Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'observation du milieu interstellaire est très importante aux fréquences mm / (sub) mm / Thz pour comprendre comment se forment les étoiles et les planètes. De telles observations dépendent des récepteurs hétérodynes. Ces instruments atteignent une résolution spectrale très élevée en convertissant un signal haute fréquence à une fréquence plus basse. Dans un récepteur hétérodyne, le signal collecté est superposé sur un signal artificiel, bien connu, monochromatique, généré par l'oscillateur local (OL), donc ce signal artificiel est plus-ou-moins la fréquence du signal du ciel. Le mélangeur produit le signal de la fréquence du battement. Cette fréquence est équivalente à la différence entre le OL et la fréquence du signal du ciel. Ainsi, le signal du ciel est traduit à une fréquence plus basse, pour qu'il soit facile à amplifier et détecter. Habituellement, les récepteurs hétérodynes ont seulement un pixel spatial avec de nombreux canaux en fréquences. Notre objectif est de développer des réseaux de centaines de pixels. Pour faire cela, certains composants de l'hétérodyne doivent être repensés radicalement, tels que l'antenne de réception et le diviseur de faisceau OL. En effet, l'antenne réceptrice est généralement constituée d'une antenne à double fentes sur une lentille, ou d'une antenne cornet. Par contre, ces antennes ne sont pas les meilleurs choix pour des réseaux de nombreux pixels car elles doivent être usinées et montées individuellement. Au lieu de cela, il est commode de développer des structures planaires qui peuvent être facilement produites toutes ensembles. En particulier, nous avons conçu et simulé des réseaux d'antennes patch, de réseaux de transmission, et de plaques de zone. Le réseau d'antennes patch consiste d'un réseau de patchs métalliques reliés par une ligne microruban et séparés du plan de masse par un substrat diélectrique. Cette configuration profite du facteur du réseau pour réduire la largeur de faisceau du signal collecté. Cependant, nos simulations nous montrent que la bande RF des réseaux d'antennes patch est étroite. Pour cette raison, nous avons analysé la possibilité d'utiliser une autre solution : le réseau de transmission. C'est un réseau de plusieurs cellules qui déphase une onde afin de transformer son front de phase de forme planaire en forme sphérique. Le but de la matrice de transmission est de focaliser le faisceau collecté vers une antenne et mélangeur à double fentes. La thés démontre qu'un effet de focalisation satisfaisant est atteint sur une ligne. Nous avons fabriqué un tel réseau de transmission et l'avons testé en laboratoire. En raison des petites dimensions de quelques millimètres, ces tests sont difficiles à réaliser. Au sein de l'erreur de mesure, la conception et les simulations sont cohérentes. Une troisième option (d'une lentille planaire) a été étudiée dans la thèse : la plaque de zone. C'est un type particulier de réseau de transmission qui ne présente que deux déphasages de 0 ° et 180 °. Le plaque de zone focalise bien, mais est peu efficace. La dernière partie de la thèse introduit un type de diviseur de faisceau particulier qui permet une division du faisceau du signal OL vers un réseau de quatre mélangeurs très serrés. Diviser le faisceau avec des angles suffisamment petits est très difficile avec les réseaux de Fourier et Dammann classiques. Pour cette raison la méthode que nous avons proposée pour concevoir un tel diviseur est très novatrice. En effet, il permet la formation de motifs de faisceaux de forme arbitraire, qui ne sont pas limités par les ordres de diffraction. Les simulations montrent des efficacités allant jusqu'à 80% qui sont très bonnes en comparaison avec les réseaux classiques. En résumé, dans cette thèse, j'ai essayé plusieurs moyens radicalement différents pour simplifier les récepteurs hétérodynes et ouvrir la voie aux grandes matrices hétérodynes avec des centaines de pixels. / The observation of the interstellar medium is very important at mm/(sub)mm/THz frequencies to understand how stars and planets form. Generally such observations rely on heterodyne receivers. These are instruments that achieve very high spectral resolution by down converting a high frequency signal towards a lower frequency one. In a heterodyne receiver the incoming signal is superimposed onto an artificial, well-known, monochromatic signal generated by the local oscillator (LO), chosen to be close to the frequency of the sky signal. The mixer produces the beat frequency signal. It has a frequency equivalent to the difference between the LO and sky signal frequency. Thus the sky signal is translated to a lower frequency, and it is easier to amplify and detect. Usually heterodyne receivers have only one spatial pixel with many frequency channels. Some prototypes have been realized recently with few pixels. Our objective is to develop arrays of hundreds of pixels. In order to do that, some components which compose the heterodyne receiver must be radically rethought, such as the receiving antenna and the LO beam divider.Indeed the receiving antenna generally consists of a double slot antenna on a lens, or a horn antenna. Such antennas are not the best choice for arrays of many pixels since they have to be machined and mounted individually. Instead it is convenient to develop planar structures which can be easily produced in bulk in a single process. In particular we designed and simulated arrays of patch antennas, transmit-arrays and zone plates. The array of patch antennas consists of an array of metallic patches connected via a microstrip line and separated from the ground plane by a dielectric substrate. This configuration takes advantage of the array factor to reduce the beamwidth of the incoming signal in place of the lens. However our simulations showed the array of patch antennas to be quite narrowband for a general purpose application, and quite difficult to realize. For this reason we also analyzed the possibility to use another solution such as the transmit-array. It is an array of several cells which provide a certain phase shift to an incoming wave in order to transform its phase front from planar to spherical. The purpose of the transmit-array is to focus the incoming beam towards a double slot antenna and a mixer placed below it. The simulations showed that a good focusing effect can be reached on a line. We fabricated such a transmit-array and tested it in the laboratory. Because of the small dimensions of a few millimeters these tests are difficult to carry out. Within the measurement error design and simulations are consistent. A third option of a planar lens was studied in the thesis: the zone plate. This is a particular kind of transmit-array which presents only two phase shift of 0° and 180°. The zone plates focus well, but are unfortunately not very efficient.The final part of the thesis introduces a particular kind of beam divider which allows beam splitting of the LO signal towards an array of four very closely packed mixers. To split the beam with such small relative angles is very difficult with the classical Fourier and Dammann grating, for this reason the method we proposed to design such a beam divider is very innovative. Indeed it allows the forming of arbitrary shaped beam patterns, which are not limited by the diffraction orders. Simulations show efficiencies up to 80% which are very good in comparison with classical gratings.In summary in this thesis I have tried several radically different approaches to simplify heterodyne receivers and made a first step towards for large heterodyne arrays with hundreds of pixels.

Cette thèse se place dans le contexte de l'étude des galaxies lointaines, études nécessaires à la compréhension des mécanismes de formation des galaxies. La mise en service du télescope spatial Hubble a permis d'obtenir des images à haute résolution spatiale de ces galaxies, donnant ainsi des premiers indices sur leur morphologie. En complément, l'installation de télescopes au sol de la classe des 8-10 mètres tels que le Very Large Telescope (VLT) européen a permis d'effectuer la spectroscopie de ces objets. Toutes ces données montrent que l'univers a connu un pic de formation stellaire il y a environ 8-10 milliards d'années, formation qui a chuté depuis. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de la morphologie des galaxies lointaines, à l'aide d'images obtenues avec le télescope spatial Hubble. Le travail présenté porte en particulier sur deux populations de galaxies responsables du déclin de la formation stellaire évoqué plus haut : les galaxies compactes lumineuses (LCG) et les galaxies lumineuses dans l'infrarouge (LIRG). Ces études ont notamment permis d'établir une séquence pouvant servir de base à un scénario de formation d'une partie des galaxies de l'univers local. Des études complémentaires ont aussi montré le besoin d'une haute résolution spectrale pour déterminer avec précision le taux de formation stellaire des galaxies lointaines. La deuxième partie est consacrée à l'étude de FALCON, un projet de spectrographe de nouvelle génération pour le VLT alliant haute résolution spatiale et spectrale. L'objectif de FALCON est de fournir l'information dynamique sur les galaxies lointaines avec une résolution spatiale de 0.25 arcsec et un rapport signal-sur-bruit suffisant. Ceci nécessite d'utiliser l'Optique Adaptative pour compenser en temps-réel la dégradation des images due à la turbulence. Afin de s'affranchir de l'anisoplanétisme propre à cette technique, FALCON utilisera des techniques de tomographie consistant à corriger le front d'onde issu de la galaxie dont on souhaite déterminer la dynamique en combinant les mesures de front d'onde sur des étoiles hors-axe qui l'entourent. Le système d'Optique Adaptative a d'abord été intensivement étudié de manière théorique. Puis le développement d'un code de simulation numérique a alors permis d'établir des premières performances d'un tel système sur le ciel.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La turbulence atmosphérique limite sévèrement la formation d'images par les<br />télescopes astronomiques au sol. L'Optique Adaptative (OA) est une technique<br />de correction en temps réel des effets de la turbulence permettant d'améliorer<br />la résolution angulaire des télescopes. Aujourd'hui mûre, cette technique se<br />heurte toutefois à certaines limitations technologiques et fondamentales ayant<br />amené au développement de nouveaux concepts d'OA, à très haute dynamique ou à<br />grand champ (OA Multi-Conjuguée ou OAMC). Les lois de commande classiquement<br />utilisées dans les systèmes d'OA sont toutefois peu adaptées à ces nouveaux<br />concepts plus complexes. <br /><br />L'objectif de cette thèse est d'étudier une commande optimale au sens de la<br />variance minimale, à la fois sur le plan théorique et expérimental, dans un<br />contexte d'OA et d'OAMC. La loi de commande obtenue, de type Linéaire<br />Quadratique Gaussienne (LQG), est analysée et les contraintes d'implantation,<br />du point de vue algorithmique et modélisation, sont évaluées. Nous proposons<br />également de gérer des perturbations additionnelles généralement rencontrées<br />sur les systèmes (vibrations...). Enfin, nous présentons les premières<br />validations expérimentales d'une commande de ce type en OA et dans un cadre<br />d'OAMC simplifiée. Le gain en performance, par rapport à des lois de commande<br />classiques, est très important et corrobore les résultats de simulation<br />numérique. Nous évaluons enfin les performances de la commande LQG sur des<br />systèmes d'OAMC pour le VLT par le biais d'une simulation numérique réaliste.<br />L'ensemble des résultats obtenus confirment l'apport très significatif de<br />cette approche et sa souplesse pour gérer à la fois des géométries d'analyse<br />complexes et l'optimisation de la correction dans des champs d'intérêt<br />spécifiques.

Le European Extremely Large Telescope présentement en construction au Chili, sera le plus grand télescope optique jamais construit, avec son miroir primaire de 39 mètres de diamètre. Un de ses instruments, ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph), combinera l’optique adaptative et la spectroscopie à haute dispersion dans les bandes photométriques YJH pour permettre notamment l’étude de la composition chimique d’atmosphères d’exoplanètes potentiellement habitables. La détection de la vie sur une exoplanète candidate commence nécessairement par l’étude de son atmosphère, et spécifiquement sa composition chimique. Celle-ci peut en effet révéler la présence de biosignatures, c’est-à-dire la signature spectrale de molécules qui ne pourraient exister sans la présence de la vie. Une paire de molécules particulièrement intéressante est la paire dioxygène (O2) et méthane (CH4), soient deux molécules qui peuvent être créées par des processus biotiques, mais qui, laissées à elles-mêmes, réagissent ensemble dans l’atmosphère pour générer de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) jusqu’à la déplétion de l’une des deux (Thompson et al., 2022). La présence simultanée d’O2 et de CH4 nécessite donc des réactions chimiques hors équilibre comme celles associées avec l’activité biologique. ANDES sera équipé de tous les modules théoriquement nécessaires pour détecter la lumière réfléchie d'une exoplanète, incluant une interface d'optique adaptative qui minimise la lumière parasite de l'exoplanète localisée tout près du coeur de l'étoile, une unité de champ intégral permettant de disséquer l'image de l'étoile en des dizaines de spaxels, chacun alimentant un spectrographe infrarouge à haute dispersion. Des techniques statistiques bayesiennes sont ensuite utilisées pour détecter le signal atmosphérique de l'exoplanète enfoui dans le spectre de l'étoile. Ce travail décrit des simulations détaillées de tous ces modules afin de déterminer les capacités d’ANDES à détecter l’atmosphère d’exoplanètes potentiellement habitables, notamment Proxima b, la plus rapprochée du Système Solaire. Les simulations révèlent que si Proxima b a une atmosphère identique à celle de la Terre, l’eau y serait détectable en moins d'une nuit (6 heures), alors que les détections d’O2, de CO2 et de CH4 nécessiteraient jusqu’à 320, 420 et 1200 heures d’observation, respectivement. / The European Extremely Large Telescope, currently under construction in Chile, will be the largest telescope ever built, with its primary mirror measuring 39 meters in diameter. One of its instruments, ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph), will combine adaptive optics and high dispersion dpectroscopy in the Y JH photometric bands. This combination will allow the study of the chemical composition of atmospheres of potentially habitable exoplanets. The search for life on a candidate exoplanet necessitates the study of its atmosphere, specically its chemical composition. This can reveal the presence of biosignatures, i.e the spectral signature of molecules that cannot exist without life. One inriguing pair of molecules is dioxygen (O2) and methane (CH4). Both can be created through biotic processes, but left to themselves, they form water (H2O) and carbon dioxide (CO2) until one of the two is depleted. The simultaneous presence of O2 and CH4 requires out-of-equilibrium chemical reactions, such as those associated with biological activity. ANDES will be equipped with all the crucial modules to detect the reflected light from an exoplanet. It includes an adaptive optics front-end interface that minimizes the stray light from the exoplanet located very close to the star’s core, an integrated field unit that dissects the star’s image into dozens of spaxels, each feeding a high-dispersion infrared spectrograph. Bayesian statistics are then used to detect the exoplanet’s atmospheric signal buried within the star’s spectrum This work describes detailed simulations of all these modules to determine ANDES’ ca- pabilities in detecting the atmosphere of potentially habitable exoplanets, notably Proxima b, the closest to the Solar System. The simulations reveal that if Proxima b has an atmo- sphere similar to Earth’s, water could be detectable in less than one night (6 hours), while detections of O2, CO2 and CH4 could require up to 320, 420 and 1200 hours of observations, respectively.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe. / The main goal of this thesis is the improvement of high-contrast imaging techniques enabling the direct detection of faint companions at small separations from their host star. More precisely, it answers some questions linked to the development of the Gemini Planet Imager (GPI), a second generation instrument for the Gemini telescopes. This instrument will use an integral field spectrometer (IFS) to characterize the detected faint companions and to attenuate the speckle noise limiting their detection. Moreover, it will use a combination of two deformable mirrors, the woofer and the tweeter, in its adaptive optics (AO) system in order to reach the atmospheric turbulence correction sought. The woofer corrects the low spatial frequency high amplitude aberrations while the ones with a high frequency and a low amplitude are compensated by the tweeter. First, the high-contrast imaging performance achieved by current on-line IFS on 8-10 m telescopes are investigated through the observation of the faint companion to the star GQ Lup using the IFS NIFS and the AO system ALTAIR presently in function on the telescope Gemini North. The angular differential imaging (ADI) technique is used to reach an attenuation of the speckle noise by a factor of 2 to 6. The JHK spectra obtained were used to constrain the mass of the companion to 8−60 MJup making it most likely a brown dwarf. MJup represents the mass of Jupiter. Current on-line IFS were conceived to be versatile so that they could be used in many astrophysical fields. Hence, their conception was not optimized for high-contrast imaging. The second part of this thesis objective was to build and test in the laboratory an IFS optimized for this task. Four speckle suppression algorithms were tested on the resulting data: the simple difference, the double difference, the spectral deconvolution and a novel algorithm developed in this thesis dubbed the spectral twin algorithm. We found the spectral twin algorithm to be the most efficient to detect both types of companions tested: methanated and non-methanated. The detection signal-to-noise ratio was improved by a factor up to 14 for the methanated companion and up to 2 for a non-methanated one. In the last part, problems linked to the wavefront correction split between two deformable mirrors are investigated. First, a method allowing to select the woofer key parameters such as its diameter, its number of actuators and its required stroke which influenced the overall instrument design is presented. Second, since GPI will use a Fourier reconstructor, we propose to split the command in the Fourier domain and to limit the modes sent to the woofer to the ones it can accurately reproduce. In GPI, this results in replacing two matrices of 1600×69 elements in the case of a classic command split scheme by a single matrix of 45×69 components with the proposed method.

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques. / A new EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) controller is presented. It allows the EMCCD to be used for photon counting by drastically taking down its dominating source of noise : the clock induced charges. A new EMCCD camera was built using this controller. It has been characterized in laboratory and tested at the observatoire du mont Mégantic. When compared to the previous generation of photon counting cameras based on intensifier tubes, this new camera renders the observation of the galaxies kinematics with an integral field spectrometer with a Fabry-Perot interferometer in Ha light much faster, and allows fainter galaxies to be observed. The integration time required to reach a given signal-to-noise ratio is about 4 times less than with the intensifier tubes. Many applications could benefit of such a camera: fast, faint flux photometry, high spectral and temporal resolution spectroscopy, earth-based diffraction limited imagery (lucky imaging), etc. Technically, the camera is dominated by the shot noise for flux higher than 0.002 photon/pixel/image. The 21 cm emission line of the neutral hydrogen (HI) is often used to map the galaxies kinematics. The extent of the distribution of the neutral hydrogen in galaxies, which goes well beyond the optical disk, is one of the reasons this line is used so often. However, the spatial resolution of such observations is limited when compared to their optical equivalents. When comparing the HI data to higher resolution ones, some differences were simply attributed to the beam smearing of the HI caused by its lower resolution. The THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) project observed many galaxies of the SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey) project. The kinematics of THINGS will be compared to the kinematic data of the galaxies obtained in Ha light. The comparison will try to determine whether the sole beam smearing is responsible of the differences observed. The results shows that intrinsic dissimilarities between the kinematical tracers used are responsible of some of the observed disagreements. The understanding of theses differences is of a high importance as the dark matter distribution, inferred from the rotation of the galaxies, is a test to some cosmological models.