Le positionnement d'un engin sous-marin s'appuie sur des systèmes dits "acoustiques". Ces derniers renseignent la position relative de l'engin immergé par rapport au navire support. Les performances de ces systèmes sont définies en termes de limite de portée et de précision. Le principe de ces systèmes repose sur les notions de distance-métrie et de goniométrie, qui s'appuient toutes deux sur l'estimation du temps de propagation et donc de la date d'arrivée du signal utile. Cela est classiquement réalisé par une opération de Compression d'Impulsion. Cette technique qui est largement utilisée dans les domaines du SONAR, RADAR et imagerie bio-médicale, repose sur une application sous-optimale du Filtrage Adapté. En effet, le Filtrage Adapté est une technique d’estimation ou de détection optimale lorsque le bruit et blanc et gaussien et lorsque le signal utile est déterministe, c’est-à-dire que le signal reçu est bien connu. Cependant, il est bien connu que dans le monde sous-marin, le bruit n’est pas blanc, et pas toujours gaussien. Aussi, le signal utile étant déformé soit par le milieu de propagation soit par des phénomènes physiques tels que l’effet Doppler, celui-ci n’est pas déterministe. On peut alors considérer que le bruit est coloré et que le signal utile est une réalisation d’un processus aléatoire. Ainsi, en vue d’étendre les hypothèse d’application de la Compression d’Impulsion classique, nous proposons de construire une nouvelle forme de Compression d’Impulsion basée sur l’utilisation du Filtrage Adapté Stochastique. En effet, ce dernier est une extension naturelle du Filtrage Adapté pour des bruits colorés et des signaux déterministes. Toutefois, le Filtrage Adapté Stochastique suppose que les signaux sont stationnaires au second ordre. Or, cela n’est pas toujours le cas pour le bruit en milieu marin, et cela n’est jamais le cas pour un signal modulé en fréquence tel que ceux utilisés par les systèmes de positionnement acoustiques. Ainsi, nous proposons une nouvelle technique de Compression d’Impulsion alliant les qualités du Filtrage Adapté Stochastique et celle des techniques Temps-Fréquence. Ces dernières, et en particulier la transformée de Wigner-Ville, permettent de contourner l’hypothèse de stationnarité imposée par le Filtrage Adapté Stochastique. D’autre part, en vue de contrer l’apparition d’interférences générées par ces techniques, nous développons ici une approche par « décomposition atomique » sur une base de DCT. Ainsi donc, ces trois années de thèse, ont donné naissance à de nouvelles méthodes de Compression d'Impulsion qui permettent d'améliorer les performances des systèmes de positionnement sous-marin. / The underwater vehicules positioning is based on acoustic systems. These systems provide us the relative position of the immersed submarine to the carrier ship. The systems performances are defined in terms of precision and slant range. The positioning systems use concepts like distance measurement and goniometry, both based on the Time Of Arrival estimation of the useful signal, which is classically performed by a Pulse Compression. This technique, widely applied on SONAR, RADAR and bio-medical imaging, is a sub-optimal application of the Matched Filtering. After these three years of work, we had obtained new methods of Pulse Compression that allow to improve the performances of the acoustic positioning systems. These new techniques are based on an expension of the application assumptions of the Pulse Compression to reach, as well as possible, the optimality.

Après plusieurs décennies de développement, l'interférométrie atomique est devenue un outil extrêmement performant pour mesurer des effets inertiels, tels que des accélérations et des rotations. De telles techniques sont maintenant envisagées pour une future génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles afin de pousser les limites de l'état de l'art des détecteurs actuels. L'instrument MIGA (Matter-wave laser Interferometer Gravitation Antenna) couplera interférométrie atomique et optique pour étudier des perturbations du champ gravitationnel à basse fréquence (Hz et sub-Hz). Il consistera en un réseau de 3 interféromètres atomiques, simultanément interrogés par le champ électromagnétique résonnant au sein de deux cavités optiques de 150 m de long, en utilisant un ensemble d'impulsions de Bragg d'ordre π/2 - π - π/2. Des mesures gradiométriques permettront d'acquérir une forte immunité aux bruits sismique et newtonien, qui sont limitants pour les détecteurs terrestres optiques tels que LIGO et Virgo. Une expérience préliminaire est en développement au LP2N, à Talence (France), où un interféromètre est interrogé par deux cavités de 80 cm de long. Pour avoir une taille de faisceau suffisante afin d'interroger efficacement les atomes de 87Rb dans des cavités de cette longueur, nous utilisons une géométrie de cavité marginalement stable, constituée de deux miroirs plans situés à la focale d'une lentille biconvexe, où un mode gaussien de rayon de plusieurs mm peut résonner. / After few decades of development, atom interferometry has become an extremely efficient tool for measuring inertial effects such as accelerations and rotations. Such techniques are now envisioned for a future generation of gravitational wave detectors to push further the limit of the current optical detectors. The Matter-Wave Laser Interferometer Gravitation Antenna (MIGA) instrument will couple atom and optical interferometry to study perturbations of the gravitational field at low-frequencies (Hz and sub-Hz). It will consist of an array of 3 atom interferometers, simultaneously interrogated by the light field resonating inside two 150 m long optical cavities, using a set of high order Bragg pulses π/2 - π - π/2. Gradiometric measurements allows a strong immunity to seismic and newtonian noises which limit optical ground-based detectors such as LIGO and Virgo. A preliminary experiment is being developed at the LP2N laboratory, in Talence (France), where a single atomic cloud is interrogated inside two 80 cm long cavities. In order to interrogate efficiently the 87Rb atoms, a gaussian beam with a radius of several mm resonating inside these cavities is required. This can be achieved by using a marginally stable cavity geometry, composed by two plane mirrors located in the focal planes of a biconvex lens.

Hybrid trap experiments are set-ups that allow to study the interaction between ions and atoms in cold controlled environment. In such context, molecular anions present specific theoretical and experimental interests and challenges. In this work, we have used extensive \textit{ab initio} methods to investigate several collisional anionic systems: (1) M + OH$^{-}$ (where M are alkali or alkaline earth atoms), (2) Rb and H + OH(H$_{2}$O)$_{n}^{-}$ (with $n=0,1,2,3,4$) and (3) Rb and Li + C$_{2}^{-}$. Several molecular properties such as vertical detachment energies or electroaffinities, optimized structures, harmonic frequencies, potential energy curves or surfaces, etc have been calculated using high level quantum chemistry approaches. The results have been used to make predictions on the related reactivity in low energy regime. We emphasis on electronic detachment processes by carefully analysing the difference between the neutral and anionic potential energy surface. The Rb + OH$^{-}$ system is currently under experimental investigation. Therefore, a detailed study of its reactivity is carried out in the present work. We have analysed the different reactive channels arising from both collision involving the ground state and first electronic excited state of Rb. Using our calculated potentials and a capture model based dynamics, we have extracted cross sections and rate constants. Comparison with other alkali and earth alkaline atoms are made. Hydrated hydroxide cluster anions are planned by the experimental group as upcoming studied systems. We present here our preliminary results on the possible outcome when considering collisions with Rb and we discuss their implications for hybrid trap experiments. We make comparison with H as a colliding partner and consider our results in the context of astrochemistry. Finally we propose the C$_{2}^{-}$ molecular anion as an alternative to OH$^{-}$. Its interaction and reactivity with Rb and Li are investigated and the results are used to motivate our suggestion. Furthermore, for the Rb+OH$^{-}$ and Rb+C$_{2}^{-}$ system, we have also investigated the effect of a non-thermal collision energy distribution on the rate constants. At last, in light of the discussions related to each topic, general conclusions on the use of molecular anions in hybrid trap experiments are drawn. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail est consacré à l’étude de la diffraction d’atomes rapides (d’énergie cinétiquede l’ordre du keV) en incidence rasante (angles d’incidence ~ 1°) le long ou proche d’unedirection principale d’une surface cristalline. Cette géométrie en incidence rasante permet de(i) récolter, en quelques secondes, la totalité du cliché de diffraction sur un détecteur sensible enposition ; (ii) préserver la cohérence de l’onde de matière en réduisant les sources de décohérencecomme l’excitation électronique et l’agitation thermique. La grande sensibilité des atomes àla forme de la densité électronique de surface (partie répulsive) et au puits attractif de Vander Waals révèle les résonances de Fano et démontre que l’atome voyage, piégé au-dessus de lasurface, de façon cohérente, sur une distance de 0.2μm. Il est également montré que la diffractiond’atomes rapides est une technique robuste pour suivre la dynamique de croissance de semiconducteurs(GaAs) par épitaxie (reconstructions, transitions de phase). Enfin, l’observationde la diffraction sur une feuille de graphène déposé sur 6H-SiC(0001) suggère l’utilisation desatomes rapides comme outil de diagnostic pour le suivi et la caractérisation en temps réel dela croissance du graphène dont les propriétés exceptionnelles dépendent beaucoup des défautsde surface. / This work was devoted to the study of fast atom diffraction (energies in the keV range)at grazing incidence angles (~ 1°) along or close to a low indexed direction of crystalline surfaces.This specific scattering geometry bears two advantages : (i) the diffraction pattern as a wholeis collected within seconds on a position sensitive detector ; (ii) the low energy associated to themotion normal to the surface quenches decoherence due to electronic excitations and stronglyreduces decoherence due to thermal vibrations. The high sensitivity of probe atoms to thesurface electron density (repulsive part) and to the Van der Waals attractive well reveals Fanoresonances where the trapped atoms preserve their coherence over distances as long as 0.2μm.As a complement to these fundamental studies, fast atom diffraction has been proved to be arobust mean to probe the dynamics of epitaxial growth of semiconductors (GaAs). Finally, workperformed on monolayer graphene grown on 6H-SiC(0001) suggest the possibility to use fastatoms to monitor graphene growth in real time, a key process to measure the level of alterationof the intrinsic graphene electronic structure.

L'étude de la dynamique interfaciale des liquides à l'échelle du nanomètre est cruciale pour la compréhension de nombreux phénomènes biologiques et industriels. Pour aborder cette question, nous étudions l'interaction en champ proche d'une sonde et de liquides peu visqueux. La thèse s'articule autour de deux grands axes : le premier s'intéresse à la déformation de l'interface liquide lorsqu'une pointe est approchée et à l'instabilité hydrodynamique du "jump-to-contact" qui en résulte. Le second, plus intrusif, décrit la réponse hydrodynamique d'un liquide soumis à l'oscillation d'un nanocylindre (R ~ 20-100 nm) partiellement immergé. Les mesures sont réalisées par microscope à force atomique (AFM), en mode modulation de fréquence (FM), qui permet de mesurer la force exercée sur la sonde ainsi que les composantes conservatives et dissipatives de l'interaction pointe-liquide. Une première série de mesure est réalisée sur différents liquides modèles avec un AFM couplé à une caméra rapide via un microscope optique inversé. Avant le mouillage de la sonde, les courbes de spectroscopie de force et FM mettent en évidence la déformation de l'interface liquide sur des échelles nanométriques, pour une grande gamme de tailles de sonde (de 10 nm à 30 µm). L'analyse des mesures expérimentales avec le modèle théorique récemment développé par René Ledesma-Alonso permet de déterminer la distance critique dmin en dessous de laquelle l'interface se déstabilise et mouille irréversiblement la pointe ("jump-to-contact"). Un excellent accord est trouvé entre le modèle théorique et les mesures FM. La deuxième série de mesure s'intéresse à l'immersion partielle de pointes AFM cylindriques. Les courbes de spectroscopie FM montrent qu'une certaine quantité de liquide, située dans la couche visqueuse, est entraînée par l'oscillation de la pointe. On mesure simultanément la friction exercée sur la pointe et la masse de liquide ajoutée au système, qui est directement reliée à l'extension du champ de vitesse. Un modèle analytique basé sur la résolution de l'équation de Stokes rend compte quantitativement de l'ensemble des résultats expérimentaux. La dernière série de mesure est réalisée avec des sondes cylindriques spécialement conçues pour l'étude de la dynamique de nanoménisques. Ces sondes comportent des défauts topographiques annulaires dont l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Les mesures montrent une divergence du coefficient de friction aux petits angles de contact qui est bien reproduite par un modèle théorique basé sur l'approximation de lubrification. La localisation de la dissipation d'énergie au voisinage de la ligne de contact et les propriétés d'ancrage du ménisque sont également discutées. Les expériences originales développées dans cette thèse démontrent ainsi la capacité de l'AFM à étudier quantitativement les liquides à l'échelle nanométrique et ouvrent la voie à une étude systématique des processus de dissipation au sein de liquides confinés, et notamment au voisinage d'une ligne de contact en mouvement. / The study of the interfacial dynamics of liquids, down to the nanometer-scale, is of primary importance in many domains including biological and industrial phenomena. To address those questions, we study the near-field interaction between a probe and low viscous liquids. The present thesis focuses on two aspects. In the first one, we investigate the liquid interface deformation that occurs when a tip is approached and the resulting "jump-to-contact" hydrodynamic instability. The second part is more intrusive as it describes the hydrodynamic response of a liquid under the oscillation of a partly-immerse nanocylinder (R ~20-100 nm). Our measurements are performed with an Atomic Force Microscope (AFM) in the frequency modulation (FM) mode, which allows to measure the force exerted on the probe along with the conservative and dissipative components of the tip-liquid interaction. A first set of measurements is performed on several model liquids with an AFM coupled with a high-speed camera via an inverse optical microscope. Before the probe wetting, the force and FM spectroscopy curves highlight the liquid interface deformation on nanometer scales for a large range of probe size (from 10 nm to 30 µm). The fitting of our experimental measurements with the theoretical model recently developed by René Ledesma-Alonso, enables to determinate the critical distance dmin below which the interface is destabilized and irreversibly wets the tip (jump-to-contact). The theoretical model and the FM measurements were found to be in good agreement. The second set of measurements focuses on the partial immersion of cylindrical AFM tips. The FM spectroscopy curves show that a certain quantity of liquid, located in the viscous layer, is carried off with the tip oscillation. The friction exerted on the tip and the liquid mass added to the system, which is directly linked to the velocity-field extension, were measured simultaneously. An analytical model based on the Stokes equation quantitatively reproduces our experimental results. The last set of measurements is performed with cylindrical probes specially designed for the study of nanomeniscus dynamics. Those probes possess annular topographic defects, whose thickness varies between 10 nm and 50 nm. The measurements show that he measured friction coefficient surges as the contact angle is decreased. This behavior is well described by a developed theoretical model based on the lubrication approximation. Furthermore, the dissipation pattern in the vicinity of the contact line and the anchoring properties are also discussed. The original experiments developed in this thesis demonstrate thus that AFM is a relevant tool for the quantitative study of liquids at the nanoscale. This work paves the way for systematic studies of dissipation processes in confined liquids, and in particular in the vicinity of moving contact lines.

La convergence des thèmes de recherche abordés au Laboratoire d'Analyse Spectroscopique et d'Energétique des Plasmas (LASEP) de Bourges et dans l'équipe PHOTONIC de l'Université Jagellonne de Cracovie (Pologne) a favorisé le rapprochement de nos activités sur l'étude et le diagnostic des plasmas d'arcs. Les activités présentées dans le cadre de cette habilitation à diriger des recherches, sont orientées vers l'études des interactions arc-électrode, avec une ouverture vers les décharges à pression atmosphérique. Elles couvrent • Les sources de plasma de type arc électrique, avec l'étude de la zone cathodique d'un plasma d'arc éclatant dans l'argon à pression atmosphérique, des phénomènes liés aux effets anodiques (et cathodiques) en soudage MIG-MAG et des processus mis en jeu dans les plasmas d'électro-érosion ; • L'étude de décharges froides hors d'équilibre à pression atmophérique, qu'elles soient - glissantes, avec leurs éventuelles applications à la destruction des composés organiques volatils ou à la génération de radicaux hydrogène; - fixes entre deux pointes, pour l'étude des ondes d'ionisation. • La mise en oeuvre et l'élaboration de nouvelles méthodes de diagnostic de ces sources, par spectroscopies atomique et moléculaire, en émission ou laser, et leur application à la métrologie fine. Elles se situent à l'interface de la recherche fondamentale (développement de méthode de diagnostic laser de milieux plasmagènes et application à la détermination des constantes spectroscopiques fondamentales nécessaires à l'étude des milieux plasmagènes complexes) et de la recherche appliquée (contrôle en ligne des milieux hors d'équilibre utilisés en dépollution, et des plasmas thermiques pour la soudure ou la découpe). Les différents thèmes de recherche développés à ce jour ont été réalisés au GREMI, puis au LASEP (Université d'Orléans), en collaboration avec l'équipe de Cracovie. La spectroscopie constitue certainement le trait d'union principal de ces travaux, tant il est vrai que le diagnostic spectroscopique se révèle essentiel pour l'étude des différents milieux plasmagènes développés au laboratoire.

Les matériaux BGaAs et BInGaAs ont été élaborés par EPVOM sur GaAs. Ces matériaux sont proposés comme voie possible pour l'émission à 1,3 μm sur substrats de GaAs. Les précurseurs utilisés pour la croissance de ces matériaux sont le diborane, le triéthylgallium, l'arsine et le triméthylindium. L'incorporation et la solubilité du bore ont été étudiées en fonction des paramètres de croissance. Le mode de croissance des couches de B(In)GaAs a été exploré par microscopie à force atomique. L'épitaxie de puits quantiques de BInGaAs/GaAs a également été réalisée. Les propriétés optiques de ces puits ont été caractérisées par photoluminescence (PL). L'incorporation de bore dégrade fortement l'intensité de PL du matériau. L'émission de PL à basse température pourrait être attribuée à la recombinaison d'excitons localisés piégés dans des puits de potentiel. A plus haute température, elle est dominée par la transition E1H1 du puits.

La connaissance des propriétés structurales et physico-chimiques des biomolécules passe par une compréhension fine des interactions intra et inter-moléculaires. L'abondance des données à traiter et l'importance des enjeux socio-économiques nécessitent actuellement la mise en place de moyens d'analyse à haut débit, tels que la recherche in silico. Les algorithmes développés jusque-là demeurent cependant peu satisfaisants, particulièrement pour le traitement de la flexibilité conformationnelle des macromolécules. Nous proposons dans cette thèse une nouvelle méthode, les Modes Statiques, afin d'obtenir un algorithme prenant en compte la flexibilité totale du système. Cette approche, fondée sur le concept de déformations induites entre deux macromolécules en interaction, vise à déterminer tous les modes de déformation possibles d'une molécule. Chaque déformation, appelé Mode Statique, résulte d'une excitation extérieure sur un atome de la biomolécule. Ces modes sont calculés en fonction des constantes de force contenues dans le modèle énergétique. Ils sont ensuite stockés pour des utilisations futures, du docking en particulier. Le problème du docking se réduit alors à des interaction entre sites, les déformations moléculaires émanant des Modes Statiques pré-calculés. Ce travail a donné lieu au développement d'un code, Flexible, dont nous présentons les premières applications aux propriétés de diverses molécules uniques : des polymères thermosensibles aux enzymes allostériques, en passant par les acides nucléiques.

Il est possible de déterminer le rapport h/mRb à partir de la mesure précise de la vitesse de recul vr= hbar k/mRb d'un atome de Rubidium qui absorbe ou émet un photon, associée à une connaissance précise de la longueur d'onde du photon. Nous déduisons du rapport h/mRb une valeur de la constante de structure fine.<br />Afin de mesurer précisément la vitesse de recul de l'atome, nous lui transférons de façon cohérente un très grand nombre d'impulsions de recul à l'aide de la méthode des oscillations de Bloch. Un senseur inertiel interférométrique de type Ramsey-Bordé symétrique à base de transitions Raman stimulées sélectives en vitesse permet de mesurer par effet Doppler, la variation de vitesse des atomes. Nous présentons une nouvelle détermination de la constante de structure fine présentant une incertitude statistique de 3 ppb. Un étude détaillée des effets systématiques est présentée. L'incertitude associée aux effets systématiques est de 3,4 ppb. L'incertitude finale résultant de cette nouvelle détermination de la constante de structure fine est de 4,6 ppb. Il s'agit de la détermination de la constante de structure fine la plus précise, indépendante de l'électrodynamique quantique.

L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur $g$, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de $16~10^{-9}$~g.