L'imagerie hyperspectrale, qui consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales, permet de détecter des cibles là où l'imagerie couleur classique ne permettrait pas de conclure. Les imageurs hyperspectraux à acquisition séquentielle sont inadaptés aux applications de détection en temps réel. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser un imageur multispectral snapshot, capable d'acquérir simultanément un nombre réduit de bandes spectrales sur un unique détecteur matriciel. Le capteur offrant un nombre de pixels limité, il est nécessaire de réaliser un compromis en choisissant soigneusement le nombre et les profils spectraux des filtres de l'imageur afin d'optimiser la performance de détection. Dans cet objectif, nous avons développé une méthode de sélection de bandes qui peut être utilisée dans la conception d'imageurs multispectraux basés sur une matrice de filtres fixes ou accordables. Nous montrons, à partir d'images hyperspectrales issues de différentes campagnes de mesure, que la sélection des bandes spectrales à acquérir peut conduire à des imageurs multispectraux capables de détecter des cibles ou des anomalies avec une efficacité de détection proche de celle obtenue avec une résolution hyperspectrale. Nous développons conjointement un démonstrateur constitué d'une matrice de 4 filtres de Fabry-Perot accordables électroniquement en vue de son implantation sur un imageur multispectral snapshot agile. Ces filtres sont développés en technologie MOEMS (microsystèmes opto-électro-mécaniques) en partenariat avec l'Institut d'Electronique Fondamentale. Nous présentons le dimensionnement optique du dispositif ainsi qu'une étude de tolérancement qui a permis de valider sa faisabilité.

Nous étudions la réalisation optique de réseaux neuronaux simples. La réalisation optique de tels modèles passe par l'étude d'éléments non linéaires et de connecteurs holographiques. Nous proposons un schéma global faisant appel a une architecture optoélectronique pour réaliser des modèles d'ordre élevé. Cette approche est validée par une expérience en laboratoire. Dans la seconde partie, nous abordons une étude préliminaire de faisabilité d'un générateur optique de tableaux de nombres aléatoires. Nous proposons un montage optimise permettant la réalisation d'un prototype compact, rapide et fiable

Ce manuscrit présente l'expérience développée dans l'équipe MMTF du Laboratoire de Physique des Lasers avec pour objectif de contribuer à la redéfinition du Système International d'unités en mesurant la constante de Boltzmann, kB, par spectroscopie laser. La méthode utilisée est fondée sur la spectroscopie d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac maintenu à température constante. La constante de Boltzmann est déduite de la mesure de température du gaz et de la largeur du profil d'absorption enregistré. Des expériences de 1ère et 2ème génération ont d'ores et déjà permis d'atteindre une incertitude statistique de 38x10-6 sur la mesure de kB. Dans ce mémoire, nous décrivons les améliorations apportées au dispositif expérimental pour réduire l'incertitude de mesure au niveau de quelques 10-6. Nous mettons à profit ces développements expérimentaux et utilisons une nouvelle procédure d'ajustement des données expérimentales pour réduire l'incertitude statistique de mesure au niveau de 6,4x10-6. Nous effectuons par la suite une étude complète des effets systématiques susceptibles d'affecter la mesure de kB. Nous décrivons notamment le dispositif expérimental mis en place pour analyser la structure hyperfine de NH3. Nous évaluons entre autres l'impact de la composition du gaz, de la saturation de la transition, et de la modulation du faisceau laser. Enfin, nous menons une étude poussée de la modélisation des collisions entre molécules. Au final, le budget d'incertitude global sur les effets systématiques est réduit au niveau de 2,1x10-6. L'ensemble des résultats obtenus et les perspectives envisagées ouvrent la voie vers une mesure optique de kB avec une incertitude de quelques 10-6.

Les non-linearites de l'arséniure de gallium (gaas) sont étudies a la longueur d'onde 1,06 micron en regime nanoseconde et picoseconde. En régime nanoseconde, les porteurs libres (electrons et trous) sont crees par photoionisation des centres profonds el2. Ils provoquent une variation de permittivite du milieu tandis que l'évolution des densités de centres neutres et ionises change principalement l'absorption. L'etude de la réflectivité par une expérience de conjugaison de phase montre qu'un troisieme effet doit être pris en compte pour de forte énergie, le mouvement non-lineaire des electrons. Cet effet est étudie dans un échantillon dope n d'arseniure de gallium. Aucune amplification n'a ete observée dans des expériences de mélange a deux ondes. En régime picoseconde, la variation de permittivité induite par absorption a deux photons prédomine sur les effets presentes précédemment. Nous montrons que les non-linearites sont suffisamment importantes pour obtenir de forte amplification (fois 25) dans un mélange a deux ondes.

Un filtre a réseau résonnant est une structure simple composée d'un empilement de quelques couches de matériau diélectrique sur lequel est gravé un réseau sub-longueur d'onde. Leur atout principal est la finesse spectrale accessible: en pratique, des facteurs de qualité supérieurs 'a 7000 ont déjà été obtenus. Les domaines d'applications concernés sont les télécommunications optique, la spectroscopie, les lasers, la détection...Nous souhaitons développer le potentiel des filtres à réseau résonnants en étudiant la possibilité d'accorder leur longueur d'onde de centrage par effet electro-optique. Nous avons choisi deux matériaux electro-optiques, le Niobate de Lithium et le Titanate de Baryum, en raison de leurs fortes propriétés électro-optiques. Nous avons développé un outil numérique basé sur la Méthode Modale de Fourier incluant des matériaux anisotropes. Ceci est indispensable pour analyser les effets liés à la polarisation de l'onde incidente. Nous avons compare différentes configurations, permettant une accordabilité forte (jusqu'à 90nm) ou faible, indépendante ou non de la polarisation. Pour chaque cas, une interprétation physique des 105 effets observés est donnée. Enfin, nous concluons par des considérations pratiques concernant la fabricabilité des structures et l'influence des pertes par absorption.

La spectroscopie de corrélation de fluctuation a été utilisée pour étudier la réponse optique, en solution, de molécules et de billes d'or nanométriques individuelles, fonctionnalisées ou non, en vue du développement de nouvelles sondes biochimiques. Les expériences réalisées s'appuient sur un système de microscopie confocale et/ou biphotonique optimisé pour la détection de faibles signaux. Plusieurs procédés de filtrage du signal de fluorescence et d'algorithmes de calcul de la corrélation ont permis une analyse détaillée des signaux acquis. A travers un modèle original, je montre qu'il faut tenir compte de la réponse impulsionnelle tensorielle du microscope lors de l'ajustement des courbes de corrélation de particules ayant un diagramme d'émission anisotrope. Je me suis intéressé à trois types de nanosondes différentes. J'ai montré que l'on peut caractériser efficacement des sondes calciques comme l'Oregon Green Bapta 5N par spectroscopie de corrélation de fluctuations tout en pointant les limites de la méthode. J'ai ensuite mis en évidence et caractérisé une anisotropie inattendue de l'absorption à deux photons et de l'émission de photoluminescence de nanosphères d'or. Son interprétation montre l'importance du rôle des états de surface et de celui des ligands et de leur dynamique. J'ai aussi caractérisé des nanosondes formées de particule d'or fonctionnalisées avec des chromophores. Une technique originale s'appuyant sur la nature hybride de la sonde, m'a permis de démontrer l'hétérogénéité de ces systèmes, la formation d'agrégats de fluorophores et la très forte annihilation de la fluorescence des chromophores liés aux particules d'or.

On justifie les avantages de l'eclairage incoherent par rapport a l'eclairage coherent quant a l'influence des parasites qui affectent l'eclairement d'une image. Description d'experiences de traitement d'images incoherent, un chapitre special est consacre a l'holographie synthetique

Salinity and turbidity are two important seawater properties for the physical oceanography. The study of physical oceanography requires a compact high-resolution in-situ salino-turbidi-meter. The main objective of this work is to propose, design and implement an optical solution to simultaneously measure the seawater salinity and turbidity. Our first study is carried out to design a high-resolution refractometer based on a laser beam deviation measurement by a Position Sensitive Device (PSD). The refractive index measurements obtained by the voltage value delivered by PSD have been evaluated to quantify the performances of the sensor. According to the obtained results, it is clear that this PSD-based refractometer is attractive for innovative applications in metrology. However, PSD lacks the capability to retrieve the power distribution information of laser beam, which is related to the turbidity measurements. On the contrary, Charge-Coupled Device (CCD) gives much more information of laser beam than PSD. In the second part of the thesis, a performance comparison between PSD and CCD combined with a centroid algorithm are discussed with special attention paid to the CCD-based refractometer. According to the operating principle of CCD-based system, five factors of CCD-based system: image window size, number of processed images, threshold, binning and saturation are evaluated to optimize the CCD-based refractometer. By applying the optimized parameters, the performance of CCD-based refractometer is better than PSD-based refractometer in measuring the refractive index. Furthermore, by applying different post-processing algorithms, CCD-based system possesses the capability of measuring the power distribution sensitive quantities. To show this advantage of CCD-based system, the attenuation measurement method is used to measure turbidity without modifying the refractometer configuration. The turbidity measurement and salinity measurements influence each other in a refractometer. To overcome these influences, a CCD combined with a new location algorithm is used to measure both the refractive index and the attenuation. Several simulations and experiments are carried out to evaluate this new method. According to the results, the way to improve the resolution is discussed as well. Comparing to the nephelometer specified by the NTU standard, our method has been proved as a valid method to measure turbidity. By studying the performances of CCD-based refracto-turbidi-meter, 3 new prototypes are proposed to improve the salinity and turbidity measurement performance at the end of this thesis.

Le scanner laser aéroporté est une technique d'imagerie très prometteuse, notamment pour l'observation des zones forestières. En particulier, la déclinaison "onde complète", qui consiste à enregistrer l'intégralité du signal lumineux réfléchi par la scène suite à l'émission d'une impulsion laser, permet de sonder les couverts végétaux en profondeur. De nombreux systèmes commerciaux sont disponibles et d'ores et déjà utilisés en particulier en topographie ou en bathymétrie. Mais ces systèmes ne sont pas dédiés à l'observation de la végétation. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'intérêt de ces systèmes pour la reconstruction géométrique des modèles numériques de terrain sous couvert végétal, et le développement d'outils qui permettront d'optimiser les performances des systèmes lidar onde complète dans ce but. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle physique de lidar onde complète adapté à la simulation de l'observation de scènes de végétation. Le modèle DELiS (n-Dimensional Estimation of Lidar Signals) permet de simuler l'observation de scènes de végétation complexes et réalistes, tout en incluant la prise en compte de l'environnement extérieur (atmosphère, soleil) ainsi que des bruits de mesure. Une fois le modèle DELiS validé par confrontation à des résultats analytiques, nous avons utilisé ses capacités de simulation afin d'étudier l'intérêt du lidar onde complète pour la reconstruction d'un modèle numérique de terrain sous couvert végétal. Dans ce but, nous avons mis en place une méthode originale de traitement et de classification des données lidar onde complète permettant de séparer les échos lidar provenant du sol de ceux provenant de la végétation. Grâce à ces données classifiées, nous pouvons ensuite reconstruire la géométrie du sol et des objets initialement occultés par la végétation. Enfin, nous nous intéresserons à la possibilité de combiner des données aéroportées acquises sous différents points de vue afin d'améliorer les reconstructions. Mis à part le développement d'un outil opérationnel de simulation de la mesure lidar onde complète, qui pourra servir de support à de nombreuses études ainsi qu'au développement et au dimensionnement de nouveaux instruments, nous avons pu démontrer dans cette thèse que le scanner laser aéroporté onde complète pouvait permettre d'obtenir en milieux forestier des reconstructions de la géométrie du terrain à des résolutions sub-métriques et avec une précision de l'ordre de 10 à 20 centimètres. La combinaison des visées multi-angulaire permet, par l'apport d'une quantité importante d'information supplémentaire, d'améliorer encore les reconstructions. Nous montrons cependant que les visées inclinées sont plus sensibles à la présence des troncs et branchages des arbres, éléments qui sont susceptibles d'introduire une erreur importante dans les processus de classification et de reconstruction. Pour cette raison, nous recommandons l'utilisation de la visée nadir pour la reconstruction mono-vue des modèles numériques de terrain, et nous proposons une méthode permettant de choisir de façon optimale les visées inclinées à ajouter pour l'observation détaillée d'une portion plus restreinte de la scène.

Les peignes de fréquences optiques auto-référencés constituent aujourd'hui l'outils de choix en temps-fréquences pour mesurer avec des très hautes stabilités et exactitudes des fréquences optiques. Au delà de cette activité de mesure proprement dite, ils trouvent également des applications novatrices variées à très hautes performances, tel que par exemple la génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase et le transfert de pureté spectrale entre différentes fréquences optiques. Ce manuscrit décrit différents travaux autour de ces outils versatiles que j'ai réalisé au NIST (Boulder, Colorado, USA) et au LNE-SYRTE (Partis, France) entre 2004 et 2014