L'objectif général est de développer un nouvel outil numérique dédié à la focalisation en 3D de l'énergie en zone de champ très proche par un système antennaire. Cet outil permettra de définir la distribution spatiale complexe des champs dans l'ouverture rayonnante afin de focaliser l'énergie sur un volume quelconque en zone de champ réactif. L'hybridation de cet outil avec un code de calcul dédié à l'analyse rapide d‘antennes SIW par la méthode des moments permettra de synthétiser une antenne SIW ad-hoc. Les structures antennaires sélectionnées seront planaires comme par exemple les antennes RLSA (Radial Line Slot Array). Les dimensions de l'antenne (positions, dimensions et nombre de fentes) seront définies à l'aide des outils décrits ci-dessus. Les résultats numériques ainsi obtenus seront validés d'abord numériquement par analyse électromagnétique globale à l'aide de simulateurs commerciaux, puis expérimentalement en ondes millimétriques (mesure en zone de champ très proche). Pour atteindre ces objectifs, nous avons défini quatre tâches principales : Développement d'un outil de synthèse de champ dans l'ouverture rayonnante (formulation théorique couplée à une méthode dite des projections alternées) ; développement d'un outil de calcul rapide (sur la base de traitements par FFT) du champ électromagnétique rayonné en zone de champ proche par une ouverture rayonnante, et retro-propagation ; hybridation de ces algorithmes avec un code de calcul (méthode des moments) en cours de développement à l'IETR et dédié à l'analyse très rapide d'antennes en technologie SIW ; conception d'une preuve ou plusieurs preuves de concept, et validations numérique et expérimentale des concepts proposés. / With the demand for near-field antennas continuously growing, the antenna engineer is charged with the development of new concepts and design procedures for this regime. From the microwave and up to terahertz frequencies, a vast number of applications, especially in the biomedical domain, are in need for focused or shaped fields in the antenna proximity. This work proposes new theoretical methods for near-field shaping based on different optimization schemes. Continuous radiating planar apertures are optimized to radiate a near field with required characteristics. In particular, a versatile optimization technique based on the alternating projection scheme is proposed. It is demonstrated that, based on this scheme, it is feasible to achieve 3-D control of focal spots generated by planar apertures. Additionally, with the same setup, also the vectorial problem (shaping the norm of the field) is addressed. Convex optimization is additionally introduced for near-field shaping of continuous aperture sources. The capabilities of this scheme are demonstrated in the context of different shaping scenarios. Additionally, the discussion is extended to shaping the field in lossy stratified media, based on a spectral Green's functions approach. Besides, the biomedical applications of wireless power transfer to implants and breast cancer imaging are addressed. For the latter, an extensive study is included here, which delivers an outstanding improvement on the penetration depth at higher frequencies. The thesis is completed by several prototypes used for validation. Four different antennas have been designed, based either on the radial line slot array topology or on metasurfaces. The prototypes have been manufactured and measured, validating the overall approach of the thesis.

Au cours de cette dernière décennie, le domaine de la recherche et l'étude de compagnons froids autour des étoiles du voisinage solaire s'est beaucoup accéléré. L'étude des compagnons stellaires de faible masse et des compagnons naines brunes apportent d'importantes contraintes sur la compréhension de la formation stellaire. L'étude des systèmes planétaires, quant à elle, permet de comprendre la formation de notre propre système solaire. Jusqu'à présent, la technique des vitesses radiales a permis de découvrir la plupart des nouveaux systèmes. Il s'agit d'une méthode indirecte qui ne permet pas l'analyse des photons du compagnon froid. La prochaine étape consiste à analyser directement les photons de compagnons. Pour ce faire, de nombreux projets d'instruments imageurs à haut contraste ont vu le jour récemment. Cette thèse s'inscrit dans la préparation scientifique et le développement de l'un de ces projets: l'instrument SPHERE qui sera installé au Very Large Telescope au Chili en 2012. Dans une première partie, je présente les questions astrophysiques qui motivent la recherche de compagnons d'étoiles ainsi que les deux techniques observationnelles que j'ai utilisé au cours de ma thèse: l'imagerie à haut contraste et la technique des vitesses radiales. Un état des lieux de la recherche des compagnons planétaires, naines brunes et stellaires est également fait. Dans la deuxième partie, je développe les techniques observationnelles ainsi que l'analyse de donnés utilisées. La troisième partie présente une étude sur le désert des naines brunes autour d'étoiles de type solaires sélectionnées dans un échantillon d'étoiles à dérives en vitesses radiales. La quatrième partie développe un travail observationnel qui consiste à essayer de détecter les compagnons planétaires ou naines brunes autour de naines rouges. La dernière partie est consacrée à la présentation de l'instrument SPHERE et à ma contribution personnelle à l'étude de cet instrument.

Depuis plusieurs décennies, les observations des oscillations stellaires et la recherche d'exoplanètes se sont développées en parallèle, en utilisant les mêmes méthodes et les mêmes instruments : la méthode de vitesse radiale, à partir d'instruments au sol comme SOPHIE à l'OHP ou HARPS au Chili, et la méthode photométrique, à partir d'instruments spatiaux, comme CoRoT et Kepler. L'intérêt d'étudier les oscillations des étoiles centrales de systèmes planétaires est apparu dès le début de ces observations. La caractérisation des planètes nécessite une très bonne connaissance de l'étoile centrale et particulièrement de ses paramètres globaux comme la masse, le rayon, la température. L'étude de la différence entre les étoiles possédant des planètes et celles qui n'en ont pas, peut apporter des informations précieuses pour mieux comprendre la formation des systèmes planétaires. Dans cette thèse, nous avons choisi d'étudier précisément trois étoiles centrales de systèmes planétaires de type solaire : (i) HD 52265, la seule étoile cible principale de CoRoT, observée pendant plusieurs mois consécutifs avec une précision inégalée; (ii) 94 Cet, une étoile centrale de système planétaire dont les paramètres spectroscopiques ressemblent à ceux de  Virginis, étoile sans planète détectée, elle-même bien étudiée par ailleurs. 94 Cet a été observée avec le spectromètre HARPS à La Silla, Chili; (iii) 51 Pegasi, étoile "mythique", hôte de la première exoplanète observée en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz. Cette étoile a été observée avec le spectromètre SOPHIE à l'Observatoire d'Haute Provence. Dans tous les cas, nous avons comparé les fréquences observées et leurs combinaisons, avec celles calculées pour des modèles obtenus avec le Toulouse-Geneva Evolution Code. Les fréquences ont été calculées avec le code PULSE, de Montréal. Divers aspects physiques ont été testés, en particulier la diffusion atomique incluant les forces radiatives sur les éléments lourds. Nous avons obtenu des résultats intéressants pour ces trois étoiles, pour lesquelles les approches sont différentes. Dans les trois cas nous déduisons les paramètres extérieurs et des informations sur la structure. Ce travail comprend à la fois un aspect observationnel et de modélisation. C'est donc une approche assez complète de l'astérosismologie et de ses techniques.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'optimisation aérodynamique de forme est un domaine de recherche très actif ces dernières années, en raison notamment de l'importance de ses applications industrielles. Avec le développement de la méthode adjointe, il est aujourd'hui possible de calculer rapidement, et indépendamment du nombre de paramètres de forme, le gradient des fonctions d'intérêt par rapport à ces paramètres. Cette étude concerne l'utilisation des dérivées ainsi obtenues pour perfectionner les algorithmes d'optimisation locale et globale. Dans une première partie, il s'agit d'utiliser ces gradients pour la construction de modèles de substitution, et de profiter de ces modèles pour réduire le coût des méthodes d'optimisation globale. Plusieurs types de modèles sont présentés et combinés à un algorithme de type " évolution différentielle " en utilisant la méthode EGO (Efficient Global Optimization). Cette procédure est appliquée à l'optimisation de fonctions mathématiques, puis à des cas test d'optimisation aérodynamique autour de profils d'aile. Les résultats sont concluants : l'utilisation d'un modèle de substitution permet de réduire sensiblement le nombre d'évaluations nécessaire du modèle physique, et la prise en compte des gradients accentue ce résultat. Dans la seconde partie de ce travail, la méthode adjointe est utilisée pour calculer le gradient des fonctions d'intérêt par rapport aux coordonnées des noeuds de la surface du profil. Un algorithme d'optimisation locale est alors appliqué en utilisant ces points comme paramètres de l'optimisation et le champ de gradient lissé comme direction de descente. Si l'étude est encore à approfondir, les résultats sont encourageants.

Cette thèse présente trois techniques innovantes de spectrométrie, l'une en domaine infrarouge, l'autre en visible, et la troisième en ultraviolet. Deux d'entres elles sont utilisées par l'instrument Spicam-Light à bord de la sonde spatiale Mars-Express pour l'étude de l'atmosphère de Mars. La troisième concerne la spectrométrie à haute résolution depuis le sol, et est dédiée aux mesures de vitesses radiales stellaires pour la recherche de planètes extrasolaires à l'Observatoire de Haute Provence avec l'Accéléromètre Astronomique Absolu.<br />L'étude présente le concept révolutionnaire des spectromètres UV et IR de l'instrument Spicam-Light à travers une description technique détaillée. Elle s'accompagne des résultats, des étalonnages, des estimations photométriques avant l'envol et des performances en vol. L'étude sur l'AAA expose le développement instrumental important de cet appareil. Elle s'accompagne des résultats obtenus pour illustrer ses performances actuelles et potentielles.

L'exoplanétologie est une science jeune qui n'a véritablement démarré qu'en 1995 avec la découverte d'une exoplanète géante en orbite rapprochée autour de l'étoile solaire 51 Pegasi. Mes premières recherches dans de domaine datent de 1999 et concernent la mission spatiale Corot qui a conduit depuis 2006 à la détection de plus d'une trentaine de nouvelles exoplanètes très diverses. J'ai pleinement participé à l'aventure de Corot, en commençant par l'estimation du nombre de planètes détectables de 1999 à 2003, en poursuivant par la recherche et la caractérisation des signaux d'éclipses partielles, ou transits, lorsque les données furent disponibles à partir de 2007, pour finir par la mesure des propriétés physiques et orbitales des exoplanètes détectées, notamment Corot-7b en 2009, la première exoplanète rocheuse au rayon et à la masse mesurés, et Corot-8b en 2010, un mini-saturne dense. Je travaille actuellement au calcul de la probabilité de la nature planétaire de tous les signaux de transits détectés par la mission. Mes autres travaux de recherche concernent deux techniques de haute résolution angulaire pour la détection directe d'exoplanètes : l'interférométrie à longue base dans l'infrarouge et la coronographie dans le visible. En interférométrie, j'ai contribué à la précision de l'étalonnage des instruments en compilant deux catalogues d'étoiles-étalons, j'ai mesuré les propriétés d'un prototype de fibre monomode dans l'infrarouge moyen, et j'ai observé des étoiles naines, géantes et doubles. Mon résultat majeur est la détection directe du compagnon faible de l'étoile Theta Draconis. Enfin, en coronographie, j'ai développé en 2006 une méthode de correction de tavelures à l'aide d'un miroir déformable dans le cadre du projet Terrestrial Planet Finder Coronagraph de la Nasa. En cas de sélection du projet Echo par l'Esa en février 2014, mes recherches futures pourraient concerner la spectrométrie par transmission de l'atmosphère d'exoplanètes à courte période.