La spectroscopie d'absorption moléculaire est un outil incontournable non seulement pour la physique fondamentale et la métrolgie mais aussi pour des domaines aussi divers que les sciences environnementales, la planétologie ou l'astrophysique. Ces dernières années, des techniques spectroscopiques qui exploitent l'amplification résonnante d'interaction entre lumière laser et molécules dans une cavité optique ont fourni des détectivités exceptionnelles sur l'axe d'absorption, tandis que l'axe de fréquence des spectromètres n'atteignait généralement pas le même niveau de précision.Dans cette thèse, nous avons répondu à ce défi en développant la spectroscopie en cavité par temps de déclin stabilisée en fréquence par rétroaction optique (OFFS-CRDS en anglais). Cette nouvelle technique présente une combinaison unique de stabilité et résolution fréquentielles sub-kHz, d'un niveau d'intensité lumineuse intra-cavité de l'ordre du kW/cm^2, d'une detectivite de 2 x 10^(−13) cm^(−1)Hz^(-1/2) limitée par le bruit de photons, et d'une limite de détection de 8.4 x 10^(−14) cm^(−1) sur une plage spectrale étroite. Ces performances inédites sont dues à l'asservissement de la cavité spectroscopique à un laser balayé en fréquence par modulation à bande latérale unique et stabilisé par rétroaction optique avec une cavité en V de réference ultrastable. Pour transférer la cohérence de ce laser sub-kHz à des lasers plus bruiteux dans d'autres gammes spectrales à travers un peigne de fréquence optique, nous avons exploré une nouvelle méthode de clonage de phase par une correction anticipative à large bande passante et démontré une erreur résiduelle de phase de 113 mrad. En appliquant l'OFFS-CRDS à la spectroscopie du CO2 à 1.6 μm, nous avons obtenu un spectre large bande avec une dynamique de 8 x 10^5, et nous avons déterminé douze fréquences de transition absolues avec une exactitude de l'ordre du kHz en mesurant des Lamb dips sub-Doppler en absorption saturée avec un dispositif équipé d'un peigne de fréquence. Par ailleurs, nous avons procédé à une analyse détaillée des sources d'erreurs systematiques en CRDS et nous avons déduit une formule analytique pour le déclin de cavité non-exponentiel dans un régime faiblement saturé qui est susceptible de contribuer à de futures mesures de moments de transition dipolaire indépendantes de la concentration. Nos résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications métrologiques de l'OFFS-CRDS, comme par exemple l'étude de profils de raie poussés, la mesures de rapports isotopiques et la spectroscopie d'absorption saturée extensive dans le proche infrarouge. / High-precision molecular absorption spectroscopy is a powerful tool for fundamental physics and metrology, as well as for a broad range of applications in fields such as environmental sciences, planetology and astrophysics. In recent years, spectroscopic techniques based on the enhanced interaction of laser light with molecular samples in high-finesse optical cavities have provided outstanding detection sensitivities on the absorption axis, while the spectrometer frequency axis rarely met as high precision standards.In this thesis, we addressed this challenge by the development of Optical Feedback Frequency-Stabilized Cavity Ring-Down Spectroscopy (OFFS-CRDS). This novel technique features a unique combination of sub-kHz frequency resolution and stability, kW/cm^2-level intracavity light intensity, a shot-noise limited absorption detectivity down to 2 x 10^(−13) cm^(−1)Hz^(-1/2), as well as a detection limit of 8.4 x 10^(−14) cm^(−1) on a narrow spectral interval. This unprecedented performance is based on the tight Pound-Drever-Hall lock of the ring-down cavity to a single-sideband-tuned distributed-feedback diode laser which is optical-feedback-stabilized to a highly stable V-shaped reference cavity. To transfer the coherence of this sub-kHz laser source to noisier lasers in other spectral regions through an optical frequency comb, we have explored a novel high-bandwidth feed-forward phase cloning scheme and demonstrated a residual phase error as low as 113 mrad. Applying OFFS-CRDS to the spectroscopy of CO_2 near 1.6 μm, we obtained a broadband spectrum with a dynamic range of 8 x 10^5 and retrieved twelve absolute transition frequencies with kHz-accuracy by measuring sub-Doppler saturated absorption Lamb dips with a comb-assisted setup. Furthermore, we have performed a comprehensive analysis of systematic error sources in CRDS and derived an analytic formula for the non-exponential ring-down signal in a weakly saturated regime, which may contribute towards future concentration-independent transition dipole moment measurements. Our results open up promising perspectives for metrological applications of OFFS-CRDS, such as advanced absorption lineshape studies, isotopic ratio measurements and extensive saturated absorption spectroscopy in the near infrared.

L'existence de molécules interstellaires soulève une question, ces molécules sont-elles les mêmes molécules que nous voyons dans le système Solaire aujourd'hui ? C'est une question toujours ouverte qui implique des conséquences profondes. Il est possible d’éclaircir cette question en étant capables de retracer l'héritage d'un groupe de molécules chimiquement liées, ce que nous appelons un réservoir. Le meilleur outil pour retracer l'héritage des réservoirs sont les rapports isotopiques. L'élément qui montre les plus grandes variations du rapport isotopique dans le système Solaire est l'azote. Ces variations indiquent que le rapport isotopique de l'azote est sensible aux conditions physiques de la formation des étoiles.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les réservoirs d'azote à différents étapes de la formation des étoiles et des planètes. La première étape de cette entreprise était d'identifier le rapport isotopique de la masse principal d'azote du milieu interstellaire local aujourd'hui.Cela a été déterminé égale à 323 ± 30 à partir du rapport CN/C 15 N mesuré dans le disque protoplanétaire autour de TW Hya. Parallèlement à cela, nous avons également mesuré un rapport HCN/HC 15 N=128 ± 36 dans le disque protoplanétaire autour de MWC 480. Ces rapports isotopiques très distinctes mesurées sur les disques protoplanétaires sont une indication claire de la présence d'au moins deux réservoirs d'azote dans les disques protoplanétaires. La façon dont ces réservoirs se séparent est cependant inconnue. Cela pourrait peut-être se produire en raison de réactions de fractionnement chimique ayant lieu dans les cœurs prestellaires. Nous avions donc comme objectif d'obtenir une mesure précise et directe du rapport isotopique de l'azote des molécules d'HCN dans le cœur prestellaire L1498.Pour obtenir cette mesure, l'obstacle le plus important à surmonter était due aux anomalies hyperfines des molécules d'HCN. Ces anomalies hyperfines sont induites par le chevauchement des composants hyperfins. Ceci sont particulièrement sensibles à la densité de colonne d'HCN, mais aussi au champ de vitesses et aux largeurs de raies. Ainsi les anomalies hyperfines sont un outil de mesure de l'abondance d'HCN permettant aussi de sonder la cinématique des cœurs prestellaires.Pour reproduire avec précision les anomalies hyperfines, et ainsi mesurer des densités de colonne précises d'HCN, nous avions besoin d'explorer un espace de paramètres dégénéré de 15 dimensions. Pour minimiser les dégénérescences nous avons obtenu un profil de densité basé sur des cartes du continuum de L1498. Ceci permettant de réduire à 12 dimensions l'espace des paramètres. L'exploration de cet espace de paramètre a été fait grâce à l'utilisation d'un méthode de minimisation MCMC. Grâce à cette exploration, nous avons obtenu HCN/HC 15 N = 338 ± 28 et HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Les incertitudes sur ces valeurs sont limités par les erreurs de calibration et sont dé-terminés de manière non arbitraire par le méthode MCMC. Les implications de ces résultats sont discutées dans le chapitre de conclusion,où nous présentons également quelques perspectives sur l'avenir. / The existence of interstellar molecules raises the question, are thesemolecules the same molecules we see on the Solar system today? Thisis still an open question with far reaching consequences. Some lightmay be shed on this issue if we are able to trace the heritage of agroup of chemically linked molecules, a so-called reservoir. The besttool to trace the heritage of reservoirs are isotopic ratios. The elementthat shows the largest isotopic ratio variations in the Solar system isnitrogen. For this is an indication that the isotopic ratio of nitrogen issensitive to the physical conditions during star formation.The main objective of this thesis is to identify the reservoirs of ni-trogen at different stages of star and planet formation. The first stepin this endeavour was to identify the isotopic ratio of the bulk of ni-trogen in the local ISM today. This was determined to be 323 ± 30from the CN/C 15 N ratio in the protoplanetary disk around TW Hya.Along with it we also measured the HCN/HC 15 N= 128 ± 36 in theprotoplanetary disk around MWC 480. This very distinct nitrogen iso-topic ratios on protoplanetary disks are a clear indication that thereare at least two reservoirs of nitrogen in protoplanetary disks. Howthese reservoirs get separated is however unknown. This could pos-sibly happen due to chemical fractionation reactions taking place inprestellar cores. We therefore aimed to obtain an accurate direct mea-surement of the nitrogen isotopic ratio of HCN in the prestellar coreL1498.To obtain this measurement the most important hurdle to overcomewere the hyperfine anomalies of HCN. These hyperfine anomaliesarise due to the overlap of hyperfine components. They are especiallysensitive to the column density of HCN, but also to the velocity fieldand line widths. Thus hyperfine anomalies are a tool to measure theabundance of HCN and to probe the kinematics of prestellar cores.To accurately reproduce the hyperfine anomalies, and thus mea-sure accurate column densities for HCN, we needed to explore adegenerate parameter space of 15 dimensions. To minimise the de-generacies we have derived a density profile based on continuummaps of L1498. This reduced the parameter space to 12 dimensions.The exploration of this parameter space was done through the useof a MCMC minimisation method. Through this exploration we ob-tained HCN/HC 15 N = 338 ± 28 and HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Theuncertainties on these values are calibration limited and determinednon-arbitrarily by the MCMC method. Implications of these resultsare discussed in the concluding chapter, where we also present somefuture perspectives.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.

L'authenticité et la traçabilité des aliments gagnent un intérêt croissant au cours de la dernière décennie puisque la connaissance de la provenance des aliments est considérée comme une garantie supplémentaire de leur qualité. Les consommateurs ont également des inquiétudes et des préoccupations par l'origine de la nourriture qu'ils consomment car divers produits sont sujets à l'adultération ou à la fausse dénomination. L'intérêt accru à l’égard de la protection des consommateurs et de la lutte antifraude ont entraîné un accroissement de la recherche scientifique appliquée et le développement d'outils efficaces pour contrôler l'authenticité des produits alimentaires. Entre techniques analytiques appliquées à l'authenticité et à la traçabilité des aliments, les méthodes les plus prometteuses sont basées sur les empreintes d'éléments lourds mesurées par la spectroscopie atomique. La spectrométrie de masse à multicollection à couplage à plasma induit (MC-ICP-MS) est reconnue comme la méthode optimale pour effectuer des mesures de haute précision de nombreux éléments du tableau périodique en contrôlant simultanément les rapports entre leurs isotopes stables. Cette étude présente une nouvelle stratégie analytique basée sur des isotopes stables non-traditionnels combinés avec des éléments traces déterminés par ICP-MS. Les avantages de combiner les informations de deux systèmes isotopiques, l'un traçant le sol (Sr), et l'autre traçant la pollution environnementale ambiante (Pb), ont permis d'obtenir de nouvelles informations exceptionnelles sur la traçabilité et l'authenticité des matrices alimentaires sélectionnées : vins de Bordeaux, jambons secs et thé. En utilisant des techniques analytiques complémentaires telles que les empreintes des élémentaires traditionnelles, la spécification régionale, ainsi que le traçage du processus de préparation des aliments sont possibles. Traitée par la chimiométrie, cette approche analytique constitue un nouvel outil efficace et prometteur pour détecter des fraudes alimentaires, y compris l’imitation de produits de grande valeur, l’étiquetage erroné et la substitution par des produits moins cher. / Food authenticity and traceability have received an increasing interest during the last decade since the knowledge of food provenance is regarded as an additional warranty of its quality. The world's globalization brought to the consumers is more and more concerned with the origin of the food they eat because various products are subjected to adulteration or false denomination. The augmentative interest in anti-fraud and consumer protection has led to the extension of scientific research and development of effective tools of food authenticity control. Among the analytical technics applied to food authenticity and traceability, one of the most rapidly developing and promising method is based on fingerprinting of heavy elements detected by atomic spectroscopy. The multicollection inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS) is recognized as a method of choice for the high precision measurement of numerous elements of the periodic table as well as ratios of their stable isotopes. This study present a new analytical strategy based on combined non-traditional stable isotopes and trace elements determination by ICP-MS. The benefits of combining information from two isotopic systems, one tracing the soil (Sr), and the other tracing environmental ambient pollution (Pb), allowed to obtain an exceptional new information about traceability and authenticity of selected food matrixes: prestigious Bordeaux wines, dry-cured hams and tea. Using complementary analytical techniques such as traditional elemental fingerprinting, the regional specification, as well as tracing of the food preparation process are possible. When combined with chemometrics, these analytical advances constitute an efficient and promising tool to detect food frauds, including adulteration of high value products with cheaper substitutes, forgery and falsification.

Dans ce travail nous avons abordé l'évolution spatiale et temporelle du système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Le point chaud de Tristan da Cunha et les structures associées du fond océanique (à savoir la chaîne volcanique de Walvis dans la plaque africaine et l'élévation du Rio Grande dans la plaque sud-américaine) sont parmi les plus importantes de l'océan l'Atlantique Sud. Cependant, ce système est moins étudié que les systèmes présents dans l'Atlantique Nord (par exemple Açores et Islande), et leur origine et évolution restent sujets à débat. La compilation des données de sondage bathymétrique hébergées auprès du Centre National de Données Géophysique (National Geophysical Data Center - NGDC), et les données de bathymétrie dérivées de l'altimétrie de satellites furent utilisées pour l'élaboration d'un modèle numérique de terrain (MNT) de l'ensemble de l'Atlantique Sud. Les données d'anomalie à l'air libre dérivées de l'altimétrie de satellites et les données d'épaisseurs sédimentaires furent utilisées pour le calcul de l'anomalie de Bouguer réduite au manteau (Mantle Bouguer Anomaly - MBA) et avec les données des isochrones du fond océanique furent calculées l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (Residual Mantle Bouguer Anomaly - RMBA), la bathymétrie résiduelle et des nouveaux pôles du mouvement relatif entre les plaques de l'Amérique du Sud et Afrique. Les données de géoïde dérivées de l'altimétrie de satellites et le Modèle Gravitationnel de la Terre (Earth Gravitational Model - EGM2008) furent utilisés pour la séparation des différentes composantes dans le signal du géoïde, grâce à des filtres retenant différents ordres et degrés d'harmoniques sphériques. À partir des reconstructions cinématiques basées sur les nouveaux pôles calculés dans ce travail, et en se basant surl'hypothèse communément admise que l'île volcanique de Tristan da Cunha se situe à l'aplomb dela position actuelle du point chaud, la chronologie des phases de mise en place des structures volcaniques a pu être précisée. Ceci a mis en évidence l'existence de plusieurs sauts d'axes et des variations périodiques de l'apport magmatique à l'axe entrainant une alternance entre périodes de construction et de rupture du plateau axial. La comparaison détaillée de la position estimée pour le point chaud de Tristan da Cunha et de la localisation des structures volcaniques de la chaine Walvis dont les âges sont connus a souligné que la formation de la chaîne Walvis ne peut pas être expliquée dans sa totalité par un modèle d'évolution faisant appel à une interaction entre la dorsale de l'Atlantique Sud et un point chaud dont la position actuelle serait l'île de Tristan da Cunha. Ensuite, nous avons évalué l'évolution temporelle de l'influence du point chaud à l'axe de la dorsale, sur aux variations de la bathymétrie résiduelle (BR) et de l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (RMBA), et avec l'analyse des variations du taux d'ouverture et de la distance point chaud-dorsale. Les valeurs des anomalies de RMBA et BR, lors des premières étapes d'ouverture de l'Atlantique Sud, sont plus fortes sur la plaque africaine que sur la plaque sud-américaine. Cela suggère que la position du point chaud a été sous la plaque africaine depuis le début de l'ouverture. En synthèse, on observe trois différentes périodes dans le système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Une période de rapprochement de la dorsale vers le point chaud entre 115 Ma et 100 Ma, lors de laquelle on remarque l'influence du point chaud sur la dorsale sur une distance d'au moins 150 km. Ensuite, entre 95 Ma et 60 Ma, on observe que la dorsale est à l'aplomb ou très proche (< 50 km) du point chaud. Et depuis 60 Ma, un éloignement graduel et progressif de la dorsale par rapport à la position du point chaud est observé. On a pu montrer que lors des périodes de rapprochement et de proximité de la dorsale au point chaud, les variations périodiques d'apport magmatique observées sont liées aux variations du flux de panache. A partir de l'analyse de l'évolution des structures volcaniques, en association avec les données d'anomalie à l'air libre et de géochimie, les structures volcaniques ont pu être divisées en deux groupes. Un groupe formé par la bordure nord-ouest de la chaîne Walvis et appelé première phase, cohérent avec l'évolution des structures dans un contexte de transition d'une mise en place à l'axe vers une situation intraplaque, en accord avec les trois étapes (rapprochement, fixation à l'aplomb et éloignement) décrites ci-dessus. L'autre groupe, formé par la bordure sud-est de la chaîne Walvis et appelé deuxième phase, montre une signature gravimétrique caractéristique d'une mise en place intraplaque, y compris pour les structures à l'âge desquelles la dorsale est à l'aplomb du point chaud. Les deux groupes possèdent signatures géochimiques différentes en termes de rapports Zr/Nb et d'abondance en Ti. Ensuite, à partir de l'analyse comparative des différents degrés d'harmoniques sphériques du géoïde et des nouveaux résultats de tomographie sismique disponibles dans la littérature, nous avons pu montrer l'existence d'une association en profondeur entre les panaches responsables des structures volcaniques de l'élévation du Rio Grande et de la chaîne Walvis et le superpanache africain. L'identification de trois anomalies mantéliques proches des îles de Gough et RSA semblent en faire une meilleure alternative d'emplacement que l'île de Tristan da Cunha, qui est l'hypothèse communément acceptée aujourd'hui.