Les contraintes imposées par les environnements extrêmes dans lesquels nous désirons aujourd'hui employer les spectromètres par transformation de Fourier, notamment pour la télédétection et l'exploration spatiale, motivent la mise au point d'algorithmes de traitement des données qui permettent de tirer profit au mieux des technologies en constante évolution. Cette thèse vise donc à faire progresser davantage la modélisation et l'algorithmique en spectrométrie par transformation de Fourier. Plus spécifiquement, nous nous sommes intéressé aux effets physiques et aux algorithmes ayant une incidence sur le profil d'une raie spectrale tel qu'il est restitué par l'instrument. Nous avons commencé notre étude en nous penchant sur le principal effet de convolution intervenant dans le traitement algorithmique des données: les fenêtres d'apodisation. Nous exposons une nouvelle méthode de contrôle flexible du profil spectral des fonctions d'apodisation. Nous introduisons ensuite les concepts propres à la déconvolution à l'aide de la correction de phase et de l'étalonnage complexe. Un modèle radiométrique rigoureux de la fonction d'appareil (ILS) de la source jusqu'au détecteur est présenté, tenant compte des pupilles du système optique. Il permet de déduire les conditions pour lesquelles la fonction d'appareil obéira à l'effet d'échelle, c'est-à-dire un élargissement de l'ILS au fur et à mesure que le nombre d'onde augmente. Nous établissons la forme discrète des équations liant la fonction d'appareil et les mesures sous une forme matricielle en tenant compte de la fonction de résolution sinus cardinal. Les propriétés propres à cette forme discrète mèneront à la construction efficace et précise d'une matrice d'ILS et à l'établissement des conditions d'inversion de la fonction d'appareil. Nous avons développé également un algorithme rapide qui permet d'intégrer numériquement la fonction d'appareil à une densité spectrale théorique pour reproduire la mesure d'un spectromètre. Finalement, nous poursuivons la modélisation de la fonction d'appareil par une étude de cas: le spectromètre par transformation de Fourier non compensé. Cette configuration de spectromètre nous permet d'introduire la phase due à la dispersion comme nouvelle caractéristique de la fonction d'appareil.

Le détecteur Virgo est constitué d'un interféromètre de Michelson avec des cavités Fabry-Perot de 3 km de long dans les bras et utilise la technique du recyclage de la puissance. Il a pour but la détection directe des ondes gravitationnelles émises par des sources astrophysiques. Le système d'injection Virgo est constitué essentiellement d'une cavité triangulaire de 144 m appelée le mode cleaner, son rôle est de filtrer et de contrôler le faisceau d'entrée. Le miroir suspendu de la cavité est très léger (360 g) ce qui peut le rendre sensible à la pression des photons. J'ai développé des programmes de simulations pour une cavité triangulaire avec tous les contrôles identiques au mode cleaner de Virgo réel. Ces programmes peuvent être utilisés pour d'autres études. Une partie de la thèse est consacrée à<br />voir les effets de la pression de radiation sur le verrouillage longitudinal de la cavité, les effets du ressort optique angulaire etc. Dans une autre partie de la thèse j'observe les effets de la pression de radiation dans les bras de Virgo et l'existence des effets du ressort optique sur les degrés angulaires qui n'empêchent pas le bon fonctionnement de l'alignement. Enfin, je décris ma participation dans la recette de Virgo, qui consiste essentiellement à travailler sur les contrôles du système d'injection et leurs optimisations.

cette thèse porte sur l'étude d'un accéléromètre à ondes de matière fonctionnant à bord d'un avion effectuant des vols paraboliques et permettant des expériences en micro-gravité (0-g). Un interféromètre à atomes de 87Rb refroidis par laser, et dont les états quantiques sont manipulés à l'aide de transitions Raman stimulées, constitue l'élément physique du capteur. Lors de la conception du dispositif expérimental, un effort particulier a été apporté au choix d'une source laser transportable, stable, et robuste. Nous démontrons pour la première fois le fonctionnement aéroporté d'un senseur inertiel à ondes de matière, à la fois en 0-g et durant les phases de gravité des vols (1-g). Nous proposons une technique combinant le signal de l'interféromètre à celui d'accéléromètres mécaniques auxiliaires pour effectuer des mesures au dela de la dynamique intrinsèque du capteur atomique. Nous expliquons comment bénéficier du haut niveau de sensibilité de l'interféromètre dans l'avion, et indiquons des voies d'améliorations significatives de notre dispositif pour le futur. En 0-g, nous montrons une amélioration de la sensibilité de l'accéléromètre jusque 2 x 10-4 m.s-2 à une seconde, et étudions une réjection des vibrations de l'avion à l'aide d'un interféromètre à quatre impulsions Raman. L'objectif de notre projet consiste en un test du principe d'universalité de la chute libre avec un double accéléromètre à atomes de 87Rb et de 39K. Notre système laser double-espèce emploie des composants optiques fibrés aux longueurs d'onde de 1.56 et 1.54 μm, ainsi qu'un doublage de fréquence pour obtenir la lumière utile à 780 et 767 nm pour le refroidissement et la manipulation des deux atomes. Nous étudions théoriquement la sensibilité d'une mesure de leur différence d'accélération en tenant compte des vibrations de l'avion, et précisons comment une résolution de l'ordre de 10-10 m.s-2 pourra être atteinte dans le futur avec notre expérience aéroportée.

Aujourd'hui, la préoccupation croissante pour l'analyse environnementale et le contrôle de la qualité des aliments, ainsi que les besoins médicaux tels que le diagnostic rapide en cas de situations d'urgence, entraîne un besoin croissant de nouvelles générations de capteurs chimiques et biologiques. Ces dispositifs doivent avoir une haute sensibilité et fiabilité, ils doivent permettre une détection spécifique de molécules et une détection parallèle de différentes molécules, tout en étant bas coût, portables, rapides et faciles à utiliser. Ainsi, une tendance générale se porte sur les capteurs biochimiques intégrés sur puce, sans marqueur, et compatibles avec les procédés standard des micro-technologies. Les dispositifs diélectriques photoniques à base de silicium poreux et les nanostructures métalliques à résonances plasmoniques sont de bons candidats pour répondre aux exigences ci-dessus. Le silicium poreux est un matériau biocompatible, avec une énorme surface spécifique entrainant un gain de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux matériaux massifs ; en outre, son indice de réfraction et son épaisseur peuvent être facilement ajustés, permettant la réalisation d'une grande variété de dispositifs photoniques. Les nanostructures métalliques offrent un fort confinement et une forte amplification du champ électromagnétique dans des régions sub-longueur d'onde, ce qui conduit à des sensibilités élevées ; combinées avec d’autres mécanismes de détection comme la fluorescence, le Raman ou la spectroscopie IR, elles ont déjà démontré un gain important du potentiel pour la détection. La réalisation d'un dispositif hybride combinant ces deux éléments est très intéressant, car il peut offrir les avantages des deux éléments ; la structure photonique pourrait aussi façonner la résonance plasmonique pour le développement de dispositifs ultrasensibles à largeur de raie de résonance étroite tout en ayant une profondeur de détection accrue. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'explorer les défis de cette solution en considérant la conception, la réalisation, la caractérisation et le potentiel de dispositifs hybrides photoniques/plasmoniques qui exploitent le couplage entre la résonance plasmonique de surface localisée d'un réseau d'antennes papillon et les modes photoniques d'un interféromètre en silicium poreux. / Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure – the interferometer and the NA array – could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program “Groups of Five Ecoles Centrales” between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL.

L'instrumentation Cigale basé sur un interféromètre de Perot-Fabry permet d'obtenir une spectroscopie de la raie H alpha dans un grand champ. Cette instrumentation est utilisée sur un petit télescope pour observer la galaxie et le Petit Nuage de Magellan pour comprendre leur structure tridimensionnelle. Nous présentons un multispectromètre a dispersion croisée permettant de couvrir le domaine spectral d'un réseau avec la grande résolution spectrale du Perot-Fabry, et ceci simultanément pour les différents points d'une source bidimensionnelle. Il est integral de champ (au sens de Courtes 1987), par la trame de lentilles qui permet d'isoler des points contigus d'une image. Il est multicanal, intégral spectral (au sens de Chabbal 1958), car il permet d'obtenir tous les éléments spectraux au cours du balayage pas à pas d'un seul ordre du Perot-Fabry. Pour 40 canaux de balayage, on obtient simultanément 400 spectres de résolution spectrale R30000 sur un domaine de 200 NM environ dans le visible pour un récepteur de 20002000 éléments.

: cette thèse porte sur l’étude d’un accéléromètre à ondes de matière fonctionnant à bord d’un avion effectuant des vols paraboliques et permettant des expériences en micro-gravité (0-g). Un interféromètre à atomes de 87Rb refroidis par laser, et dont les états quantiques sont manipulés à l’aide de transitions Raman stimulées, constitue l’élément physique du capteur. Lors de la conception du dispositif expérimental, un effort particulier a été apporté au choix d’une source laser transportable, stable, et robuste. Nous démontrons pour la première fois le fonctionnement aéroporté d’un senseur inertiel à ondes de matière, à la fois en 0-g et durant les phases de gravité des vols (1-g). Nous proposons une technique combinant le signal de l’interféromètre à celui d’accéléromètres mécaniques auxiliaires pour effectuer des mesures au dela de la dynamique intrinsèque du capteur atomique. Nous expliquons comment bénéficier du haut niveau de sensibilité de l’interféromètre dans l’avion, et indiquons des voies d’améliorations significatives de notre dispositif pour le futur. En 0-g, nous montrons une amélioration de la sensibilité de l’accéléromètre jusque 2 x 10-4 m.s-2 à une seconde, et étudions une réjection des vibrations de l’avion à l’aide d’un interféromètre à quatre impulsions Raman. L’objectif de notre projet consiste en un test du principe d’universalité de la chute libre avec un double accéléromètre à atomes de 87Rb et de 39K. Notre système laser double-espèce emploie des composants optiques fibrés aux longueurs d’onde de 1.56 et 1.54 μm, ainsi qu’un doublage de fréquence pour obtenir la lumière utile à 780 et 767 nm pour le refroidissement et la manipulation des deux atomes. Nous étudions théoriquement la sensibilité d’une mesure de leur différence d’accélération en tenant compte des vibrations de l’avion, et précisons comment une résolution de l’ordre de 10-10 m.s-2 pourra être atteinte dans le futur avec notre expérience aéroportée. / This thesis reports the study of a matter-wave accelerometer operated aboard a 0-g plane in ballistic flights. The acceleration measurements are performed with a cold 87Rb atom interferometer using stimulated Raman transitions to manipulate the quantum states of the atoms. When designing the instrument, we took special care to make the laser source transportable, robust, and stable. With our setup, we demonstrate the first operation of a matter-wave inertial sensor aboard a plane, both in 0-g and during the gravity phases of the flights (1-g). Thanks to additional mechanical accelerometers probing the coarse inertial effects, we are able to detect acceleration fluctuations much greater than the intrinsic measurement range of the interferometer. We explain our method to benefit from the full sensitivity of the matter-wave sensor in the plane, and suggest significant improvements of our system for the future. In 0-g, we show the enhancement of the accelerometer sensitivity up to 2 x 10-4 m.s-2 in one second, and investigate a rejection of the vibrations of the plane with a four Raman pulses interferometer. The goal of our project is to perform a test of the universality of free fall with two atom accelerometers using 87Rb and 39K. The laser system for the two-species interferometer is based on fiber optical components at wavelengths of 1.56 and 1.54 μm, and optical frequency doubling to generate the useful light at 780 and 767 nm to cool and manipulate the atoms. We study theoretically the sensitivity of the differential acceleration measurement by taking into account the vibrations of the plane, and discuss how a resolution of the order of 10-10 m.s-2 could be achieved in the future with our airborne experiment.

Ce travail de thèse est dédié à l'étude de quelques phénomènes de surface impliquant des processus d'interactions à l'échelle nanométrique. Les expériences sont réalisées à l'aide un microscope à force atomique (AFM) à grande sensibilité, utilisant un interféromètre différentiel permettant d'atteindre une résolution de E-28m2/Hz dans la mesure de la déflexion de la sonde de force. Combiné à une approche originale d'analyse du bruit thermique, cet outil permet une caractérisation quantitative de la réponse mécanique de systèmes de taille micrométrique et nanométrique, tel que des micro-leviers ou des nanotubes de carbone, sur une large plage de fréquence.La première partie de mon travail porte sur la viscoélasticité du revêtement de leviers AFM. Mis en évidence par un bruit thermique en 1/f à basse fréquence, ce phénomène est présent lorsque le micro-levier est recouvert d'une couche nanométrique de métal (or, aluminium, platine, etc.) À l'aide du théorème fluctuation-dissipation et des relations de Kramers-Kronig, nous mesurons la dépendance en fréquence de cet amortissement viscoélastique dans une large gamme de fréquence (1Hz à 20 kHz. Nous observons une dépendance en fréquence générique sous la forme d'une loi de puissance pour ce processus de dissipation, avec un petit coefficient négatif qui dépend du matériau considéré. L'amplitude de cet effet est linéaire avec l'épaisseur du revêtement, démontrant ainsi que le mécanisme de dissipation est une propriété du volume de la couche métallique plutôt que de ses interfaces.La deuxième partie de mon travail se concentre sur de nouvelles expériences sur l'interaction de nanotubes de carbone avec des surfaces planes. En utilisant notre AFM, nous réalisons une mesure directe de la réponse mécanique (raideur, dissipation) du contact entre le nanotube et la surface, dans une géométrie de pelage (le nanotube est partiellement adsorbé sur la surface). Les résultats de ce protocole sont en accord avec la mesure de la raideur dynamique déduite de l'analyse du bruit thermique, démontrant une dépendance inattendue en loi de puissance de la raideur du contact en fonction de la fréquence. Nous proposons quelques origines physiques possibles pour expliquer ce comportement, tel qu'une couche de carbone amorphe autour du nanotube. / In this thesis, we test some interactions involving surfaces processes at the nanometer scale. The experiments are conducted with a highly sensitive interferometric Atomic Force Microscope (AFM), achieving a resolution down to E-28m2/Hz for the measurement of deflection. Combined with original thermal noise analysis, this tool allows quantitative characterization of the mechanical response of micrometer and nanometer sized systems, such as microcantilevers or carbon nanotubes, on a large frequency range.The first part of my work deals with the viscoelasticity of the coating of AFM cantilevers. Evidenced by a 1/f thermal noise at low frequency, this phenomenon is present when a cantilever is coated with a metallic layer (gold, aluminium, platinium, etc...). Using the fluctuation dissipation theorem and Kramers Kronig relations, we extract the frequency dependance of this viscoelastic damping on a wide range of frequency (1Hz to 20kHz). We find a generic power law dependence in frequency for this dissipation process, with a small negative coefficient that depends on materials. The amplitude of this phenomenon is shown to be linear in the coating thickness, demonstrating that the damping mechanism takes its roots in the bulk of the metallic layer.The second part of my work tackles new experiments on the interaction of carbon nanotubes with flat surfaces. Using our AFM, we perform a true mechanical response measurement of the rigidity and dissipation of the contact between the nanotube and the surface, in a peeling configuration (the nanotube is partially absorbed to the substrate). The results of this protocol are in line with the dynamic stiffness deduced from the thermal noise analysis, showing an unexpected power law dependence in frequency for the contact stiffness. We suggest some possible physical origins to explain this behavior, such as an amorphous carbon layer around the nanotube.

Cette thèse rapporte le développement d'un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s'inscrit dans le courant d'intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s'intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L'obtention d'une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s'appuie sur un système de modulateurs acousto-optiques en double passage. Le troisième chapitre s'attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d'élargissement collisionnel de raies de l'eau par le diazote, le dioxygène et l'air.

L'apparition des dernières applications de l'internet à haut débit engendre une augmentation importante des échanges d'informations à travers le monde. Pour éviter une saturation inexorable du réseau de télécommunications, les liaisons par fibre optique avec multiplexage en longueur d'onde (DWDM) se généralisent pour permettre la transmission de données avec un débit actuel maximum de 1Tbit/s. L'aiguillage en longueur d'onde des signaux entre les différentes boucles de ce type de réseau est réalisé à l'aide de Multiplexeurs Insertion- Extraction (MIE). Ce mémoire est consacré à l'étude et à la réalisation de deux MIE réalisés par photoinscription de réseaux de Bragg (=filtres sélectifs en longueur d'onde photoinscrits par un champ d'interférence de lumière laser UV) dans des guides optiques à coeur dopé en germanium. Le premier MIE étudié lors de cette thèse est réalisé sur la base d'un coupleur directif en optique intégrée SiO2/Si dans la zone de couplage duquel deux réseaux de Bragg ont été photoinscrits. Le travail a consisté à améliorer à la fois la fabrication des guides optiques (diminution de leur biréfringence) ainsi que leur photoinscription (meilleure apodisation de la réponse spectrale du spectre réfléchi). La conception et la réalisation de premiers prototypes permettant l'extraction de canaux espacés de 200 GHz ont alors pu être effectuées. La deuxième étude se concentre, quant à elle, sur l'optimisation d'un MIE plus mature basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder à réseaux de Bragg réalisé en fibre bicoeur. L'influence néfaste du déphasage engendré par les réseaux de Bragg sur la réponse spectrale de l'interféromètre a été discutée et minimisée. La reconstruction de la dispersion chromatique de ces réseaux via la réponse spectrale de l'interféromètre a aussi été étudiée. Des composants industrialisables pour réseaux d'espacements intercanaux de 100 GHz et 50 GHz ont alors pu être réalisés.

Connaître en détail la structure interne d'un corps suppose une analyse sismique. La structure interne de Jupiter reste mal contrainte par les observations. Ce travail de these s'inscrit dans deux projets instrumentaux, conçus pour la sismologie jovienne : JOVIS, un projet de photométrie spatiale et SYMPA un interféromètre imageur multi-site. Le principe de JOVIS considère Jupiter tel un miroir réfléchissant la lumière solaire. Ce travail montre comment les nuages réagissent aux oscillations et présentent une amplification des variations relatives d'albédo d'un facteur 70. De telles variations sont mesurables depuis l'espace, par photométrie à haute précision. Le principe de SYMPA est la mesure du champ de vitesse, lié aux oscillations, par mesure du décalage Doppler. Trois campagnes ont été menées : les performances instrumentales sont conformes aux attentes et le dépouillement des données est en cours. Enfin, une méthode d'identification des modes d'oscillations dans un signal bruité a été développée.