La micro-structuration périodique d’un milieu influence fortement la propagation des ondes élastiques. Ces structures, nommées cristaux phononiques, permettent de manipuler les ondes en les ralentissant, voire en interdisant leurs propagations pour certaines gammes de fréquences appelées bandes interdites. Au cours de la thèse, la dispersion des ondes élastiques dans des structures composées de piliers résonants périodiquement attachés à des poutre structurées a été numériquement et expérimentalement étudiée. Basées sur la combinaison de résonances locales avec des réflexions multiples de Bragg, des poutres phononiques avec de larges bandes interdites ont été obtenues. En particulier, une poutre phononique avec une bande interdite présentant une largeur relative de 94% autour du mégahertz a été fabriquée et caractérisée.Les poutres phononiques ont été utilisées pour améliorer les facteurs de qualité des résonances de défauts insérés en fin, ou entre les poutres. Une amélioration d’un facteur 8 d’une résonance d’un défaut encastrée-libre accroché à une poutre phononique a été démontrée. Cette amélioration est attribuée au confinement de l’énergie mécanique par la poutre phononique dont la bande interdite recouvre la fréquence de résonance du défaut. En parallèle de ces activités, une plateforme pompe sonde hétérodyne femtoseconde a été utilisée pour caractériser la propagation des ondes élastiques à la surface de films minces microstructurés. Une forte anisotropie ainsi qu’une réduction des vitesses des ondes a été mis en évidence. Ces observations ont été reliées aux micro-structurations particulières des films, avec des simulations en éléments finis. / Periodic microstructures in media strongly influences the propagation of elastic waves. These structures, known as phononic crystals, allow the manipulation of waves such as their slowdown, or their prohibition for frequency ranges called band gaps.During the thesis, the dispersion of elastic waves propagating through structures composed of resonant pillars periodically attached to tailored strips was studied. Based on the combination of Bragg scattering and local resonances, phononic strips with large band gaps were achieved. Notably, a phononic strip with a band gap displaying a relative width of 94% in the megahertz range was demonstrated.Phononic strips were then used to ameliorate the resonances’ quality factors for defects inserted at the end, or within the strips. An improvement by a factor of 8 of the resonance quality factor of a beam clamped to a phononic strip was achieved. This improvement was assigned to the mechanical energy confinement linked with the phononic strip, as its band gap overlaps the resonance frequency of the defect.In parrallel to these studies, a femtosecond heterodyne pump probe setup was used to characterize the waves propagation on the surface of microstructured thin films. A strong anisotropy as well as a speed reduction were observed. These observations were linked to the particular microstructures of the films, using numerical simulations performed with the Finite Element Method.

La polarimétrie de Mueller est une technique optique qui mesure la réponse polarimétrique complète d’un milieu sous la forme d’une seule matrice de Mueller afin de remonter à ses propriétés optiques comme le dichroïsme, la biréfringence et la dépolarisation. Le couplage avec la microscopie non-linéaire (SHG par exemple) permet d’avoir accès à des informations précises sur un milieu biologique (structure, organisation, . . .). Cela impose de passer à une modalité d’imagerie à balayage laser, qui nécessite de mesurer la réponse polarimétrique du milieu pixel-par-pixel en des temps relativement courts (de l’ordre de la microseconde). Le but de cette thèse est de mettre en oeuvre un polarimètre de Mueller dont les cadences d’acquisition sont compatibles avec l’imagerie à balayage laser. Dans un premier temps, un polarimètre de Mueller inédit est proposé, basé sur le codage spectral de la polarisation dont toute l’information polarimétrique de l’échantillon est mesurée sous la forme d’un seul signal d’intensité en un temps record (10 μs). Ce dispositif est constitué d’une source à balayage rapide en longueur d’onde à 100 kHz (ou swept-source), de lames de phase d’ordre élevé et d’un détecteur monocanal. Les erreurs systématiques qui entachent la mesure sont évaluées et des méthodes de correction permettent de les prendre en compte dans une étape d’étalonnage qui utilise la réponse de deux milieux étalons.Ensuite, le polarimètre est implémenté dans un microscope commercial à balayage laser, utilisé initialement pour réaliser de l’imagerie non-linéaire (SHG). Cela requiert un redimensionnement du montage, ainsi que la synchronisation entre les deux systèmes. Par ailleurs, un protocole de calibration du dispositif est développé et permet de tenir compte de l’ensemble des erreurs systématiques du polarimètre indépendamment des anisotropies optiques engendrées par le microscope. Enfin, les premières images polarimétriques de Mueller en microscopie à balayage laser ont été acquises sur des échantillons inhomogènes spatialement (rubans adhésifs et cristaux de roches). La potentialité de la microscopie multimodale est démontrée sur des échantillons de fibroses de foie, en couplant l’imagerie polarimétrique de Mueller et la microscopie non-linéaire au sein d’un seul instrument. / Mueller polarimetry is an optical technique allowing the acquisition of the full polarimetric signature of a medium with a single Mueller matrix, and leading to its polarimetric parameters such as dichroism, birefringence and depolarization. Coupling Mueller polarimetry with nonlinear microscopy techniques (SHG for example), more precise information about the medium could be obtained (structure, organization . . .). This imaging technique uses a laser scanning system to measure the Mueller matrix of a medium point-to-point quickly (of the order of the microsecond). The aim of this thesis is to develop a Mueller polarimeter compatible with the laser scanning system. First, a new Mueller polarimeter is proposed using spectral encoding of the polarization and measuring the full polarimetric signature of a sample with a single channeled spectrum in a fast way (10 μs). This setup is composed of a 100 kHz swept-source laser, high order retarders and a single channel detector. Systematic errors on the Mueller matrix measurement are evaluated and correction methods take into account these errors in a calibration step that uses polarimetric signature of two references medium. Then, the polarimeter is implemented on a commercial laser scanning microscope that usually images non-linear contrasts (SHG). The update needs to reduce the dimension of the polarimeter and ensure an electronic synchronization between these two systems. However, a new calibration step is proposed and takes into account all the systematic errors of the polarimeter, independently of the optical anisotropy induced by the microscope. Finally, the images with the first Mueller scanning microscope are obtained with spatially inhomogeneous samples (cellophane tapes, rocks). The potentiality of the multimodal scanning microscopy Mueller/SHG on the same instrument is demonstrated in the case of hepatic fibrosis.

La turbulence optique et son impact sur les images obtenues à partir d'instruments de mesure est un phénomène connu dans le domaine de l'astronomie. Des modèles issus de la théorie de Kolmogorov, développée pour une turbulence dynamique, ainsi que des méthodes de correction, telles que l'optique adaptative, existent pour l'analyse et la compensation des effets de cette turbulence optique. L'analyse de cette dernière dans les milieux confinés est cependant plus limitée. Les sources susceptibles de générer une turbulence optique dans ces espaces sont pourtant multiples et peuvent avoir un impact non négligeable sur les mesures des instruments installés à proximité. Ce mémoire constitue une première approche de la caractérisation de la turbulence optique dans un espace confiné. Après l'introduction des phénomènes étudiés et des outils mathématiques employés, ce mémoire présente les résultats issus d'analyses de coupoles de télescopes et de caractérisations de salles blanches employées par l'entreprise Thales Alenia Space pour l'intégration et le test d'instruments optiques. Ces résultats sont obtenus avec l'instrument INTENSE, développé durant la thèse pour la caractérisation de la turbulence optique locale via la mesure des fluctuations des angles d'arrivée de multiples faisceaux lasers. En prévision de futurs améliorations de l'analyse de la turbulence en espace confiné, un chapitre du mémoire est dédié aux travaux réalisés sur une méthode d'extraction du profil de l'énergie de la turbulence et à son application sur l'instrument INTENSE. Les conclusions et les perspectives des travaux réalisés pendant la thèse sont présentées à la fin du mémoire. / Optical turbulence and its impact on measured images is a well-known phenomenon in astronomy. Models based on the Kolmogorov theory, elaborated for a dynamical turbulence description, and methods, such as Adaptive Optics, were both developed so as to understand and correct the degradations caused by this turbulence. Analysis of the same phenomenon in indoor situation was however less investigated. The local air volume is nonetheless prone to optical perturbations sources which could have non negligible impacts on the measurements of instruments installed at proximity. This document introduces a first approach of indoor optical turbulence characterization. After the introduction of the studied phenomenon and the mathematical tools employed, this thesis present optical turbulence characterizations inside Thales Alenia Space clean rooms used for optical instrument integration and testing. Analyses inside telescope domes are also shown in this document. All the results were obtained using the INTENSE instrument which was developed during the thesis for optical turbulence characterizations using angle of arrival fluctuations of laser beams. In anticipation for future ameliorations of optical turbulence analysis methods, a chapter of this thesis is dedicated to the work made on a turbulence energy profile extraction and its application on the INTENSE instrument. Conclusions and perspectives of the work made during this thesis are presented at the end of the document.

L’imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRI) est une technique d’analyse d’interactions moléculaires présentant de nombreux avantages. Elle peut être appliquée en temps réel et sans marquage, pour étudier un grand nombre d’interactions simultanément sur un même échantillon. La transduction d’un événement d‘interaction entre deux molécules complémentaires en un signal optique, repose sur la perturbation de l’onde plasmonique évanescente créée à la surface d’un film métallique mince.Toutefois, bien que la mesure SPR soit directe et sans marquage, sa spécificité repose entièrement sur celle des molécules sondes déposées à la surface de la puce et donc sur la chimie ayant servi à les immobiliser. Cette limitation devient problématique pour adresser les grands enjeux de santé actuels, liés à la détection de molécules à l’état de traces. En particulier, de nouveaux systèmes d’analyse plus sensibles sont requis pour pouvoir diagnostiquer le cancer au plus tôt, ou encore détecter la présence de contaminants agro-alimentaires en faible concentration.Dans cette perspective d’amélioration de la spécificité de détection, ce travail porte sur la mise au point d’un instrument bimodal couplant la SPRI, capable de quantifier la capture de molécules cibles, à la Spectrométrie Raman Exaltée de Surface (SERS), qui permet d’identifier la nature des molécules capturées en déterminant leur « empreinte » moléculaire. Cette thèse s’inscrit dans un projet ANR regroupant un consortium de partenaires académiques et un industriel.Ce document se concentre sur le développement de l’instrument optique combinant les deux systèmes de détection en un seul prototype. La mesure SPRI est réalisée en configuration Kretschmann, tandis que l’analyse SERS s’effectue par le dessus, en milieu liquide, à travers un hublot. Ces deux mesures simultanées sont rendues possibles grâce à la mise au point d’un substrat métallique nanostructuré. Une caractérisation détaillée du système optique est tout d’abord présentée, puis de premiers résultats de validation de la mesure bimodale sur un cas modèle d’interaction biomoléculaire ADN sont démontrés. Ces expériences prometteuses confirment le fonctionnement de l’instrument bimodal dans la perspective d’applications d’intérêt biologique. / Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRI) is a powerful technique to study molecular interactions providing a real time, label free and high throughput analysis. The transduction of an interaction between complementary molecules into an optical signal is based on the perturbation of a plasmonic evanescent wave supported by a thin metallic film.However, despite its direct and label free assets, the specificity of SPR measurements is only guaranteed by the probe molecules grafted on the metallic surface and therefore by the quality of the surface chemistry. This limitation becomes an issue when addressing major health concerns relying on the detection of trace molecules. In particular, new systems are required to help early diagnosis and the control of food contaminants.In view of improving measurement’s specificity, this work reports the development of a bimodal instrument coupling SPRI, allowing the quantification of captured molecules, with Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), adding the precise identification of the molecules by measuring their spectroscopic fingerprint. This PhD is part of an ANR project bringing together academic and industrial partners.This manuscript focuses on the development of the optical instrument combining the two detection systems in a unique prototype. SPRI measurements are performed in the Kretschmann configuration while SERS analysis is implemented from the top, in solution, through a glass window. Nanostructured substrates have been designed and realized to allow the simultaneous experiment.The optical system is described, characterized and validated on the model case of a DNA hybridization. These first results prove the capabilities of the bimodal instrument in the perspective of more complex biological applications.

Moins de 20 ans après la découverte de HD114762b, l'exoplanétologie est déjà très riche en découvertes et elle le sera encore très certainement dans les années à venir. L'interférométrie en frange noire, ou nulling, est une des rares méthodes permettant l'observation directe des planètes extrasolaires en s'affranchissant du très fort contraste existant entre la planète et son étoile hôte. Cette méthode exige cependant une égalisation des chemins optiques, ou cophasage, avec une précision nanométrique. Mon manuscrit traite principalement de PERSEE, un banc ayant pour objectif de valider les problématiques de l'interférométrie en frange noire et du cophasage en présence de perturbations réalistes. Ma contribution au dimensionnement de PERSEE a permis de positionner au mieux la pupille et d'optimiser le choix des deux bandes spectrales. Les estimateurs de cophasage s'appuient sur une modulation spatiale codant l'interférogramme sur 4 points. Les algorithmes de démodulation exploitant la quasi-quadrature présentent deux retombées majeures : l'estimation photométrique de chaque bras et le contrôle des dérives internes. En outre, j'ai développé un estimateur de la différence de marche conjuguant grande dynamique et précision basé sur les mesures de la différence de marche dans deux bandes spectrales. Enfin, je présente les performances expérimentales du système de cophasage que j'ai intégré puis mis en œuvre. Les premiers résultats de PERSEE ont montré une précision sur la stabilisation des faisceaux égale à 0.8 nm rms, ce qui a permis d'obtenir une profondeur de l'extinction en lumière monochromatique égale à N=6.2x10−5±6.3x10−6. Ceci démontre ainsi que l'utilisation des 4 sorties d'un interféromètre de Mach-Zehnder modifié, commun au nuller et au système de cophasage, est une solution prometteuse pour les futurs instruments puisqu'elle permet de minimiser les aberrations différentielles entre ces deux systèmes. Enfin, ma contribution à la définition du système de cophasage de GRAVITY, un instrument de seconde génération du Very Large Telescope Interferometer, a permis de choisir la recombinaison interférométrique la plus performante pour le système de cophasage de GRAVITY.

Le marché des voitures diesel a explosé ces dernières années. Cependant pour respecter les contraintes de pollution de plus en plus drastiques, des efforts restent à faire sur ces motorisations. L'amélioration de la qualité du mélange air-carburant qui permettra une diminution des émissions polluantes et de la consommation passe par une meilleure connaissance de la formation du spray. L'évolution du spray issu de la détente brutale du carburant liquide sous haute pression (jusqu'à 2000 bar) dans la chambre de combustion (à plusieurs dizaines de bar de contre pression) est caractérisée par ses paramètres morphologiques : longueur de pénétration, angle d'ouverture, volume. Au cours de ces travaux de recherche, un système automatique de diagnostic optique a été développé pour le suivi du spray. Le système est composé : - d'une partie « matérielle » comprenant une chambre pressurisée (permettant de simuler les conditions de pression moteur), une source de lumière, une caméra et le débitmètre associé. – d'une partie « logicielle » comprenant les logiciels de contrôle du système et de traitement des données. L'injection étant un phénomène rapide, l'utilisation de caméra numérique intensifiée a permis un bond en avant des expérimentations. Un logiciel de pilotage et de traitement permet d'acquérir et de traiter simultanément l'ensemble des images nécessaires à la caractérisation. Après une étude critique de différentes méthodes de segmentation, fondée sur les critères de rapidité, de simplicité et d'absence de paramètres de réglages, nous avons choisi de travailler avec un algorithme basé sur une seuillage automatique des images. Les résultats obtenus sur les sprays grâce à ce système peuvent être classés en 2 catégories. – D'un point de vue macroscopique, le système fournit automatiquement la longueur de pénétration, l'angle d'ouverture et le volume de chaque jet, l'évolution temporelle moyenne et les écarts type de ces paramètres. Nous avons étudié et comparé différents types d'injecteurs, pour différentes conditions de pression d'injection et de contre pression. Une nouvelle loi de la pénétration du front de jet pour les injecteurs diesel haute pression (modification de la loi d'Hiroyasu) a été proposée ainsi qu'une loi d'évolution de la richesse globale du mélange à partir du volume mesuré sur les images. – D'un point de vue microscopique, nous avons pu réaliser des visualisations confirmant les observations faites dans la littérature au niveau du break up primaire. Mais surtout nous avons initié une nouvelle technique de mesure basée sur l'holographie numérique qui a donné de premiers résultats très encourageants.

Le parsec central de la Galaxie a été observé à l'aide de spectro-imagerie BEAR haute résolution spectrale (jusqu'à 21 km/s) et moyenne résolution spatiale (0,5"), dans les raies Bracket gamma (2,16 micron) et He I à 2,06 microns, et d'imagerie haute résolution. Ces données ont servi à étudier la population d'étoiles jeunes et massives, la structure et la dynamique des flots de gaz ionisé de Sgr A Ouest. Les résultats obtenus, notamment la séparation des étoiles en un groupe de 6 LBV d'une part (le complexe IRS 16) et plus de 20 Wolf-Rayet d'autre part, ainsi que la résolution de IRS 13E en un amas d'au moins 6 étoiles massives, soutiennent l'idée d'une formation des étoiles jeunes en un amas massif à distance du Centre Galactique. La vision très détaillée de Sgr A Ouest et le modèle cinématique proposé du Bras Nord soutiennent l'idée que ce gaz ionisé est constitué par les fronts d'ionisation de plus vastes nuages neutres étirés par les forces de marée, provenant du Disque circumnucléaire.

Le développement des techniques d'ingénierie génétique et celles d'imagerie en microscopie de fluorescence ont ouvert la voie à l'étude du mouvement et de la structure des chromosome dans les cellules vivantes. Depuis quelques années, l'avènement de ces outils a fait naître une biophysique du noyau, dont l'objectif est de comprendre avec des modèles physiques comment s'organise le génome dans une cellule et comment il se réorganise sous l'effet de stimuli biologiques ou chimiques. L'objectif de mon travail de thèse a consisté à développer des outils permettant de mesurer précisément les déplacements des chromosomes dans les cellules vivantes, d'automatiser le processus de traitement des données et de développer des modèles quantitatifs d'analyse des données expérimentales. Dans ce travail de thèse pluridisciplinaire, nous avons à la fois optimisé une chaîne d'acquisition de microscopie de fluorescence afin de maximiser la qualité de films de levures vivantes, réalisé un algorithme de suivi de particules et de reconnaissance de forme dédiés à la levure, ainsi que des outils de traitement automatisés des trajectoires pour systématiser le processus de traitement des données. Ces méthodes ont permis de construire des modèles originaux de structure et de dynamique des chromosomes in vivo chez la levure saccharomyces cerevisiae.

La formation, l’évolution et la structure des planètes géantes font parties des grandesproblématiques de l’astrophysique moderne. Les planète géantes ont un rôle majeur carelles possèdent la plupart de la masse des systèmes planétaires et donc influencent leursévolutions dynamiques. Mon travail de thèse s’inscrit dans une démarche observationnellequi est essentielle pour apporter des contraintes sur la diversité des systèmes exoplanétaires.Mes premiers résultats de thèse sont issus d’une campagne d’observations sur trois ansréalisées avec l’instrument NaCo au VLT. Mes observations de HD142527 excluent laprésence d’une planète géante dans le disque et favoriseraient plutôt un système multiplede faible masse pour expliquer les structures de ce disque de transition. J’ai égalementdétecté une planète géante autour de HD95086. Cette planète possède des propriétés atmosphériquesparticulières. Sa présence fait de HD95086 un rare exemple de systèmesimagés possédant un disque de débris et une planète géante. Enfin, j’ai réalisé une étudestatistique sur l’ensemble du relevé et montré que les planètes géantes sur des orbiteséloignées sont rares (10 − 20 %) et ne peuvent pas s’être formées majoritairement pareffondrement direct du gaz dans un disque instable.La dernière partie de mon travail de thèse a été consacrée à l’étude du mode d’imageriedifférentielle simultanée spectrale. J’ai identifié les biais particuliers liés à la réductionde ce type de données et ai montré que leurs analyses nécessitent l’utilisation de modèlesd’évolution. Cette étude permettra d’exploiter les données de l’instrument IRDISde SPHERE installé au VLT. / How giant exoplanet form, evolve and are made of is one of the biggest challenge of modernastronomy. They play an important role as they carry most of the planetary systemmasses. Therefore, they strongly impact their dynamics and the fate of these systems tohost life. My PhD thesis falls within an observational approach that is mandatory to bringconstraints on the diversity of planetary systems.I got my first results from a three-year survey, with NaCo at VLT. My observations ofHD142527 excluded the presence of massive giants planets to explain the structures of thistransitional disk and might favor a light multiple system. I also detected a giant planetaround HD95086 and I showed that it has particular atmospheric properties. Finally, Icarried out a statistical analysis of the whole survey to show that giant planets on wideorbitsare rare (10 − 20 %) and could not be formed via direct collapse of unstable disks.I dedicated the last part of my work to investigate the spectral simultaneous differentialimaging mode. I pointed out the biases associated to the reduction of these data andshowed that evolutionary models have to be used to analyze them. This study might helpto exploit the full potential of SPHERE/IRDIS data.

En fournissant des informations précieuses sur la structuration des tissus biologiques à l'échelle submicronique, les techniques d'imagerie polarimétrique optique peuvent aider au diagnostic précoce de diverses pathologies comme des fibroses ou certains cancers. Parmi ces techniques, la polarimétrie de Mueller est la plus complète puisqu'elle permet de déterminer toutes les caractéristiques polarimétriques d'une cible d'intérêt (retard de phase, diatténuation, dépolarisation). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse visent à coupler, pour la première fois, la polarimétrie de Mueller à un déport endoscopique de la lumière par fibre optique pour permettre de caractériser des tissus in vivo in situ et limiter ainsi le recours aux biopsies. Le défi à relever consiste à s'affranchir des perturbations incontrôlables que la fibre introduit sur les états de polarisation de la lumière guidée. Pour ce faire, on propose d'extraire les caractéristiques polarimétriques de l'échantillon d'intérêt à partir des mesures des matrices de Mueller de la fibre seule (longueur 2m) d'une part, de l'ensemble « fibre + échantillon » d'autre part, associées à un traitement mathématique spécifique. Pour la mise en oeuvre de cette solution, un polarimètre de Mueller à fibre, fonctionnant en réflexion, a été conçu spécialement. Deux déclinaisons, avec des mesures soit séquentielles soit simultanées, ont été explorées et comparées. Les mesures ponctuelles de composants polarimétriques calibrés, seuls ou combinés, sont en très bon accord avec les valeurs attendues : erreurs inférieures à 1,5° sur les retards de phase, à 1° sur les orientations relatives des axes de biréfringence, et à 0,02 sur les diatténuations linéaire et circulaire. Les premières images polarimétriques de Mueller d'échantillons manufacturés et biologiques (collagène de type I), réalisées à travers une fibre optique endoscopique, sont également présentées et commentées. / Optical polarimetric imaging techniques can be very attractive for early diagnosis of diseases such as fibrosis or some cancers as they can provide valuable information on the structure of biological tissues at the submicronic scale. Among them, Mueller polarimetry is the only one able to determine all the polarimetric characteristics of any sample (retardance, diattenuation, depolarization). This PhD thesis aims to achieve, for the first time, Mueller polarimetry through an optical fiber in order to allow in vivo in situ characterizations of biological tissues. The challenge is to overcome the uncontrollable perturbations induced by the optical fiber on the polarization states of the guided light. The investigated solution consists in deducing the polarimetric characteristics of the sample from the Mueller matrix of the fiber only (2 m long), and from that of the « fiber + sample » assembly, thanks to a specific mathematical processing. A fibered Mueller polarimeter, working in backscattering configuration has been specially designed. Two versions, based on either sequential or simultaneous measurements, were investigated and compared. Measurements of different sets of calibrated polarimetric components are in a very good agreement with the expected ones: discrepancies lower than 1.5°, 1° and 0.02 respectively have been found on retardance, relative orientations of birefringence eingenaxes and on linear and circular diattenuations. Very first Mueller polarimetric images of manufactured and biological samples (type I collagen) realized through an endoscopic optical fiber are also shown and discussed.