Abstract This Thesis proposes and describes the use of optical coherence tomography (OCT) as a non-contact and non-destructive characterization technique for printed electronics. It is based on and includes the first published results of such an application of the OCT technique. Several different types of structures were studied to evaluate the feasibility of the application. The measurement data was used to define the surface topography, physical dimensions of the specimen features, and to evaluate the ability to characterize multi-layered and multi-material structures. Presented OCT measurements were done for: screen-printed conductive and insulating structures, microfluidic channels, microscopy glass and organic field effect transistors (OFET), both coated with polymer, and inkjet-printed colour filters. A novel approach to encapsulation inspection was presented. The results show that OCT could be used for full volumetric and non-destructive characterization of the 1-to-2-µm-thin protective layers used in organic and printed electronics. The measurements presented in the Thesis were done using OCT devices in time and in spectral domains. Despite the focus on studying the application of the technique, as a result of observations and limitations of the existing equipment, a new type of OCT device has been developed. A high data acquisition rate of the spectrometer-based systems (SD-OCT) was combined with a broadband supercontinuum light source, used so far mainly in the time-domain (TD-OCT), to enable the sub-micron-resolution spectral domain optical coherence tomography (SMR SD-OCT). The supercontinuum generation effects with virtually white probing light and enables not only superior resolution, but also, e.g., true-colour OCT imaging. The measurements performed on the inkjet-printed colour filters confirm that despite the absorptive properties of the materials, characterization of the few-microns-thin ink layers is possible using visible range of the electromagnetic spectrum and spectral domain OCT. The study shows the potential and versatility of OCT in the printed electronics characterization. In addition, the Thesis discusses further development of the technique, needed to fully match the challenging requirements of the on-line quality inspection. / Tiivistelmä Väitöstyössä sovelletaan optista koherenssitomografiaa (OCT) painetun elektroniikan kontaktittomaan ja kohdetta rikkomattomaan karakterisointiin. Väitöstyö pohjautuu tuloksiin, joissa OCT-tekniikkaa on hyödynnetty ensimmäistä kertaa painettavan elektroniikan rakenteen karakterisoinnissa. Tekniikan soveltuvuutta tutkittiin mittaamalla useita erilaisia näytteitä. Mitattua dataa käytettiin pinnan topografian ja näytteen dimensioiden määritykseen. Lisäksi tutkittiin tekniikan soveltuvuutta monikerrosrakenteiden ja useista eri materiaaleista koostuvien näytteiden mittaukseen. OCT-mittaukset tehtiin seuraaville näytteille; silkkipainetuille johteille ja eristeille, mikrokanaville, polymeerillä päällystetyille mikroskooppilaseille ja orgaanisista aineista valmistettu kanavatransistoreille (OFET) sekä mustesuihkutulostimella valmistetuille värisuodattimille. Orgaaniset materiaalit ja painettava elektroniikka suojataan yleensä koteloinnilla. Tässä väitöstyössä esitellään uusi menetelmä koteloinnin tarkastukseen. Tulokset osoittavat, että OCT-tekniikkaa voidaan hyödyntää 1-2 mikrometrin paksuisen eristekerroksen volumetrisen rakenteen karakterisointiin kohdetta rikkomatta. Tässä väitöstyössä tehdyt mittaukset tehtiin aika- ja spektritason OCT-laitteilla. Huolimatta siitä, että väitöskirjatutkimus keskittyi tekniikan uusiin sovelluksiin, väitöstyössä havaittiin käytettävissä olevien laitteiden puutteellisuudet, jonka vuoksi myös uusi OCT-laite kehitettiin. Spektrometriin pohjautuvan OCT-systeemin (SD-OCT) nopeus yhdistettiin laajakaistaisen supercontinuum valonlähteen kanssa, jota on käytetty aikaisemmin käytännössä vain aikatason OCT-laitteissa (TD-OCT). Laajakaistainen valonlähde mahdollistaa jopa alle mikrometrin syvyyssuuntaisen resoluution. Supercontinuum valonlähde tuottaa käytännöllisesti katsoen valkoista valoa, joka mahdollistaa sekä erinomaisen tarkkuuden, että objektin luonnollisen värin mittaamisen. Mittaustulokset värisuodattimilla osoittavat, että vaikka suodattimissa käytetyt materiaalit absorpoivat spektritason OCT:ssa hyödynnettyä näkyvän aallonpituusalueen spektriä, tekniikalla on mahdollista mitata muutamien mikrojen paksuisia värisuodatinkalvoja. Väitöstutkimus osoittaa OCT-tekniikan monipuolisuuden ja mahdollisuudet painettavan elektroniikan karakterisoinnissa. Lisäksi väitöstyö käsittelee tekniikan jatkokehitystä, jotta se voisi vastata mahdollisimman hyvin reaaliaikaisen laadunvalvonnan tarpeisiin.

For decades, astronomers have used observations of mature planetary systems to constrain planet formation theories, beginning with our own solar system and now the thousands of known exoplanets. Recent advances in instrumentation have given us a direct view of some steps in the planet formation process, such as large-scale protostar and protoplanetary disk features and evolution. However, understanding the details of how planets accrete and interact with their environment requires direct observations of protoplanets themselves. Transition disks, protoplanetary disks with inner clearings that may be caused by forming planets, are the best targets for these studies. Their large distances, compared to the stars normally targeted for direct imaging of exoplanets, make protoplanet detection difficult and necessitate novel imaging techniques. In this dissertation, I describe the results of using non-redundant masking (NRM) to search for forming planets in transition disk clearings. I first present a data reduction pipeline that I wrote to this end, using example datasets and simulations to demonstrate reduction and imaging optimizations. I discuss two transition disk NRM case studies: T Cha and LkCa 15. In the case of T Cha, while we detect significant asymmetries, the data cannot be explained by orbiting companions. The fluxes and orbital motion of the LkCa 15 companion signals, however, can be naturally explained by protoplanets in the disk clearing. I use these datasets and simulated observations to illustrate the effects of scattered light from transition disk material on NRM protoplanet searches. I then demonstrate the utility of the dual-aperture Large Binocular Telescope Interferometer's NRM mode on the bright B[e] star MWC 349A. I discuss the implications of this work for planet formation studies as well as future prospects for NRM and related techniques on next generation instruments.

La mesure des distances aux galaxies proches de notre Voie Lactée a révolutionné notre compréhension de l'échelle de distance et a fourni la preuve de l'expansion de l'univers. Notamment les distances aux Petit et Grand Nuages de Magellan sont deux échelons essentiels de l'échelle des distances cosmiques. De nombreuses méthodes indépendantes (comme celle des RR Lyrae, des Céphéides ou des étoiles Red clump) ont été utilisées pour déterminer ces distances. Le but de mon travail de thèse est d'améliorer notre compréhension de la relation BSC grâce à l'interférométrie optique. Pour cela, j'ai utilisé l'instrument VEGA installé sur l'interféromètre CHARA. Cet instrument fonctionne dans le visible et bénéficie de la plus longue base du monde. VEGA a une résolution spatiale de 0.3 mas, ce qui en fait un outil idéal pour une détermination précise des diamètres des étoiles. Dans un premier temps j'ai déterminé le diamètre de huit étoiles de type OBA avec une précision moyenne de 1.5%. Ensuite j'ai combiné ces diamètres avec d'autres mesures collectées dans la littérature pour ainsi donner une nouvelle relation BSC pour ce type d'étoiles. Dans un second temps, une étude théorique de l'impact de rotation sur la relation BSC a été faite pour comprendre les effets physiques influant sur la précision de cette relation de manière à compenser la dispersion existant actuellement et ce dans le but d'améliorer encore la précision sur les distances extragalactiques. / Measuring distances separating our own Galaxy from nearby ones revolutionized our understanding of the distance scale and provided the evidence for the expansion of the universe. The distances to the Small and Large Magellanic Clouds are critical steps of the cosmic distance ladder, and they have been determined using numerous independent methods (as, RR Lyrae stars, Cepheids and "red clump" stars). The aim of my thesis work is to improve our understanding of the Surface Brightness-Color relation (SBC) using optical interferometry. For this, we use the interferometer VEGA on CHARA. This instrument operates in the visible and benefits from the baselines of the CHARA interferometer. It has a spatial resolution of 0.3 mas, which makes it an ideal tool to determine diameters of stars. At first I determined the diameter of eight OBA-type stars with an average accuracy of 1.5%. Then I combined these diameters with others collected from the literature, to determine a new SBC relation for this type of stars. In a second step, a theoretical study of the impact of the rotation on the SBC relation was made to understand the physical effects affecting the accuracy of this relation and suppress the currently existing dispersion in order to further improve the accuracy of extragalactic distances.

L’interférométrie optique/IR à longue base a été récemment mise en place comme une technique capable de résoudre spatialement les étoiles et leurs environnements circumstellaires au niveau de la milliseconde d'angle (mas). Cette haute résolution ouvre toute une nouvelle fenêtre pour l'étude des systèmes astrophysiques, fournissant des informations inaccessibles par d'autres techniques. Les disques astrophysiques sont observés dans une grande variété de systèmes, de galaxies jusqu'aux anneaux planétaires, partageant communément des processus physiques similaires. Deux disques particuliers sont étudiés dans la thèse: (i) les étoiles B He-riches qui présente des champs magnétiques de l'ordre de kG et que confine leurs vents dans des structures appelées magnétosphères; et (ii) les étoiles Be, rotateurs rapides qui présentent des disques circumstellaires épisodiques. Cette étude utilise la technique interférométrique pour étudier à la fois la photosphère et l'environnement circumstellaire de ces étoiles. L'objectif est de combiner l'interférométrie avec d'autres techniques d'observation (telles que la spectroscopie et la polarimétrie) pour effectuer une description physique complète et bien contraindre ces systèmes. Cette description est acquise par l'interprétation de l'ensemble des observations par des modèles de transfert radiatif. / Optical long baseline interferometry was recently established as a technique capable of resolving stars and their circumstellar environments at the milliarcsecond (mas) resolution level. This high-resolution opens an entire new window to the study of astrophysical systems, providing information inaccessible by other techniques. Astrophysical disks are observed in a wide variety of systems, from galaxies up to planetary rings, commonly sharing similar physical processes. Two particular disk like systems are studied in the thesis: (i) B He-rich stars that exhibits magnetic fields in order of kG and that trap their winds in structures called magnetospheres; and (ii) Be stars, fast rotating stars that create circumstellar viscous disks. This study uses the interferometric technique to investigate both the photosphere proper and the circumstellar environment of these stars. The objective is to combine interferometry with other observational techniques (such as spectroscopy and polarimetry) to perform a complete and well-constrained physical description of these systems. This description is accompanied by radiative transfer models.

The hostile circumstellar environment of an emerging protoplanetary nebula (PPN) and its transformation to a planetary nebula (PN) is an area of active observation and yet, many uncertainties still exist, not least in explanations of molecular abundances. Additionally, the combination of extreme radiation fields, X-rays and high velocity shocks may also drive interesting and possible novel chemical reactions and pathways. Thorough molecular surveys on PNe are minimal and in-depth modelling of specific sources to explain observed molecular abundances, are also limited in the literature. Modelling of species such as H2O within a PN, have yet to be explored in detail at all. This thesis describes observations of NGC 6302, a young butterfly PN with possibly the highest identified central mass of any known PN (∼2-3 M⊙), which have recently been undertaken at the SMA. Image maps and spectra for a number of molecular species were obtained in order to provide further insights into chemical behaviour within a PN. Observational results have been compared with detailed modelling to as- certain the role of various environmental factors on the chemistry within NGC 6302. It was found that an outflow could possibly be responsible for enhanced emission for HCO+, HCN and SiO. Species such as 13CS and 29SiC2 are also enhanced in the direction of the bi-polar lobes. N2H+ is confined to the dense torus, with CN also displaying little enhancement beyond the CO emission. Models suggest that whilst SO2 is abundant in low oxygen abundances but nitrogen-enriched dense clouds, H2O can be produced efficiently in all environments. It was also found that in standard models, H2O reactions proceed differently to H2O formation in dense-cloud models and circumstellar envelopes.

Ce mémoire présente le développement d'un dispositif expérimental permettant de mesurer deux composantes du gradient de pesanteur, Γzz et Γzx, ainsi que l'accélération de pesanteur. Ces grandeurs sont déterminées en mesurant l'accélération d'atomes froids de rubidium, en chute libre dans le vide, par interférométrie atomique. Pour la gradiométrie, la mesure différentielle est réalisée entre deux nuages atomiques spatialement distants. Pour la mesure de Γzz, l'utilisation de réseaux optiques mobiles permet d'obtenir deux nuages atomiques à partir d'une unique source atomique. Ce travail présente la mise en place du dispositif complet, avec notamment la réalisation de l'enceinte à vide, et des systèmes laser et micro-onde. Les lasers sont basés sur la technologie télécom doublée, permettant d'obtenir des modules compacts et robustes, afin d'envisager des applications embarquées. L'architecture laser originale permet de réaliser des expériences d'atomes froids combinant interférométrie atomique et réseaux optiques, en réduisant au minimum le nombre de composants. Le bruit du laser a été caractérisé, et il limite la sensibilité gravimétrique à 10-9 g en monocoup, la sensibilité différentielle à 10-10 g en monocoup, et la sensibilité gradiométrique à 38 E, en monocoup. / This thesis presents the development of the experimental setup allowing the measurement of two gravity gradient components, Γzz and Γzx, and the gravity acceleration. These quantities are resulted from the measuring of rubidium cold atoms acceleration, in free fall in vacuum, by atom interferometry. For gradiometry, the differential measurement is realized between two atomic clouds spatially separated. For the measurement of Γzz, the use of mobile optical lattices allows to get two atom clouds from a single atomic source. This work presents the setting up of the complete device, in particular with the built of the vaccum chamber, laser and micro-wave systems. Lasers are based on frequency-doubled telecom technology, which allows to obtain compact and robust systems, dedicated for onboard applications. The innovative laser architecture allows to combine atom interferometry and optical lattices, while minimizing the amount of components. The laser noise has been characterized, and limits the single shot gravimetric sensitivity to 10-9 g, the single shot differential sensitivity to 10-10 g, and the single shot gradiometric sensitivity to 38 E.

Durant ces deux dernières décennies, de nouvelles techniques pour refroidir et manipuler les atomes ont permis le développement de capteurs inertiels basés sur l'interférométrie atomique. Dans ce contexte, le projet ICE est basé sur l'utilisation d'un interféromètre atomique double espèce compacte et transportable dans le but de tester le principe d'équivalence faible. Nous comparons ainsi l'accélération de deux espèces chimiques et nous vérifions leur égalité en mesurant le paramètre d'Eötvös à un niveau de 10-6. Cette expérience a été réalisée en laboratoire et en micropesanteur lors de vols paraboliques à bord de l'Airbus A310 ZERO-G de Novespace. L'interféromètre est composé de deux échantillons de 87Rb et 39K refroidis par laser, possédant des longueurs d'onde de transitions atomiques similaires (780 nm et 767 nm) qui sont générées par un doublage de fréquence laser Télécom. Récemment, nous avons réalisé le premier interféromètre double espèce en micropesanteur. Cette expérience a ainsi permis le premier test du principe d'équivalence faible dans cet environnement en utilisant des objets quantiques, ce qui représente une première étape majeure vers une future mission spatiale. Dans le cadre de ces travaux, nous avons installé une source laser à 770 nm, accordée sur la transition D1 du 39K, afin de réaliser un refroidissement par mélasse grise. Nous avons également mis en place une nouvelle séquence pour préparer les atomes dans l'état mF = 0 avec une efficacité de transfert supérieure à 90%. Ces techniques ont amélioré le contraste de notre interféromètre de 39K d'un facteur 4, ce qui a mené à l'obtention d'une sensibilité sur le paramètre d'Eötvös dans le laboratoire de 5 x 10-8 après 5000 s d'intégration. / During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms have enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. In this context, the ICE project is based on a compact and transportable dual-species atom interferometer in order to verify the weak equivalence principle (WEP). Thus, we compare the acceleration of two chemical species and verify their equality by measuring the Eötvös parameter at the 10-6 level.This experiment was performed both in the laboratory and in the microgravity environment during parabolic flights onboard the Novespace ZERO-G aircraft. The interferometer is composed of laser-cooled samples of 87Rb and 39K, which exhibit similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm) derived from frequency-doubled telecom lasers. Recently, we have performed the first dual species interferometer in microgravity. This enables the first test of the WEP in weightlessness using quantum objects, which represents a major first step toward future mission in space.As part of these experiments, we have implemented a 770 nm laser source, resonant with the D1 transition of 39K, in order to perform a gray molasses cooling. We have also devised a new sequence to prepare atoms in the mF = 0 state with a transfer efficiency above 90%. These techniques improved the contrast of our 39K interferometer by a factor 4, which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5 x 10-8 after 5000 s of integration.

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Le présent travail de thèse a consisté en un diagnostic d’une colonne de plasma d’un mélange d’argon et de CO2, créée par une décharge éclatant dans un réacteur cylindrique, entre deux électrodes pointues en tungstène, sous une tension d’amorçage de 10KV, un courant de 100 à 300mA, et à pression atmosphérique. Le diagnostic du plasma a été réalisé à l’aide d’un laser Hélium Néon (raie 632.8nm), d'un interféromètre de Mach-Zehnder et d’un spectromètre à fibre optique. Après calcul de la composition du mélange d’Argon et de CO2 en fonction de la température par la méthode de minimisation de l’enthalpie libre de Gibbs, on a déterminé la densité des espèces. Utilisant les propriétés des particules soumises à une onde électromagnétique, et la relation de Gladstone Dale qui lie l’indice de Réfraction d’un Gaz à sa densité et à sa température, nous avons calculé l’évolution de la réfractivité du milieu. Ensuite nous l’avons mesurée pour obtenir les profils radiaux de température par la transformée de Fourier et l’inversion d’Abel, des cartes de phase obtenues par interférométrie optique. Ce travail a été complété par une analyse par spectroscopie optique moléculaire d’émission. Utilisant le système de Swan de la molécule C2 (d3!g – a3!u) comme pyromètre, notamment les bandes 01(5635.2 Å) et 12 (5585.5 Å), nous avons déterminé les températures vibrationnelles et rotationnelles du plasma. Un programme en FORTRAN a été mis au point, pour la simulation des bandes moléculaires. Nous avons diagnostiqué la colonne de plasma sur toute sa largeur et dressé un profil de température radial. Les températures vibrationnelles et rotationnelles nous ont permis de calculer l’écart à l’équilibre thermodynamique. / This work of thesis consisted of a diagnosis of a column of plasma of a mixture of argon and CO2 created by a discharge bursting in a cylindrical engine, between two pointed tungsten electrodes, under a voltage of 10KV, a current of 100 to 300mA, at atmospheric pressure. The diagnosis of plasma was carried out using a laser Helium Neon (line 632.8nm), of an interferometer of Mach-Zehnder and a spectrometer with optical fibre. After calculation of the mix design of Argon and CO2 according to the temperature by the method of minimization of the free enthalpy of Gibbs, one determined the density of the species. Using the properties of the particles subjected to an electromagnetic wave, and the relation of Gladstone Dale which binds the index of Refraction of a Gas to its density and its temperature, we calculated the evolution of the refractivity of the medium. Then we measured it to obtain the radial profiles of temperature by the Fourier transform and the inversion of Abel, of the charts of phase obtained by optical interferometry. This work was supplemented by an analysis by molecular optical spectroscopy of emission. Using the system of Swan of the molecule C2 (d3!g – a3!u) like pyrometer, in particular the bands 01(5635.2 Å) and 12 (5585.5 Å), we determined the vibrational and rotational temperatures in the plasma. A Fortran program was developed, for the simulation of the molecular bands. We diagnosed the column of plasma over all its width and drew up a radial profile of temperature. The calculation of the vibrational and rotational temperatures enabled us to calculate the variation with thermodynamic balance.

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid. / The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser).