Dédié à l'étude du ciel en rayons gamma, le satellite Fermi comporte à son bord le Large AreaTelescope (LAT), sensible au rayonnement de 20 MeV à plus de 300 GeV. Sa sensibilité et ses performances grandissantes apportent de plus en plus de contraintes sur les nébuleuses à vent de pulsar. Ces nébuleuses sont alimentées par l'injection permanente d'un vent d'électrons et de positrons relativistes accélérés par l'onde de choc délimitant la nébuleuse. Ces particules chargées rayonnent dans les différents domaines du spectre électromagnétique et notamment dans le domaine des rayons gamma à l'aide du processus de diffusion Compton inverse. Cette thèse présente l'étude morphologique et spectrale détaillée de deux sources potentiellement associées à des nébuleuses : MSH 11-62 et HESS J1857+026, afin de déterminer si l'émission gamma est produite par des nébuleuses de pulsar. Dans un deuxième temps, l'analyse de toutes les sources reliées à des contreparties détectées par les télescopes Cerenkov permet la détection de six nouvelles nébuleuses de pulsars et candidats dans la gamme de Fermi. Ceci permet d'apporter de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des nébuleuses de pulsar ainsi que sur les mécanismes d'émission à l'aide de modèles et d'études sur la population totale détectée par le LAT.

Des trous noirs supermassifs de plusieurs centaines de millions de masses solaires résident au centre de la plupart des galaxies massives. Dans 90% des cas, ces trous noirs sont dans état quiescent, très peu lumineux. Cependant, dans les 10% restant, des processus extrêmement violents sont observés, avec la libération d'énorme quantités d'énergie no- tamment en UV, X et gamma. On observe aussi parfois des jets puissants de matière pouvant s'étendre sur plusieurs centaines de kpc. Le coeur de ces galaxies sont appelés Noyaux Actifs de Galaxie (NAG). Ce sont parmis les objets les plus lumineux de l'univers. L'accrétion de la matière environnante sur le trou noir supermassif central est unanimement reconnue comme la source d'énergie la plus plausible pour expliquer la puissance phénoménale observée. L'énergie gravitationelle serait ainsi en partie libérée dans un disque d'accrétion, sous forme de rayonnement thermique piquant dans l'optique/UV, et en partie rayonnée en X/gamma par une couronne de plasma chaud présente dans l'environnement proche du trou noir.De nombreux phénomènes sont néanmoins encore très mal connus et beaucoup de ques- tions n'ont toujours pas de réponses satisfaisantes: quelles sont la dynamique et la structure des flots d'accrétion et d'éjection dans les NAG? Quels sont les processus radiatifs produisant le rayonnement UV/X? Quelle est l'origine des différentes composantes spectrales présentes dans ces domaines d'énergie? Cette thèse a pour objectif d'apporter de nouvelles contraintes observationnelles pour meux répondre à ces questions. Son originalité réside dans le développement et l'utilisation de modèles réalistes de Comptonisation thermique permettant d'une part de mieux contraindre les propriétés physiques et géométriques des régions d'émission UV/X et d'autre part de mieux comprendre l'origine des différentes composantes spectrales observées. Nous nous sommes notamment intéressés, au cours de cette thèse, à l'excès d'émission X-mou (<2 keV), présent dans un grand nombre de NAG, et dont l'origine est toujours inconnue.Ces travaux s'articulent autour de deux axes principaux. Le premier est l'étude spectrale détaillée de longues campagnes d'observation multi-longueur d'ondes de trois galaxies de Seyfert (NGC 5548, NGC 7213 et NGC 4593). La qualité des données ont ainsi permis de révéler les paramètres physiques (notamment la température et la profondeur optique) et géométriques de la couronne thermique à l'origine du continuum X. Le second axe porte sur l'analyse de données d'archives (en provenance du satellite XMM-Newton) d'un échantillon important de galaxies de Seyfert. Cela a permis d'apporter, cette fois ci, des contraintes plus générales sur les processus d'émission haute énergie observés dans ces objets. Ces deux approches ont notamment montré que l'exces d'émission X-mou pouvait provenir des couches supérieures chaudes du disque d'accrétion, suggérant un chauffage plus efficace en surface plutôt que dans les régions internes. / Supermassive black holes of several hundred million solar masses lie at the centre of most massive galaxies. In 90% of cases, these black holes are in quiescent, very low luminous states. Nevertheless, in the remaining 10%, extremely violent processes are seen, with the liberation of huge amounts of energy especially in the UV, X-ray and gamma-ray bands. We also sometimes observe powerful jets, extending up to several hundred kpc scales. The cores of these galaxies are called Active Galactic Nuclei (AGNs). These are among the most luminous objects in the Universe. The accretion of surrounding matter onto the central supermassive black hole is generally considered as the most likely energy source to explain the extraordinary observed luminosity. The gravitational energy would be partly liberated into an accretion disc as thermal radiation peaking in the optical/UV band, and partly radiated in the X-ray/gamma-ray band by a corona of hot plasma lying in the environment close to the black hole.However, several phenomena are still poorly understood and a number of questions lacks satisfactory answers: what are the dynamics and the structure of the accretion and ejection flows in AGNs? What are the radiative processes producing the UV/X-ray radiation? What is the origin of the different spectral components present in those energy bands? The goal of this thesis is to derive new observational constraints to better answer to these questions. Its originality resides in the development and application of realistic models of thermal Comptonization, allowing on the one hand to better constrain the physical and geometrical properties of the UV and X-ray-emitting regions, and on the other hand to better understand the origin of the different observed spectral components. In particular, we studied the excess of the soft (<2 keV) X-ray emission, seen in a great number of AGNs, and whose origin is still unknown.This work is structured along two main branches. One is the detailed spectral analysis of long, multiwavelength observational campaigns on three Seyfert galaxies (NGC 5548, NGC 7213 and NGC 4593). The quality of the data permitted to reveal the geometrical and physical parameters (in particular the temperature and optical depth) of the thermal corona producing the X-ray continuum. The second branch is based on the analysis of archival data (from the XMM-newton satellite) of a large sample of Seyfert galaxies. This allowed us to derive more general constraints on the high-energy emission processes observed in these objects. These two approaches have shown, in particular, that the soft X-ray emission excess may arise in the warm upper layers of the accretion disc, suggesting a more effective heating of the surface rather than the inner regions.

L’objectif de notre étude est de modéliser un réservoir géothermique. Si nous supposons que le réservoir géothermique n’est composé que d’eau pure le transfert de matière et d’énergie est classiquement décrit par deux équations de conservation : la conservation de la matière et la conservation de l’énergie. À ces deux équations vient s’ajouter la vitesse du fluide classiquement donnée par la loi de Darcy tandis que les propriétés thermodynamiques, obtenues grâce à des équations théoriques ou empiriques (les équations d’état), ferment le modèle mathématique. Dès lors, ce modèle fermé, il existe différents schémas de résolution. Le premier est de résoudre en pression et température puis de procéder à un changement de variables lors du passage de monophasique à diphasique ou de diphasique à monophasique. TOUGH2 utilise le couple pression-saturation dans la zone diphasique.La seconde approche est de résoudre en pression et enthalpie afin d’accroître la stabilité lors de la transition entre l’état monophasique et l’état diphasique (voir Hydrotherm). Nous avons adopté la seconde option, résoudre en pression et enthalpie. De plus la résolution spatiale est faite avec les volumes finis.La modélisation d’un réservoir géothermique fait intervenir des équations fortement dépendantes l’une de l’autre. Cependant nous avons fait le choix de découpler la résolution afin de se libérer de la complexité de la résolution du système couplé. En effet, cette méthode possède l’avantage d’être moins consommatrice de mémoire puisque nous travaillons toujours avec le même nombre de données, mais dans une matrice deux fois moins importante. Nous montrerons que cette méthode demeure suffisamment précise pour une utilisation aussi bien dans le domaine industriel que dans celui de la recherche.Nous offrons à l’utilisateur une grande liberté grâce à l’implémentation de plusieurs méthodes : Euler implicite, explicite, Runge-Kutta ou BDF2 pour les solveurs temporels ou GMRES et BICGSTAB pour les solveurs linéaires. Nous pouvons gérer des conditions aux limites très variées telles que des flux nuls (décrivant une frontière qui n’échange pas de matière avec l’extérieur) ou une condition mixte (un Dirichlet sur la pression et un Dirichlet ou condition « sortie libre » sur la température… Cette dernière situation décrit une zone de recharge ou de décharge. Nous avons développé un outil multilangage : Python,Fortran et C++ (une implémentation de l’IAPWS provenant du projet freesteam incluant la zone supercritique). Tous ces langages sont orientés objet. L’IAPWS est l’outil permettant de calculer les propriétés physiques inconnues et par conséquent il ferme le système.Enfin nous avons appliqué le modèle sur le bassin parisien, France, sur plusieurs systèmes 1D et un autre système 2D réalisés par Coumou avec la plateforme CSMP++. Le bassin parisien est un réservoir exploité pour produire de la chaleur par le biais du pompage d’une eau à 70 _C et réinjecté à 40 _C. Les simulations 1D permettent de visualiser le déplacement d’un front de chaleur en haute enthalpie. La simulation 2D montre la convection naturelle de l’eau dans une faille. Chaque simulation a été comparée aux résultats obtenus avec un autre code (CSMP++, HYDROTHERM ou TOUGH2) et les résultats sont en accord. / The purpose of our study is to model a geothermal reservoir. When geothermal reservoirs are assumed to be composed of pure water, the transfer of mass and energy is classically described by two balance equations: the mass balance equation and the energy balance equation. In addition to those equations, fluid velocity is classically given by the Darcy law while thermodynamic properties, inferred from theoretical or empirical equations of state, are used to close the mathematical system. Once this system is closed, there exist different solutions. The first one is to solve for pressure and temperature with a variable switch to saturation in the two-phase region (e.g. TOUGH2). The second one is to solve for pressure and enthalpy to increase the stability of phase transition between single and two-phase states (e.g. Hydrotherm). We adopted the second option. We solve the system by using a splitting method — to get rid of the complexity of coupling equations — and a finite volume method for the spatial discretization. We offer some freedom to users thanks to the implementation of several methods like explicit or implicit Euler, Runge-Kutta or BDF2 for time solvers or GMRES and BICGSTAB for the linear solver. We can handle several boundary conditions like no-flow — describing a boundary which cannot exchange matter withthe exterior — or like a mixed-therm condition — a Dirichlet condition to the pressure and a Dirichlet or an outflow condition to the temperature in order to describe a recharge or a discharge zone — …Selecting object-oriented languages, we developed a multi-language framework, combining Python, Fortran and a C++ implementation of IAPWS (from the freesteam project) including the supercritical equations. To close the system physical propertiesare determined by the IAPWS- IF97 thermodynamic formulation. We’ve applied this simulation model to the dogger in Paris, France, to several onedimensional systems and a two-dimensional one made by Coumou with the CSMP++platform. The dogger is a reservoir exploited to produce heat by pumping water at 70 _C and reinjecting it in the reservoir at 40 _C. In the one-dimensional systems we wanted to observe the process of heat transfer from a higher temperature boundary to a smaller one in a high-energy domain. The last simulation shows the natural convection of water in a fault. For every simulation we compared the solutions we found with another code (TOUGH2 or CSMP++) and they agreed.

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a un siècle par Victor Hess à bord d'un vol scientifique en ballon. La physique des rayons cosmiques et les ballons stratosphériques ont partagé depuis lors une histoire commune, que ce soit pour d'authentiques découvertes ou en utilisant les ballons comme plateformes de test technologique pour de nouvelles missions satellites. Cette thèse, développée au sein de la collaboration JEM-EUSO, traite d'un démonstrateur en ballon stratosphérique. Notre but scientifique final est l'étude des Rayons Cosmiques de Ultra-Haute Energie (RCUHE), les particules les plus énergétiques connues dans l'Univers. Les RCUHES ont des énergies macroscopiques de plus de 10^20eV mais étant extrêmement rares, leurs origines sont encore inconnues. Ces derniers pénètrent notre atmosphère à une fréquence de un par km2 par siècle, produisant une gerbe atmosphérique géante, détectable notamment par la lumière de fluorescence ultraviolette qu'elle émet. Le principe de détection proposé par notre collaboration consiste dans l'utilisation d'un observatoire spatial, JEM-EUSO. Son objectif est d'observer un très grand volume d'atmosphère afin d'enregistrer un nombre significatif des événements ultra-violet de fluorescence initiés par les RCUHEs. Le démonstrateur EUSO-Ballon a été développé par la collaboration JEM-EUSO dans le but de démontrer les technologies et méthodes utilisées par le futur instrument spatial. Le 25 août 2014, EUSO-Ballon a été lâché depuis la base de ballons stratosphériques de Timmins (Ontario, Canada) par la division ballon du CNES. L'instrument a fonctionné pendant toute une nuit astronomique, observant depuis 38km d'altitude la lumière UV provenant de divers types de sols et de centaines de gerbes atmosphériques simulées. Ces dernières ont été produites par des flashers et un laser embarqués dans un hélicoptère volant sous EUSO-Ballon pendant deux heures. Ces résultats ont été rendus possibles par la restitution de l'attitude de l'instrument effectuée à l'IRAP, c'est-à-dire une analyse exhaustive des données du vol des différents appareils de mesure d'attitude de la nacelle du ballon. Une caractérisation précise de chaque sous-système était aussi indispensable à l'exploitation des données du vol. Le système optique innovant, composé de deux grandes lentilles de Fresnel, a été intégré et entièrement testé à l'IRAP. Face au large système réfractif de l'instrument, une nouvelle méthodologie de test a été développée. Les performances de l'optique, efficacité et spot focal, ont ainsi été mesurées et se sont révélées étonnamment différentes des prédictions des modèles numériques. Ces mesures sont utilisées pour l'analyse des données du premier vol et pour mieux comprendre le comportement de ces toutes nouvelles optiques, éléments clés dans la conception de l'instrument JEM-EUSO. / A century ago Cosmic Rays were discovered by Victor Hess during one of the very first scientific balloon flights. Ever since, Cosmic Ray physics and stratospheric balloons have shared a common history - either through genuine discoveries or by using balloon platforms as technology test beds for new satellite missions. This thesis, carried out within the JEM-EUSO collaboration, is about such a pathfinder balloon mission. Our ultimate science goal is the study of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR), the most energetic particles known in the Universe. Having macroscopic energies of over 10^20 eV, UHECRs are of yet unknown cosmic origin and are extremely rare. They penetrate our atmosphere at a rate of about one event per km2 and century, producing energetic atmospheric air showers, detectable through the ultraviolet fluorescence light they emit. The technique that our collaboration proposes for their detection consists of a spaceborne observatory, JEM-EUSO. Its objective is to monitor a very large volume of the Earth's nighttime atmosphere from above, recording a significant sample of ultraviolet light tracks initiated by UHECRs. In order to demonstrate the technologies and methods featured in the future space instrument, the EUSO-Balloon pathfinder has been developed by the JEM-EUSO collaboration. On August 25, 2014, EUSO-Balloon was launched from Timmins Stratospheric Balloon Base (Ontario, Canada) by the balloon division of the French Space Agency CNES. From a float altitude of 38 km, the instrument operated during the entire astronomical night, observing UV-light from a variety of groundcovers and from hundreds of simulated air showers, produced by flashers and a laser during a two-hour helicopter under-flight. These results have been made possible by the restitution of the instruments attitude carried out at IRAP, i.e. an exhaustive analysis of the flight data from various attitude sensors on board of the balloon gondola. Also, a precise understanding of the Fresnel optics was required to analyze the data of the first EUSO-balloon flight. The all new optical system, integrated and tested at IRAP, has been characterized during two measurement campaigns. To test this large refractive system, a new test method has been developed. The optics performance, i.e. the efficiency and point spread function, came as something of a surprise, since none of the numerical models had predicted the observed behavior. These measurements are used in the analysis of the flight data and for the deep understanding of these brand-new Fresnel optics, key element in the design of the JEM-EUSO instrument.

Les explosions gamma (GRB) sont des évènements extrêmement violents. Ils sont sommairement classifiés en deux groupes par leur durée : les courts et les longs. Cette classification a permis de déterminer l'origine des GRBs : une collision entre deux objets compacts pour les courts ou l'explosion d'une étoile très massive pour les longs. Une meilleure classification des GRBs longs pourrait mieux contraindre leurs propriétés. Dans ma thèse, je présente des évidences de l'existence d'une sous-classification des GRBs basés sur la faible luminosité de leurs derniers reflets. Ces explosions sont appelées Low-Luminosity Afterflow (LLA). Je présente la technique de réduction des données, la méthode de sélection de ces GRBs ainsi que leurs principales propriétés. Leur lien avec les supernovæ (SN) est mis en évidence car 64 % de tous les GRBs associés à des Sns sont des LLA GRBs. Finalement, je présente d'autres propriétés comme leur fréquence, qui semble indiquer une nouvelle distincte classe, les propriétés de leurs galaxies hôte qui montrent que ces explosions ont pour origines des galaxies formant beaucoup d'étoiles. De plus, je montre qu'il est difficile de réconcilier les différences entre les GRBs normaux et les LLA GRBs en ne considérant que des effets instrumentaux et environnementaux, ou bien une géométrie différente. Donc je conclue que les deux classes de GRBs ont des propriétés différentes. En basant l'argumentation sur la fonction de masse initiale, sur la fréquence des LLA GRBs et sur le type de SNs qui les accompagnent, j'indique qu'un système binaire est favorisé pour leur origine. / Gamma-ray bursts (GRB) are extreme events. They are crudely classified into two groups based on their duration, namely the short and long bursts. Such a classification has proven to be useful to determine their progenitors: the merger of two compact objects for short bursts and the explosion of a massive star for long bursts. Further classifying the long GRBs might give tighter constraints on their progenitor and on the emission mechanism(s). In my thesis, I present evidence for the existence of a sub-class of long GRBs, based on their faint afterglow emission. These bursts were named low-luminosity afterglow (LLA) GRBs. I discuss the data analysis and the selection method, and their main properties are described. Their link to supernova is strong as 64\% of all the bursts firmly associated to SNe is LLA GRBs. Finally, I present additional properties of LLA GRBs: the study of their rate density, which seems to indicate a new distinct third class of events, the properties of their host galaxies, which show that they take place in young star-forming galaxies. Additionally, I show that it is difficult to reconcile all differences between normal long GRBs and LLA GRBs only by considering instrumental or environmental effects, different ejecta content or a different geometry for the burst. Thus, I conclude that LLA GRBs and normal long GRBs should have different properties. In a very rudimentary discussion, I indicate that a binary system is favored in the case of LLA GRB. The argument is based on the initial mass function of massive stars, on the larger rate density of LLA GRBs compared to the rate of normal long GRBs and on the type of accompanying SNe.

L'instrument EUSO-Balloon est un prototype pour le télescope JEM-EUSO, destiné à observer pour la première fois depuis l’espace les gerbes atmosphériques induites par les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Le principe de détection repose sur la mesure des photons émis par la fluorescence de l’atmosphère terrestre lors du développement des gerbes. EUSO-Balloon, un télescope UV embarqué à bord d’un ballon stratosphérique, a pour but de prouver la pertinence des concepts instrumentaux développés dans le cadre du projet JEM-EUSO. Cette thèse est dédiée en grande partie à l’assemblage, l’intégration et les tests du module de photo-détection d’EUSO-Balloon. Il s’agit d’un ensemble de 36 tubes photomultiplicateurs multi-anodes, pour un total de 2304 pixels, et d’une électronique de lecture permettant d’imager le développement, s’effectuant à la vitesse de la lumière, des gerbes atmosphériques. Cette caméra permet ainsi de réaliser des images de 2,5 microsecondes avec une sensibilité au photo-électron unique. Il aura été démontré que la mesure de l’efficacité de photo-détection de la caméra est réalisable avec une précision inférieure à 5% pour la tension de polarisation adaptée. EUSO-Balloon a effectué son premier vol en août 2014 lors duquel il a été prouvé, grâce à l’utilisation d’événements simulés par tirs lasers, qu’il est possible d’imager le développement de gerbes atmosphériques depuis le proche espace. Les données enregistrées permettent de réaliser une étude sur le bruit de fond UV produit par l’atmosphère terrestre. L’ensemble du travail d’assemblage, d’intégration et de test permet d’envisager les développements pour les futures missions. / The EUSO-Balloon instrument is a prototype for the JEM-EUSO telescope, intended to observe for the first time from space the extensive air showers (EAS) induced by the ultra-high energy cosmic rays. The detection technique relies on the measurement of the photons produced by the fluorescence of the Earth’s atmosphere when EAS develop. EUSO-Balloon, a UV telescope payload of a stratospheric balloon, has the objective to prove the relevance of the concepts developed for the JEM-EUSO project. An important part of this thesis is devoted to the assembly, the integration and the test of the EUSO-Balloon’s photo-detection module. It is an array of 36 multi-anodes photo-multiplier tubes, for a total of 2,304 pixels, and of a readout electronics able to image the development at the speed of the light of the EAS. It has a framing time of 2.5 microseconds with a single photo-electron sensitivity. It has been proved that the photo-detection efficiency of this camera can be measured with an accuracy better than 5% for the proper polarization voltage. The first flight of EUSO-Balloon happened in August 2014 and proved, with the use of laser induced events, that air showers can be imaged for the near space. Data acquired during this flight allow to study the UV background originating from the Earth’s atmosphere. The assembly, integration and test work provided during this project leads the development of future missions.

JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) est une expérience basée sur un télescope spatial d’optique diffractive, avec des lentilles de Fresnel, qui sera installé sur l’ISS en 2020. Il a comme but l’étude des UHECR et vise à améliorer d’un facteur de 10 les mesures actuelles de l’Observatoire Pierre-Auger. Le télescope EUSO-Balloon, qui a été validé technologiquement en 2014 a été le premier prototype intégrant l’ensemble de la chaîne de détection du télescope JEM-EUSO. Le principe de détection est basé sur la capture des photons UV individuels (photodétection) produits par fluorescence lors de l’interaction d’EAS avec l’atmosphère terrestre. Cette lumière est si faible qu’elle nécessite un instrument avec une efficacité de 100% pour la détection d’un photon. Le travail présenté dans ce manuscrit a porté sur toutes les étapes du projet EUSO-Balloon. Un procédé original de récupération de l’information des pixels avec une sensibilité faible a été développé. Le procédé consiste à utiliser une courbe (s-curve) générée par la modification du seuil de discrimination des signaux analogiques provenant des anodes des MAPMTs. Elle est valable pour tous les télescopes EUSO et sera utile dans l’espace, où la manipulation de l’appareil est limitée. / JEM-EUSO (Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module) is an experiment based on a diffractive optical telescope, with Fresnel lenses, that will be installed on the ISS in 2020. It aims to study the UHECR, improving by a factor of 10 the current measurements of the Pierre-Auger Observatory. The EUSO-Balloon telescope, technically validated in 2014, was the first prototype with the entire detection chain of the JEM-EUSO telescope. The detection principle is based on the capture of individual UV photons (photodetection) produced by fluorescence when the EAS interact with the Earth’s atmosphere. The fluorescence light is so low that an instrument with 100% efficiency for the detection of a photon, is required. The work presented in this manuscript has dealt with all the steps of EUSO-Balloon project. An original procedure has been developed to recover the information from pixels with low sensitivity. The method consists in using a curve generated by the modification of the threshold used to discriminate the analog signals produced by the anodes of the MAPMTs. It is valid for all EUSO telescopes and will be most useful in space where the manipulation of the apparatus is limited.

Les lasers ultra-rapides fibrés sont aujourd’hui incontournables dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques du fait de leur stabilité, de leur compacité et des hautes puissances disponibles. Les performances actuelles, rendues accessibles par le développement de fibres à larges aires modales et le concept d’amplification à dérive de fréquence, sont toutefois complexes à mettre oeuvre et limitées par l’utilisation de composants massifs pour les étapes de compression et d’étirement des impulsions. Ces travaux de thèse, à la fois expérimentaux et numériques, avaient pour objectif d’explorer des régimes dynamiques originaux basés sur l’utilisation de fibres actives spécifiques combinant large aire modale et propriétés dispersives adéquates pour la génération d’impulsions ultra-courtes de haute énergie. Les études numériques ont ainsi permis de montrer que des régimes impulsionnels à haute dispersion normale pouvaient être atteints en exploitant les phénomènes de résonnance et de couplage de modes dans des fibres de Bragg ou à profil en W. L’étude de l’influence des paramètres de la cavité laser sur le mécanisme de verrouillage de modes a permis d’identifier des configurations attractives pour la montée en puissance. La mise en oeuvre expérimentale de ces concepts a notamment permis le développement d’une source laser à soliton dissipatif produisant des impulsions énergétiques (38 nJ, 700 fs après compression) à des longueurs d’ondes autour de 1560 nm, record pour ce type d’oscillateur. La réalisation expérimentale de sources ultra-rapides basées sur des fibres actives spécifiques combinées au phénomène de couplage de mode ont permis d’identifier les potentialités et limitations de ces architectures originales à fortes dispersions totales pour la montée en énergie. / Ultrafast fiber lasers represent today a ubiquitous technology in various industrial and research applications thanks to their inherent advantages such as compactness, stability and high power. The best performances to date, mostly relying on large mode area fibers and chirped pulse amplification, however require complex experimental developments and are limited by the use of bulk components for pulse stretching and compression. The experimental and numerical work presented in this PhD thesis aimed at exploring original dynamical regimes based on specific active fibers combining large mode area and high dispersions for the generation of high-energy ultra-short pulses. The numerical studies then showed that pulsed regimes with high normal dispersions could be reached by exploiting resonance and mode-coupling phenomena in Bragg or W-type fibers. Studying the influence of the cavity parameters on mode-locking mechanisms allowed to target attractive configurations for energy scaling. The experimental implementation of this concept allowed the development of a dissipative soliton source delivering record high-energy chirped pulses (38 nJ, 700 fs after compression) at 1560 nm. The realization of ultrafast sources based on specific active fibers combined to mode-coupling phenomena then brought the possibility to identify the potentiality and limitations of these particular architectures with high dispersions for energy scaling.

Le centre de production de faisceaux d'isotopes rares situé sur le site de TRIUMF, utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faisceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Pour ce faire, ils utilisent un faisceau de protons, provenant du cyclotron principal, d'intensité allant jusqu'à 100 uA et d'une énergie de 500 MeV. Présentement, les faisceaux sont produits soit à l'aide d'une source d'ionisation à surface chaude, d'une source d'ionisation résonante par laser ou d'une FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharged). Malheureusement, ces sources d'ionisation ne sont pas adéquates pour les éléments gazeux. Un nouveau type de source est donc nécessaire. La source ECR (Electron Cyclotron Resonance) peut produire des électrons de haute énergie en superposant une onde électromagnétique haute fréquence à un confinement par champ magnétique. Ces électrons d'haute énergie sont essentiels pour l'ionisation d'éléments gazeux. Les ions sont créés à l'intérieur du plasma lorsque les électrons entre en collision avec les atomes neutres. L'absence d'une cathode chaude près de la cavité d'ionisation, permet à la source ECR de produire un faisceau intense d'éléments de forte électronégativité, tel que l'azote, l'oxygène, le fluor, le soufre, etc. Dans ISAC, le taux élevé de radiation due à la proximité de la cible prévient l'utilisation d'une source ECR conventionnelle. À cette fin, MISTIC (Monocharged Ion Source for TRIUMF and ISAC Complex), une source ECR prototype, a été construit à TRIUMF utilisant un concept similaire d'une source conçue au GANIL. Afin d'obtenir une source résistante aux radiations, des électro-aimants sont préférés à l'utilisation d'aimants permanents pour la production du champ de confinement magnétique. Les tests sur la source sont effectués sur un banc d'essai pourvu des instruments nécessaires à l'évaluation des ses performances. Les tests consistent en des mesures d'efficacité d'ionisation et d'émittance pour différentes configurations des paramètres de la source, tel que la force du champ magnétique, la fréquence des micro-ondes et leur puissance et la composition et la densité du plasma. Une sonde de Langmuir fut aussi utilisée afin de mesurer certains paramètres du plasma. Les résultats des expérimentations sur le prototype vont aider à définir les paramètres de la version en ligne de MISTIC. De plus, un travail extensif a été accompli sur une autre source plasma retrouvée à TRIUMF, la FEBIAD, afin d'améliorer ses performances et sa durabilité. Les résultats des mesures d'efficacité effectuées hors ligne vont servir à comparer les performances entre les deux sources.

L’intégration de semiconducteurs III-V à gap direct sur silicium est un enjeu de taille pour le développement de l’optoélectronique. En effet, si le silicium est aujourd’hui à la base de la microélectronique, la nature indirecte de son gap en fait un très mauvais émetteur de lumière. Parmi les matériaux candidats à l’intégration, l’In(Ga)As présente l’avantage d’un gap direct plus faible que le silicium, favorisant un comportement de puits de potentiel pour les paires électrons-trous. En revanche, le fort désaccord paramétrique entre les deux matériaux fait de la croissance épitaxiale d’In(Ga)As sur silicium un sérieux défi pour le physicien. Cette thèse est focalisée sur l’étude par faisceaux d’ions de boîtes quantiques (BQs) d’In(Ga)As épitaxiées sur silicium et de leur encapsulation ultérieure par du silicium. L’analyse par rétrodiffusion élastique à haute énergie (RBS) a permis de quantifier la composition des îlots d’In(Ga)As et de la couche cap de Si. Des phénomènes d’exo-diffusion d’indium et la présence d’espèces en excès ont été mis en évidence. En pratiquant l’analyse en géométrie de canalisation (RBS-C), nous avons pu caractériser l’épitaxie des BQs sur le substrat ainsi que celle de la couche cap. La deuxième technique utilisée dans ce travail est l’analyse par rétrodiffusion élastique à moyenne énergie (MEIS), qui permet de profiler composition, défauts cristallins, et déformation avec une résolution sub-nanométrique au voisinage de la surface de la cible. Les spectres MEIS en modes aléatoire et canalisé ont permis d’obtenir le profil de composition et de défauts du plan de BQs. Enfin, la déformation du cristal d’In(Ga)As par rapport au monocristal de silicium du substrat a été étudiée grâce à l’effet de blocage du flux d’ions rétrodiffusés qui permet d’observer les ombres des axes et des plans cristallographiques. / The integration on silicon of direct band gap materials such as some semiconductors from the III-V group is of a rising interest for tomorrow's optoelectronic devices. Although silicon is the raw material for many microelectronic devices, it has a poor light emitting efficiency due to his indirect band gap. Among the III-V family, the In(Ga)As compounds present the advantage of a smaller band gap than silicon, which encourage the confinement of electron-hole pairs. However, the large lattice mismatch between silicon and In(Ga)As is a serious limitation for the epitaxial integration. This PhD work has been focused on the ion beam study of In(Ga)As quantum dots (QDs) grown by epitaxy on silicon and of the QD capping by silicon. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) has been used to quantify composition of both QDs and cap layer. Exo-diffusion and excess issues of some elements have been pointed out. The epitaxial relation between QDs and substrate have been investigated by ion channelling (RBS-C). Medium Energy Ion Scattering (MEIS) has also been used to obtain high resolution profiles of composition, defects and strain for both the QD plane and the capping layer. Direct space mapping of both crystals has also been achieved by MEIS thanks to the blocking effect.