Les interféromètres stellaires sont des dispositifs à très haute résolution angulaire, permettant une étude approfondie de l’Univers. Cette thèse décrit la mise en place en laboratoire d’un interféromètre à somme de fréquences dédié à la détection de rayonnement infrarouge en bande L :ALOHA@3.39. Afin de pouvoir limiter le bruit généré par les rayonnements thermiques ambiants et de pouvoir bénéficier des technologies matures en terme de détection et de transport cohérents de la lumière collectée, ce système intègre sur chacune des voies interférométrique un processus non linéaire de somme de fréquence. Les rayonnements autour de 3.39 μm sont transposés autour de 810 nm via des cristaux de PPLN alimentés par une pompe unique à 1064 nm. Une première partie présente le contexte expérimental et théorique de la thèse. La deuxième partie concerne la conception, la réalisation et la caractérisation du banc ALOHA@3.39. La troisième partie présente les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire. La mesure répétée du contraste en régime de fort flux permet de calibrer le contraste instrumental du montage. Les premières mesures en régime de comptage de photons montrent que nous sommes actuellement capables de détecter des franges d’interférence avec de hauts contrastes en ne disposant que de 100 Fw à l’entrée de chacune des voies. Enfin, nos investigations nous ont amené à la détection de franges d’interférences via le prototype ALOHA@3.39 à partir d’une source thermique, assimilable à un corps noir. Cette thèse conclue sur une estimation de la magnitude limite accessible, et sur l’utilisation de nouvelles technologies de PPLN. / Stellar interferometers are high angular resolution devices, allowing for detailed research of the Universe. This thesis describes the in-lab implementation of a sum frequency generation interferometer dedicated to the infrared detection in the L band : ALOHA@3.39. In the aim of limiting thermal noise due to the room radiation, and benefit mature detectors and fibered components, this device includes a sum frequency generation non-linear process on each of its arms. Stellar radiations around 3.39 μm are transposed to around 810 nm thanks to PPLN cristals powered by a single pump signal at 1064 nm. The first part presents our global experimental context and theoretical elements about this thesis. The second part deals with the conception, the implementation and characterisation of the test bench ALOHA@3.39. The third part tables in-lab experimental results. Repeated measurements of the fringe contrast on high flux regime allow to calibrate the instrumental contrast of the set-up. First measurements on photon counting regime show we are currently able to detect interference fringes with high contrast with only 100 fW at the input of each arm. Finally, our research led us to realise interference fringes detection via the ALOHA@3.39 prototype, observing a thermal source, considered as a black body. This thesis concludes on an estimation of the limiting reachable magnitude, and on the future use of new PPLN technologies.

Le processus de somme de fréquences optiques est utilisé dans certaines applications pour convertir des signaux de longueurs d’onde infrarouges vers le domaine de longueurs d’onde visibles. Cela permet de bénéficier de technologies plus performantes notamment en terme de détection et de propagation. Les travaux menés dans cette thèse s’intéressent à l’étude de phénomènes optiques parasites générés par ce processus non linéaire dans des cristaux de niobate de lithium périodiquement polarisés (PPLN) pour des applications de conversion de fréquences en régime de comptage de photons. La première partie de ce manuscrit montre l’intérêt du processus de somme de fréquences optiques dans le contexte technologique de la détection infrarouge en régime de comptage de photons, via le concept de détection hybride. Les éléments théoriques et l’état de l’art associés à la détection hybride seront également présentés dans cette première partie. La deuxième partie traite d’une étude comparative entre différents cristaux de PPLN pour la détection hybride à 1550 nm. Pour cela, une analyse expérimentale détaillée des processus parasites est effectuée. Les résultats de cette étude sont utilisés pour des applications en astronomie et en microscopie. Enfin, la troisième partie traite d’une application de la somme de fréquences en interférométrie stellaire. Les résultats de caractérisation des cristaux de PPLN sont mis à contribution dans l’optimisation d’un instrument pour l’astronomie appelé interféromètre à somme de fréquences. Les résultats d’observation sur le site astronomique du Mont Wilson ainsi que les perspectives de cette instrument y sont présentés. / The sum frequency generation process is used in differents applications to convert signals from infrared wavelengths to the field of visible wavelength. This allows to benefit of more efficient technologies in terms of detection and propagation. This thesis describes the study of noise phenomena generated by this process in crystals of periodically poled lithium niobate (PPLN) for frequency up-conversion applications in photon counting regime. The first part of the manuscript shows the advantage of sum frequency generation process in the technological environment of the infrared detection on single photon counting regime, using the concept of hybrid detection. The theoretical elements and the state of the art associated with hybrid detection will also be presented in this first part. The second part deals with a comparative study between different PPLN for hybrid detection at 1550 nm. A detailed experimental analysis of the noise process is performed. The results of this study are used for applications in astronomy and microscopy. The third part deals with an application of the sum frequency in stellar interferometry. The results of PPLN’s characterization are involved in optimizing an instrument for astronomy called sum frequency interferometer. The results of observation on the astronomical site of Mount Wilson and the prospects of this instrument are presented.

La détection faible flux dans le moyen infrarouge (MIR) est fortement pénalisée par le rayonnement thermique de l’environnement. La principale solution à ce problème consiste à cryogéniser la plus grande partie possible de la chaîne de détection. Cette méthode atteint ses limites pour certaines applications,notamment l’imagerie haute résolution en astronomie par méthode interférométrique. Une solution alternative consiste à utiliser le processus non linéaire de somme de fréquences pour convertir ce rayonnement moyen infrarouge vers des domaines de longueur d’onde où les détecteurs ne sont plus limités par le rayonnement de l’environnement et fonctionnent efficacement en régime de comptage de photons. Les travaux effectués au cours ces trois années sont le prolongement direct de plus d’une décennie de recherche pour la détection et l’interférométrie par conversion de fréquence. Ils s’inscrivent dans la continuité des travaux de thèses de L. Szemendera et de P. Darré, ayant, pour l’un, posé les premières pierres de l’interférométrie par conversion de fréquence dans le MIR et, pour l’autre, démontré la possibilité d’utiliser cette technique sur le ciel à1550 nmen tirant parti de la technologie de guidage ridge. Cette thèse constitue donc la jonction fructueuse de ces travaux antérieurs, rendue possible par une collaboration avec l’institut Femto-ST. L’utilisation de leurs guides PPLN ridge nous a permis de nous placer au niveau de l’état de l’art pour la détection par conversion de fréquence dans le MIR (3,5 μm)avec des démonstrations expérimentales à la fois en laboratoire et sur le ciel (C2PU). Intégrée à un interféromètre à conversion de fréquence à ces mêmes longueurs d’onde, elle a également permis d’en améliorer significativement les performances et la répétabilité de cette technique, principalement dans le cas d’une source spectralement large bande. Parallèlement, notre collaboration avec le réseau de télescopes CHARA, nous a offert l’opportunité d’étudier les problématiques soulevées par une future mise en œuvre de l’instrument sur ce site. / Low flux detection in the mid infrared (MIR) is strongly penalized by thermal radiation from the environment. The main solution to this problem is to cryogenize as much of the detection chain as possible.This method is reaching its limits for some applications, including high-resolution imaging in astronomy using interferometric methods. An alternative solution is to use the non-linear process of sum frequency generation to convert this mid infrared radiation to wave length domains where detectors are no longer limited by the radiation from environment and operate efficiently in photon counting regime.The work over these three years is part of more than a decade of research into up-conversion detection and interferometry. It is the expansion of the these works of L. Szemendera and P. Darré. The first one laid the fondation of the up-conversion interferometry in the MIR and the second one demonstrated the possibility of using this technique on the sky at 1550 nm by benefiting from the ridge waveguide technology.Thus, this thesis constitutes the fruitful junction of these earlier works, made possible by a collaboration with the Femto-ST Institute. The use of their PPLN ridge waveguides has enabled us to place ourselves at the state of the art for up-conversion detection in the MIR (3,5 μm) with experimental demonstrations both in the laboratory and on the sky (C2PU). Integrated into a up-conversion interferometer at these same wave lengths, it has also significantly improved the performance and repeatability of this technique,in particular in the case of a spectrally broadband source. At the same time, our collaboration with the CHARA telescope array gave us the opportunity to study the problems raised by a future implementation of the instrument on this site.

La technique de l'interférométrie en astronomie permet d'observer des objets avec une haute résolution angulaire comparativement à l'utilisation d'un unique télescope. L'observation dans l'infrarouge moyen représente aujourd'hui un enjeu en interférométrie notamment pour l'étude des noyaux actifs de galaxie ou de la formation des planètes. Cependant ce domaine spectral est particulièrement contraignant puisqu'il est soumis à l'émission propre des éléments optiques de l'instrument mais également de l'atmosphère. Ce manuscrit développe les travaux effectués sur un nouvel instrument utilisant un processus de conversion de fréquence pour transposer le rayonnement infrarouge vers un domaine spectral permettant de s'affranchir de l'émission propres des optiques. Un prototype fonctionnant dans le proche infrarouge à 1,55 µm et convertissant, via une processus de somme de fréquences, le rayonnement dans le domaine visible autour de 630 nm grâce à une pompe intense à 1064 nm, a été mis en place pour démontrer, en laboratoire, le principe de cette solution innovante notamment dans le cadre de l'analyse de la cohérence spatiale d'un corps noir. L'objectif est maintenant de démontrer la capacité de l'instrument à détecter un objet réel. J'introduis dans cette thèse les notions théoriques essentielles à la compréhension des travaux présentés pour ensuite détailler le fonctionnement de l'instrument et les éléments d'amélioration apportés, notamment en terme de transmission, au cours de ma thèse. Les études préliminaires en laboratoire du comportement de l'instrument ont permis d'aboutir aux premières franges sur le ciel en utilisant la plus petite base (34 m) du réseau interférométrique CHARA et de rechercher la magnitude limite de l'instrument. L'utilisation du processus de conversion de fréquence a pour conséquence de filtrer le spectre converti. Ainsi dans la configuration actuelle de l'interféromètre, seul 0,6 nm du spectre infrarouge en entrée du cristal est converti à travers le processus de SFG. Afin d'augmenter la sensibilité, une solution est de créer plusieurs processus de SFG simultanément dans chaque étage de conversion afin d'échantillonner le spectre infrarouge converti. Cette solution requiert d'utiliser plusieurs sources de pompe indépendantes qui vont créer des systèmes de franges incohérents. Je présente l'analyse de la cohérence temporelle d'une source infrarouge large bande convertie via l'utilisation de deux sources de pompe et un moyen de synchroniser les différents systèmes de franges afin de maximiser le contraste. / Interferometry is an instrumental technique suitable to perform astronomical observations at high angular resolution. Currently, the mid-infrared spectral domain is a real issue for the astronomical interferometry to characterize astronomical objects such as proto-planetary discs or active galactic nuclei. However, this spectral domain is subject to a large thermal background emission from the instrument and from the sky. This manuscript describes an innovative instrument using a nonlinear process of sum frequency generation to convert the mid-infrared radiation to a shorter wavelength domain where the thermal emission from the instrument is negligible. A prototype operating in the near-infrared at 1.55 µm and converting the radiation in the visible domain at 630 nm thanks to a strong pump at 1064 nm has already demonstrated its ability to analyse spatial coherence of a blackbody source. The present goal is to demonstrate its ability to detect an object on the sky. In this manuscript I introduce theoritical concepts necessary for an understanding of the overall operation of the instrument. Then, I describe the main improvements provided in this thesis, in particular concerning the instrumental transmission. The preliminary studies of the instrument operation resulted in the first on-sky fringes on the CHARA array and enabled to determine its limiting magnitude. The upconversion process acts as a filter on the converted spectrum. In the current instrumental configuration, only 0.6 nm of the input infrared spectrum is converted through the SFG process. For the purpose of increasing the instrumental sensitivity, we propose to sample the infrared spectrum by using several independent pump laser lines thus creating different incoherent fringe patterns. I present the temporal coherence analysis of a broadband infrared source converted by a dual-line pump laser and a method to synchronize the different fringe patterns to insure a maximum value of the contrast.