with bright pump fields or optimized optical parametric amplifiers for quantum metrology and quantum imaging applications. The quantum nature of the pump field may also play a central role concerning other physical phenomena, like Hawking radiation in the context of black holes. As suggested by several authors, both the optical parametric amplifier and Hawking radiation comprise the creation of fundamental particle pairs. Thus, if the optical parametric amplifier is fully treated quantum mechanically, we may get insight into an open problem in modern physics, namely the black hole information paradox. According to this paradox, the information stored in a black hole can be destroyed once the black hole has evaporated by emitting Hawking radiation, contradicting quantum mechanics. Despite the experimental efforts to build systems that reproduce event horizons and gravitational effects in the laboratory, the evaporation of black holes due to the emission of Hawking radiation remains a challenging task. In this thesis, we experimentally investigate the impact of an evolving pump field in an optical parametric amplifier by optimizing a parametric down-conversion process. We measure the pump and signal photon number properties, finding that the pump field gets chaotic and the signal coherent when the pump displays some sizeable depletion. We arrive at similar conclusions about the pump field from its measured Wigner function. Our experiment is the first step towards a successful experiment that could suggest that information in the black hole is not destroyed but encoded in the emitted Hawking radiation starting at some point in the black hole evolution. We finally discuss further experimental improvements to investigate the parallel between the optical parametric amplifier and Hawking radiation.