Les agrégats de gaz rare constituent un état de la matière intermédiaire entre les cibles solides et les atomes en phase gazeuse. Il a été démontré que les agrégats irradiés sont sources d'ions, d'électrons, de neutrons énergétiques ainsi que de rayonnement allant du visible aux X durs. Cette source peut-être produite avec un taux de répétition élevé et a l'avantage de ne pas produire de débris, et de présenter une très forte conversion de l'énergie laser incidente. Nous nous intéressons au rayonnement X particulièrement, en le caractérisant en intensité, spectre et durée, comme préalable à toute application. En collaboration avec l'INRS-Energie (Varenne, Canada), nous avons mis en œuvre une caméra à balayage de fente dont la résolution temporelle est de 800 fs rms. En focalisant des impulsions laser courtes (30 fs - 5 ps) et intenses (jusqu'à 1e17 W/cm2) sur des agrégats d'argon (15 - 30 nm), nous avons démontré que l'émission X dont l'énergie est supérieure à 2 keV est plus courte que la résolution temporelle. En couplant la caméra à un cristal tronconique, nous nous sommes intéressés au rayonnement de couche K dans la gamme 2,9 - 3,2 keV. Nous avons démontré que ce rayonnement a une durée inférieure à la résolution temporelle, et que les raies étaient émises avec un écart temporel relatif inférieur à 1 ps. Une simulation basée sur un modèle nano-plasma et sur un code collisionnel-radiatif a été développée au CELIA. Les spectres X résolus en temps calculés reproduisent à la fois la brièveté d'émission du rayonnement X et les états de charge élevés observés.

Cette thèse présente le développement d'un système de balayage de caméra à balayage de fente parfaitement synchronisé avec un laser impulsionnel femtoseconde. Cette application des photoconducteurs rapides ("commutateurs Auston") haute tension, permet d'obtenir des résolutions de caméra à balayage de fente subpicoseconde en mode d'accumulation d'images, avec des lasers d'énergie quelques centaines de microJoules par impulsion. Deux autres applications de ces photoconducteurs haute tension sont étudiées : - La commutation optique par une cellule de Pockels ultra-rapide de temps de montée inférieure à 100ps ayant une gigue temporelle inférieure à 2ps. - La stabilisation en énergie des impulsions laser ultrabrèves, coup par coup, à l'aide d'une cellule de Pockels commandée par un photoconducteur. Le photoconducteur (commandé en avance par une impulsion extraite de l'impulsion principale) commande la cellule de Pockels à diminuer les fluctuations. Une première expérience montre une amélioration d'un ordre de grandeur (de 7% à 0.7%). Parallèlement, une application du filtre acousto-optique dispersif programmable (Dazzler TM) à la mesure de la phase spectrale des impulsions femtosecondes est présentée. Les méthodes de mesures temporelles résultant d'un filtrage linéaire suivi d'une détection non linéaire, il est possible de réaliser la fonction de filtrage linéaire par le Dazzler TM remplaçant le montage optique souvent complexe. Il a été ainsi réalisé expérimentalement pour la première fois des mesures d'autocorrélation en bande de base et d'interférométrie spectrale à décalage par transformée de Fourier (Time-domain SPIDER).

Nous présentons une caméra à balayage de fente intégrée basée sur un système de comptage de photon unique résolu en temps (TCSPC-SC) employant l'architecture linéaire « streak » pour surmonter la limitation de l'espace inhérent aux systèmes TCSPC bidimensionnels. Cette solution permet l'intégration de fonctionnalités électroniques complexes dans les pixels sans l'inconvénient d'un faible facteur de remplissage conduisant à une faible efficacité de détection. Le TCSPC-SC se compose de deux blocs principaux: une photodiode à avalanche (SPAD) et un bloc de mesure de temps, les deux blocs sont intégrés en technologie 180 nm CMOS standard. La structure de la SPAD utilisée a été sélectionnée parmi 6 structures différentes après un processus de caractérisation précise et approfondie. Le bloc de mesure du temps se compose d'un TOC hybride capable d'atteindre des résolutions de temps élevées et ajustables avec une large dynamique de mesure grâce à un système de conversion de temps (TOC) hybride qui combine l'approche analogique basée sur un convertisseur de temps vers amplitude(TAC), et les approches numériques utilisant une boucle à verrouillage de retard (DLL) et un compteur numérique. Le TOC hybride a été spécialement conçu pour être utilisé dans un système TCSPC qui intègre une ligne de TOC nécessitant ainsi une conception appropriée pour limiter la consommation d'énergie et la surface d'occupation et parvenir à une architecture flexible et facilement extensible. Suite à la conception et la réalisation de ces deux blocs dans une technologie180 nm CMOS standard, une structure de test de la caméra à balayage de fente (TCSPC-SC) qui englobe 8 unités a été réalisée dans le but final de mettre en œuvre un modèle TCSPC-SC complet et plus large. / In this work we present a TCSPC Streak Camera (TCSPC-SC) that takes advantage of the streak mode imaging ta overcome the space limitation inherent ta 20 TCSPC sensor arrays. This cost-effective solution allows the integration of complex functionalities in the pixel without the inconvenience of low fill factor that leads ta low detection efficiency. The TCSPC~SC consists of two main building blacks: a SPAD and a time measurement black bath integrated in 180 nm Standard CMOS technology. The SPAD was selected among 6 different SPAD structures following a thorough characterization process ta fully determine its performance figures. The time measurement black consists of a hybrid TOC capable of achieving high adjustable time resolutions with large dynamic range owing ta a time conversion scheme that combines traditional Analog Time to Amplitude Converter (TAC), Digital DLL-based and counter-based TOC. Furthermore, thehybrid TOC was especially designed ta be used in a TCSPC system that incorporates an array of TDCs which required a careful design ta limit power consumption and occupation area in order to achieve a flexible and easily scalable architecture. These two building blacks were bath fabricated in a 180 nm standard CMOS technology and employed ta demonstrate a TCSPC Streak Camera(TCSPC-SC) test structure that englobes 8 units in order ta demonstrate the system's operation principle with the final aim of implementing a complete and bigger TCSPC-SC model in the near future

Les caméras à balayage de fente sont les instruments de détection directe de la lumière les plus précis en termes de résolution temporelle. Ces instruments sont capables de capturer des évènements de l’ordre de la picoseconde à un taux de répétition d’une centaine de mégahertz. Cependant, les performances de la caméra sont limitées par de nombreux phénomènes propres au fonctionnement de cette dernière mais aussi au système l’implémentant. Plusieurs effets dégradant la résolution temporelle sont étudiés. Le premier axe exploré concerne la synchronisation de la caméra avec l’évènement lumineux capturé. Cette investigation débouche sur le développement d’un discriminateur à fraction constante permettant de déclencher la caméra avec un jitter inférieur à 200 fs RMS. Une autre étude présente l’impact qu’ont le bruit d’amplitude et le bruit de phase des lasers usuellement utilisés avec la caméra sur sa synchronisation. Enfin une analyse des phénomènes intrinsèques à la photocathode de la caméra permet d’évaluer la variation du temps de transit des électrons dans celle-ci. / Streak cameras are the direct light detection instruments that are the best in terms of temporal resolution. Those instruments can capture picosecond light events at a hundred megahertz repetition rate. However their characteristics are limited by various phenomena specific to the camera and the implementing system. Several effects that affect the temporal resolution are studied. The first examined line deals with the synchronization of the camera with the studied light event. This inquiry led to the design of a constant fraction discriminator allowing a sub 200 fs RMS jitter triggering. Another study shows the impact of the usually used laser amplitude noise and phase noise on the system’s synchronization. Finally, an analysis of the camera’s photocathode intrinsic phenomena allows estimating the transit time variation of the electrons within the vacuum tube.

Résumé indisponible

Ce travail de thèse a démontré la possibilité de mesurer la relaxation d'un complexe biomoléculaire ainsi que son hétérogénéité structurale, en associant la microfluidique et la fluorescence résolue en temps (FRT). Je présente de quelle façon la FRT permet d'obtenir une information sur la structure d'une molécule et comment on la mesure, notamment grâce à une caméra à balayage de fente. J'introduis ensuite la microfluidique de gouttes, permettant de mélanger deux réactifs en quelques millisecondes et de suivre la relaxation du complexe au cours de la propagation des micro-réacteurs. Puis, la mesure d'une cinétique avec un couple de molécules modèle démontre la preuve de principe, faisant l'objet d'un article soumis. Enfin la mesure de FRT par comptage de photons uniques dans des gouttes uniques est décrite. Elle ouvre une perspective d'application pour le criblage à haut débit : un brevet a été déposé.

Ce travail de thèse a démontré la possibilité de mesurer la relaxation d’un complexe biomoléculaire ainsi que son hétérogénéité structurale, en associant la microfluidique et la fluorescence résolue en temps (FRT). Je présente de quelle façon la FRT permet d’obtenir une information sur la structure d’une molécule et comment on la mesure, notamment grâce à une caméra à balayage de fente. J’introduis ensuite la microfluidique de gouttes, permettant de mélanger deux réactifs en quelques millisecondes et de suivre la relaxation du complexe au cours de la propagation des micro-réacteurs. Puis, la mesure d’une cinétique avec un couple de molécules modèle démontre la preuve de principe, faisant l’objet d’un article soumis. Enfin la mesure de FRT par comptage de photons uniques dans des gouttes uniques est décrite. Elle ouvre une perspective d’application pour le criblage à haut débit : un brevet a été déposé. / This thesis has proven the feasibility of measuring the relaxation of a biomolecular complex as well as its structural heterogeneity, by associating microfluidics and time resolved fluorescence (TRF). I present in which way TRF allows for probing the structure of a molecule and how it is measured, in particular by using a streak camera. I then introduce droplet microfluidics, which enables to mix two reagents in a few milliseconds and to follow the relaxation of the complex, along propagation of the micro-reactors. Next, the measurement of a kinetics with test molecules validates the proof of concept, reported in a submitted article. Finally, the measurement of TRF by single photon counting in single droplets is described. It opens a perspective for an application in high-throughput screening: a patent has been registered.