L’imagerie à très haute dynamique s’applique à de nombreux domaines de recherche en astronomie et astrophysique. Cette problématique observationnelle est abordée sur plusieurs fronts par de nombreuses techniques complémentaires : coronographie, interferométrie, optique adaptative, controle de front d’onde et discrimination des speckles. La combinaison de celles ci permet d’atteindre un haut contraste avec pour ultime objectif l’imagerie d’exoplanètes et l’étude de l’environnement stellaire. Le travail présenté dans ce manuscrit se focalise sur la coronographie et plus particulièrement sur l’optimisation active du procedé d’occultation en fonction du contexte observationnel.La première partie de cette recherche traite de l’observation d’objets résolus par le développement d’un masque focal de Lyot de diamètre variable. La deuxième partie s’applique à étendre le concept du masque focal adaptatif au masque de phase de type Roddier pour l’observation de l’environnement proche d’objets non résolus. L’utilisation des propriétés des cristaux liquides permet de réaliser un déphasage par rotation de polarisation et une modulation de transmission à l’extérieur du masque. Cette modulation permet un controle actif d’optimisation de l’interférence pour une adéquation du masque au contexte observationnel : longueur d’onde, morphologie d’image et défauts intrinsèques au masque, agitation atmosphérique. La dernière partie de ce manuscrit ébauche de nouvelles perspectives quant à la possibilité d’une imagerie à haut contraste. La modulation temporelle de phase transmise par un masque focal adaptatif est mise à profit par l’utilisation des méthodes de détection synchrone. / High contrast imaging of extra-solar planets and environments of bright astro- physical objects in general, such as stars, active galactic nuclei or objects of the Solar System is a challenging task. Different approaches are needed if the bright region to occult is optically resolved or not. We present the Adaptive Mask concept, observations on sky and numerical simulations show the usefulness of the proposed methods to optimize the efficiency of the coronagraphs for optically resolved or non resolved objects. Accessing small IWA is considered as an edge as it provides substantial scientific and technical advantages. One of the difficulties of accessing small IWA is that coronagraphs become very sensitive to low-order aberrations such as tip-tilt. Our original approach aims at integrating the small IWA capability and the mitigation of sensitivity to low-order aberrations within the coronagraph itself. Our concept is applicable to both low and high Strehl regimes, corresponding to current and next generation AO systems. The adaptive coronagraph can adapt dynamically, in quasi real time, to adjust to the observing conditions to deliver a stable and optimized contrast at the science image level. The mask adaptability both in size, phase and amplitude also compensates for manufacturing errors of the mask itself, and potentially for chromatic effects. The mask adaptability concept using a local phase modulation in the focal plane allows synchronous modulation for high dynamic range synchronous detection of a faint target immersed in a background. The coherence of the speckles with the central star is used to discriminate them from proper companions.

De nouveaux concepts d’imagerie permettent aux systèmes optiques d’être plus compacts et plus performants. Parmi ces nouvelles techniques, les systèmes d’imagerie hybrides par codage de pupille allient un système optique comprenant un masque de phase et un traitement numérique. La fonction de phase implantée sur le masque rend l’image insensible à un défaut du système optique, qui peut être une aberration ou de la défocalisation. Cet avantage est obtenu au prix d’une déformation connue de l’image qui est ensuite corrigée par un traitement numérique.L’étude des propriétés de ces systèmes a été effectuée en cherchant à augmenter la profondeur de champ d’un système d’imagerie. Un gain sur ce paramètre permet déjà d’envisager le relâchement de contraintes de conception optique telles que la courbure de champ, la défocalisation thermique, le chromatisme… Dans ces techniques d’imagerie, la prise en compte du bruit du capteur constitue l’un des paramètres critiques pour le choix et l’utilisation de méthodes de traitement d’image.Les travaux menés durant cette thèse ont permis de proposer une approche originale de conception conjointe de la fonction de phase du masque et de l’algorithme de restauration d’image. Celle-ci est basée sur un critère de rapport signal à bruit de l’image finale. Contrairement aux approches connues, ce critère montre qu’il n’est pas nécessaire d’obtenir une stricte invariance de la fonction de transfert du système optique. Les paramètres des fonctions de phase optimisés grâce à ce critère sont sensiblement différents de ceux usuellement proposés et conduisent à une amélioration significative de la qualité de l’image.Cette approche de conception optique a été validée expérimentalement sur une caméra thermique non refroidie. Un masque de phase binaire qui a été mis en œuvre en association avec un traitement numérique temps réel implémenté sur une carte GPU a permis d’augmenter la profondeur de champ de cette caméra d’un facteur 3. Compte-tenu du niveau de bruit important introduit par l’utilisation d’un capteur bolométrique, la bonne qualité des images obtenues après traitement démontre l’intérêt de l’approche de conception conjointe appliquée à l’imagerie hybride par codage de pupille. / New imaging techniques allow better and smaller systems. Among these new techniques, hybrid imaging systems with wavefront coding includes an optical system with a phase mask and a processing step. The phase function of the mask makes the system insensitive to a fault of the optical system, such as an aberration or a defocus. The price of this advantage is a deformation of the image acquired by a sensor, which is then processed. The study of the properties of these hybrid imaging systems has been completed by increasing the depth of field of an imaging system, which allows to relax some design constraints such as field curvature, thermal defocus, chromaticism… In these imaging techniques, the consideration the noise of the sensor is one the critical parameters when choosing the image processing method.The work performed during this thesis allowed to proposed an original approach for the cross-conception of the phase function of the mask and the processing step. This approach is based on a signal-to-noise criterion. Unlike known approaches, this criterion shows that a strict insensitivity of the modulation transfer function of the optics is not required. The parameters of the phase functions optimized thanks to this criterion are noticeably different from those usually proposed and lead to a significant increase of the image quality.This cross-conception approach has been validated experimentally on an uncooled thermal camera. A binary phase mask associated with a real-time processing implemented on a GPU allowed to increase the depth of field of this camera by a factor 3. Considering the important level of noise introduced by the use of a bolometric sensor, the good quality of the processed image shows the interest of the cross-conception for hybrid imaging system with wavefront coding.

Efficient and accurate sensing of various parameters is needed for numerous applications. In this regard, different categories of sensors play a significant role and different applications require diverse sensing mechanisms owing to the operating conditions and field constraints. Among the several sensor methodologies available, optical fiber sensors have found significant attention, because of their advantages such as negligible foot print, small mass, immunity to Electromagnetic Interference, etc. In the category of optical fiber sensors, Fiber Bragg Grating (FBG) sensors have found importance in many fields such as health monitoring of civil structures, environmental monitoring involving gas & humidity sensing, monitoring parameters like pressure, tilt, displacement, etc. In the recent times, FBGs have found applications in biomedical, biomechanical and biosensing fields. A FBG is a periodic change of the refractive index of the core of a single mode optical fiber along its longitudinal axis. The periodic modulation in the index of refraction is obtained by exposing a photosensitive germanium-doped silica fiber to an intense UV laser beam. FBGs, in the basic form, can sense strain and temperature. However, in recent years, several newer sensing applications of FBGs have been demonstrated. Some of the main features of the FBG sensor which qualify them for diverse sensing applications are high sensitivity, large operational bandwidth, multiplexing & multi modal sensing capability, etc. In this thesis work, FBG sensor based devices have been developed for newer applications in bio-medical fields for the measurement of force, flow and temperature. Particularly, novel transduction methodologies have been proposed, in order to convert the measurand parameter into a secondary parameter that can be sensed by the FBG sensor. The evaluation of the force required for a spinal needle to penetrate various tissue layers from skin to the epidural space is vital. In this work, a novel technique for dynamic monitoring of force experienced by a spinal needle during lumbar puncture using Fiber Bragg Grating (FBG) sensor has been developed. The Fiber Bragg Grating Force Device (FBGFD) developed, measures the force on the spinal needle due to varied resistance offered by different tissue layers during its traversal. The effect of gauge of the spinal needle used for the lumbar puncture procedure affects the force required for its insertion into the tissue. The FBGFD developed, has been further utilized for a comparative study of the force required for lumbar puncture of various tissue layers with spinal needle of different gauges. The results obtained may serve as a guideline for selection of suitable gauge spinal needle during lumbar puncture minimizing post puncture side effects on patients. The pulmonary function test carried out using a spirometer, provides vital information about the functional status of the respiratory system of the subject. A Fiber Bragg Grating Spirometer (FBGS) has been developed which has the ability to convert the rate of air flow into a shift in wavelength that can be acquired by the FBG sensor. The FBGS can dynamically acquire the complete breathing sequence comprising of the inhalation phase, pause phase and exhalation phase in terms of the air flow rate along with the time duration of each phase. Methods are adopted to analyse and determine important pulmonary parameters using FBGS and compare these parameters with those obtained with a commercially available hospital grade pneumotachograph spirometer. Thermal imaging is one of the emerging non-invasive neuro-imaging techniques which can potentially indicate the boundaries of a brain tumor. The variation in tissue surface temperature is indicative of a tumor existence. In this work a FBG temperature sensor (FBGTS) has been developed for thermography of a simulated tissue using Agar material. The temperature of the embedded heater which mimics a brain tumor along with the surface temperature of the tissue model, is acquired using FBGTSs simultaneously. Further, the surface temperatures are studied for varying heater temperatures as well as varying positions of the heater in the simulated tissue model. To conclude, FBG based devices have been developed in this work, for applications in biomedical domain, with appropriate transduction methodologies for sensing different parameters such as force, flow and temperature.

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Une molécule soumise à un champ laser infra-rouge intense (dans la gamme des 10 14 W.cm−2) peut être ionisée par effet tunnel. Le paquet d’ondes électroniques (POE) ainsi libéré est alors accéléré par le champ laser et, lorsqu’il repasse à proximité de l’ion parent, il a une certaine probabilité de se recombiner dans son état fondamental. Lors de cette recombinaison, le POE libère son énergie sous la forme d’un flash attoseconde (1as=10 −18s) de rayons XUV. Cette émission cohérente est produite à chaque demi-cycle laser résultant en un train d’impulsions attosecondes. Dans le domaine spectral, ce train correspond à un spectre discret d’harmoniques de la fréquence lasers. L’étape de recombinaison de l’électron avec l’ion parent peut être considérée comme une sonde de la structure des orbitales de valence moléculaires participant à la génération d’harmoniques et de la dynamique ayant lieu dans l’ion pendant l’excursion de l’électron dans le continuum. En caractérisant en amplitude, phase et polarisation, l’émission harmonique associée à cette recombinaison, il est possible de remonter à ces informations structurales et dynamiques avec une précision de l’ordre de l’Ångström et une résolution attoseconde. En particulier, la phase de l’émission harmonique qui est difficile à caractériser, encode des informations indispensables à la bonne compréhension des processus ayant lieu dans le milieu de génération. Nous présentons les principes et testons de nouvelles techniques permet tant de caractériser la phase de l’émission attoseconde suivant plusieurs dimensions à la fois et dans un laps de temps optimisé. Dans une première partie, nous présentons une méthode permettant de caractériser rapidement la phase spectrale de l’émission harmonique, fondée sur un modèle en champ fort de la photoionisation à deux couleurs (RABBIT). Nous introduisons ensuite une nouveau dispositif interférométrique à deux sources, permettant de mesurer les variations de phase de l’émission attoseconde induites par l’excitation d’un paquet d’ondes rotationnelles ou vibrationnelles. Ce dispositif très stable, compact et sobre énergétiquement repose sur l’utilisation d’un élément optique de diffraction (DOE) binaire. Après avoir qualifié notre dispositif par des simulations numériques et des expériences préliminaires, nous montrons qu’il est si sensible qu’il permet de mesurer les variations de phase en fonction du paramètre d’excitation pour différentes trajectoires électroniques dans le continuum. Pour l’azote et le dioxyde de carbone, les mesures expérimentales montrent des variations de phase très différentes pour les deux premières trajectoires électroniques. Ce DOE est ensuite utilisé pour mesurer la phase de l’émission harmonique dans les molécules alignées dans les mêmes conditions expérimentales que le RABBIT. Les deux expériences menées successivement donnent des résultats compatibles que nous combinons par deux méthodes différentes : le CHASSEUR et le MAMMOTH. Enfin, nous proposons de combiner le DOE avec un réseau transitoire pour caractériser simultanément la phase de l'émission attoseconde moléculaire suivant deux axes de polarisation différents. Ces différentes techniques de mesure de phase nous ont permis d’étudier précisément l’émission harmonique suivant différentes dimensions (angle d’alignement, intensité de génération, trajectoire électronique) et d’en tirer de nouvelles informations sur le mécanisme de génération dans les molécules. / When a low-frequency laser pulse is focused to a high intensity into a gas, the electric field of the laser light may become of comparable strength to that felt by the electrons bound in an atom or molecule. A valence electron can then be 'freed' by tunnel ionization, accelerated by the strong oscillating laser field and can eventually recollide and recombine with the ion. The gained kinetic energy is then released as a burst of coherent XUV light which is spectrally organized as harmonics of the fundamental driving field frequency.In high-harmonic molecular spectroscopy, the recombining electron wave-packet probes the structure of the molecule and the dynamics occurring in the ion left after tunnel ionization. The XUV burst is imprinted with this information which can be retrieved through an accurate characterization of the amplitude, phase and polarization of the harmonics. In the case of small molecules as nitrogen and carbon dioxide, impulsive alignment allows to change the direction of recombination of the electron wave-packet with respect to the molecular axis. The XUV burst from the molecular sample should then be characterized both along the spectral dimension and the alignment angle one, and this for the two polarization components. In this report, we present a new experimental scheme to perform two-source interferometry to measure the phase of the emission in aligned molecules along the alignment angle dimension. We how a refined spatio-spectral analysis of the fringe patterns obtained with this very stable interferometer allows one to extend high-harmonic spectroscopy from short to long trajectories. We then show how the combination of this setup together with RABBIT gives access to a bidimensionnal (spectrum and alignment angle) phase map with no arbitrary constant. Finally comparing two-source interferometry with transient grating spectroscopy leads to inconsistent results that can be interpreted taking into consideration polarization effects.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement. / A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented.