PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014. / The Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium (PILOT) is a balloon borne experiment designed to measure the polarized emission from dust grains in the galaxy in the submillimeter range. The payload is composed of a telescope at the optical focus of which is placed a camera using 2048 bolometers cooled to 300 mK. The camera performs polarized optical measurements in two spectral bands (240 µm and 550 µm). The polarization measurement is based on a cryogenic rotating half-wave plate and a fixed mesh grid polarizer placed at 45° separating the beam into two orthogonal polarized components each detected by a detector array. The Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) is responsible for the design, integration, tests and spectral calibration of the camera. Two optical benches have been designed for its imaging and polarization characterization and spectral calibration. Theses setups allow to validate the alignment of the camera cryogenic optics, to check the optical quality of the images, to characterize the time and intensity response of the detectors, and to measure the overall spectral response. A numerical photometric model of the instrument was developed for the optical configuration during calibration tests (spectral), functional tests (imager) on the ground, and flight configuration at the telescope focus, giving an estimate of the optical power received by the detectors for each configuration. The tests campaign validates the PILOT camera characterization and calibration. It delivered the first submillimeter images and the first spectral responses. Next, the camera will be aligned and integrated with the primary mirror of the telescope on the CNES gondola, for characterization and optical polarization calibration of the complete instrument. The first flight is now planned for mid 2014.

Mon travail de thèse est centré sur la compréhension des propriétés d'émission des gros grains de poussières dans le domaine submillimétrique et du couplage de ces grains avec le gaz interstellaire dans les régions froides et denses. Des observations astrophysiques marquantes (PRONAOS, FIRAS) révèlent que les grains possèdent à grande longueur d'onde des propriétés d'émission inattendues qui ne peuvent pas être comprises par la seule considération des modèles usuels. Pour expliquer ces propriétés, nous avons proposé un modèle original d'émission des grains, basé sur les propriétés physiques intrinsèques des solides amorphes. Ce modèle permet de rendre compte de l'anticorrélation existant entre la température d'équilibre des gros grains T et leur indice spectral d'émissivité Β, déduite des mesures PRONAOS (Dupac et al. 2003) mais également de l'excès submillimétrique observé par FIRAS. Il permet ainsi d'interpréter deux faits observationnels distincts qui n'avaient jamais été expliqués de manière simultanée et définit ainsi le canevas d'un futur modèle de grains. Pour avoir une meilleure compréhension des propriétés d'émission/absorption des grains, j'ai complété ce travail théorique par des expériences en laboratoire sur les propriétés d'absorption de différents types de silicates amorphes, à basse température et grande longueur d'onde. Pour la première fois, nous avons analysé nos spectres d'absorption en distinguant deux domaines fréquentiels (500Μm-1mm et 100Μm-200Μm) dans lesquels l'absorption présente une dépendance fréquentielle différente. Pour des longueurs d'onde comprises entre 500Μm et 1mm, l'indice spectral Β présente une anti-corrélation marquée avec la température, d'allure similaire à celle mesurée par le ballon PRONAOS. Cette variation de l'absorption pourrait être expliquée par la présence de défauts (groupements OH ou ions modifiant le réseau). Dans les environnements froids et denses, les propriétés d'émission des grains sont modifiées notamment par les processus d'agglomération des grains entre eux, processus favorisés par la présence de manteaux de glace. Dans ce cadre il apparaissait intéressant de relier les modifications des propriétés d'émission des grains à celles du gaz. Le traitement et l'analyse de données moléculaires CO et N2H+ en direction d'un filament de la constellation du Taureau nous a permis de démontrer que le processus d'agglomération des grains entre eux n'était pas initié par la présence de manteaux de glace de CO mais plus probablement par celle de manteaux de glace de H2O. Enfin, nous avons confirmé les résultats de SWAS sur la sous-abondance de l'eau en phase gazeuse dans les environnements froids et denses en étudiant, en direction d'un nuage sombre (Cha-MMS1), la raie d'émission submillimétrique de l'eau dans sa transition fondamentale avec le satellite ODIN.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'instrumentation continuum de nouvelle génération pour l'astronomie millimétrique depuis le sol (bande atmosphérique à 1.3 mm de longueur d'onde). Un nouveau type de détecteurs remplissant entièrement le plan focal du télescope de 30m de l'IRAM de façon optimale est proposé, basé sur le développement de bolomètres submillimétriques pour le projet européen Herschel. Après une introduction à l'astronomie millimétrique et à ses principaux instruments existants au sol, un modèle numérique simulant le fonctionnement de ces bolomètres est proposé dans le but d'estimer leurs performances (validées ensuite par plusieurs mesures). La transposition du pic d'absorption de 100 microns vers 1.3 mm est ensuite étudiée, donnant lieu à l'invention d'une méthode basée sur l'utilisation de couches anti-reflets (principe confirmé par spectrométrie). Le processus d'observation depuis le sol par une caméra utilisant ces bolomètres est ensuite simulé et montre qu'une très bonne sensibilité par pixel est envisageable (environ 10 mJy.s^0.5)

La mission PILOT a pour objectif l'étude de l'émission polarisée des grains de poussières du milieu interstellaire dans le domaine submillimétrique, à 240 et 550 μm. L'instrument scientifique sera embarqué à bord d'un ballon stratosphérique à une altitude d'environ 40 km. Un champ de vue de 0.8°×1°, ainsi qu'une résolution de l'ordre de la minute d'arc sont requis pour atteindre les objectifs scientifiques. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser à la fois un plan focal étendu, un miroir de grand diamètre ainsi qu'un système ré-imageur. Le télescope est de plus en configuration hors axe, une combinaison de forme et d'angle entre les miroirs primaire et secondaire doit donc être respectée de façon à optimiser la qualité image et à minimiser la polarisation instrumentale. L'objectif de mes travaux de thèse était d'estimer les performances de ce système optique, ainsi que leurs variations en fonction des conditions de vol. Tous les composants optiques seront refroidis à 3 K, à l'exception du miroirprimaire. Le contrôle des caractéristiques de ce miroir en fonction des conditions d'environnement est indispensable à l'obtention de performances optimales en vol. J'ai évalué les caractéristiques du miroir primaire en combinant des mesures tridimensionnelles, une caractérisation dans le domaine submillimétrique et des modélisations de déformées en température homogène, non homogène et en gravité. Les méthodes mise en place pour le miroir primaire ont également été appliquées aux lentilles du système ré-imageur. Les résultats obtenus sur le miroir primaire et les lentilles ont été intégrés à la modélisation du système optique. Il a ainsi été possible de valider l'adéquation entre les performances nominales et réelles et d'optimiser le positionnement de chaque composant optique pour l'intégration de l'instrument. Le degré de polarisation de l'émission polarisée des grains de poussières est de l'ordre de quelques pourcents. L'interprétation du signal mesuré par l'instrument nécessite donc une bonne connaissance de la polarisation instrumentale induite par l'instrument. J'ai estimé, par modélisation, les matrices de passage de l'instrument en fonction de la position du point du champ observé, de l'orientation du plan de polarisation de l'état de polarisation incident et de l'orientation de l'axe optique de la lame demi-onde. La campagne de tests de l'instrument intégré, me permettra de vérifier et d'optimiser ces matrices.

PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014.

PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014.

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche. / With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna.

Nous avons étudié l'effet des rayons cosmiques dans les détecteurs en utilisant un bolomètre de germanium composite NTD à basse température, et une source de particules alpha comme source générique d'impulsions. Nous avons caractérisé ce bolomètre en constatant que la forme de son impulsion était due à la combinaison de sa réponse impulsionnelle (la somme de deux exponentielles doubles), et des effets liés à la position découlant de la thermalisation des phonons balistiques en phonons thermiques dans son absorbeur. Nous avons établi un schéma décrivant la forme de l'impulsion dans ce bolomètre en comparant une impulsion mathématique générique à une seconde description basée sur la physique thermique. Nous constatons que la thermalisation des phonons balistiques, suivie de la diffusion thermique, jouent un rôle important dans la forme de l'impulsion, en parallèle avec le couplage électrothermique et les effets électriques dépendant de la température. Nous avons modélisé les impulsions en observant que leur comportement peut être reproduit en tenant compte de la réflexion de phonons balistiques sur le bord de l’absorbeur, avec un couplage thermique fort au capteur central du bolomètre. Compte tenu de ces résultats, nous étudions également les effets des rayons cosmiques sur l’instrument Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), en produisant des timelines simulées et en testant la hausse de la valeur moyenne de la température (RMS) sur la plaquette du détecteur. Nous montrons que le flux thermique attendu des rayons cosmiques est au même ordre de grandeur que le maximum autorisé ΔTRMS ce qui constitue une menace sur le budget de la résolution énergétique de l'instrument. / We have studied the effect of cosmic rays in detectors using a composite NTD germanium bolometer at low temperatures and an alpha particle source as a generic source of pulses. We have characterised this bolometer, finding that its pulse shape is due to a combination of its impulse response function (the sum of two double exponentials), and position-dependent effects arising from thermalisation of ballistic phonons into thermal phonons in its absorber. We have derived a scheme for describing the pulse shape in this bolometer, comparing a generic mathematical pulse shape with a second description based on thermal physics. We find that ballistic phonon thermalisation, followed by thermal diffusion, play a significant role in the pulse shape, along with electro-thermal coupling and temperature-dependent electrical effects. We have modelled the pulses, finding that their behaviour can be reproduced accounting for ballistic phonon reflection off the absorber border, with a strong thermal coupling to the bolometer’s central sensor. With these findings, we also investigate the effects of cosmic rays on the Athena X-Ray Integral Field Unit (X-IFU), producing simulated timelines and testing the average RMS temperature increase on the detector wafer, showing that the expected cosmic ray thermal flux is within the same order of magnitudeas the maximum allowed ΔTRMS, posing a threat to the instrument’s energy resolution budget.

La génération d'onde THz de grande pureté spectrale par photomélange est une technique très prometteuse afin de réaliser des oscillateurs locaux THz performants. Nous avons donc proposé une approche originale consistant à associer un laser bi-fréquence émettant autour de 1 µm à un photomélangeur de bande interdite compatible. Le choix de cette longueur d'onde permet la réalisation de lasers pompés diodes compacts et peu onéreux ainsi que l'utilisation de photoconducteurs présentant les propriétés électriques requises. <br />Ainsi, nous avons développé 2 lasers bi-fréquence amplifiés utilisant des milieux actifs (KGW et CaF2) dopés Yb dont l'utilisation permet de générer des puissances optiques supérieurs à 1 W ainsi qu'un signal de battement électrique continu de bonne pureté spectrale (<30 kHz).<br />Nous avons ensuite étudié et caractérisé 2 matériaux photoconducteurs compatibles avec une illumination à 1 µm : l'InGaAsN et l'In.23Ga.77As-BT épitaxié à basse température (BT) sur substrat métamorphique et dopé Be. Les propriétés de ces deux matériaux ont été étudiées et comparées avec celles du GaAs-BT.<br />Après avoir modélisé le fonctionnement de photomélangeurs (en prenant en compte la participation des trous) nous avons effectué des expériences de photomélange : nous avons détecté un signal de quelques dizaines de nW dont la fréquence a pu être accordée jusqu'à 2 THz.<br />Enfin, nous avons proposé un nouveau type de photomélangeur guide vertical. Les modélisations ont montré que la puissance THz émise (0,2 mW à 1 THz), l'accordabilité (0-3 THz) et la pureté spectrale du signal généré (< 30 KHz) de cette source devraient en faire une des plus attractive dans cette gamme de fréquence.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l’étude et la fabrication de composants passifs hyperfréquence possédant un facteur de qualité important sur les bandes Q et V. Pour cela, nous nous sommes orientés vers la fabrication de composants volumiques à air. Des lignes coaxiales à section rectangulaire à air ainsi que des filtres à cavité métalliques à air ont été réalisés. Aussi, ces travaux consistent à définir une méthode de fabrication permettant d’obtenir les composants cités précédemment. Plusieurs techniques de micro-fabrication additives ont ainsi été établies afin de répondre à la problématique. / This work concerns the study and the fabrication of passive RF components with a high quality factor on Q/V bands. The components were fabricated with an air-filled 3D architecture. Air-filled rectangular micro-coaxial lines and air filled cavity filters were demonstrated. Also, micro-additive fabrication processes were demonstrated for the realization of the 3D air-filled components.