La grande cohérence temporelle du signal émis par un oscillateur laser, en comparaison aux autres sources lumineuses, constitue une des propriétés les plus remarquables du laser. Aujourd'hui, un grand nombre d'applications allant de la spectroscopie à la télédétection reposent sur un laser stabilisé, c'est-à-dire d'un laser mono fréquence dont la cohérence temporelle est améliorée par asservissement à une référence externe. Le développement des horloges atomiques optiques et des détecteurs d'ondes gravitationnelles, deux efforts de recherche de portée mondiale qui repoussent continuellement les limites technologiques, est par ailleurs étroitement lié aux progrès dans le domaine de la stabilisation laser. À ce jour, les signaux laser les plus cohérents ont été produits par asservissement à des cavités en espace libre de type Fabry-Perot hautement découplées d'un environnement de laboratoire contrôlé. Dans les cinquante dernières années, ces cavités ont été le sujet d'un intense effort de recherche par les principaux laboratoires de métrologie nationaux ; leur performance est présentement limitée par des fluctuations thermodynamiques de la taille des miroirs délimitant la cavité, une limite qui semble pour l'instant difficile à surmonter. Il y a un intérêt à étudier d'autres types de références externes, non seulement pour établir s'il est possible de vaincre la limite de stabilité actuelle en poussant le progrès dans une direction alternative, mais aussi parce que la complexité des meilleures cavités en espace libre les rend peu attrayantes dans toutes les applications pour lesquelles une stabilité laser record n'est pas requise. Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont unis sous le thème de l'optimisation des interféromètres à fibre optique. Ces interféromètres, tout comme les cavités Fabry-Perot qui ont fait l'objet d'une recherche beaucoup plus poussée, peuvent agir à titre de référence externe pour la stabilisation laser ; ils affichent une performance typiquement déterminée soit par le bruit de photodétection, soit par les fluctuations de longueur et d'indice de la fibre constituant le bras de délai dans une configuration Michelson ou Mach-Zehnder. Fondamentalement, la stabilité ultime d'un laser verrouillé à un tel interféromètre est limitée par les fluctuations d'origine thermodynamique du parcours optique dans la fibre, une limite qui est plus élevée que la limite analogue dans une cavité en espace libre dans la mesure où une fibre de silice conventionnelle est considérée. En comparaison, ces interféromètres fibrés sont toutefois plus simples à construire et à opérer. Les trois premiers articles présentés dans cette thèse s'intéressent au cas d'un interféromètre fibré limité par le bruit de photodétection. Cette condition est normalement atteinte lorsqu'une relativement courte fibre optique est utilisée. On y montre qu'une limite de stabilité fondamentale associée au bruit de grenaille peut être calculée. Surtout, on établit pour la première fois que cette limite peut être asymptotiquement atteinte peu importe la méthode de détection et le point d'opération utilisés, pour autant que deux conditions soient respectées : que tous les signaux interférométriques disponibles soient indépendamment enregistrés et combinés de façon optimale et que le caractère cyclostationnaire du bruit de grenaille soit soigneusement considéré pour la construction de la forme d'onde de démodulation (si le signal laser est modulé). On présente aussi une nouvelle méthode, similaire à la détection auto-hétérodyne, permettant de minimiser l'impact des bruits de photodétection d'origine technique et faciliter l'opération à la limite du bruit de grenaille. Les deux derniers articles de cette thèse s'intéressent plutôt au cas d'un interféromètre dont la performance est limitée par le bruit de longueur optique fondamental de la fibre, ce qui est pertinent pour une fibre de longueur intermédiaire. On y montre que des fibres à coeur creux récemment développées, les fibres antirésonantes, exhibent des propriétés les rendant utilisables aux fins de la stabilisation laser et potentiellement compétitives vis-à-vis des fibres conventionnelles et peut-être même des cavités en espace libre. En particulier, on démontre que ces fibres à coeur creux, lorsque évacuées, affichent un coefficient de rétrodiffusion Rayleigh qui est de quatre ordres de grandeur inférieur à celui d'une fibre conventionnelle ; leur bruit thermoconductif est aussi plus faible par 5 dB à 20 kHz et peut vraisemblablement être diminué davantage. De futurs travaux pourront confirmer si le bruit fondamental de ces fibres est aussi faible qu'envisagé pour les basses fréquences, ce qui permettrait de considérer leur utilisation pour faire véritable compétition aux cavités ultra-stables. / The great temporal coherence of the signal emitted by a laser oscillator, compared to other light sources, constitutes one of the most remarkable properties of the laser. Today, a large number of applications ranging from spectroscopy to remote sensing rely on a stabilized laser, that is, a single-frequency laser whose temporal coherence is improved by locking it to an external reference. The development of optical atomic clocks and gravitational wave detectors, two world-class research efforts that are constantly pushing technological boundaries, is also closely related to advances in laser stabilization. To this day, the most coherent laser signals have been produced by locking lasers to free-space Fabry-Perot cavities highly decoupled from a controlled laboratory environment. In the last fifty years, such cavities have been the subject of an intense research effort by the main national metrology laboratories; their performance is currently limited by thermodynamic fluctuations in the dimensions of the mirrors delimiting the cavity, a limit which currently appears difficult to overcome. There is an interest in studying other types of external references, not only to establish whether it is possible to beat the current stability limit by pushing progress in an alternative direction, but also because the complexity of the best free-space cavities makes them unattractive in all applications for which record stability is not required. The research work presented in this thesis is united under the theme of the optimization of fiber interferometers. Such interferometers, just like the Fabry-Perot cavities which have been the subject of much more extensive research, can act as an external reference for laser stabilization; they display a performance typically determined either by the photodetection noise or by the length and index fluctuations of the optical fiber constituting the delay arm in a Michelson or Mach-Zehnder configuration. Fundamentally, the ultimate stability of a laser locked to such an interferometer is limited by thermodynamic fluctuations of the optical path through the fiber, a limit which is higher than the analogous limit in a free-space cavity when a conventional silica fiber is considered. In comparison, however, these fiber interferometers are simpler to build and operate. The three first articles presented in this thesis focus on the case of a fiber interferometer limited by photodetection noise. This condition is normally reached when a relatively short optical fiber is used. It is shown that a fundamental stability limit associated with shot noise can be calculated. Most importantly, it is established for the first time that this limit can be asymptotically attained regardless of the detection method and the operating point that are used, provided that two conditions are met: that all available interferometric signals are independently recorded and combined in a optimal manner and that the cyclostationary nature of shot noise is carefully considered when constructing the demodulation waveform (if the laser signal is modulated). We also introduce a new method, similar to self-heterodyne detection, which allows the minimization of technical photodetection noise and facilitates shot-noise-limited operation. The last two articles of this thesis rather concern the case of an interferometer whose performance is limited by the fiber's fundamental optical path noise, which is relevant when the delay fiber is of intermediate length. It is shown that recently developed antiresonant hollow-core fibers exhibit properties that make them suitable for the purposes of laser stabilization and potentially competitive with conventional silica fibers and perhaps even free-space cavities. In particular, it is demonstrated that these hollow-core fibers, when evacuated, display a Rayleigh backscattering coefficient which is four orders of magnitude lower than that of a conventional fiber; their thermoconductive noise is also lower by 5 dB at 20 kHz and can likely be reduced further. Future work will confirm whether the fundamental noise of these fibers at low frequencies is as low as currently anticipated, which would allow their consideration to truly compete with ultra-stable free-space cavities.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 août 2023) / Le réseau échelle est un élément important de la spectroscopie astronomique du fait de ses caractéristiques qui le différencient des autres réseaux de diffraction tels que sa plus grande résolution spectrale ainsi que sa plus grande dispersion angulaire. Le réseau échelle est donc très utilisé comme élément dispersif dans les spectromètres. De ce fait, il est important que le réseau soit construit avec assez de précision pour que ses performances atteignent celles attendues pour son utilisation. Mon projet porte sur le développement d'un banc de test qui permet de mesurer le pas d'un réseau afin de pouvoir s'assurer de la qualité de sa fabrication. Cette méthode utilise un interféromètre de Fizeau ainsi qu'une platine rotative. La platine rotative permet de trouver la position angulaire d'un ordre précis en configuration Littrow alors que l'interféromètre permet d'apporter des corrections dans les calculs qui permettent une plus grande précision. Ensuite, les données ont été traitées avec des méthodes de calculs à partir des mesures directes ou en passant par une optimisation qui permet d'obtenir des résultats plus précis. Ces méthodes de traitement des données se sont avérées efficaces pour calculer le pas du réseau, quoique celles avec optimisation le sont nettement plus que la méthode directe. Enfin, les corrections obtenues avec l'interféromètre ont eu peu d'impact, sauf pour la correction de l'échelle dans son axe de dispersion. / The echelle diffraction grating is a crucial component in astronomical spectroscopy because of its characteristics that differenciate it from other diffraction gratings like its greater spectral resolution and its greater angular dispersion. Echelle grating are often used as the dispersive element in spectrometers. Therefore, making sure the echelle grating's fabrication was with enough precision is important for the echelle to perform at the expected performance for its utilization. My project is about designing a testing bench to measure the grooves length of an echelle grating to characterized the precision of its fabrication. This method used a Fizeau's interferometer and a rotating plate. The rotating plate allows to find the angular position of a specific order in the Littrow configuration while the interferometer allows to perform corrections in the calculation for a better precision. Then, the data will be processed with different methods of calculation which use the measures directly or after those measures has been optimized for more precise results. Those methods appear to be efficient to calculate the grooves density but the method with optimisation is more accurate than the direct method. Finally, the corrections done with the interferometer didn't yield a great impact on the result except for the correction of the echelle in the axis of dispersion.

La segmentation des miroirs semble être l'unique solution envisageable pour les très grands télescopes. Pour obtenir la qualité d'image nécessaire aux programmes scientifiques astronomiques, les erreurs d'alignement des segments doivent être réduites à la dizaine de nanomètres. Cette thèse présente une nouvelle technique pour le co-phasage des miroirs segmentés basée sur un interféromètre de Mach-Zehnder comportant un filtre spatial dans un des bras. Les perturbations atmosphériques sont éliminées si la taille de filtre est de l'ordre de la tache de seeing. L'étude a été divisée en trois niveaux: étude analytique, simulation numérique et approche expérimentale. La performance de cette technique a été étudiée pour des cas réalistes en considérant les effets de bords, le bruit de photon et les caractéristiques du détecteur. Une comparaison de trois nouvelles techniques de co-phasage est aussi présentée. Cette technique semble être un des candidats les plus prometteurs pour des grands télescopes segmentes.

Les interféromètres de type Mirau sont largement utilisés dans les profilomètres et vibromètres optiques 3D plein champ et d’autres applications dans les domaines de la biologie et de la médecine ont été démontrées. Quand elle a été débutée, cette thèse était la première tentative de réalisation d’interféromètres Mirau entièrement intégrés et accordables en technologie microsystèmes électromécaniques (MEMS) silicium. La conception proposée est fondée sur l’intégration hybride 3D d’un wafer de scanners hors plan de micromiroirs de référence et d’un wafer de séparatrices de faisceaux optiques. La nouveauté majeure de la conception du scanner de miroir est l’utilisation de microactionneurs à peignes électrostatiques verticaux autoalignés réalisés à partir de wafers double Silicium sur Isolant (DSOI). Les modélisations semi-Analytiques et les simulations électromécaniques par éléments finis ont démontré que la combinaison de cet actionnement électrostatique avec des ressorts en serpentins optimisés permet d’obtenir une translation de grande course, bidirectionnelle et symétrique (+/-20µm) du miroir de référence. Un procédé de fabrication original de ce scanner de miroir, reposant largement sur la gravure ionique profonde (DRIE) et des techniques innovantes de délimitation de motifs avec des films secs photosensibles, a été étudié, et les principales étapes critiques de fabrication ont été démontrées avec succès avec des substrats de Si, SOI et DSOI commetciaux. La séparatrice semi-Réfléchissante large bande a été conçue pour être réalisée par une technologie de fabrication de membranes diélectriques multicouches SiO2/SiNx développée précédemment à l’IEF. L’assemblage des wafers de scanners de miroir et de séparatrices sera étudiée dans l’avenir pour obtenir des matrices d’interféromètres Mirau accordables permettant des mesures parallélisées d’interférométrie à décalage de phase ou d’interférométrie faiblement cohérente à balayage dans différentes gammes de longueurs d’onde. / Mirau-Type interferometers are widely used in full field optical 3D profilometers and vibrometers and other applications in biology and medicine fields have been demonstrated. When it was started, this thesis was the first attempt towards the realization of a fully integrated and tunable Mirau interferometer in silicon MEMS technology. The proposed design is based on 3D hybrid integration of an out-Of plane reference micro-Mirror scanner wafer and a optical beam splitter wafer. The major novelty of the micro-Mirror scanner design is the use of self-Aligned vertical electrostatic combs micro-Actuators made from double SOI (DSOI) wafers. Electromechanical modeling by semi-Analytical modeling and finite element simulations demonstrated that the combination of this electrostatic actuation with optimized serpentine suspension springs allows a large range, bidirectional and symmetrical vertical translation (+/-20µm) of the reference mirror. An original fabrication process of this mirror scanner, largely relying on Deep Reactive Ion Etching and on innovative patterning techniques with dry photosensitive films, was investigated, and the main critical fabrication steps were successfully demonstrated with commercial Si, SOI and DSOI substrates. The semi-Reflective broadband beam splitter was designed to be realized by a dielectric SiO2/SiNx multilayer membrane technology previously developed at IEF. Assembly of the mirror scanner and the beam splitter wafers will be investigated in the future to obtain integrated tunable Mirau interferometer arrays allowing parallelized phase shifting interferometry and low coherence scanning interferometry measurements in various wavelength ranges.

Longtemps cantonnées au visible et au proche IR, des nanostructures résonantes sont à présent réalisées dans l’IR, notamment en vue d'applications spectroscopiques. Pour étudier la réponse de ces nanostructures des moyens de caractérisation spécifiques doivent être mise en œuvre. Nous considérons la réponse IR de nano-structures et développons des outils à même de les caractériser. Nous nous sommes intéressés à des échantillons pouvant présenter des modes localisés de surface associés à des Plasmons Polaritons au sein de semiconducteurs fortement dopés ou des Phonons Polaritons dans des matériaux semiconducteurs polaires comme SiC. Cette étude a été menée d’abord en champ lointain (Spectroscopie à Transformée de Fourier et analyse Kramers-Kronig) pour étudier la réponse collective des nanostructures. Nous montrons que la fonction diélectrique de l’échantillon structuré peut être représentée par un oscillateur de Lorentz amortit modifié. Une permittivité effective est aussi déterminée par l’emploi de matrices de transfert pour rendre compte de la réflectivité complexe. L’étude en champ proche permet ensuite d’obtenir une réponse individuelle des structures. Nous développons ici une méthode d’extraction novatrice de l’amplitude et de la phase du signal avec un rapport signal à bruit optimum. Après avoir théoriquement et expérimentalement démontré la pertinence de l’approche, la signature de SPP localisés a pu être observée par des cartographies de champ complexe en fonction de la longueur d’onde. Les images obtenues sont confrontées à des simulations électromagnétiques et discutées / We studied the response of a nano-structured material to an IR electromagnetic excitation. For a given geometry, this response is dictated by the dielectric function to which phonons and free carriers contribute. In case of defect-free semiconductors the phonon response is the dominant term; however when we consider doped semi-conductors the plasmon response plays a major role. In both case, the permittivity functions can be negative with small losses which permits a resonant coupling between the surface modes and the electromagnetic excitation. Our work focuses on the development of experimental tools to analyze both SPP and SPhP. This study was conducted in the far-field regime to see a collective response and in the near-field regime to study nano-structures individually. In far-field, the experimental spectroscopic response of the material was conducted by Fourier Transform Infrared Reflectivity and Kramers-Kronig analysis. Quantitative information on the dielectric function was extracted using a modified Lorentz damped oscillator to fit the reflectivity. An effective permittivity is also retrieved using a transfer matrix method. The near-field study was done in a two-step procedure. The first step was the development of an innovative detection technique with optimum signal to noise ratio. The second step was the implementation of this technique to NSOM after proving its success. LSPP were detected using the developed NSOM. A spectroscopic study was performed as well. Experimental results were compared to theoretical ones obtained with electromagnetic simulations

Ce travail présente une caractérisation de la turbulence dans la région du Trapèze de la nébuleuse d’Orion. Les raies observées sont Hα, [OIII] et le doublet du [SII], ce dernier permettant aussi d’obtenir la densité électronique. Le traitement de données d’interférométrie de Fabry-Pérot permet d’obtenir une carte des vitesses radiales dans le gaz pour chaque raie. Une technique d’homogénéisation présentée par Lagrois & Joncas (2011) utilisant un filtre de type Zurflueh a permis de mettre en évidence les fluctuations de vitesse provenant de la turbulence. L’analyse statistique des vitesses à l’aide des fonctions d’autocorrélation et de structure ont permis d’obtenir l’exposant de Kolmogorov γ pour chacun des ions. En Hα et en [OIII], l’exposant (~ 1/2) est typique d’une turbulence supersonique avec ondes de choc tandis qu’en [SII], l’exposant (~ 1/3) est typique d’une turbulence subsonique sans choc. De plus, l’étude de l’histogramme des fluctuations de vitesse a permis de localiser des zones où on retrouve de l’intermittence dans la turbulence.

Un spectromètre imageur pour l'astronomie conçu spécifiquement pour être utilisé au télescope de 1.6 m de l'observatoire du mont Mégantic a été réalisé sur la base d'un interféromètre de Michelson. Un spectre pour chacun des quelques 1.4 millions de pixels que contient l'image peut être obtenu par le calcul de la transformée de Fourier des interférogrammes. Ceux-ci sont recueillis sous la forme d'une série d'images panchromatiques de la scène prises à différentes valeurs équidistantes de différences de parcours optiques dans l'interféromètre. Cette façon de faire confère à l'instrument un caractère distinctif dans l'ensemble des concepts de spectromètres imageurs existants puisque, pour la totalité de la mesure, toute la lumière de la scène dans le champ de vue alloué au détecteur est captée et ce pour la pleine étendue spectrale de celui-ci. Ce pouvoir de collection de lumière inégalé présente à la fois des avantages et des inconvénients qui sont discutés dans le présent document. L'instrument, baptisé SpIOMM, qui résulte de ces travaux est au moment de sa mise en service le premier du genre au monde à produire des résultats scientifiques dans la bande du visible (350 - 900 nm).

Les verres chalcogénures sont des matériaux optiques connus depuis 50 ans. Ils sont fortement non-linéaires, transparents dans l'infrarouge et photosensibles à la lumière visible. Grâce à des percées récentes du côté des procédés de fabrication, leurs applications dans divers domaines sont devenus possibles, notamment dans les capteurs biochimiques, le guidage de sources infrarouges de haute puissance, la fabrication de sources infrarouges et dans les bascules optiques. Ce mémoire présente les résultats de travaux de recherche réalisés sur les fibres chalcogénures de AS₂S₃, notamment dans la conception de réseaux à longs pas (LPG), photo-induits et mécaniquement induits. Premièrement, une revue bibliographique présentant les propriétés et les applications des fibres en verre chalcogénures est fournie. Ensuite, une brève introduction sur la théorie des fibres optiques et des réseaux LPG est développée, pour finalement présenter les résultats expérimentaux. Ces derniers portent sur les observations des effets photo-induits, et sur la fabrication et la caractérisation, à la fois, des réseaux LPG mécaniquement induits, des interféromètres Mach-Zehnder utilisant deux réseaux LPG en série, et d'un réseau LPG photo-induit.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Cette thèse traite de lasers à fibre multilongueurs d'onde fabriqués en inscrivant des réseaux de Bragg superstructurés de type "Fabry-Perot distribué" dans une fibre photosensible codopée à l'erbium et à l'ytterbium. Ce type de laser multilongueur d'onde se distingue des autres approches proposées dans la littérature par sa simplicité : en plus du réseau de Bragg superstructuré inscrit à même la fibre de gain, seuls une diode laser de pompe et un coupleur d'injection de pompe sont requis pour produire un peigne formé de plusieurs raies laser monomodes espacées de 50 GHz ou de 100 GHz. Ces lasers multilongueurs d'onde pourraient éventuellement être utilisés pour certaines applications de tests et mesures dans le domaine des télécommunications optiques en plus d'avoir un potentiel pour l'interrogation de capteurs à fibre optique requérant des lasers à faible largeur de raie. Cette thèse comporte plusieurs volets. Premièrement, les lasers multilongueurs d'onde sont étudiés en utilisant un modèle théorique combinant un modèle de gain d'une fibre codopée à l'erbium et à l'ytterbium avec un modèle de réseau de Bragg utilisant la théorie des modes couplés. Cette modélisation a permis de démontrer que ces lasers sont en fait des cascades ultra-compactes de courtes cavités laser monomodes. Par la suite, nous présentons les détails de la fabrication des lasers. Nous démontrons que l'uniformité en puissance et en fréquence des lignes du laser est limitée principalement par l'uniformité du profil d'indice effectif moyen photoinscrit le long du réseau. Nous avons aussi effectué une caractérisation détaillée des fluctuations de puissance des lignes laser. Ces fluctuations sont non corrélées, ce qui peut être expliqué par le fait que les cavités laser correspondant à chacune des lignes sont spatialement réparties. En outre, nous avons montré qu'il est possible d'éteindre temporairement certaines lignes du laser au moyen de fils chauffants placés contre la fibre et ainsi obtenir un laser reconfigurable. Finalement, l'étude détaillée de la fabrication des réseaux de Bragg superstructurés a permis d'identifier qu'il était nécessaire de tenir compte de la dynamique de la diffusion du deuterium afin de décrire la croissance de réseaux de Bragg à fort changement d'indice.

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.