Les pompes à électrons ont été très étudiées et fabriquées par le monde scientifique. Elles génèrent un courant continu proportionnel à une fréquence très bien contrôlée en métrologie. Dans ce contexte métrologique, des principes et matériaux divers comme la pompe en GaAs ou Silicium ou encore le tourniquet supraconducteur ont marqué les avancées. Bien que les courants générés sont toujours plus grands et précis, les exigences fixées pour la métrologie sont difficiles à atteindre et pour l'heure aucune pompe à électrons ne peut être utilisable pour la mise en pratique du futur ampère quantique qui sera probablement défini dans quelques années.Par ailleurs, des chercheurs ont créé des circuits associant des transistors FETs (transistors à effet de champ) et des transistors SETs (transistors mono-électroniques), notamment dans une optique d'une électronique très basse consommation.Cette thèse apporte une contribution nouvelle dans ces deux domaines : une nouvelle pompe à électrons en silicium a été développée, et une co-intégration de circuit CMOS classique avec un dispositif de nanoélectronique quantique a été démontré.Notre pompe à électrons repose sur le principe de deux barrières tunnel réglables et d'un îlot central. Au travers de la modulation des barrières à la fréquence f, la charge électrostatique de l'îlot central est contrôlée, un courant continu I=ef est généré; et ceci même avec une tension nulle aux bornes de la pompe. Nos pompes à électrons utilisent la technologie nanofils silicium-sur-isolant développée par le CEA-LETI. Le nanofil est recouvert de deux grilles (2 MOSFETs en série) pour les barrières réglables, et un îlot de Coulomb métallique de petite taille est « isolé » entre ces deux transistors. Nos échantillons à 100mK nous ont permis de montrer que nous étions capables de contrôler adiabatiquement l'état de charge de l'îlot quantique et de générer des courants quantifiés jusqu'à 900MHz. Nous avons aussi fabriqué les premières pompes à électrons en lithographique optique uniquement, avec pour ces dernières une fréquence maximale de pompage de 300MHz.Notre technologie de fabrication de SETs à grande échelle repose sur une réduction des tailles. Ces techniques n'ont que très rarement été couplées avec des circuits CMOS conventionnels mais fonctionnant à basse température. L'intérêt d'une telle co-intégration est grand dans le domaine de l'information quantique: la mise en place de beaucoup de qubits couplés pourrait nécessiter des circuits « annexes » réalisés en CMOS classique mais cryogénique.Nous avons conçu et fabriqué avec le LETI-DACLE un circuit co-intégrant un circuit oscillant composé de FETs de grandes dimensions et un circuit nanoscopique composé de SETs. Un circuit d'essai comprenant une pompe à électrons pilotée sur la puce par un circuit oscillant a été réalisé et mesuré à basse température.Nos résultats montrent que les circuits oscillants basés sur des oscillateurs en anneaux pour des applications à 300K restent fonctionnels jusqu'à 1K, malgré une très faible baisse de la fréquence d'oscillation. En parallèle, nous avons par la mesure de courant de rectification sur le dispositif nanoscopique mis en évidence que la cohabitation entre circuit FET et SET était réalisable et qu'il est possible d'imaginer un circuit complexe pour réaliser une pompe à électrons et son électronique associée sur une même puce.La conception de pompe à électrons par l'approche de la technologie SOI a montré sa viabilité, avec nos dispositifs potentiellement équivalents aux meilleures pompes crées jusqu'à présent. L'avantage du silicium et des techniques de fabrication modernes ont prouvé qu'il était possible de créer des circuits complexes alliant FET et SET pour des applications faisant intervenir des phénomènes quantiques. Ces travaux montrent le caractère prometteur de la co-intégration de circuits et ouvre la voie à de plus amples investigations dans la réalisation des pompes à électrons en silicium. / Electrons pumps have been extensively studied and manufactured by the scientific world. They generate a DC current proportional to a frequency very well controlled metrology. In this metrological context, the various principles and materials such as GaAs or Silicon pump or the superconducting turnstile have shown great progress. Although the generated level of currents are always higher and accurate, the requirements for the metrology are difficult to meet and for now no electron pump can be used for the realisation of the future quantum ampere that will probably be defined in a few years.Moreover, researchers have created circuits involving transistors FETs (field effect transistors) and transistors SETs (single-electron transistors), particularly to the purpose of a low consumption electronic.This thesis makes a further contribution in both areas: a new silicon electron pump was developed and co-integration of conventional CMOS circuit with a quantum nanoelectronics device was demonstrated.Our electron pump is based on the principle of two tuneable tunnel barriers and a central island. Through the modulation of the barriers at the frequency f, the electrostatic charge of the central island is controlled, a direct current I = ef is generated; and this even with a zero voltage bias across the pump. Our electron pumps use the nanowire technology silicon-on-insulator developed by CEA-LETI. The nanowire is covered with two gates (two MOSFETs in series) as adjustable barriers, and a small metallic Coulomb island is "isolated" between these two transistors. Our samples at 100mK demonstrated that we were able to control the quantum island charge state adiabatically and generated quantified currents up to 900MHz. We also produced the first electron pumps only achieved by optical lithography, with a maximum pumping frequency of 300MHz.Our large scale SETs manufacturing technology is based on the extreme size shrinking. These techniques have rarely been coupled with conventional CMOS circuits, when operating at low temperature. The interest of such co-integration is strong in the field of the quantum information: the establishment of many coupled qubits may require "additionnal" circuits made with classic CMOS but in cryogenic environnement.We designed and fabricated with the LETI-DACLE a co-integration of an oscillating circuit composed of large FETs circuit and a circuit made of nanoscopic SETs. A test circuit comprising an electron pump driven on chip by an oscillating circuit was created and measured at low temperature.Our results show that the oscillating circuit based on ring oscillators for 300K applications remain functional up to 1K, despite a very slight decay in the oscillation frequency. In parallel, by measuring a rectification current on the nanoscale device we demonstrated that cohabitation between FET circuit and SET was realistic and makes possible to imagine a complex circuit to achieve an electron pump and its electronic embedded on a single chip.The electron pump design by the approach of SOI technology has demonstrated its viability, potentially our devices are equivalent versus the best pumps created so far. The advantage of silicon and modern manufacturing techniques have proved that was possible to create complex circuits combining FET and SET for applications involving quantum phenomena. This work shows the promising nature of the co-integration circuits and opens the way for further investigation in the implementation of silicon electron pumps.

La course à la compétitivité que se disputent les industriels du semi-conducteur implique d’augmenter le nombre de fonctionnalités par puce ainsi que de réduire leur coût unitaire, ce qui se traduit par une diminution continue de leur taille. Pour ce faire, le DSA (Directed Self-Assembly), ou auto-assemblage dirigé des copolymères à blocs associe les techniques de lithographie conventionnelle avec les propriétés d’organisation à l’échelle moléculaire des copolymères. Dans ce cadre, l’objectif global de cette thèse est d’évaluer le potentiel d’industrialisation du DSA par grapho-épitaxie pour des applications de type « shrink » et « multiplication » de contacts. Il s’agit en particulier de démontrer la capacité de cette technique à répondre au cahier des charges de l’ITRS en termes d’uniformité de CD, de désalignement et de taux de défauts. Une première étude concernant le « shrink de contact », basée sur l’impact des propriétés matériaux, d’affinité de surface et de tailles de guides permet de comprendre les mécanismes qui rentrent en jeu dans l’apparition de défauts d’assemblage. Une seconde partie de l’étude porte sur la multiplication de contact. Pour adresser cette application, deux types de guides ont été étudié : les guides elliptiques et les guides complexes dits « peanut ». L’étude de la fenêtre de procédé en termes de paramètres procédé comme le temps et la température de recuit, mais aussi de commensurabilité, a été menée. Une attention particulière a été portée sur l’impact de la variation du guide sur le pitch final obtenu en DSA, dont les données expérimentales ont été corrélées avec des résultats de simulation. Les critères de réussite sont basés sur les performances lithographiques qu’il faut juger à travers une métrologie de pointe. Le développement d’une métrologie spécifique pour mesurer l’erreur de placement des contacts ainsi que leur pitch a été conduite. / The competitiveness-chasing in which industrial manufactures are involved, leads to an exponential increase in the number of functionalities per chips, as well as reducing their unit cost, which results in a continuous decrease of their size. To achieve this, DSA (Directed Self-Assembly) of block copolymers, combines conventional lithography techniques with the molecular-scale organizational properties of copolymers. In this framework, the overall objective of this thesis is to evaluate the industrialization potential of the DSA process by graphoepitaxy for contact hole shrink and contact multiplication applications. In particular, it is necessary to demonstrate the ability of this technique to meet the ITRS specifications in terms of CD uniformity, misalignment and hole open yield. A first study on contact shrink, based on the impact of material properties, surface affinity and guiding feature size, allows us to understand the mechanisms involved in the appearance of defects. A second part of the study deals with contact multiplication. To address this application, two types of guides have been studied: elliptical guiding patterns and more complex ones called "peanut". The study of the process window in terms of process parameters such as annealing time and temperature, but also commensurability was conducted. Particular attention was paid to guide size variation and its impact on DSA final pitch. Experimental data from this study were correlated with simulations. The success criteria are based on the lithographic performances that must be judged through advanced metrology. The development of a specific metrology to measure the placement error of contacts as well as their pitch was conducted.

Dans les noeuds technologiques avancés ainsi que les technologies dérivées, des règles de dessin de plus en plus aggressives sont nécessaires. Cela conduit à une complexification des structures dans les circuits intégrés actuels. De telles structures posent un défi important aux procédés de fabrication, notamment les étapes dites de patterning que sont la lithographie et la gravure. Afin d'améliorer et d'optimiser ces structures, les designers se basent sur les règles et connaissances qu’ont les ingénieurs de leurs procédés. Ces règles ont besoin d'être alimentées par des informations dimensionnelles et structurelles de plus en plus complexes : configurations de type bord arrondi, distance entre deux bouts de lignes, rétrecissement de ligne, etc. La métrologie doit évoluer afin que les ingénieurs soient capables de mesurer et quantifier les dimensions des structures les plus complexes dans le but d'estimer la variabilité de leur procédé. Actuellement la variabilité est principalement estimée à partir de données issues du suivi en ligne de structures simples car elles sont les seules à garantir une mesure robuste et reproductible. Mais, elles peuvent difficilement être considérées comme représentatives du procédé ou du circuit. Utiliser la métrologie par CD-SEM pour mesurer des structures complexes de manière robuste est un défi technique. La création de recettes de mesures est complexe, nécessite un temps non négligeable et ne garantit pas une mesure stable. Cependant, une quantité importante d'informations est contenue dans l'image SEM. Les outils d'analyses fournis par les équipementiers permettent aujourd'hui d'extraire les contours SEM d'une structure présente dans l’image. Ainsi, le CD-SEM prend des images et la partie métrologie est réalisée hors ligne afin d'estimer la variabilité. Cette thèse vise à proposer aux ingénieurs de nouvelles possibilités de métrologie dimensionnelle afin de l’appliquer pour le contrôle des structures les plus complexes. Les contours SEM sont utilisés comme source d’information et exploités pour générer de nouvelles métriques. / In advanced technological nodes as well as derived technologies, aggressive design rules are needed. This leads to a complexity of structures in the current integrated circuits. Such structures pose a significant challenge to chip manufacturing processes, in particular patterning steps of lithography and etching. In order to improve and optimize these structures, designers need to rely on the rules and knowledge that engineers have about their processes. These rules need to be fed by complex dimensional and structural information: corner rounding, tip to tip distances, line end shortening, etc. Metrology must evolve so that engineers are able to measure and quantify the dimensions of the most complex structures in order to assess the process variability. Currently the variability is mainly quantified using data from the inline monitoring of simple structures as they are the only ones to guarantee a robust and reproducible measurement. But, they can hardly be considered as representative of the process or the circuit. Using CD-SEM metrology to measure complex structures in a robust way is a technical challenge. The creation of measurement recipes is complex, time consuming and does not guarantee a stable measurement. However, a significant amount of information is contained in the SEM image. The analysis tools provided by the equipment manufacturers allow to extract the SEM contours of a structure present in the image. Thus, the CD-SEM takes images and the metrology part is performed offline to estimate the variability.This thesis offers engineers new possibilities of dimensional metrology in order to apply it for process control of complex structures. SEM contours are used as a source of information and used to generate new metrics.

Ce travail de recherche propose d'étudier l'architecture celtique sous l'angle de la métrologie et de la géométrie en se concentrant sur un corpus de quinze sites bien connus grâce à des fouilles extensives. Les sites traités dans le cadre de cette étude couvrent une vaste zone géographique, allant de la Grande-Bretagne à la République Tchèque. Ces études systématiques nous permettent de présenter un premier aperçu des techniques et des savoirs utilisés dans la construction des édifices à l'âge du Fer en Europe celtique. Cette thèse s'articule autour de trois chapitres. Le premier d'entre eux est consacré à la présentation des cadres de l'étude, des termes du sujet et des problématiques. Le second chapitre présente la méthodologie employée. Il se poursuit ensuite par l'étude détaillée des unités architecturales site après site et phase par phase. Une synthèse générale concernant la métrologie et la géométrie architecturale de l'âge du Fer constitue le dernier chapitre. Le second volume de ce travail rassemble l'ensemble des plans de sites et d'édifices traités dans le cadre de l'étude. / This thesis aims to study celtic architecture with a metrological and geometrical point of view. To do so, fifteen well excavated settlements were selected. These latter cover a large geographical scale, going from Great Britain to the Czech Republic. The systematic studie of these settlements allows us to offer a first glance of the techniques and knowledge used in the making of buildings during the iron Age in celtic Europe.This thesis contains three chapters. The first one presents the history of celtic architecture and metrological research, defines the terms of the study and questions to be answered. The second chapter is dedicated to the detailed analysis of the architectural units site by site and stage by stage after the presentation of the methodological aspects of this work. The third chapter consist in a synthesis about metrology and geometry during the iron Age. The second volume of this work gathers all the plans of each settlement and each building studied.

La radiométrie photothermique (PTR) est une technique standard qui mesure les propriétés thermiques en mesurant la réponse thermique d’un matériau à un échauffement optique. Le travail présenté ici développe la théorie PTR en prenant en compte la dépendance non linéaire des émissions thermiques par rapport à la température. Cette théorie PTR est explorée numériquement et expérimentalement dans ce travail en utilisant la dépendance non linéaire du rayonnement thermique en fonction de la température. Une technique de mesure de l'effusivité thermique et deux nouvelles techniques de pyrométrie sont développées et testées expérimentalement. La première technique de pyrométrie permet une mesure précise de l’augmentation de température lors d'une mesure PTR traditionnelle. Cela a de nombreuses applications lorsque l'échantillon est sensible à l’augmentation de température et peut être endommagé en raison d’une surchauffe. La deuxième technique de pyrométrie ne nécessite pas que l’émissivité soit connue, mesurée ou d’être basée sur l’hypothèse d’un corps gris. Cependant la mesure peut être fortement influencée par une erreur sur la bande passante des filtres optiques utilisés et elle est très sensible à toute non-linéarité dans le système de détection. À partir des résultats expérimentaux, des directives de conception sont fournies pour minimiser ces deux inconvénients. La troisième méthode développée permet une mesure directe et sans contact de l'effusivité thermique d'un matériau homogène. Ce type de mesure n'a encore jamais été réalisé avec d'autres techniques. Les résultats expérimentaux d'effusivité de cette technique montrent un excellent accord avec les valeurs de la littérature. / Photothermal radiometry (PTR) is a standard technique which measures thermal properties by measuring a materials thermal response due to optical heating. PTR measures the emitted thermal radiation from a sample to determine the thermal response. The work presented here further develops the PTR theory by including the nonlinear dependence of thermal emission with respect to temperature. This more advanced PTR theory is numerically and experimentally explored in this work. A thermal effusivity measurement technique and two new pyrometry techniques are developed and experimentally tested using the nonlinear dependence in the PTR theory. The first pyrometry technique allows for accurate temperature measurement during a traditional PTR measurement. This has many applications when the sample is sensitive to an increase in temperature and possibly damaged due to overheating. The second pyrometry technique does not require emissivity to be known, measured, or rely on a gray body assumption. The measurement can be influenced greatly by any error in the bandwidth of optical filters used in the measurement, and it is very sensitive to any nonlinearity in the detection system. From the experimental results, design guidelines are provided to minimize these two drawbacks of the technique for future exploration. The direct thermal effusivity measurement developed allows for a non-contact, direct measurement of thermal effusivity of a homogenous material. This type of measurement has not been achieved with any other technique. The experimental effusivity results from this technique show excellent agreement with literature values.

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM. / Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.

The purpose of the present research is to develop and apply an experi- mental technique for measuring the size of nanoparticles and nanodroplets in a flow environment. The developed non-intrusive, optical method is called Light Extinction Spectroscopy (LES) and it allows to determine the size of particles from measuring their light transmission spectrum on the Ultraviolet-Near-Infrared range. The most crucial part of the develop- ment work is to obtain a reliable data processing method, which is based on the regularized solution of an ill-conditioned inverse problem. The de- veloped method is first tested using synthetic data, which allows to deter- mine the measurement range and also the measurement errors caused by various sources. This is followed by performing laboratory experiments for validating the LES technique. Validation measurements using calibrated particles and a reference instrument shows that sizing errors are in the order of 5-10%. Afterwards, the technique is applied for characterizing the Brownian coagulation process of nanodroplets, where the growth rate of droplets is successfully measured and is found to agree with theoreti- cal expectations. Next, the LES technique is applied to coagulating solid particles, where the growth rate of these complex non-spherical objects is retrieved. Finally, a particle monolayer is deposited on an air-water inter- face and it is shown that the LES technique can retrieve the particle-water contact angle, which allows the characterization of nanoparticle wettabil- ity and the study of the related interesting physical phenomena. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La métrologie non-intrusive est une composante essentielle de la recherche expérimentale en mécanique des fluides. La connaissance instantanée des champs de vitesse et de température apportent des informations essentielles à la compréhension des phénomènes instationnaires aérothermiques. Toutefois, si les mesures de vitesses sont aisément réalisées, l’obtention de champs de température s’avère plus complexe. L’une des voies étudiées pour y parvenir estla Fluorescence Plane Induite par LASER, ou PLIF. Son principe repose sur l’acquisition de signaux lumineux de fluorescence, dépendants de la température, consécutifs à l’excitation du milieu par un faisceau LASER intense. En particulier, la PLIF acétone à deux longueurs d’onde emploie l’acétone comme traceur fluorescent et deux LASER comme source d’excitation pour s’affranchir de la dépendance en concentration en acétone. Toutefois, selon la longueur d’onde,l’énergie LASER ou la gamme de température explorée, la PLIF-2λ peut s’avérer difficile à mettre en oeuvre du fait d’un manque de sensibilité, lié à un signal de fluorescence trop faible.Dès lors, plusieurs étapes correctives visant à améliorer le rapport signal-sur-bruit peuvent être mises en oeuvre. Le présent travail s’intéresse ainsi à déterminer la pertinence de cette méthode métrologique dans la qualification aérothermique d’un écoulement de convection mixte autour d’un cylindre chauffé, en couplant la PLIF-2λ à la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV). Le montage expérimental est détaillé, ainsi que les processus correctifs et l’étalonnage mis en place pour la PLIF. Les résultats expérimentaux sur le cylindre chauffé sont ensuite présentés et comparés aux travaux de la littérature, puis un modèle de la fluorescence et des caméras employées est élaboré pour permettre d’estimer la précision atteignable en pratique selon la longueur d’onde, l’énergie LASER, la concentration et les caméras, et ainsi rendre possible la présélection des équipements nécessaires aux travaux futurs. / Non-intrusive metrology is essential in experimental fluid mechanics experiments. In particular, simultaneous acquisition of instantaneous velocity and temperature fields offers valuable insights in instationnary aerothermal behaviours. However, if instantaneous velocity fields can be acquired quite easily using the Particles Image Velocimetry technic (PIV), instantaneous temperature fields are much more complex to obtain. Plannar Laser Induced Fluorescence (PLIF) is one of the technics allowing such a measurement. The emitted LASER light induces excitation of acetone molecules, the tracer in the studied air flow. Then, the fluorescence following de-excitation, which is temperature-dependant, is recorded. In particular, 2 λ-PLIF uses dual wavelength LASER excitation to remove acetone concentration dependency in the measurement. Yet, depending of the wavelengths, the LASER energy or the temperature range investigated, using 2 λ-PLIF can be difficult due to a very low temperature sensitivity and very dim fluorescence. To solve those issues and improve signal-to-noise ratio, acquired images can be corrected according to different parameters in an interative process. Present work is dedicated to evaluate efficiency of corrected 2 λ-PLIF applied to the study of a mixed convection flow around a heated cylinder in the 20-300 C temperature range. The goal is to obtain aerothermal qualification of the flow thanks to simultaneous 2 λ-PLIF and PIV. In the present work, experimental bench is detailled as well as the calibrating and correcting process of the 2 λ-PLIF. Then, experimental results are discussed and confronted to results from litterature. Finally, a model of the fluorescence and camera-generated noise is discussed and used to generate simulated fluroescence images and determine the impact of all parameters (wavelengths, LASER energy, acetone concentration and camera intensification gain) on the measurement precision and thus enable adequate choice of equipments for next experiments.

Les deux premiers chapitres de la thèse présentent le principe d’un étalon de fréquence optique et les applications qui en découlent. Les principaux avantages métrologiques de l’horloge à réseau optique de mercure sont mis en avant, et quelques rappels théoriques d’interraction matière-rayonnement appliquée à la métrologie des fréquences sont effectués. Le montage expérimental est décrit de manière générale dans le chapitre 3, en insistant particulièrement sur les différentes sources laser utilisées. Les améliorations apportées au montage durant la thèse, font l’objet du chapitre 4. La première amélioration concerne le laser de refroidissement à 254nm. Mes travaux nous ont permis d’augmenter le temps d’interrogation des atomes, étape nécessaire pour une nouvelle mesure de stabilité de l’horloge et la caractérisation des effets systématiques. Afin d’augmenter ultérieurement la stabilité, une refonte de la cavité optique qui piège les atomes dans le réseau s’est révèlée indispensable. La nouvelle cavité permet de capturer 10 fois plus d’atomes grâce à une profondeur de piégage acrue d’un facteur 3, influant directement sur le rapport signal sur bruit. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sont décrits dans le 5ème et dernier chapitre. La spectroscopie sur fond noir d’un échantillon de mercure polarisé en spin avec une largeur de raie record de 3.3Hz nous a permis de mesurer une stabilité de 1.2x10 -15 à une seconde, soit presque un facteur 5 mieux par rapport à notre précédente mesure. Une caractérisation de plusieurs effets systématiques sur la transitions d’horloge (shift colisionnel, effet zeeman ou encore effet de la lumière de piégage) a été menée au niveau de 10-16. / The first two chapters of thesis describe the basics of optical standards and its applications. Highlight advantages of mercury as a frequency reference in optical lattice clock and give theoretical background about atom-light interaction, origins of systematic shifts and their influence on stability of a clock. The third chapter describes the experimental setup. It includes the schemes and operation of the main laser systems and their characteristics, the vacuum chamber and magneto-optical trapping of atoms. The fourth chapter is about the setup improvements that I made during the thesis. It describes the new doubling stage at 254 nm for the cooling laser system that was designed and implemented during the thesis. The new doubling stage allowed us to perform spectroscopies with long integration times necessary for the measurement of stability of our clock and systematic shifts. The second major and important improvement was the change of the lattice trap cavity. The new lattice cavity allowed us to increase trap depth by a factor of 3, number of trapped atoms by 10, improved the signal to noise ratio and increased stability of the clock. The fifth chapter tells about the obtained results. Thanks to all the technical improvements spectroscopy of the clock transition with the record linewidth of 3.3 Hz was demonstrated. State selection and spectroscopy on dark background were implemented. Stability of the clock was improved by a factor of 5 and measured to be 1.2*10-15 at 1 s. No observable collision shift and second order Zeeman shift were measured at the uncertainty level of ~1*10-16. The shift of the clock frequency due to lattice light was measured to be below 6*10-17.

Ce manuscrit traite de l'étude métrologique d'un spectromètre Terahertrz (THz), de la caractérisation et de la quantification de produits pulvérulents par spectroscopie THz. Le sujet a été orienté afin de fournir les études préliminaires nécessaires à une thématique visant la détection de pesticides sur les aliments, à savoir la caractérisation métrologique de l'appareil (études de répétabilité, sensibilité...) ainsi que la faisabilité de la quantification de produits et l'application de méthodes chimiométriques lors du prétraitement des spectres. La thèse est ordonnée autour de trois publications. La première publication consiste en une revue de littérature servant à faire le point sur les applications concrètes existant en spectroscopie THz. La seconde porte sur la première partie de notre travail, à savoir la caractérisation métrologique du spectromètre THz sur lequel nous avons effectué nos mesures. Enfin, la troisième porte sur l'aspect quantification de la spectroscopie THz et la possibilité d'appliquer les mêmes principes et techniques chimiométriques qu'en spectroscopie infrarouge. / This manuscript concerns the metrological study of a Terahertz (THz) spectrometer, the characterization and the quantification of powder products by THz spectroscopy. The subject has been aimed to give preliminary analysis to a wider thematic of pesticides detection on aliments, which implies the metrological characterization of the device (repeatability, sensitivity...) and the quantification feasibility of these products and the application of chemometrics methods for spectral pretreatment. The thesis is organized around three publications. The first publication is a literature review, which aims to list but a few of the concrete applications of THz spectroscopy. The second one concerns the metrological characterization of the THz spectrometer we worked on. Lastly, the third one deals with the quantification aspect of THz spectroscopy and the possibility of using the same principles and chemometrics techniques that are used in infrared spectroscopy.