Depuis quelques années, il y a une exigence accrue quant à la rapidité de transferts d'information, notamment, en raison de la généralisation des applications multimédia sur le système de communication sans fil. Pour y remédier, les chercheurs du laboratoire Bell en 1996 ont proposé une technique d'emploi simultané de réseaux d'antennes en émission et en réception (MIMO). Le canal MIMO est alors constitué par un ensemble de sous-canaux. Grâce à cette technique, le débit et la qualité de transmission peuvent être améliorés sans augmenter la puissance de transmission et la bande passante supplémentaires. Cependant, les gains obtenus par ce système peuvent se diminuer en raison de la corrélation entre les sous-canaux du canal MIMO, en particulier, si la séparation entre antennes est limitée et l'étalement angulaire est étroit. Donc, l'objectif des travaux réalisés dans le cadre de cette thèse est de proposer un système MIMO à diversité de polarisation qui permet de réduire la corrélation entre les sous-canaux et en même temps de miniaturiser la taille des réseaux d'antennes. <br /> Le travail présenté dans cette thèse est d'abord consacré à la caractérisation et à la modélisation du canal de transmission compte tenu des diverses composantes de polarisation des antennes à trois dimensions. Est traitée également l'étude comparative de la capacité de deux types de systèmes de communication multi-antennes. D'une part, il s'agit du système de communication multi-antennes à polarisation unique : dans ce système, sont exploités des antennes ayant les mêmes polarisations. D'autre part, sont examinés les systèmes à polarisation multiple, à savoir, les systèmes MIMO à double polarisation, à triple polarisation et à sextuple polarisation.

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous sommes parvenus à introduire une utilisation déterministe des chambres réverbérantes, en proposant un nouveau paradigme de la technique du retournement temporel. Nous sommes capable de réaliser le même type de tests d'immunité rayonnée que dans une chambre anéchoïque, tout en profitant des avantages liés aux propriétés physiques des milieux fortement réverbérants comme la génération de champs de fortes intensités à partir de niveaux de puissances injectées relativement faibles.En effet, les études menées dans cette thèse ont démontré la faisabilité d'un moyen de test d'immunité rayonnée novateur, permettant la génération de fronts d'onde cohérents dans une cavité résonante et dont la direction de propagation et la polarisation sont contrôlées sans aucun déplacement mécanique des sources génératrice du champ ou de l'équipement sous test. Un autre avantage majeur de ce nouveau système, baptisé chambre électromagnétique à retournement temporel (TREC), réside dans le fait de pouvoir générer dans une chambre réverbérante, des champs impulsionnels dont l'extension temporelle est de courte durée alors que cette capacité n'était pas envisageable avant ces travaux.Pour cela, la TREC repose sur la connaissance du champ sur une surface de mesure arbitraire, située entre les sources et l'objet sous test, dans la direction de propagation du front d'onde souhaitée. Cette phase de caractérisation peut être réalisée à l'aide d'une mesure de la fonction de transfert entre le port des antennes sources et une sonde de champ déplacée sur la surface de mesure.Le principe de notre système se base sur l'association de la technique du retournement temporel et du principe d'équivalence. Le retournement temporel permet d'assurer une fenêtre temporelle, dans laquelle les conditions de propagation du champ dans la chambre réverbérante sont identiques à celles en espace libre, et permet d'obtenir une propagation d'un front d'onde convergent vers une source ponctuelle qui aurait initialement créé un front d'onde divergent. Le principe d'équivalence permet de passer d'une source ponctuelle à une source de rayonnement étendue, permettant de créer une distribution spatiale du champ arbitraire et de contrôler ainsi sa direction de propagation et sa polarisation.Ce nouveau système à été validé, dans un premier temps, à l'aide d'un ensemble de simulations numériques exploratoires pour déterminer les paramètres influents sur ses performances. Puis il a été étudié à partir de mesures réalisées dans la chambre réverbérante du Département de Recherche en Électromagnétisme, à Supélec, démontrant ainsi de façon expérimentale la faisabilité et l'intérêt du développement de ce moyen de test, complémentaire à l'utilisation actuelle des chambres réverbérantes à brassage de modes pour la génération de front d'onde cohérents pulsés.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d'abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l'optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d'onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l'ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d'homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous sommes parvenus à introduire une utilisation déterministe des chambres réverbérantes, en proposant un nouveau paradigme de la technique du retournement temporel. Nous sommes capable de réaliser le même type de tests d'immunité rayonnée que dans une chambre anéchoïque, tout en profitant des avantages liés aux propriétés physiques des milieux fortement réverbérants comme la génération de champs de fortes intensités à partir de niveaux de puissances injectées relativement faibles.En effet, les études menées dans cette thèse ont démontré la faisabilité d'un moyen de test d'immunité rayonnée novateur, permettant la génération de fronts d'onde cohérents dans une cavité résonante et dont la direction de propagation et la polarisation sont contrôlées sans aucun déplacement mécanique des sources génératrice du champ ou de l'équipement sous test. Un autre avantage majeur de ce nouveau système, baptisé chambre électromagnétique à retournement temporel (TREC), réside dans le fait de pouvoir générer dans une chambre réverbérante, des champs impulsionnels dont l'extension temporelle est de courte durée alors que cette capacité n'était pas envisageable avant ces travaux.Pour cela, la TREC repose sur la connaissance du champ sur une surface de mesure arbitraire, située entre les sources et l'objet sous test, dans la direction de propagation du front d'onde souhaitée. Cette phase de caractérisation peut être réalisée à l'aide d'une mesure de la fonction de transfert entre le port des antennes sources et une sonde de champ déplacée sur la surface de mesure.Le principe de notre système se base sur l'association de la technique du retournement temporel et du principe d'équivalence. Le retournement temporel permet d'assurer une fenêtre temporelle, dans laquelle les conditions de propagation du champ dans la chambre réverbérante sont identiques à celles en espace libre, et permet d'obtenir une propagation d'un front d'onde convergent vers une source ponctuelle qui aurait initialement créé un front d'onde divergent. Le principe d'équivalence permet de passer d'une source ponctuelle à une source de rayonnement étendue, permettant de créer une distribution spatiale du champ arbitraire et de contrôler ainsi sa direction de propagation et sa polarisation.Ce nouveau système à été validé, dans un premier temps, à l'aide d'un ensemble de simulations numériques exploratoires pour déterminer les paramètres influents sur ses performances. Puis il a été étudié à partir de mesures réalisées dans la chambre réverbérante du Département de Recherche en Électromagnétisme, à Supélec, démontrant ainsi de façon expérimentale la faisabilité et l'intérêt du développement de ce moyen de test, complémentaire à l'utilisation actuelle des chambres réverbérantes à brassage de modes pour la génération de front d'onde cohérents pulsés. / In the framework of our research work, we present an innovative system which allows to control the spatio-temporal distribution of a coherent field in an strongly reflecting environment. This system called " Time reversal electromagnetic chamber" (TREC), makes possible the generation of high intensity pulsed wavefront, in a reverberating chamber, and whose direction of propagation and polarisation are modifieable in real time without any mechanical mouvement of neither the sources generating the field, here radio antennas, nor the equipment under test.For this, the TREC is based on knowledge of the field on an arbitrary surface of measurement, located between the sources and the object under test, in the direction of propagation of the wavefront desired. This phase of characterization may be performed with the help of a measurement of the transfer functions between the port of the antennas and a field probe moved on the arbitrary surface of measurement.The principle of the TREC is based on the association of the technique of time reversal and of the principle of equivalence. Time reversal allows to ensure a temporal window in which the conditions of propagation of the field in the reverberation chamber are identical to those in free space and which allows to obtain a propagation of a wavefront converging towards a punctual source which would initially have created a diverging wavefront. The equivalence principle allows to go from a punctual source to a an extended source of radiation, thus allowing to create an arbitrary spatial distribution of the field and thereby to control its direction of propagation.This new system was validated with the help, at first, of a set of numerical exploratory simulations in order to determine the influential parameters on its performance and then studied from measurements carried out in the reverberation chamber of the ``Département de recherche en électromagnétisme'', at Supélec, thus demonstrating experimentally the feasibility and the interest of the development of this testing facility for the generation of pulsed coherent wavefronts, complementary to the current use mode-stirred reverberation chambers.

Les enjeux majeurs des dispositifs hyperfréquences utilisés dans les systèmes de télécommunication modernes sont la montée en fréquence de fonctionnement, la miniaturisation des circuits et l’intégrabilité des composants.Grâce à l’émergence des métamatériaux et à la maîtrise des propriétés des ferrites, il est possible de développer nouveaux dispositifs répondant à ces nouvelles exigences de l’électronique embarquée.Cette thèse développe, à partir d’une ligne métamatériau HIW coplanaire basée sur un substrat de ferrite, un nouveau dispositif hyperfréquence non réciproque de faible encombrement, opérant à des fréquences situées entre 13 et 15 GHz.Les prototypes fabriqués et caractérisés sous de faibles valeurs de champ magnétique, présentent les performances caractéristiques d’un isolateur bande étroite: isolation supérieure à 30 dB, pertes d’insertion inférieures à 1 dB. / The main challenges of microwave devices used in modern telecommunication systems are the increase of the operating frequency, the circuit’s miniaturization and the integration of components.Thanks to the emergence of metamaterials and the control of the properties of ferrites, it is possible to develop new circuits that meet these new requirements for embedded electronics.This thesis investigates, from a coplanar HIW metamaterial line based on a ferrite substrate, a new non-reciprocal microwave device, operating in frequency range between 13 and 15 GHz.Prototypes were fabricated and characterized under low magnetic field. They achieved the characteristic performances of a narrow band isolator: isolation over 30 dB and insertion losses of less than 1 dB.

La performance des cibles du Laser LMJ est très sensible à l'uniformité de la tache focale du laser. La technique utilisée à ce jour pour éviter les inhomogénéités est de rendre le faisceau partiellement incohérent, ce qui a pour conséquence la fluctuation de points chauds (speckles) au cours du temps, avec un effet de moyenne. De nombreux travaux ont d'ores et déjà été menés concernant l'étude de ces points chauds dans le cadre d'un faisceau unique au plan focal. Dans cette thèse, on s'intéresse à ces points chauds lorsqu'il sont issus de la superposition de faisceaux multiples, et plus particulièrement aux points chauds dans le cas de la configuration du LMJ. On a établi une équation analytique permettant de calculer la taille des points chauds dans le cas d'un speckle généré par des faisceaux multiples. Cette formule est en parfait accord avec les différents résultats obtenus par simulations numériques grâce au code PARAX. On a ainsi pu prédire la taille du grain de speckle LMJ en fonction de différentes configurations LMJ telle qu'une configuration à deux ou trois cônes et pour des choix de polarisations différents. Il en ressort que l'impact de la polarisation est assez faible sur les caractéristiques du speckle LMJ. Toutefois la double polarisation est la plus adaptée aux critères d'uniformité requis pour une bonne interaction laser-plasma. D'autre part on a montré que les grains de speckle LMJ sont de l'ordre de la longueur d'onde.Dans la seconde partie de cette thèse, on a établi les formules des contraste, temps de vie, trajectoires et vitesses des points chauds deux techniques de lissage : Lissage par Dispersion Spectrale Transverse (LDST) et Longitudinal (LDSL). Ces derniers sont respectivement utilisés sur le NIF et prochainement sur le LMJ. On a ainsi montré que quels que soient le nombre de cône et le choix des polarisations faites sur le LMJ, la durée de vie d'un point chaud LMJ est environ de 2 ps et le contraste intégré sur des temps infinis est approximativement de 15%. Les vitesses sont également très faibles (10-6c) et faiblement influencées par le choix des polarisations. / The future French Laser Megajoule (LMJ) is a multiple laser beam facility built to achieve Inertial confinement Fusion (ICF). It is mainly designed for an indirect drive scheme using X-rays conversion. In this scheme, the target in the center of the hohlraum is irradiated and then compressed by the X-rays more uniformly than what it would be in a direct drive schemes. However, a high of uniformity is still needed to reach ignition since the propagation of intense laser beams in an under-critical plasma can generate laser-plasma instabilities (LPI). The control of LPI is of crucial importance for the success of ICF. By breaking both spatial and temporal coherences, the use of optical smoothing techniques, such as smoothing by spectral dispersion (SSD), often dramatically reduces LPI and also ensures the reproducibility of laser conditions from one shot to another. An accurate description of the speckle pattern in the hohlraum is thus of great interest for ICF experiments.We focus our attention on the spatial and then temporal properties of the speckles pattern generated by multiple laser beams. At first, we establish equations for the 3D speckle size based on autocorrelation functions. Numerical simulations of the propagation of multiple laser beams in vacuum are then performed with the PARAX code in configurations where the paraxial approximation can be used. The case of speckle patterns in the LMJ configuration in the zone where all the beams overlap is eventually studied. We show that such speckles have an ellipsoidal shape. Finally, influence of the polarization of the beams on the shape, size and abundance of the speckles is also investigated. In a second part we study the important aspect of temporal smoothing techniques like the movement of the speckles. This work is also triggered by the development of a statistical model that describes the motion of hot spots in order to evaluate the contrast, the trajectory and the velocity of LMJ hot spots. We address these quantities in the case of a speckle pattern generated by multiple laser beams thanks to the autocorrelation function in intensity.

Binary systems comprising of compact objects like neutron stars (NS) and/or black holes (BH) lose their energy and angular momentum via gravitational waves (GW). Radiation reaction due to the emission of GW results in a gradual shrinking of the binary orbit and an accompanying gradual increase in the orbital frequency. The preliminary phase of the binary evolution when the radiation-reaction time-scale is much larger than the orbital time-scale is called the inspiral phase. GW emitted during the final stages of the inspiral phase constitute one of the most important sources for the ground-based laser interferometric GW detectors like LIGO, VIRGO and the proposed space-based detector LISA. For the ground-based detectors, NS and/or stellar mass BH binaries are primary sources, while for LISA super-massive BH (SMBH) binaries are potential targets. Inspiralling compact binaries (ICB) are among the prime targets for interferometric detectors because using approximation schemes in general relativity (GR) like the post-Minkowskian (PM) and the post-Newtonian (PN) approximations one can compute the GW emitted by them with sufficient accuracy both for their detection and parameter estimation leading to GW astronomy. The extreme weakness of gravitational interactions implies that if a GW signal from an ICB is incident on a detector, it will be buried in the noisy detector output. Therefore, sophisticated data analysis techniques are required for detecting the signal in presence of the dominant noise and also estimating the parameters of the signal. From the pre-calculated theoretical waveforms called templates, one already knows the structure of the waveform from an ICB. The technique for detecting signals which are of known form in a noisy detector is matched filtering. This technique consists of cross-correlating the output of a noisy detector assumed to contain the signal of known form with a set of templates. It then finds an ‘optimal’ template that would produce, on average, the highest signal-to-noise ratio (SNR). The efficient performance of matched filtering as a data-analysis strategy for GW signals from ICB presupposes very accurate theoretical templates. Slight mismatches between the signal and the template will result in a loss of signal to noise ratio. Computing very accurate theoretical templates and including effects such as eccentricity are challenging tasks for the theoreticians. This thesis addresses some of the issues related to the waveform modelling of the ICB and their implications for GW data analysis. It is known theoretically that compact binaries reduce their eccentricity through the emission of GW. When GW signals from prototype ICB reach the GW detector bandwidth, their orbits are almost circular. Hence one usually models the binary orbit to be circular for computation of the search templates. The waveform from an ICB in a circular orbit is, at any given PN order of approximation, a linear combination of a finite number of harmonics of the orbital frequency. At the lowest order of approximation, called the Newtonian order, the waveform comprises a single harmonic at twice the orbital frequency. Inclusion of higher order PN corrections lead to the appearance of higher harmonics of the orbital frequency. Since the amplitudes of the higher harmonics contain higher powers of the PN expansion parameter, relative to the Newtonian order, they are referred to as amplitude corrections. The phase of each harmonic, determined by the orbital phase, is known upto 3.5PN order (nPN is the order of approximation equivalent to terms ~(v/c)2n beyond the Newtonian order, where v denotes the binary’s orbital velocity and c is the speed of light). Matched filtering is more sensitive to the phase of the signal rather than its amplitude, since the correlation builds up as long as the signal and the template remain in phase. Motivated by this fact, search templates so far have been a waveform model involving only the dominant harmonic (at twice the orbital frequency), although the phase evolution itself is included upto the maximum available PN order. Such waveforms, in which all amplitude corrections are neglected, but the phase is treated to the maximum available order, are called restricted waveforms (RWF) and these are generally used in the data-analysis of ground-based detectors and also simulated searches for the planned LISA. However, recent studies, in the case of ground-based interferometers, showed that going beyond the RWF approximation could improve the efficiency of detection as well as parameter estimation of the inspiral signal. After a brief overview of the properties of GW and their detection strategies in chapter 1, in chapters 2 and 3, we investigate the implications of going beyond the RWF, in the context of the planned space-based Laser Interferometric Space Antenna (LISA). The sensitivity of ground-based detectors is limited by seismic noise below 20Hz. On the other hand, the space-based LISA will be designed to be sensitive to GWs of frequency (10−4 _1)Hz. The most important source in this frequency band are supermassive BH (SMBH) binaries. There is strong observational evidence for the existence of SMBH with masses in the range of in most galactic nuclei. Mergers of such galaxies result in SMBH binaries whose evolution is governed by the emission of GW. Observation of the GW from SMBH binaries at high redshifts is one of the major science goals of LISA. These observations will allow us to probe the evolution of SMBHs and structure formation and provide an unique opportunity to test General Relativity (and its alternatives) in the strong field regime of the theory. Observing SMBH coalescences with high (100-1000) SNR is crucial for performing all the aforementioned tests. The LISA bandwidth (10−4_ 1)Hz determines the range of masses accessible to LISA because the inspiral signal would end when the system’s orbital frequency reaches the mass-dependent last stable orbit (LSO). In the test-mass approximation, the angular velocity ι at LSO is given by where M is the total mass of the binary. Search templates using the RWF, which contains only the dominant harmonic at twice the orbital frequency, cannot extract power in the signal beyond This further implies that the frequency range [0.1, 100] mHz corresponds to the range for the total mass of BH binaries that would be accessible to LISA. In chapter 2, we show that inclusion of higher harmonics will enhance the mass-range of LISA (for the same frequency range) and allow for the detection of SMBH binaries with total masses higher than The template employed in chapter 2 includes amplitude corrections upto 2.5PN order, while keeping the phase upto 3.5PN order. We call this template the full waveform (FWF). The FWF defined above contains higher harmonics of the orbital frequency, the highest of them being 7 times the orbital frequency. For a SMBH binary with total mass the dominant harmonic at LSO is less than the lower cut-off of the LISA bandwidth. Therefore, if one uses the RWF as a search template, this system is ‘invisible’ to LISA. However, the seventh harmonic can still enter the LISA bandwidth and produce a significant SNR and thus allow its detection. With the FWF, LISA can observe sources which are favoured by astronomical observations, but not observable with the RWF. More specifically, with the inclusion of all known harmonics LISA will be able to observe SMBH coalescences with total mass (and mass-ratio 0.1) for a low frequency cut-off of 10−4Hz (10−5Hz) with an SNR up to ~ 60 (~30) at a distance of 3 Gpc. The orbital motion of LISA around the Sun induces frequency, phase and amplitude modulations in the observed GW signal. These modulations carry information about both the source’s location and orientation. Determination of the angular coordinates of the source also allows determination of the luminosity distance of SMBH binaries. Therefore, SMBH binaries are often referred to as GW “standard sirens” (analogous to the electromagnetic “standard candles”). LISA would also be able to measure the “redshifted” masses of the component black holes with good accuracy for sources up to redshifts of a few. However, GW observations alone cannot provide any information about the redshift of the source. If the host galaxy or galaxy cluster is known one can disentangle the redshift from the masses by optical measurement of the redshift. This would not only allow one to extract the “physical” masses, but also provide an exciting possibility to study the luminosity distance-redshift relation providing a totally independent confirmation of the cosmological parameters. Further, this combined observation can be used to map the distribution of black hole masses as a function of redshift. Another outstanding issue in present day cosmology in which LISA can play a role is the dark energy and its physical origin. Probing the equation-of-state-ratio (w(z)) provides an important clue to the question of whether dark energy is truly a cosmological constant (i.e., w = -1). Assuming the Universe to be spatially flat, a combination of WMAP and Supernova Legacy Survey (SNLS) data yields significant constraints on Without including the spatial flatness as a prior, WMAP, large-scale structure and supernova data place a stringent constraint on the dark energy equation of state, For this to be possible, LISA should (a) measure the luminosity distance to the source with a good accuracy and (b) localize the coalescence event on the sky with good angular resolution so that the host galaxy/galaxy cluster can be uniquely identified. Based on analysis with the RWF, it is found that LISA’s angular resolution is not good enough to identify the source galaxy or galaxy cluster, and that other forms of identification would be needed. Secondly, weak lensing effects would corrupt the distance estimation to the same level as LISA’s systematic error. In chapter 3, we study the problem of parameter estimation in the context of LISA, but using the FWF. We investigate systematically the variation in parameter estimation with PN orders by critically examining the role of higher harmonics in the fast GW phasing and their interplay with the slow modulations induced due to LISA’s motion. More importantly, we explore the improvement in the estimation of the luminosity distance and the angular parameters due to the inclusion of higher harmonics in the waveform. We translate the error in the angular resolution to obtain the number of galaxies (or galaxy clusters) within the error box on the sky. We find that independent of the angular position of the source on the sky, higher harmonics improve LISA’s performance on both counts raised in earlier works based on the RWF. We show that the angular resolution enhances typically by a factor of ~2-500 (greater at higher masses) and the error on the estimation of the luminosity distance goes down by a factor of ~ 2-100 (again, larger at higher masses). For many possible sky positions and orientations of the source, the inaccuracy in our measurement of the dark energy would be at the level of a few percent, so that it would only be limited by weak lensing. We conclude that LISA could provide interesting constraints on cosmological parameters, especially the dark energy equation-of-state, and yet circumvent all the lower rungs of the cosmic distance ladder. Having emphasized the need to consider the FWF as a more powerful template, in chapter 4 we calculate a higher order term in the amplitude corrections of the waveform. In chapters 2 & 3, the FWF incorporated amplitude corrections upto 2.5PN order. In chapter 4 the waveform is calculated upto 3PN order. Recent progress in Numerical Relativity (NR) has resulted in computation of the late inspiral and subsequent merger and ringdown phases of the binary evolution (where PN theory does not hold good) by a full-fledged numerical integration of the Einstein field equations. A new field has emerged recently consisting of high-accuracy comparisons between the PN predictions and the numerically-generated waveforms. Such comparisons and matching to the PN results have proved currently to be very successful. They clearly show the need to include high PN corrections not only for the evolution of the binary’s orbital phase but also for the modulation of the gravitational amplitude. This leads to one more motivation for the work in this chapter: providing the associated spin-weighted spherical harmonic decomposition to facilitate comparison and match of the high PN prediction for the inspiral waveform to the numerically-generated waveforms for the merger and ringdown. For the computation of waveforms from the inspiralling compact binaries one needs to solve the two-body problem in general relativity. The nonlinear structure of general relativity prevents one from obtaining a general solution to this problem. The two-body problem is tackled using the multipolar post-Minkowskian (MPM) wave generation formalism. The MPM formalism describes the radiation field of any isolated post-Newtonian source. The radiation field is first of all parametrized by means of two sets of radiative multipole moments. These moments are then related (by means of an algorithm for solving the non-linearities of the field equations) to the so-called canonical moments which constitute some useful intermediaries for describing the external field of the source. The canonical moments are then expressed in terms of the operational source moments obtained by matching to a PN source and are given by explicit integrals extending over the matter source and gravitational field. The extension of the waveform by half a PN order requires as inputs the relations between the radiative, canonical and source multipole moments for general sources at 3PN order. We also require the 3PN extension of the source multipole moments in the case of compact binaries. The waveform in the far-zone consists of two types of terms, instantaneous and hereditary. The instantaneous terms are determined by the dynamical state of the binary at the retarded time. The hereditary terms, on the other hand, depend on the entire past history of the source. These terms originate from the nonlinear interactions between the various multipole moments and also from backscattering off the curved spacetime generated by the waves themselves. In this chapter, we compute the contributions of all the instantaneous and hereditary terms (which include tails, tails-of-tails and memory integrals) up to 3PN order. The end results of this chapter are given in terms of both the 3PN plus and cross polarizations and the separate spin-weighted spherical harmonic modes. Though most of the sources will be in circular orbits by the time the GWs emitted by the system enter the sensitivity band of the laser interferometers, astrophysical scenarios such as Kozai mechanism could produce binaries which have nonzero eccentricity. Studies have shown that filtering the signal from an eccentric binary with circular orbit templates could significantly degrade the SNR. For constructing a phasing formula for eccentric binaries one has to compute the energy and angular momentum fluxes carried away by the GWs and then compute how the orbital elements evolve with time under gravitational radiation reaction. The far-zone energy and angular momentum fluxes, like the waveform, contain both instantaneous and hereditary contributions. The complete 3PN energy flux and instantaneous terms in the 3PN angular momentum flux are already known. In chapter 5, the hereditary terms in the 3PN angular momentum flux from an ICB moving in quasi-elliptical orbits are computed. A semi-analytic method in the frequency domain is used to compute the hereditary contributions. At 3PN order, the quasi-Keplerian representation of elliptical orbits at 1PN order is required. To calculate the tail contributions we exploit the doubly periodic nature of the motion to average the 3PN fluxes over the binary’s orbit. The hereditary part of the angular momentum flux provided here has to be supplemented with the instantaneous part to obtain the final input needed for the construction of templates for binaries moving in elliptical orbits, a class of sources for both the space based detectors and the ground based ones. Using the hereditary contributions in the 3PN energy flux, we also compute the 3PN accurate hereditary contributions to the secular evolution of the orbital elements of the quasi-Keplerian orbit description.

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d’abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l’optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d’onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l’ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d’homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes. / This PhD thesis brings a theoretical and experimental contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal (GPhC) structures. We first present a quantitative relationship between the deformations of the equi-frequency surfaces (EFSs) of different photonic crystals and the lattice parameters of the considered configurations. Considering the complexity of the possible GPhC structures made of a two-dimensional spatial chirp of at least one lattice parameter, we limit in this thesis our study to one particular type of GPhC structure based on a square lattice silicon on insulator (SOI) planar photonic crystal with a variable air hole filling factor profile. An analytical expression of the related EFSs as a function of the varied lattice parameter is extracted, and a GPhC “reference” structure is then proposed for the exploration of the dispersive and polarization properties of GPhCs using both Hamiltonian optic-assisted ray tracing as well as FDTD simulations. The clean room fabrication process of this GPhC structure family, which is based on electron beam lithography and reactive ion etching technologies, is reported. Fabricated samples are experimentally studied by far-field and near-field (SNOM) measurement techniques relying on a collaboration with a CNRS group of the Bourgogne university. Experimental results show an almost linear dispersive relationship of 0.25µm/nm in the 1470nm-1600nm spectral range. The fabricated samples also present the possibility for two-wavelength demultiplexing with low insertion loss (below 2dB) and low crosstalk level (around -20dB), and a polarization beam splitting effect with a crosstalk of -27dB in a 70nm bandwidth. Beyond these optical metrics obtained in one particular GPhC configuration, the works presented in this thesis have allowed the direct observation of the transition between the homogeneous and diffraction regimes of light propagation in an artificial optical all-dielectric material, and the presented and adopted methodology for the study of light propagation in GPhC structures has raised open perspectives for the realization of more complex optical functions in forthcoming works using low loss and flexible metamaterial-like photonic crystals.

Cette thèse présente un travail relatif à l'étude de la structure en spin longitudinal du nucléon. Le but est de déterminer la contribution des constituants du proton, quarks et gluons, à la formation de son spin 1/2. L'analyse s'appuie sur les données de l'expérience COMPASS qui bénéficie d'un faisceau de muons polarisés à 200 GeV diffusé sur les protons polarisés d'une cible d'ammoniac (NH₃) de 1,2 m de long. On mesure l'asymétrie de spin longitudinal des sections efficaces de diffusion profondément inélastique. On extrait la fonction de structure en spin du proton, g₁p, étendant la couverture cinématique mondiale à des régions inexplorées jusqu'à maintenant (0,0036 < x < 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 et 23 < W² (GeV/c)² < 320). Les résultats, d'une grande précision statistique, sont inclus dans une analyse des données mondiales de g₁p, g₁d et g₁n (proton, deutéron et neutron) au 2ème ordre de QCD afin de paramétrer les distributions de quarks et de gluons polarisés. L'étendue de la couverture cinématique en x et Q² des données mondiales de g₁, un élément déterminant pour la sensibilité à la polarisation des gluons ΔG, s'avère trop limitée pour constituer une extraction précise de celle-Ci. Néanmoins, l'analyse QCD permet de déterminer la contribution du spin des quarks au spin du proton à 0.26<ΔΣ<0.33 à Q² = 3 (GeV/c)² dans le schéma MSbar. L'étude montre que l'incertitude principale sur ΔΣ est liée au choix des formes fonctionnelles utilisées dans la régression des données. Enfin, la règle de somme de Bjorken, qui constitue un test de QCD, est vérifiée avec une précision de 9% en utilisant les données de COMPASS uniquement. / The work presented in this thesis is related to the study of the longitudinal spin structure of the nucleon. The aim is to determine the contribution to the spin 1/2 of the proton in terms of its constituents, quarks and gluons. The analysis is performed on the data taken with the COMPASS experiment, which benefits from a polarised muon beam at 200 GeV scattered off polarised protons from an ammonia target of 1.2 m long. The double longitudinal spin asymmetry of deep inelastic scattering cross-Section. The spin-Dependent structure function of the proton g₁p is derived from these measurements, which extend the kinematic world coverage to unexplored region so far (0,0036 < x< 0,57; 1,03 < Q² (GeV/c)² < 96 and 23 < W² (GeV/c)² < 320).The results obtained with a high statistical precision are included in a Next-To-Leading order QCD analysis of world g₁p, g₁d and g₁n (proton, deuteron and neutron) data to parametrise the polarised quark and gluon distributions. The g₁ world coverage of the x and Q² kinematic domain, which is a key point in the sensitivity to the gluon polarisation ΔG, turns out to be too limited for an accurate ΔG determination. Nevertheless, the QCD analysis allows to determine the quark spin contributions to the proton spin to 0.26<ΔΣ<0.33 at Q² = 3 (GeV/c)² in the MSbar scheme. The dominant uncertainty on ΔΣ is related to the choice of functional forms assumed in the fit. Finally, the Bjorken sum rule, which constitutes a fundamental test of QCD, is verified on the COMPASS data alone with a precision of 9%.

A l'aide d'un spectre de fluorescence de résonance à bande étroite obtenu avec une nano-cellule d'épaisseur L= [lambda]/2 et des résonances VSOP formées pour une épaisseur L =[lambda] ([lambda] est la longueur d'onde de la radiation résonnante), cette thèse présente pour la première fois une étude expérimentale du comportement en fréquence et en intensité (probabilités de transition) des transitions atomiques de la structure hyperfine entre sous-niveaux Zeeman des raies D1 and D2 pour le 85Rb et le 87Rb en présence de champs magnétiques extérieurs compris entre 5 et 7000 G. Le comportement d'une dizaine de transitions atomiques inétudiées à ce jour a été analysé et nous avons démontré que l'intensité de ces raies peut montrer alternativement de grandes variations : jusqu'à un facteur 10 de taux de croissance ou de décroissance. Pour la première fois, nous avons parfaitement enregistré des résonances VSOP dans le cas où un gaz tampon (néon de pression partielle 6 torr) est introduit dans la nano-cellule d'épaisseur L =[lambda], alors que l'addition d'un gaz tampon (néon) même à une pression partielle de 0,1 torr, dans une cellule d'épaisseur centimétrique conduit à une complète disparition de ces résonances VSOP obtenues par la méthode usuelle d'absorption saturée. Enfin, nous avons montré pour la première fois que la largeur spectrale d'un spectre de fluorescence de résonance d'une nano-cellule de rubidium d'épaisseur L= [lambda]/2, quelques soient les pressions du gaz tampon (néon), est beaucoup plus étroite (6 à 8 fois) que celle obtenue avec une cellule centimétrique de rubidium pour les mêmes valeurs de pressions / Using a narrow-band resonant fluorescence spectra from a nano-cell with a thickness of L= [lambda]/2, and VSOP resonances formed at a thickness L =[lambda] ([lambda] is the wavelength of the resonant radiation), for the first time it was experimentally investigated the behaviour of the frequency and intensity (transition probabilities) of the atomic hyperfine structure transitions between the 85Rb, 87Rb, D1 and D2 lines Zeeman sublevels in external magnetic fields in range 5 - 7000G. The behaviour of tens of previously unstudied atomic transitions was analyzed and it is demonstrated that the intensities of these lines can both greatly increase, and decrease (tenfold). For the first time it is demonstrated that, in the case of partial pressure of neon buffer gas up to 6~torr into the nano-cell of thickness L = [lambda] filled with Rb, VSOP resonances are recorded confidently, while the addition of 0.1~torr neon buffer gas in a cell of a centimeter thickness leads to the complete disappearance of VSOP resonances formed with the help of the widely used technique of saturated absorption. It is demonstrated for the first time that the spectral width of the resonant fluorescence spectra of the rubidium nano-cell with thickness L= [lambda]/2, for all values of the neon buffer gas pressures is much narrower (6-8 times) compared with the resonant fluorescence spectra of an ordinary centimeter cell containing rubidium with the same pressures of neon