Les satellites sont vulnérables aux particules de forte énergie piégées dans les ceintures de Van Allen. Afin d’en assurer la protection, il est nécessaire de prédire avec précision la dynamique des électrons au sein de la magnétosphère. Dans un premier temps nous proposons une méthode originale de résolution analytique de l’équation de Fokker-Planck réduite qui modélise le transport et les pertes des électrons de la magnétosphère interne. La résolution repose sur une technique de décomposition spectrale. Si la solution analytique s’avère utile pour mettre en exergue certaines propriétés physiques des ceintures de radiation, elle est également pertinente pour valider le code numérique de résolution de l’équation de Fokker-Planck réduite, développé durant la thèse. Ce dernier nous amène à généraliser l’étude précédente en illustrant l’évolution des flux d’électrons pour diverses énergies et positions. Nous prouvons notamment que la structure des ceintures de radiation ainsi que leur temps d’évolution ne dépendent que de quelques facteurs bien choisis. Dans la perspective de reproduire un événement particulier de retour au calme après un orage magnétique, mesuré par les satellites de la NASA dédiés aux ceintures de radiation, nous sommes en mesure de simuler la précipitation des électrons dans l’atmosphère terrestre causée par les interactions avec les ondes électromagnétiques de la magnétosphère. L’utilisation de conditions bâties sur des données empiriques et spécifiques à la période en question nous permet de corroborer les flux observés. Enfin, l’influence du champ magnétique terrestre sur la dynamique des ceintures de radiation est étudiée sous divers aspects. Nous nous concentrons sur la ceinture externe pour comprendre comment les asymétries du champ magnétique, considérablement façonnées par l’activité solaire, affectent notre manière de concilier théorie et observations. Nous explorons également l’importance de certains processus diffusifs nouveaux et cachés, qui émergent à cause de l’irrégularité naturelle du champ magnétique au plus proche voisinage de la Terre. / Satellites are vulnerable to high-energy particles trapped in the Van Allen belts. To ensure their protection, it is necessary to predict properly the electron dynamics in the magnetosphere. We first propose an original method to find the analytical solution of the reduced Fokker-Planck equation that models the transport and loss of electrons in the inner magnetosphere. The resolution relies on an eigenfunction expansion approach. If the analytical solution is proven to be useful at uncovering some of the physical properties of the radiation belts, it is also relevant to validate the numerical code that solves the reduced Fokker-Planck equation, which has been developed during the PhD. The latter code is used to generalize the previous study in illustrating the evolution of the electron fluxes for various energies and locations. We demonstrate that the structure of the radiation belts as well as their dynamical timescales only depend on a few well-chosen parameters. In the perspective of reproducing a specific storm-recovery event reported by the NASA Van Allen Probes, we are able to simulate the electron scattering in the Earth’s atmosphere due to the interaction with magnetospheric electromagnetic waves. The consideration of data-driven and event-specific conditions enables us to corroborate the observed fluxes. Finally, various influences of the Earth’s magnetic field on the dynamics of the radiation belts are investigated. We focus on the outer belt to see how the magnetic field asymmetries, which are strongly shaped by solar activity, affect the way of conciliating theory and observations. We also explore the importance of new hidden diffusive processes that emerge due to the natural irregularity of the magnetic field in the closest vicinity of the Earth.

Dans la recherche d’exoplanètes comme la Terre dans la zone habitable de leur étoile, la vélocimétrie radiale s’est avérée un outil important. Les candidats les plus intéressants pour faire ce genre de mesures sont les naines rouges, car la zone habitable se trouve proche de l’étoile et possède donc une courte période, et de par leurs faibles masses, l’orbite d’une planète comme la Terre induirait un signal de l’ordre de 1 ms^−1. L’effet Doppler résultant de ce mouvement est mesurable par des spectrographes optimisés pour la vélocimétrie de haute précision. Par contre, comme les naines rouges émettent principalement dans l’infrarouge et que l’atmosphère terrestre présente de fortes raies d’absorption dans ces longueurs d’onde, il est alors important de soustraire ces raies pour minimiser le biais de vitesse radiale de l’étoile induit par l’atmosphère. Le but de ce travail de maîtrise fut de développer un algorithme permettant de faire des mesures de vélocimétrie de haute précision dans le domaine infrarouge, de procéder à la quantification de l’impact des raies d’absorption telluriques et de déterminer une cible pour le niveau requis de retrait de ces raies. Une méthode de traitement de données basée sur l’analyse d’un spectre segmenté adéquatement pondéré fut aussi développée pour extraire optimalement la vitesse radiale en présence de raies telluriques résiduelles. On note l’existence d’une corrélation entre l’époque des mesures et l’incertitude de vitesse radiale associée avec les raies telluriques résiduelles ce qui souligne toute l’importance du choix de la fenêtre d’observation pour atteindre une précision de 1 ms^−1. De cette analyse, on conclut qu’un masque de 80% de transmission couplé avec un retrait laissant au maximum 10% des raies telluriques est requis pour atteindre des performances mieux que le ms^−1. / In the search for an exoplanet like Earth in the habitable zone of its star, radial velocimetry has proved itself an important tool. The most promising candidates for this type of measurements are red dwarfs. Since their habitable zone is very close to the star with relatively small orbital periods (a few weeks), and because of their small masses, the presence of an Earth-like planet in their habitable zone would produce a signal of ∼ 1 ms−1. Such a small Doppler effect resulting from this reflex motion is within the capabilities of precision radial velocity instruments. But, since red dwarfs emit mostly in the infrared and Earth’s atmosphere has strong absorption lines in that domain, the removal of telluric absorption lines is crucial to minimize the velocity bias induced by the atmosphere. The goal of this work was the development of an algorithm capable of performing high precision radial velocimetry measurements, to quantify the impact of telluric lines on the measurements and to determine the level of telluric line masking and attenuation needed to minimize their impact on velocity measurements. A data processing method based on the analysis of an adequately weighted segmented spectrum was also developed to optimally extract radial velocities in the presence of residual telluric lines. We note the existence of a correlation between the time of the measurements and the radial velocity uncertainty associated with the residual telluric lines, which underlines the importance of the choice of the observation window to achieve an accuracy of 1 meter per second. From this analysis, it is concluded that a mask of 80% transmission coupled with an attenuation leaving a maximum of 10% of the telluric lines is required to achieve performance better than 1 meter per second.

Cameras generally have a field of view only large enough to capture a portion of their surroundings. The goal of immersion is to replace many of your senses with virtual ones, so that the virtual environment will feel as real as possible. Panoramic cameras are used to capture the entire 360°view, also known as panoramic images.Virtual reality makes use of these panoramic images to provide a more immersive experience compared to seeing images on a 2D screen. This thesis, which is in the field of Computer vision, focuses on establishing a multi-camera geometry to generate a cylindrical panorama image and successfully implementing it with the cheapest cameras possible. The specific goal of this project is to propose the cameras geometry which will decrease artifact problems related to parallax in the panorama image. We present a new approach of cylindrical panoramic images from multiple cameras which its setup has cameras placed evenly around a circle. Instead of looking outward, which is the traditional ”radial” configuration, we propose to make the optical axes tangent to the camera circle, a ”tangential” configuration. Beside an analysis and comparison of radial and tangential geometries, we provide an experimental setup with real panoramas obtained in realistic conditions / Les caméras ont généralement un champ de vision à peine assez grand pour capturer partie de leur environnement. L’objectif de l’immersion est de remplacer virtuellement un grand nombre de sens, de sorte que l’environnement virtuel soit perçu comme le plus réel possible. Une caméra panoramique est utilisée pour capturer l’ensemble d’une vue 360°, également connue sous le nom d’image panoramique. La réalité virtuelle fait usage de ces images panoramiques pour fournir une expérience plus immersive par rapport aux images sur un écran 2D. Cette thèse, qui est dans le domaine de la vision par ordinateur, s’intéresse à la création d’une géométrie multi-caméras pour générer une image cylindrique panoramique et vise une mise en œuvre avec les caméras moins chères possibles. L’objectif spécifique de ce projet est de proposer une géométrie de caméra qui va diminuer au maximum les problèmes d’artefacts liés au parallaxe présent dans l’image panoramique. Nous présentons une nouvelle approche de capture des images panoramiques cylindriques à partir de plusieurs caméras disposées uniformément autour d’un cercle. Au lieu de regarder vers l’extérieur, ce qui est la configuration traditionnelle ”radiale”, nous proposons de rendre les axes optiques tangents au cercle des caméras, une configuration ”tangentielle”. Outre une analyse et la comparaison des géométries radiales et tangentielles, nous fournissons un montage expérimental avec de vrais panoramas obtenus dans des conditions réalistes

Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils « analytiques prédictifs » donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques / This thesis deals the quiet design by inverses approaches of synchronous machines with permanent magnets concentrated windings. Our work focuses on the analysis of magnetic noise origin of air gap radial force orders. Firstly a direct electromagnetic model allowed us to determine the spatio-temporal spectrum of air gap radial pressure. The latter offers us the possibility of obtaining step by step and in an analytical way the radial induction in the gap, result of the product of the total magnetomotive force and global air gap permeance. Several machines equipped with a concentrated winding and distributed were evaluated, compared to simulations by finite elements and corroborated by an operational deflection shape on an existing prototype in the laboratory. In the second time two inverse approaches named predictive methodology identified the radial pressure low order origin. Finally, the resolution of the inverse problem is carried out by means of an iterative optimization loop giving among a sample of solutions, a winding function, aimed at attenuating or eliminating a potential risky line in terms of acoustic nuisances.

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The present work deals with the development and application of an acoustic long-period fiber grating (LPG) in conjunction with a special optical fiber (SF). The acoustic LPG converts selected optical modes of the SF. Some of these modes are characterized by complex, yet cylindrically symmetric polarization and intensity patterns. Therefore, they are the guided variant of so called cylindrical vector beams (CVBs). CVBs find applications in numerous fields of fundamental and applied optics. Here, an application to high-resolution light microscopy is demonstrated. The field distribution in the tight microscope focus is controlled by the LPG, which in turn creates the necessary polarization and intensity distribution for the microscope illumination. A gold nanoparticle of 30 nm diameter is used to probe the focal field with sub-wavelength resolution. The construction and test of the acoustic LPG are discussed in detail. A key component is the piezoelectric transducer that excites flexural acoustic waves in the SF, which are the origin of an optical mode conversion. A mode conversion efficiency of 85% was realized at 785 nm optical wavelength. The efficiency is, at present, mainly limited by the spectral positions and widths of the transducer’s acoustic resonances. The SF used with the LPG separates the propagation constants of the second-order polarization modes, so they can be individually excited and are less sensitive to distortions than in standard weakly-guiding fibers. The influence of geometrical parameters of the fiber core on the propagation constant separation and on the mode fields is studied numerically using the multiple multipole method. From the simulations, a simple mode coupling scheme is developed that provides a qualitative understanding of the experimental results achieved with the LPG. The refractive index profile of the fiber core was originally developed by Ramachandran et al. However, an important step of the present work is to reduce the SF’s core size to counteract the the appearance of higher-order modes at shorter wavelengths which would otherwise spoil the mode purity. Using the acoustic LPG in combination with the SF produces a versatile device to generate CVBs and other phase structures beams. This fiber-optical method offers beam profiles of high quality and achieves good directional stability of the emitted beam. Moreover, the device design is simple and can be realized at low cost. Future developments of the acoustic LPG will aim at applications to fiber-optical sensors and optical near-field microscopy. / Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung eines akustischen langperiodischen Fasergitters (LPG) in Verbindung mit einer optischen Spezialfaser (SF). Das akustische LPG wandelt ausgewählte optische Modi der SF um. Einige dieser Modi weisen eine komplexe, zylindersymmetrische Polarisations- und Intensitätsverteilung auf. Diese sind eine Form der so genannten zylindrischen Vektor-Strahlen (CVBs), welche in zahlreichen Gebieten der wissenschaftlichen und angewandten Optik zum Einsatz kommen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung auf die hochauflösende Lichtmikroskopie demonstriert. Die fokale Feldverteilung wird dabei durch die Auswahl der vom LPG erzeugten Modi, welche zur Beleuchtung genutzt werden, eingestellt. Als Nachweis wird die entstehende laterale Feldverteilung mithilfe eines Goldpartikels (Durchmesser 30 Nanometer) vermessen. Aufbau und Test des akustischen LPGs werden im Detail besprochen. Eine wichtige Komponente ist ein piezoelektrischer Wandler, der akustische Biegewellen in der SF anregt. Diese sind die Ursache der Umwandlung optischer Modi. Die maximale Konversionseffizienz betrug 85% bei 785 nm (optischer) Wellenlänge. Die Effizienz ist derzeit hauptsächlich durch die Lage der akustischen Resonanzfrequenzen des Wandlers und deren Bandbreite begrenzt. Die benutzte SF spaltet die Ausbreitungskonstanten von Polarisationsmodi zweiter Ordnung auf, sodass diese individuell angeregt werden können und weniger anfällig gegen über Störungen der Faser sind, als das bei gewöhnlichen, schwach führenden Glasfasern der Fall ist. Das zu Grunde liegende Brechzahlprofil des Faserkerns wurde von Ramachandran et al. entwickelt. Für diese Arbeit wurde jedoch die Ausdehnung des Profils verkleinert – ein erster Schritt um Anwendungen bei kürzeren optischen Wellenlängen zu ermöglichen. Es werden numerische Simulationen mit der Methode der multiplen Multipole zur Berechnung der Modenfelder und den zugehörigen Propagationskonstanten vorgestellt. Diese zeigen u. a. den starken Einfluss von geometrischen Veränderungen des Faserkerns. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird ein einfaches Kopplungsschema für die Modi entwickelt, welches ein qualitatives Verständnis der experimentellen Ergebnisse ermöglicht. In Kombination bilden die SF und das LPG ein vielseitiges Gerät zur Erzeugung von CVBs und anderen Strahlen mit komplexer Phasenstruktur. Die Methode besticht durch hohe Qualität des Strahlprofils, stabile Abstrahlrichtung, einfachen Aufbau, elektronische Steuerbarkeit und geringe Materialkosten. Zukünftige Weiterentwicklungen des akustischen LPGs zielen auf die Anwendung in faseroptischen Sensoren und in der optischen Nahfeldmikroskopie ab.

Cette these presente des travaux sur les aspects theoriques de la transformation en ondelettes et quelques applications en imagerie et en calcul de surface. Nous presentons trois approches de construction d'une base d'ondelettes, a savoir l'approche theorie des groupes. l'approche analyse multiresolution et l'approche banc de filtres. Les applications de la transformee en ondelettes portent sur la compression d'image, la representation de courbes discretes et le calcul de l'approximation d'une surface par les fonctions radiales. Nous commencons par un survol de differentes techniques de compression. Nous montrons graphiquement et numeriquement que les transformations en ondelettes, comparativement aux autres methodes pyramidales (Brt et Adelson) permettent d'anvisager de tres bons resultats de compression. On montre que parmi les representations hierarchiques, la representation par ondelettes est celle qui permet de preserver au mieux les indices visuels dans le cadre de la construction d'un modele numerique de terrain par exemple. En ce qui concerne la representation des courbes discrete, nous avons mis au point un algorithme d'analyse et de synthese multi-echelles. Ce nouvel algorithme s'applique a des directions elementaires correspondant a une suite de Freeman representant un contour discret ou une courbe discrete. On montre que l'ondelette de Haar permet d'obtenir une bonne representation multi-echelle d'une courbe discrete avec une taille memoire faible et un cout de calcul minimal. Enfin, apres avoir pose dans le cadre general le probleme d'interpolation par les fonctions radiales et presente une analyse des conditions d'existence de la solution, nous proposons une nouvelle approche de resolution de systeme lineaire qui definit les parametres du probleme. Notre approche est fondee sur la transformation en ondelettes et permet de rendre creuse la matrice du systeme. nous montrons la performance de cette approche surtout quand le nombre de donnees est important. Les resultats d'interpolation d'une surface par une spline de type plaque mince ou multiquadratique sont presentes. En particulier, nous avons teste les ondelettes splines, les ondelettes a support compact et les ondelettes biorthogonales. Les resultats graphiques sont accompagnes des estimations numeriques des erreurs, ceci permettant une meilleure appreciation des demarches proposees.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.:TABLES OF CONTENTS LIST OF FIGURES AND TABLES IX 1 INTRODUCTION 1 1.1 Motivation 1 1.2 Low-k dielectric material trends 2 1.3 Required properties of low-k dielectric materials 7 1.4 Technical issues of low-k dielectric materials 7 1.5 Research objectives 8 2 EXPERIMENTAL TECHNIQUES 10 2.1 Transmission electron microscopy 10 2.2 Interaction of fast electrons with a solid specimen 11 2.3 Electron energy-loss spectroscopy 16 2.4 Elemental quantification 19 3 RADIAL DISTRIBUTION FUNCTION 21 3.1 Introduction 21 3.2 Physical aspects of an electron diffraction experiment 22 3.3 Merits and demerits of electron diffraction analysis 24 3.4 Results and Discussion 25 3.5 Conclusion 33 4 CHEMICAL STATE ANALYSIS OF LOW-K DIELECTRIC MATERIALS: AN EELS AND XPS STUDY 34 4.1 EELS analysis 34 4.2 Spectra post-acquisition processing 35 4.3 XPS analysis 37 4.4 Results and Discussion 39 4.5 Conclusion 48 5 DIELECTRIC RESPONSE OF LOW-K DIELECTRIC MATERIALS 49 5.1 Introduction 49 5.2 Exact determination of the loss-function 49 5.3 Fourier-log deconvolution 50 5.4 Kramers-Kronig analysis 51 5.5 Model fitting of dielectric functions: Lorentz oscillator model 52 5.6 Data processing 54 5.7 Results and Discussion 54 5.8 Conclusion 65 6 SIDE-WALL DAMAGE ANALYSIS 66 6.1 Introduction 66 6.2 Energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM) 67 6.3 Merits of EFTEM 69 6.4 Results and Discussion 70 7 SUMMARY, CONCLUSION AND SUGGESTIONS FOR THE FUTURE WORK 88 7.1 Summary 88 7.2 Conclusion 89 7.3 Suggestions for the future work 90 8 REFERENCES 92 9 APPENDIX 100 9.1 Appendix A: Script for normalization of loss function. 100 9.2 Appendix B: Kramers-Kronig analysis script 101 9.3 Appendix C: Sum rule for verification of Kramers-Kronig relation 102 9.4 Appendix D: Lorentz oscillator model 103 9.5 Appendix E: EFTEM image spectrum script 104 10 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 108