Th.--Sci., autom.--Rennes 1, 1982. N°: 358.

Ce travail porte sur la conception de nouveaux composés π-conjugués, potentiellement utilisable en électronique organique en tant que matériaux actifs dans des dispositifs tels que les OLEDs, les cellules photovoltaïques et les capteurs optiques. Dans ce but, nous avons exploité le motif silacyclopentadiène appelé également silole, possédant un bon rendement quantique de fluorescence à l'état solide et une excellente conduction des électrons. Dans un premier temps, l'introduction de groupements structurants (triptycène, stilbènes..) sur le silacyclopentadiène a permis de moduler l'arrangement moléculaire dans la couche active et par conséquent, les propriétés d'électroluminescence. Des diodes possédant des performances très encourageantes furent ainsi obtenues. Dans un deuxième temps, des dérivés siloles présentant une structure tridimensionnelle et une architecture spirosilole (accepteur)-bithiophène (donneur) furent synthétisées. Une cellule photovoltaïque basée sur ces édifices présentant des performances encourageantes fut ensuite mis au point. Enfin, l'étude des mécanismes de transfert d'énergie entre un film de polymère fonctionnalisé par un groupement sensible silole et des composés nitroaromatiques nous a permis de réaliser un nouveau type de capteur optique hautement sensible pour la détection d'explosifs. / This work concerns the design of new π-conjugated compounds, potentially useful in organic electronics as active materials in devices such as OLEDs, photovoltaic cells and optical sensors. To this end, silacyclopentadiene, alias silole, groups were used exhibiting high fluorescence quantum yields in the solid state and excellent electron conductivities. Firstly, the introduction of structurizing groups (triptycene, stilbenes etc.) at the silacyclopentadiene allowed tuning of the molecular arrangement in the active layer and, consequently, the electroluminescence properties. Diodes showing very encouraging activities were thus obtained. Secondly, silole derivatives possessing a three-dimensional structure and a spirosilole (acceptor) - bithiophene (donor) architecture were synthesized. A photovoltaic cell based on these molecules was then developed exhibiting encouraging activity. Finally, a study of the mechanisms of energy transfer between a polymer film functionalized by a sensitive silole group and nitroaromatic compounds enabled the development of a new type of highly sensitive optical sensor for the detection of explosives.

La mise au point de capteurs optiques moyen infrarouge (MIR) pour la surveillance des polluants organiques dans l'environnement aquatique est actuellement un défi de grande importance. Les capteurs MIR basés sur la spectroscopie à ondes évanescentes sont des outils d'analyse prometteurs pour la détection et la quantification simultanées d'une variété de polluants tels que les composés hydrocarbonés. Les verres de chalcogénure sont particulièrement bien adaptés aux applications de détection en raison de leur large domaine de transparence (jusqu'à 10-16 µm en fonction de leur composition). Ainsi, des films minces de chalcogénure pour le développement de plates-formes optiques intégrées ont été synthétisés. Leur fonctionnalisation par des polymères afin d'augmenter la sensibilité des capteurs a également été réalisée. Parmi les compositions de verre (GeSe2)100-x(Sb2Se3)x, deux cibles en verre séléniure ont été choisies pour leurs propriétés optiques et physiques. Grâce à la spectroscopie de réflexion totale atténuée, des mesures ont été effectuées dans l'eau pour détecter les hydrocarbures aromatiques (benzène, toluène et les trois isomères du xylène) dans des concentrations comprises entre 250 ppb et 40 ppm. Des mesures de détection ont également été effectuées à l'aide d'eau de mer et d'eau souterraine. Pour augmenter leur sensibilité, l'utilisation de nanoparticules métalliques est l'une des solutions prometteuses basées sur l'absorption infrarouge améliorée en surface (SEIRA). Ainsi, des structures hybrides combinant nanoparticules d'or déposées sur des verres de chalcogénure ont été fabriquées et caractérisées. / The development of middle-infrared (MIR) sensors for organic pollutants monitoring in the aquatic environment is currently a challenge of great importance. The mid-infrared sensor based on evanescent wave spectroscopy is a promising analytical tool for simultaneous detection and quantification of a variety of pollutants such as hydrocarbon compounds. Chalcogenide glasses are particularly well adapted for sensing applications due to their wide domain of transparence (up to 10-16 µm depending on their composition). The aims of this study are to synthetize chalcogenide thin films for developing mid-infrared optical integrated platforms and perform their functionalization with polymers in order to increase the sensor sensitivity. Among (GeSe2)100-x(Sb2Se3)x glass compositions, two selenide glass targets were chosen for their optical and physical properties. Thanks to attenuated total reflection spectroscopy, measurements were performed in water to detect aromatic hydrocarbons (benzene, toluene and the three xylene isomers) in the concentrations range of 25 ppb to 10 ppm. Detection measurements have also been fulfilled using seawater and ground-water. To increase their sensitivity, the use of metallic nanoparticles is one of the promising solutions based on Surface Enhanced Infrared Absorption (SEIRA). Thus, hybrid structures combining gold nanoparticles/chalcogenide glass and waveguides were fabricated and characterized.

La navigation visuelle des robots mobiles s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels lus séquentiellement. Le traitement de tels flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe pourtant déjà quelques agents aériens dont les performances de navigation en milieu inconnu sont remarquables, et qui pourtant fonctionnent de toute autre façon. Les oiseaux et les insectes, en particulier, montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères. Cette capacité étonnante découle de leur perception particulière de l'environnement. Si les insectes, aux faibles capacités cognitives, perçoivent leur environnement de manière si efficace, c'est grâce aux capteurs minimalistes qu'ils embarquent. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel avec à un découplage tête-corps associé à un réflexe inertiel, équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la « plate-forme visuelle » permet de simplifier les traitements visuels subséquents et de mettre en œuvre des stratégies efficaces de navigation. Toute la première partie (« capteurs visuels ») de ce travail prend appui délibérément sur un œil élémentaire composé de seulement deux photorécepteurs (deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances d'un capteur de vitesse angulaire bio-inspiré et revu le principe du capteur OSCAR, tous deux construits précédemment au laboratoire. Puis, nous avons développé et construit un nouveau type de capteur visuel, appelé VODKA, qui localise de manière ultrafine la position angulaire d'une cible visuelle. Dans la seconde partie (« réflexes visuo-inertiels »), nous avons développé un robot aérien miniature, appelé OSCAR II. Equipé de nos capteurs visuels et d'un réflexe « vestibulo-oculaire », OSCAR II, qui ne pèse que 100 grammes, est capable non seulement de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, mais aussi de la poursuivre en lacet si elle vient à se déplacer, et ce même lors de fortes perturbations aérodynamiques. Avec sa capacité additionnelle de faire des saccades oculaires, OSCAR II préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où portera leur regard.

La métrologie industrielle est l'un des enjeux actuels de tous les secteurs d'activité qui nécessitent de réaliser un contrôle dimensionnel précis de produits afin de garantir des spécificités conformes aux normes et de tendre vers une qualité ``zéro défaut''. Les systèmes actuels utilisés s'appuient sur des technologies fondées sur la stéréométrie, la photogrammétrie, la projection de lumière structurée, la triangulation active ou le temps de vol. En général non polyvalents, encombrants, fragiles et ne pouvant s'adapter à des environnements hostiles, ces systèmes souffrent d'une limitation géométrique en raison de l'existence d'un angle mort dans lequel aucune mesure ne peut être réalisée.<br /><br />Dans cette thèse, nous proposons un nouveau capteur, le scanner conoscopique, capable d'effectuer des mesures dans les domaines macroscopiques et microscopiques, fonctionnant dans n'importe quel environnement, même hostile, très compact et utilisant de la lumière spatialement incohérente.<br /><br />Exploitant le principe de la conoscopie et donc des propriétés de biréfringence des cristaux, le scanner conoscopique est composé d'une caméra à couplage de charges (CCD), d'un système conoscopique et d'une unité de traitement de l'information. A partir des spécifications de ses performances en terme de précision au millième de millimètre sur les mesures 3D, nous avons été conduit à analyser et caractériser chaque élément de la chaîne de mesure dont la calibration est l'étape fondamentale.<br /><br />Nous avons tout d'abord développé une technique de calibration de la caméra à couplage de charges (CCD) à partir d'un modèle sténopé qui combine les paramètres intrinsèques et extrinsèques et exploitant les points d'amers. Nous avons abouti à une précision de 1.5% du champ d'analyse. Ensuite, nous avons proposé deux méthodes de calibration du système conoscopique, l'une analytique par calcul direct de la phase et exploitant les équations de l'optique et de la biréfringence des cristaux, l'autre expérimentale par dénombrement des franges d'interférence et s'appuyant sur la connaissance d'abaques incluant la variation de température, d'éclairement, la nature des matériaux et intégrant une modélisation globale du bruit d'acquisition. La validation expérimentale réalisée d'une part sur des profils géométriques simples (créneaux, escaliers...) et d'autre part sur des objets 3D réels a permis d'établir que la précision de mesure est de 1.5% du champ d'analyse.<br /><br />Ayant établi la faisabilité technologique de la calibration du système qui permet de garantir les spécifications souhaitées, nous nous sommes plus particulièrement interessé à deux configurations du scanner conoscopique : fixe et à balayage, dont nous avons analysé les performances sur des objets diffusifs pour des formes et des matériaux différents. Nous avons établi que la précision des mesures est de l'ordre du millième du champ de mesure.<br /><br />L'ensemble des contributions de cette thèse est intégré au système actuellement développé qui est par ailleurs commercialisé et utilisé dans des applications industrielles et médicales.

Le captage et stockage du CO2 est une solution prometteuse dans la lutte contre le réchauffement climatique mais cette technique, pour être fiable, nécessite la mise au point de méthodes de détection et d'analyse des puits. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit, concernent le développement de fibres optiques et de guides d'ondes infrarouges dédiés à la surveillance des puits de stockage du CO2. Des films minces, issus des systèmes Ge-Sb-S et Ge-Sb-Se, ont été préparés par pulvérisation cathodique et ablation laser. Leurs propriétés ont été comparées pour trouver la composition la plus adaptée à un micro-capteur. Les couches sulfures déposées par pulvérisation cathodique ont été choisies pour graver des guides canalisés de type ruban et à jonction Y. Différents profils de fibres optiques tels que des fibres monoindices, effilées ou encore microstructurées, ont été réalisées en verres séléniures. Un important travail de purification a permis d'atteindre une atténuation de 0,2dB/m à 4,2µm. Un seuil de détection d'environ 0,5% vol. a alors été obtenu par absorption du signal infrarouge entre deux fibres monoindices. Cette technique a alors été adaptée pour une campagne de mesures sur un site présentant des sources naturelles en CO2.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils s'inscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, l'étude de ce type d'émetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et l'optimisation de leurs performances par l'adjonction d'une cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. L'orientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue l'intégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet d'étude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche d'intégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.

L'objet de ce travail de thèse a été de mettre au point un capteur biologique base sur l'utilisation de phénomènes optiques. Un capteur biologique se compose d'une couche réceptrice d'un transducteur et d'un système de lecture. Nous avons impose un cahier des charges relatif a ce capteur en termes de sensibilité par le biais du transducteur, de détection en parallèle de plusieurs interactions biologiques, et enfin, en termes d'optimisation de la couche réceptrice. L'étude de la sensibilité a consiste a comparer théoriquement et expérimentalement deux transducteurs optiques : la résonance des plasmons de surface (RPS) et le miroir résonant. Ce dernier possède une meilleure sensibilité que l'autre en théorie, mais la comparaison expérimentale nous a fait préférer la RPS. Puis, il a fallu adapter le détecteur à la détection en parallèle. Nous avons fait l'image de la couche réceptrice sur une camera CCD, nous permettant ainsi de suivre l'évolution de la totalité de la surface du capteur. Une première série d'expériences a été réalisée pour la reconnaissance entre des antigènes et des anticorps, ces derniers étant adsorbés passivement sur le capteur. Les résultats obtenus nous amenèrent à développer des procèdes biochimiques pour immobiliser les molécules sur la couche réceptrice. C'est ainsi que nous avons essaye différentes voies d'immobilisation pour les fragments d'ADN, pour ne retenir que le polypyrrole, optimisant la densité de surface des sondes d'ADN sur le capteur. De plus l'utilisation de ce polymère conducteur était tout a fait compatible avec l'adressage de plusieurs séquences d'ADN différentes sur le capteur. Le capteur biologique pouvait alors suivre toutes les interactions relatives aux séquences immobilisées. Nous avons alors applique le capteur a un problème clinique : la détection de mutations ponctuelles au sein d'un gène. Nous avons des lors montre que notre capteur était à même de discriminer la présence d'une base mutée sur toute une séquence.

SWIFTS (pour Stationary-Wave Integrated Fourier-Transform Spectrometer) est un concept de spectromètre s'appuyant sur l'optique intégrée pour proposer un système de mesure compact et de très haute résolution. Il combine une technique d'interférométrie développée par Gabriel Lippmann avec des technologies de microélectroniques actuelles. La technologie SWIFTS sera ici utilisée en tant qu'interrogateur de fibre de Bragg. En effet, combiner ce spectromètre avec des fibres de Bragg très sensibles, telle qu'une cavité Fabry-Perot à réseaux de Bragg (GFPC) d'une longueur de 20 mm, permettra de mesurer des variations de température et de déformation très précises. Les applications des fibres de Bragg sont nombreuses, particulièrement dans la surveillance de structure de génie civil ou dans la sureté nucléaire avec des précisions de l'ordre du microstrain. Cependant, les capteurs par fibres de Bragg n'ont jamais atteint la sensibilité nécessaire aux observations en science de la terre. Une précision de quelques dizaines de nanostrain serait pourtant d'un intérêt majeur dans l'étude des processus volcaniques et sismologiques. Je présente dans cette thèse la première utilisation d'un tel spectromètre de Fourier associé à des capteurs de Bragg pour mesurer des déformations dans différentes gammes allant du millistrain au nanostrain. Dans un premier temps, des déformations sur une petite structure en béton armé amenée jusqu'à l'état limite de fissuration permettront de qualifier différents capteurs à fibres de Bragg dans leur milieu d'usage. Dans un deuxième temps, des mesures de déformations liées au phénomène de la marrée terrestre sont proposées. Ces mesures, effectuées au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB) de Rustrel, donnent des précisions de l'ordre de 30 nanostrains sur une courte base et ouvrent la voie à d'autres mesures de phénomènes géophysiques pour cet instrument. / SWIFTS, or Stationary-Wave Integrated Fourier-Transform Spectrometer, is an extremely integrated very high resolution spectrometer. This spectroscopy technology represents a major advance in the field and will be used here as a Fiber Bragg Gratings interrogator. Combining such a spectrometer with very sensitive Bragg sensors, like grating Fabry-Perot cavity (GFPC) as long as 20 mm, will allow to measure high precision temperature or strain variation. Applications of Bragg sensors are numerous, especially in structure monitoring and nuclear power plants safety. Despite promising capabilities, Bragg sensors never reached the desired sensibility for earth-science observation purposes. Present applications are restricted to civil-engineering strain-gauge sensors with microstrain sensitivity. However, the ability to detect and record signals of the order of a few tens of nanostrain is of great interest to monitor and model the volcanic and seismological processes. I demonstrate in this thesis the first use of a Fourier-Transform spectrometer combined with Fiber Bragg Sensors in a field configuration to achieve extremely high precision measurement on earth's crustal deformation. Precisions of thirty nanostrains on a very short base were achieved in the Low-Noise Underground Laboratory (LSBB) at Rustrel. Crustal monitoring opens the way for numerous applications especially in geophysics. A second study presented in this thesis aims at benchmarking several strain sensors based on optical fiber Bragg grating. For this purpose, two reinforced concrete beams have been tested in three points bending up to ultimate limit state.

Cette thèse traite un sujet pluridisciplinaire, la conception d’un prototype de micro-capteur biologique pour la détection des anticorps de patients susceptibles d'être allergiques.Elle a pour objectif la miniaturisation de la méthode ELISA pour « Enzyme Linked Immune Sorbent Assay » en concevant en « full-custom », avec une technologie CMOS APS, un capteur colorimétrique. Ce capteur est posé en dessous un système micro fluidique contenant l’échantillon biologique à tester, le tout est illuminé via une fibre optique. Le détecteur capte la lumière qui a traversé le micro-tube contenant l’échantillon. Les courants photoniques induits sont liés à la concentration et la coloration de la solution. Le virage colorimétrique de la réaction enzymatique, due à la présence des anticorps dans le sérum, et l’évaluation quantitative de la concentration seront déterminée par la mesure de ces photo-courants. Le capteur pourrait contenir une matrice de 20x20 pixels de détecteurs de couleur ainsi que leur électronique de lecture et de commande. Pour des raisons de coûts, nous avons validé le procédé à l’aide d’une matrice de 4x4 pixels de détecteur de couleur. La réalisation du circuit a été suivie par une caractérisation électrique et colorimétrique. La caractérisation électrique a permis de valider le fonctionnement du bloc de commande du circuit ainsi que celui du pixel (l’électronique de lecture, BDJ). Les résultats de mesures concordent avec ceux de simulations. La caractérisation colorimétrique consiste à mesurer le virage colorimétrique de deux solutions différentes. Les mesures ont pu montrer que notre capteur est plus sensible que le spectromètre utilisé pour mesurer la concentration des deux solutions. Ainsi ce travail de recherche a contribué à la miniaturisation d’une bio-puce colorimétrique dédiée aux tests immunologiques basée sur la méthode ELISA. / This PhD treats a multidisciplinary subject based on the design of a biological micro-sensor prototype for the detection of antibodies of patients susceptible to be allergic.The goal has been the miniaturization of the ELISA "Enzyme Linked Immune Sorbent Assay" method, designing in integrated full-custom colorimetric sensor with a CMOS APS technology. This sensor is installed below a microfluidic system containing the biological test sample, the whole is illuminated via an optical fiber. The sensor detects the light passed through the micro reservoir containing the sample, the induced photo-currents is related to the concentration of the solution. The color change of the enzyme reaction due to the presence of antibodies in the serum, and the quantitative evaluation of the concentration will be determined by the measurement of the induced photo-currents. The sensor may contain a matrix of 20x20 color detector pixels and their reading and control electronics. For cost reasons, we validated the method using a matrix of 4 x 4 pixels of color detectors.The design of electrical device was followed by a colorimetric and electrical characterizations. The latter was used to validate the operation of the control block of the circuit as well as that of the pixel (readout electronics, BDJ). The results brought by measurements are in good agreement with those obtained through simulations. The colorimetric characterization consists in measuring the intensity of the color of two different solutions of different colors. These measurements have shown that our sensor is more sensitive than a spectrometer. Therefore, this research work has contributed to the miniaturization of a colorimetric sensor and its electronic part for the Immunoassay based on the ELISA method.