Cette thèse de doctorat a pour but de fabriquer des systèmes électro-optiques compacts en utilisant les propriétés des cristaux photoniques (CP).). Le niobate de lithium (LiNbO3) est très attractif pour les applications optiques (télécommunications optiques, biomédical, astrophysique) car il a de faibles pertes en propagation (0.1 dB/cm ou moins), une faible dispersion en longueur d’onde, une large bande de transparence (350-5000 nm), et des forts coefficients Electro-optiques, non-linéaires et acousto-optiques. Cependant, les composants optiques utilisant ce matériau présentent classiquement un encombrement supérieur au centimètre, ce qui est dommageable pour leur intégration dans des circuits optiques compacts. Nous cherchons à démontrer plus précisément la faisabilité de modulateurs électro-optiques ultra-compacts tout en gardant les performances des modulateurs de type Mach-Zehnder, telles que de faibles pertes d'insertion, une faible tension de commande et un fort taux d'extinction. Nous proposons de remplir ces objectifs par l'usinage de cristaux photoniques à haut facteur de forme sur des guides LiNbO3, en associant découpe à la scie circulaire de précision et gravure par faisceau d'ion focalisé. La configuration s’appuie d’une part sur une tranche fine (ridge) de LiNbO3 qui confine la lumière transversalement, et d’autre part sur l'usinage du CP à haut facteur de forme pour favoriser une forte sensibilité à la présence de champs électriques externes sur des longueurs actives de l'ordre du micromètre. Les hauts facteurs de forme seront obtenus en usinant les ridges sur leur sommet et sur leurs flancs. Un premier enjeu, technologique, est destiné à optimiser les technologies développées à l’institut FEMTO-ST en vue d’applications à l’optique intégrée. Le deuxième enjeu, scientifique, s’agit de mettre en oeuvre une nouvelle configuration de contrôle de la lumière à l’aide d’un cristal photonique, présentant un double usinage sur les flancs et le sommet. C'est la première démonstration expérimentale de nanostructures LiNbO3 à haut facteur de forme. / The main goal of this PhD thesis is to fabricate compact electro-optical devices in exploiting the properties of photoniccrystal (PhC). Lithium niobate (LiNbO3) is a very attractive material for optical applications (such as opticaltelecommunication, biomedicine, astrophysics) thanks to its low propagation losses (0.1 dB/cm or less), its weakwavelength dispersion, its large optical bandwidth (350-5000 nm), and its strong electro-optical, non linear and acoustoopticalcoefficients. However, classical LiNbO3-based optical components possess active lengths of several centimers,which is not benefic for their good integration in compact optical circuits.We will focus this study more precisely on the feasibility of ultra-compact electro-optical modulators while keeping theperformances of commercialized LiNbO3 Mach-Zehnder type modulators, like their low insertion losses, their high extinctionratios, and their low power consumptions. To overcome this challenge, we will structure high aspect ratio photonic crystalson lithium niobate waveguides by combining optical grade dicing and focused ion beam milling. The main configuration isbased on the technology of LiNbO3 ridge waveguide in order to confine the light laterally and on the nano-structuration ofhigh aspect ratio photonic crystal on the ridge waveguide to enhance the sensibility to electric field stimuli on a fewmicrometers only. Structuring such high aspect ratio PhC will be possible thanks to focused ion beam milling from thetopside and the lateral side of the waveguide.The first issue is to optimize the technology developed in FEMTO-ST Institute for the fabrication of LiNbO3 integratedcomponents. The second issue is to create new configurations to control the propagation of light. This will be the firstexperimental demonstration of high aspect ratio LiNbO3 nanostructures.

La connaissance de la turbulence atmosphérique en visée horizontale permet de mieux appréhender la physique des flux de chaleur à l’interface sol-atmosphère. Elle permet également, en visée verticale, d’améliorer les performances des futurs systèmes d’optique adaptative grand-champ pour l’observation astronomique. Le profil de Cn² caractérise localement la force de la turbulence. La méthode CO-SLIDAR, développée par l’ONERA, permet de réaliser des profils de Cn² le long de la ligne de visée du télescope à partir des pentes et de scintillations mesurées par un Analyseur de Shack-Hartmann sur source double. Cette méthode a été validée en visée verticale mais n’avait pas encore montré son efficacité en visée horizontale. Les deux expériences à Lannemezan et à Châtillon-Meudon ont vu la mise en place d'un nouveau profilomètre Shack-Hartmann Infrarouge : le SCINDAR. Elles ont été réalisées sur des surfaces respectivement hétérogène et homogène par morceaux, et elles participent à la validation de la méthode pour des applications agronomiques et écologiques. Mon étude consiste à améliorer le traitement du signal du profilomètre SCINDAR et à valider la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence atmosphérique proche du sol. Cette méthode a été adaptée en utilisant un formalisme de propagation en onde sphérique. L'étude a permis d'identifier et prendre en compte des sources d'erreur dans le traitement : à savoir la vibration de la machine à froid de l'analyseur de front d'onde cryogénique du SCINDAR et l'étendue des sources dans les fonctions de poids du modèle direct posé pour le traitement des données. Mon étude se consacre à l’amélioration du traitement des données du SCINDAR et à la validation expérimentale des profils de Cn² obtenus avec des mesures de Cn² acquises par des scintillomètres. J'ai construit tout d'abord une base de données de pentes et scintillations de qualité vérifiée. Pour l'inversion des données, j'ai choisi la régularisation L1L2 qui est adaptée pour des mesures de Cn² proches du sol. La méthode de réglage des hyperparamètres de cette régularisation est non-supervisée. Elle permet d’augmenter la fiabilité et la précision de l’estimation du profil de Cn² de façon pragmatique à l'aide des erreurs relatives sur les paramètres turbulents macroscopiques. Le profilomètre SCINDAR avec la méthode CO-SLIDAR ainsi améliorée produit finalement des profils de Cn² d'excellente qualité. Ces profils sont comparés avec succès aux mesures des scintillomètres. L’ensemble de ces travaux constitue l'adaptation de la méthode CO-SLIDAR pour des mesures de la turbulence proche du sol. / The knowledge of atmospheric turbulence in horizontal aim allows to better understand the physics of the heat fluxes at the ground-atmosphere interface. It also allows, in vertical aim, to improve the performance of future wide-field adaptive optics systems for astronomical observation. The profile of Cn²locally characterizes the force of turbulence. The CO-SLIDAR method, developed by ONERA, allows profiles of Cn² along the line of sight of the telescope, from the slopes and scintillations of a double source measured by Shack-Hartmann analyzer. This method was validated in vertical aim but had not yet shown its effectiveness in horizontal aim. The two experiments in Lannemezan and Châtillon-Meudon introduced a new Shack-Hartmann Infrared profilometer: the SCINDAR. They were carried out on heterogeneous and piecewise homogeneous surfaces respectively, and they participate in the validation of the method for agronomic and ecological applications. My study consists of improving SCINDAR profilometer signal processing and validating the CO-SLIDAR method for near-ground atmospheric turbulence measurements. This method has been adapted using a spherical wave propagation formalism. The study identified and took into account sources of error in processing: the cold machine vibration of the SCINDAR cryogenic wavefront analyzer and the extent of the sources in the weight functions of the direct model set for data processing. My study focuses on improvement of the SCINDAR data processing and experimental validation profiles Cn² obtained with Cn² measurements acquired by scintillometers. I first built a database of slopes and scintillations of verified quality. For the inversion of the data, I chose the L1L2 regularization which is suitable for near-ground Cn² measurements. The method of setting the hyperparameters of this regularization is unsupervised. It makes it possible to increase the reliability and the accuracy of the Cn² profile estimation in a pragmatic way using the relative errors of the macroscopic turbulent parameters. The SCINDAR profilometer with the improved CO-SLIDAR method finally produces Cn² profiles of excellent quality. These profiles are successfully compared to scintillometer measurements. All of this work constitues the adaptation of the CO-SLIDAR method for measurements of near-ground turbulence.

Les lasers de haute puissance permettent d'atteindre des intensités très importantes (jusqu'à 10²²W.cm⁻²). Parvenir à ce niveau d'intensité nécessite de concentrer une quantité modérée d'énergie (de l'ordre du joule) dans un temps très court (de l'ordre de la dizaine de femtosecondes) sur une surface réduite (de l'ordre du μm²). Ces faisceaux sont donc ultra-courts et focalisés à l'aide d'une optique à grande ouverture. Ces caractéristiques signifient que leur diamètre avant focalisation est grand et leur largeur spectrale est importante. Pour cette raison, ces faisceaux sont à même de présenter des distorsions spatio-spectrales (ou couplages spatio-temporels). Après focalisation, ces distorsions ont pour effet une diminution drastique de l'intensité pic. Ceci est d'autant plus vrai que le système laser est puissant et donc que son diamètre et sa largeur spectrale sont grands. En dépit de cet effet néfaste, les couplages spatio-temporels présentent aussi un intérêt lorsqu'ils sont maitrisés. On peut en effet introduire des couplages spatio-temporels de faible amplitude à des fins expérimentales. Dans les années 1990 et 2000, un effort important a été fourni pour permettre la caractérisation et l'optimisation du profil temporel des lasers femtoseconde. Dans le même temps, des solutions d'optique adaptative ont été développées pour contrôler le profil spatial des faisceaux ultra-intenses et obtenir la meilleure tache focale possible. Les systèmes laser de haute-puissance actuels sont maintenant caractérisés et optimisés indépendamment par ces deux types de diagnostics. Par essence, cette approche est aveugle aux couplages spatio-temporels. Seule une caractérisation spatio-temporelle permettrait de mesurer ces distorsions. Il existait déjà des méthodes de caractérisation spatio-temporelle avant le début de cette thèse. Aucun de ces dispositifs n'avait cependant été adapté à la mesure de faisceaux ultra-intenses. Lors de cette thèse, nous avons développé une nouvelle technique de caractérisation spatio-temporelle appelée TERMITES. Cette technique est basée sur un schéma de spectroscopie par transformée de Fourier auto-référencée. TERMITES nous a permis d'effectuer la première caractérisation spatio-temporelle totale d'un laser 100 TW (le laser UHI-100 du CEA Saclay). Les distorsions spatio-temporelles détectées à l'aide de ces mesures ont confirmé la nécessité d'une généralisation de la métrologie spatio-temporelle des lasers de haute puissance. / High power laser make it possible to reach very high intensities (up to 10²²W.cm⁻²). In order to get to this level of intensity, a moderate quantity of energy (on the order of the Joule) is concentrated in a very short time (on the order of tens of femtoseconds) onto a small surface (on the order of 1 μm²). These beams are therefore ultra-short and focused with a high aperture optic. These features mean that their diameter prior to focus is large and their spectral width is big. As a result, these beams are subject to spatio-spectral distorsions (of spatio-temporal couplings). After focus, these distorsions induce a dramatic reduction of the peak intensity. This situation is all the more true when the laser is more intense and its diameter and spectral width are therefore bigger. Despite their detrimental effects, spatio-temporal couplings can be of great interest when controlled. One can indeed introduce weak spatio-temporal couplings for experimental purposes. In the 1990s and 2000s, a big effort was put in order to characterize dans optimize the temporal profile of femtosecond lasers. Meanwhile, adaptative optics solutions were developed to control the spatial profil of ultra intense laser beams and provide the best focal spot achievable. By nature, this approach is blind to spatio-temporal couplings. Measuring these distorsions requires a spatio-temporal characterization. Before the start of this Phd thesis, spatio-temporal characterization methods already existed. Although none of these devices were ever adapted to the measurement of ultra-intense laser beams. During this Phd Thesis, we developped a new spatio-temporal characterization technique which we called TERMITES. This technique is based on a self-referenced Fourier transform spectroscopy scheme. TERMITES made it possible for us to perform the first total spatio-temporal characterization of a 100 TW laser (UHI-100 at CEA Saclay, France). The detection of spatio-temporal distorsions with the help of these measurements confirmed the need for a generalization of spatio-temporal characterization of ultra-high power lasers.

Dans de nombreux systèmes de traitement de l'information, le signal est numérisé, traité informatiquement, puis reconverti dans le domaine analogique. La faible bande passante de ces étapes de conversion numérique/analogique limite considérablement le débit d'informations traitées. Une solution purement analogique améliorerait donc considérablement le temps de traitement et la bande passante. Notre approche consiste à transférer le signal RF à traiter sur une porteuse optique puis à procéder à son traitement dans le domaine optique. L'étape de traitement est assurée par la traversée d'un cristal dopé en ions terres rares convenablement "programmé". Cette étape de programmation consiste à graver dans le profil d'absorption du cristal une fonction caractéristique de l'opération de traitement du signal à réaliser. Deux opérations ont ainsi été implémentées : 1) le renversement temporel de signaux RF : c'est l'opération consistant à générer analogiquement le signal renversé temporellement s(−t) d'un signal incident s(t). La fonction à graver dans le profil d'un cristal d'Er:YSO est alors un réseau spectral de pas variable. 2) l'analyse spectrale large bande instantanée : c'est l'opération permettant d'accéder au contenu spectral d'un signal. On impose au protocole de fournir instantanément le spectre d'un signal large bande. La fonction à graver dans le profil d'un cristal de Tm:YAG est alors un réseau spectro-spatial de pas variable. / Many signal processing devices rely on the digitalization of the incoming signal. After being processed by a computer, the signal needs to be converted back to its original analog form. Due to the limited bandwidth of analog-to-digital and digital-to-analog stages, the data flow rate is significantly limited. A purely analog solution would then significantly improve the processing time and bandwidth. In our approach, we first transfer the incoming RF signal on an optical carrier, allowing us to process it in the optical domain. For the processing stage, we propose to engrave the absorption profile of a rare earth ion-doped crystal with different shapes (each shape is specific to one processing operation). In this work, two operations are implemented: 1) time reversal of RF signals: we analogically generate the time reversed replica s(−t) of an incoming signal s(t). For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Er:YSO crystal is a non-periodic spectral grating. 2) instantanous broadband spectral analysis: we want to instantaneously access the spectral components of a broadband signal. For this purpose, the shape to be engraved in the absorption profile of a Tm:YAG crystal is a spectro-spatial grating with a variable period.

Ce travail propose l’utilisation d’un nouveau matériau, appelé PMN-PT, qui continue aider la miniaturisation des systèmes complexes, utilisés dans des différentes technologies. Le travail est présenté dans le cadre de collaboration entre deux projets, MIOP et ADMAN. Les besoins tient compte que les actionneurs soient capables de délivrer de haute déplacement tout en conservant la simplicité et la fiabilité du système. L’accent est mis sur la polyvalence de ce matériau piézo-électrique, PMN-PT, en raison de ses propriétés électro-mécanique. Le travail comprend un aperçu sur quoi influence les propriétés électro-mécaniques du PMN-PT. L’accent est mis sur deux différentes, mais très puissants coupes: anisotrope [011] et longitudinale [001], choisi pour grand déplacement et haute dynamique avec un volume petit. Pour le PMN-PT[001], une structure de type poutre a été étudié, avec un modèle amélioré pour prendre en compte les spécificités de matériel. Les déplacements et forces ont été trouvés d’ être supérieur `a un actionneur en PZT, similairement dimensionnée, tandis que avoir des non-linéarités réduites. Ceci est illustré avec une micro pince avec 6DDL. L’étude de PMN-PT [001] coupé longitudinal suit. Cette étude a été fait en utilisant PMNPT comme un actionneur avec une structure simple, facile à intégrer. Les résultats démontrent les améliorations PMN-PT peut apporter à micro-spectrométrie et la correction d’image avec des micromiroirmobiles. Un micro actionneur PMN-PT a été intégré dans une structure compatible avec des MOEMS et présenté. / This work proposes the use of a novel material, called PMN-PT, that futher aids the miniaturizationof complex systems used in different technologies. The work is presented within the collaborativeframework of two projects, MIOP and ADMAN. The end-needs account for actuators capable ofdelivering high displacement, while maintaining system simplicity and reliability. The focus is onthe versatility of the PMN-PT piezoelectric material, due to its electro-mechanical properties. Thework includes an overview on what influences the electro-mechanical properties focusing on twodifferent, though very potent cuts: anisotropic [011] and longitudinal [001]. They were chosen forgenerating large displacement and high dynamics with small volume. For PMN-PT[001] a cantileverstructure was studied, for which the model was improved taking into account the material specificities.Displacements and forces were found to be superior to a similarly dimensioned PZT actuator, whilsthaving reduced non-linearities. This is exemplified with a 6 DoF capable microgripper. The PMNPT[001] longitudinal cut based actuator study follows. This is done by using PMN-PT as a simple,easy to integrate, bulk actuator. The findings demonstrate the improvements PMN-PT can bringto micro-spectrometry and image correction with micro-mirror displacement. A bulk PMN-PT microactuator was integrated into a MOEMS compatible structure and presented.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d’interférences crées par les couples de particules éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les franges d’interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l’optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier. / In this thesis, I propose a new optical technique for measuring 3D relative positions, sizes and refractive indices of a set of particles, which are illuminated by a plane and pulsed laser beam. In this work, the particles are spherical, transparent, homogeneous and isotropic. When these particles are illuminated, they have the behavior of sources of spherical light waves which interfere. The recording of interference fringes and analysisby Fourier transform can measure the characteristics of the particles. I describe the influence of particle characteristics on spectral representations of the interference fringes created by the pairs of particles illuminated in 2D Fourier space. The interference fringes are simulated numerically using the Lorenz-Mietheory. The inverse problem is approached by showing how it is possible to measure the characteristics of particles with geometrical optics and spatial filtering by Fourier transformation.

Une bonne compréhension et une bonne capacité de prédiction de la section efficace de diffusion de neutron est essentielle à un grand nombre de technologies nucléaires, parmi lesquelles les réacteurs à fission. Pour les noyaux déformés, le calcul des observables de diffusion de nucléon pour la voie élastique et les premiers états excités de basse énergie requiert l'utilisation de calcul en voies couplées. Des potentiels optique et de transition phénoménologiques locaux sont le plus couramment utilisés dans les analyses par voies couplées, mais leur précision en dehors de leur domaine d'ajustement est imprévisible. Des approches microscopiques sont en cours de développement pour augmenter les capacités prédictives et résoudre les problèmes d'extrapolation. Un potentiel obtenu microscopiquement est non local, et de récentes études ont souligné l'importance de traiter explicitement cette non localité sans passer par une procédure de localisation. Notre but dans ce travail est d'étudier dans une approche microscopique, sans paramètre ajustable, l'impact de la non localité des potentiels sur les observables de diffusion de nucléon sur noyau cible. Pour ce faire, nous étudions la diffusion de neutron avec la matrice G de Melbourne qui représente l'interaction entre le projectile et un nucléon de la cible, et nous utilisons la RPA pour décrire la structure de la cible dans le cadre de nos premières applications sur le ⁹⁰Zr. Pour pouvoir étudier aussi des noyaux déformés, nous menons notre étude dans le cadre des voies couplées. La première partie de ce document contient la dérivation, faite dans un cadre unique et cohérent, des équations couplées pour la diffusion de nucléons et des potentiels microscopiques obtenues avec la matrice G de Melbourne et une description de la cible via la RPA. La deuxième partie est dédiée à la présentation des codes que nous avons développés durant ce projet de thèse : MINOLOP pour le calcul de potentiels microscopiques à partir de la matrice G de Melbourne et d'informations de structure données sous la forme d'une densité à 1 corps, et ECANOL pour la résolution des équations en voies couplées avec des potentiels non locaux en entrée. Enfin, nous présentons nos premières applications basées sur ces deux codes : l'étude d'émission de pré-équilibre due à des excitations à 2 phonons dans le ⁹⁰Zr. / A good understanding and prediction capacity of neutron scattering cross sections is crucial to many nuclear technologies, among which all kinds of reactors based on fission process. For deformed nuclei, the computation of scattering observables for the elastic channel and the first, low-lying excited states requires coupled channel calculations. Local, phenomenological optical and macroscopic transition potentials are the most commonly used in coupled channel analyses, but their accuracy outside of their fitting range remains unpredictable. Microscopic approaches are being developed in order to improve prediction power and solve the extrapolation issue. Potentials obtained microscopically are nonlocal, and recent studies have emphasized the importance of treating explicitly this nonlocality, without using a localization procedure. Our goal in the present work is to study in a quantum framework with no adjustable parameter, the impact of the nonlocality of potentials on scattering observables of nucleon-nucleus reactions. To achieve this we study neutron scattering with the Melbourne G matrix, which represents the interaction between the projectile and one nucleon of the target, and we describe the target’s structure using the RPA for our first applications to ⁹⁰Zr. In order to be able to study also deformed nuclei, we do our study in the coupled channel framework. The first part of this paper is dedicated to the derivation in a unique, consistent scope of coupled equations for nucleon-nucleus scattering and of the potentials obtained with the Melbourne G matrix and RPA structure input. Secondly, we describe the codes which we wrote during this Ph.D. project: MINOLOP for the computation of microscopic potentials using the Melbourne G matrix and structure inputs given in terms of a 1-body density, and ECANOL for the resolution of coupled channel equations using nonlocal potentials as input. Eventually, we present our first applications using these two codes to study pre-equilibrium emissions due to 2-phonon excitations in ⁹⁰Zr.

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes. / In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons.

Les algorithmes évolutionnaires (AE) constituent une famille d’algorithmes inspirés de l’évolution naturelle. Ces algorithmes sont particulièrement utiles pour la résolution de problèmes où les algorithmes classiques d’optimisation, d’apprentissage ou de conception automatique sont incapables de produire des résultats satisfaisants. On propose dans cette thèse une approche méthodologique pour le développement de systèmes intelligents basés sur les AE. Cette approche méthodologique repose sur cinq principes : 1) utiliser des algorithmes et des représentations adaptés au problème ; 2) développer des hybrides entre des AE et des heuristiques du domaine d’application ; 3) tirer profit de l’optimisation évolutionnaire à plusieurs objectifs ; 4) faire de la co-évolution pour résoudre simultanément plusieurs sous-problèmes d’une application ou favoriser la robustesse ; et 5) utiliser un outil logiciel générique pour le développement rapide d’AE non conventionnels. Cette approche méthodologique est illustrée par quatre applications des AE à des problèmes difficiles. De plus, le cinquième principe est appuyé par l’étude sur la généricité dans les outils logiciels d’AE. Le développement d’applications complexes avec les AE exige l’utilisation d’un outil logiciel générique. Six critères sont proposés ici pour évaluer la généricité des outils d’AE. De nombreux outils logiciels d’AE sont disponibles dans la communauté, mais peu d’entre eux peuvent être véritablement qualifiés de génériques. En effet, une évaluation de quelques outils relativement populaires nous indique que seulement trois satisfont pleinement à tous ces critères, dont la framework d’AE Open BEAGLE, développée durant le doctorat. Open BEAGLE est organisé en trois couches logicielles principales, avec à la base les fondations orientées objet, sur lesquelles s’ajoute une framework gén érique comprenant les mécanismes généraux de l’outil, ainsi que plusieurs frameworks spécialisées qui implantent différentes saveurs d’AE. L’outil comporte également deux extensions servant à distribuer des calculs sur plusieurs ordinateurs et à visualiser des résultats. Ensuite, trois applications illustrent différentes approches d’utilisation des AE dans un contexte de reconnaissance des formes. Premièrement, on optimise des classifieurs basés sur la règle du plus proche voisin avec la sélection de prototypes par un algorithme génétique, simultanément à la construction de mesures de voisinage par programmation génétique (PG). À cette co-évolution coopérative à deux espèces, on ajoute la co-évolution compétitive d’une troisième espèce pour la sélection de données de test, afin d’améliorer la capacité de généralisation des solutions. La deuxième application consiste en l’ingénierie de représentations par PG pour la reconnaissance de caractères manuscrits. Cette ingénierie évolutionnaire s’effectue par un positionnement automatique de régions dans la fenêtre d’attention jumelé à la sélection d’ensembles flous pour l’extraction de caractéristiques. Cette application permet d’automatiser la recherche de représentations de caractères, opération généralement effectuée par des experts humains suite à un processus d’essais et erreurs. Pour la troisième application en reconnaissance des formes, on propose un système extensible pour la combinaison hiérarchique de classifieurs dans un arbre de décision flou. Dans ce système, la topologie des arbres est évoluée par PG alors que les paramètres numériques des unités de classement sont détermin és par des techniques d’apprentissage spécialisées. Le système est testé avec trois types simples d’unités de classement. Pour toutes ces applications en reconnaissance des formes, on utilise une mesure d’adéquation à deux objectifs afin de minimiser les erreurs de classement et la complexité des solutions. Une dernière application démontre l’efficacité des AE pour la conception de syst` emes de lentilles. On utilise des stratégies d’évolution auto-adaptatives hybridées avec une technique d’optimisation locale spécialisée pour la résolution de deux problèmes complexes de conception optique. Dans les deux cas, on démontre que les AE hybrides sont capables de générer des résultats comparables ou supérieurs à ceux produits par des experts humains. Ces résultats sont prometteurs dans la perspective d’une automatisation plus poussée de la conception optique. On présente également une expérience supplémentaire avec une mesure à deux objectifs servant à maximiser la qualité de l’image et à minimiser le coût du système de lentilles. / Evolutionary Algorithms (EA) encompass a family of robust search algorithms loosely inspired by natural evolution. These algorithms are particularly useful to solve problems for which classical algorithms of optimization, learning, or automatic design cannot produce good results. In this thesis, we propose a common methodological approach for the development of EA-based intelligent systems. This methodological approach is based on five principles : 1) to use algorithms and representations that are problem specific ; 2) to develop hybrids between EA and heuristics from the application field ; 3) to take advantage of multi-objective evolutionary optimization ; 4) to do co-evolution for the simultaneous resolution of several sub-problems of a common application and for promoting robustness ; and 5) to use generic software tools for rapid development of unconventional EA. This methodological approach is illustrated on four applications of EA to hard problems. Moreover, the fifth principle is explained in the study on genericity of EA software tools. The application of EA to complex problems requires the use of generic software tool, for which we propose six genericity criteria. Many EA software tools are available in the community, but only a few are really generic. Indeed, an evaluation of some popular tools tells us that only three respect all these criteria, of which the framework Open BEAGLE, developed during the Ph.D. Open BEAGLE is organized into three main software layers. The basic layer is made of the object oriented foundations, over which there is the generic framework layer, consisting of the general mechanisms of the tool, and then the final layer, containing several specialized frameworks implementing different EA flavors. The tool also includes two extensions, respectively to distribute the computations over many computers and to visualize results. Three applications illustrate different approaches for using EA in the context of pattern recognition. First, nearest neighbor classifiers are optimized, with the prototype selection using a genetic algorithm simultaneously to the Genetic Programming (GP) of neighborhood metrics. We add to this cooperative two species co-evolution a third coevolving competitive species for selecting test data in order to improve the generalization capability of solutions. A second application consists in designing representations with GP for handwritten character recognition. This evolutionary engineering is conducted with an automatic positioning of regions in a window of attention, combined with the selection of fuzzy sets for feature extraction. This application is used to automate character representation search, which is usually conducted by human experts with a trial and error process. For the third application in pattern recognition, we propose an extensible system for the hierarchical combination of classifiers into a fuzzy decision tree. In this system, the tree topology is evolved with GP while the numerical parameters of classification units are determined by specialized learning techniques. The system is tested with three simple types of classification units. All of these applications in pattern recognition have been implemented using a two-objective fitness measure in order to minimize classification errors and solutions complexity. The last application demonstrate the efficiency of EA for lens system design. Selfadaptative evolution strategies, hybridized with a specialized local optimisation technique, are used to solve two complex optical design problems. In both cases, the experiments demonstrate that hybridized EA are able to produce results that are comparable or better than those obtained by human experts. These results are encouraging from the standpoint of a fully automated optical design process. An additional experiment is also conducted with a two-objectives fitness measure that tries to maximize image quality while minimizing lens system cost.

Les difficultés identifiées dans l'apprentissage des sciences expérimentales au secondaire dans le monde et plus particulièrement au Sénégal nous ont conduit à mener cette étude. Nous cherchions à comprendre, d'une part, comment lier les savoirs scolaires aux savoirs non scolaires de l'élève pour générer des savoirs qui sont signifiants pour lui et pour sa communauté. Nous voulions également comprendre, dans cette quête de sens, quel serait le rôle de la simulation informatique. Ainsi, la question de recherche à laquelle nous avons tenté de répondre est : Jusqu'à quel point peut-on développer des savoirs signifiants d'optique géométrique sur l'arc-en-ciel et la couleur chez des élèves du secondaire dans un contexte d'apprentissage utilisant la simulation informatique? La présente étude, de nature exploratoire, s'est déroulée dans un établissement d'enseignement secondaire (lycée) de l'inspection d'académie de Fatick (Sénégal). Elle est qualitative et basée sur une étude de cas. La population à l'étude était constituée de 27 élèves de classe de seconde scientifique (équivalent du secondaire 4 au Québec). Ces élèves ont été répartis en deux groupes, R (15) et S (12), pour réaliser, respectivement, un apprentissage traditionnel utilisant le matériel disponible au laboratoire et un apprentissage par la simulation utilisant un simulateur informatique. Les données recueillies des productions des élèves et des deux entrevues de groupe ont été analysées selon la méthode d'analyse de contenu. Le logiciel QDA Miner a été utilisé à cet effet pour faciliter leur traitement. Ce dernier nous a permis de procéder à des opérations de codage des unités de sens et de générer des résultats suivant une grille thématique structurée en cinq rubriques inspirées de notre cadre théorique. Les résultats de la recherche ont montré que les élèves ont des connaissances de différentes natures (scolaires, culturelles, religieuses, expérientielles, etc.) sur les phénomènes étudiés et que celles-ci sont plus ou moins compatibles, parfois conflictuelles, avec le savoir scientifique. L'analyse de la signifiance des savoirs a révélé que les savoirs non scolaires sont pertinents et valides pour eux dans leur contexte propre. Ils sont signifiants pour eux et ont contribué à une compréhension plus riche et plus complète du phénomène de l'arc-en-ciel et de la couleur. Ces résultats ont aussi montré des limites de la signifiance du savoir scolaire avec l'apparition de conflits cognitifs chez certains élèves. Ces conflits se sont manifestés lorsque la perception sensible de l'élève était en contradiction avec le savoir qu'on voulait lui enseigner ou lorsque le savoir scolaire était en contradiction avec des croyances très ancrées comme les croyances religieuses. Certains élèves n'accepteraient pas la vision réductionniste de la science qui limiterait l'arc-en-ciel à un objet de lumière et occulterait toutes les croyances qu'ils ont sur le phénomène. La signifiance du savoir scolaire se heurte ainsi à un problème de validation individuelle par l'élève. Les résultats de la recherche ont aussi montré que la simulation informatique a aidé les élèves à mieux comprendre les contenus d'apprentissage. Elle leur a donné l'opportunité de valider les connaissances scientifiques, mais également de découvrir des aspects du phénomène étudié qui sont difficiles à observer ou à réaliser en situation réelle. Elle a permis un engagement et une implication plus accrus des élèves dans l'apprentissage avec l'utilisation de leurs moyens d'apprentissage ou fonctions psychologiques selon la perspective de Jung (pensée, sentiment, sensation et intuition). Elle a permis une utilisation importante de la pensée. La simulation informatique se présente ainsi comme une bonne solution de substitution pour pallier le manque de matériel ou l'inaccessibilité du phénomène étudié et un bon outil pour développer, dans une certaine mesure, des savoirs signifiants. Mais, comme le laissaient apparaître certaines productions d'élèves, son utilisation comporte des limites. En effet, devant la simulation informatique, certains élèves étaient influencés par ce qu'ils voyaient, ce qui les a empêchés d'utiliser toute leur capacité cognitive; leur réflexion était orientée; leur créativité était limitée. De même, l'intérêt de certains élèves était plus porté sur la technologie que sur le contenu d'apprentissage. En outre, la signifiance des savoirs produits par la simulation pourrait être précaire du fait du contexte d'apprentissage ou du modèle utilisé pour réaliser le logiciel de simulation. Alors, il serait important de développer la réflexion sur l'articulation entre réalité et objets virtuels pour mieux prendre en charge cette dimension de la signifiance des savoirs. / This exploratory study seeks to understand “To what extent can we develop meaningful geometrical optics knowledge about rainbow and color in high school students in a learning context using computer simulation?”. This qualitative research, based on a case study, was conducted with 27 first-year high school students (Secondary 4 in Quebec) from a high school in Fatick (Senegal). The students were divided into two groups designated by R (15) (for traditional learning) and S (12) (for learning through simulation). The data collected was analyzed using the content analysis method. QDA Miner software was used for this purpose to facilitate their processing. The results of the research showed that students have different kinds of knowledge (academic and non-academic) about the phenomena studied and that some of this knowledge is more or less compatible or in contradiction with scientific knowledge. Non-academic knowledge is, in the same way as scientific knowledge, meaningful to them in their context and has contributed to a richer and more complete understanding of the rainbow and colour. The study showed that the significance of academic knowledge sometimes faces problems of individual validation when cognitive conflicts appear in some students. These conflicts arose when the sensitive perception of the student was in contradiction with the knowledge that is intended to be taught to him or her or when the academic knowledge is in contradiction with deeply rooted beliefs such as religious beliefs. Research results showed that computer simulation helped students gain a better understanding of the concepts taught. It has contributed to the validation of scientific knowledge and to an increased and diversified use of psychological functions. It allowed them to discover other aspects of the phenomenon that are difficult to observe in real situations. It is thus presented as a promising tool for developing meaningful knowledge. But its use has limits, since facing a simulation of a phenomenon, some students were influenced by what they were looking at, thus diverting their thinking or preventing them from using their full cognitive capacity. Furthermore, the significance of the knowledge produced by the simulation could be limited by the model used to make the simulation software. Therefore, it would be interesting to broaden reflection on the articulation between reality and virtual objects to further address this dimension of the significance of knowledge.