Dissertations / Theses on the topic 'Détecteurs optiques'

La fibre optique semble être le seul média capable de transporter des débits allant jusqu'au Gigabit par seconde et au-delà, vu sa grande bande passante. La technologie radio DECT-DPRS et l'Ultra-large bande (UWB) permettent de transporter des flux de données en mode paquets avec des débits élevés. L'utilisation d'une infrastructure optique pour relier les différents points d'accès (radio sur fibre) permettra des économies dans le déploiement des réseaux haut débit dans le monde de l'entreprise. Nous nous intéressons dans ce mémoire à l'accès multiple par code (CDMA). Le but de ce travail est de proposer une structure de récepteur multi-utilisateurs, basée sur une annulation en parallèle des interférences, améliorée en termes de performance et de complexité réduite. L'amélioration proposée consiste à introduire un coefficient de pondération des interférences et/ou un coefficient multiplicateur pour le signal de l'utilisateur détecté. Une étude théorique complète, abondée par des simulations est présentée et les imperfections des éléments du réseau optique sont prises en compte, sans oublier une comparaison avec les dispositifs classiques pré-existants. De plus, dans le but d'assurer une mutualisation des éléments intelligents de l'interface DPRS reliant le réseau optique, nous avons proposé un algorithme d'identification des modulations proposées dans le standard de l'ETSI afin d'assurer la gestion dynamique des ressources. Plusieurs solutions possibles sont présentées et nous proposons un détecteur de type de modulation original, dont nous fournissons une étude théorique et par simulation (optimisation des seuils, comparaisons avec les solutions alternatives)
The optical fiber appears to be the only medium able to convey informations at rates exceeding 1Gb/s, owing to its large bandwidth. The DECT-GPRS and UWB radio technologies allow to transmit data streams in packet mode at high rates. Using an optical infrastructure to link the different access points (radio on fiber) leads to cost reductions in the high data rate networks deployment in the office environment. Our concern, in this thesis report, is with code division multiple access (CDMA). The aim of our work is to design a, performance enhanced and reduced complexity, multi-user receiver structure, based on the parallel cancellation of interferences, our solution is to introduce an interference weighting factor and/or an amplification factor for the detected user signal. A complete theoretical study, supported by simulations, is presented and the optical elements imperfections are taken into account, without omitting a comparison with classical pre-existing systems. Moreover, in order to ascertain the sharing of intelligent components of the DPRS interface to the optical network and dynamic resource supervision, an algorithm is presented for identification of the modulation types authorized by the ETSI standard, several possible solutions are depicted and a novel modulation detector is described, theoretically analyzed, optimized using simulations (thresholds, comparison with alternative solutions)

Parmi les techniques de détection de rayonnement, les détecteurs optiques occupent une place importante et apportent des réponses aux exigences des expériences de physique et d'astrophysique. Je traiterai plus particulièrement dans mon exposé des techniques de détection basées sur l'émission Čerenkov ou la scintillation dans les matériaux inorganiques transparents, en les illustrant par les recherches, développements et réalisations. Les aspects de science des matériaux, d'optique, en particulier les problèmes causés par les radiations, les techniques expérimentales utilisées, les développements réalisés en matière de simulation numérique et de modélisation, et bien entendu les expériences de physique en cours ou projetées seront abordés. Je terminerai par quelques perspectives d'utilisation des cristaux scintillants dans les calorimètres hadroniques du futur.

Depuis plusieurs années, les détecteurs courbes ont été proposés comme étant une nouvelle approche pour améliorer les performances des caméras. En courbant les détecteurs, une des aberrations optiques, la courbure de champ, peut en effet être annulée, ce qui permet d’avoir une meilleure résolution ou d’utiliser moins de lentilles pour une même qualité d’image.Ce travail de thèse propose d’étudier cette approche, en essayant de prendre en compte les aspects mécaniques, optiques et technologiques du système final. Tout d’abord, le lien entre la scène et la courbure des capteurs est théorisé. Ainsi, la position et la forme de l’objet par rapport au système optique influent sur la valeur de courbure du capteur optimale. Une forte compacité est permise pour les systèmes optiques possédant cette courbure. Ces études théoriques permettent de créer une nouvelle méthodologie de conception optique. Celle-ci débute par la détermination des limites mécaniques du capteur, pouvant casser lorsque la courbure est élevée. Intégrant ces limites et les changements théoriques observés, une architecture optique est choisie, donnant de hautes performances en compacité, résolution et champ de vue. De nouvelles tolérances sont établies pour la courbure. Ce système est ensuite fabriqué pour être caractérisé. La forme des montre un léger écart à la sphère. La courbure n’a pas d’impact significatif sur les performances électro-optiques des détecteurs. La qualité de l’image caractérisée est perturbée par des tilts ou décentrements probables. Enfin une caractérisation utilisant un capteur plan et l’optique imageant sur une surface courbe permet d’obtenir des informations sur la courbure idéale
In the past few years, curved sensors have been proposed to enhance optical systems. The curvature of these sensors improves off-axis aberrations, such as field curvature, which provides a better resolution and less complex optical systems.This work studies deformable and curved sensors development in a multidisciplinary approach. Firstly, scene and curved sensors are theoretically linked. The form and the position of the object change the curvature of the best image plane, leading to new relations adapted to optical systems with deformable sensors. Gains in compactness are also demonstrated. These investigations merge into a new methodology adapted to optical systems based on curved sensors that has been developed. The first step is to determine mechanical limits of the sensor such as maximum bending without breakage. Based on these limits, a new compact architecture is developed, providing high resolution and good field of view. New tolerances are determined to manufacture a system with its opto-mechanical mount. Finally, the entire imaging system is characterized. The form of the curved sensor is analyzed, showing few deviations from the ideal sphere. Electro-optical characterizations are realized and the image quality is determined according to the object distance, showing the effects of the deformable curvature. The ideal curved focal plane is also determined by combining a flat sensor to the manufactured optical system

Cette thèse, effectuée au sein de l'équipe DOTA de l'ONERA Palaiseau, porte sur l'étude et la caractérisation électro-optique de détecteurs infrarouge à superréseau (SR) InAs/GaSb. L'objectif était d'améliorer la compréhension du fonctionnement de ce photodétecteur haute performance refroidi et de statuer sur sa capacité à fonctionner à haute température (T > 120K) dans le domaine spectral MWIR (3 - 5pm). En collaboration étroite avec l'IES de l'Université de Montpellier, nous avons étudié une structure InAs-rich (présentant plus d'InAs que de GaSb dans la période du superréseau) dont les courants d'obscurité sont plus faibles que les structures classiques. Après avoir mis en place et amélioré différents bancs de test de caractérisations optiques (mesure de durée de vie par photoluminescence résolue en temps), électrique (caractéristiques courant-tension et mesure de bruit) et électro-optique (réponses spectrales calibrées), j'ai montré que les rendements quantiques de la structure InAs-rich étaient pénalisés par une longueur de diffusion des trous très faible, estimée à 80nm à 77K. J'ai proposé deux solutions pour améliorer le rendement quantique : la première, testée grâce à la première matrice InAs-rich MWIR, consiste à changer de côté l'éclairement : le rendement moyen est alors de 42% à 77K ; la deuxième est de changer de porteurs minoritaires, en dopant la structure un rendement maximal de 60% a été mesuré, pour des températures de fonctionnement de 77K à 130K. Une température BLIP de 110K a également été déterminée. Tous les résultats obtenus ont permis de donner un avis d'expert sur le fonctionnement haute température des photodétecteurs à SR MWIR
This work, realized at ONERA (DOTA), focuses on the study and the electro-optical characterization of type II InAs/GaSb superlattice (T2SL) infrared photodetectors. The aim of this work was to improve the knowledge of this high performance infrared cooled photodetector and to focus on its potential to address the high operating temperature (HOT) (T > 120K) MWIR applications. With the Institut d'Electronique et des Systèmes, we studied a InAs-rich structure, with more InAs than GaSb in the superlattice period, which exhibits a lower dark current than conventional symmetric structures. I first realized or adapted different test benches to determine the other parameters needed to characterize the detector : current-voltage characteristics, noise, calibrated spectral response and minority carrier lifetime measurements. I demonstrated that the InAs-rich structure has a quantum efficiency (QE) penalized by a very short holes diffusion length. I estimated the value equal to 80nm at 77K. Two solutions have been proposed : the first tested thanks to the first InAs-rich MWIR FPA, is to change the side of the illumination : the average QE is 42% at 77K ; the second is to switch minority carriers type, by doping the structure : a maximum QE of 60% was measured at operating temperatures varying from 77K to 130K and at zero bias voltage. A BLIP temperature of 110K was determined. Ail these results allow us to assess the ability of T2SL to address HOT MWIR applications

PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12’’ (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installé proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l’intérieur d’un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite expédiées par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0. 35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l’intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l’ASIC ont conduit à la réalisation d’un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du chip (passage des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l’analyse a montré un comportement général correct et la réalisation des modifications apportées
PMm² is a project founded for three years by the French National Agency for Research (ANR) with the complete title: “Innovative electronics for photo-detectors array used in high energy physics and astroparticles”. The project proposes to segment the large surface of photo-detection in macro pixel consisting of an array of 16 PMTs of 12-inches (2*2 m²), connected to an autonomous front-end electronics which works in a triggerless data acquisition mode placed near the array. This is possible thanks to the microelectronics progress that allows to integrate the read out and the signal processing, of all the photomultipliers, in the same circuit (ASIC) named PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip). The ASIC must send out only the digital data by network to the surface central data storage. The PARISROC Chip, made in AMS 0. 35 µm technology, integrates 16 independent channels for each PMTs of the array, providing charge and time measurements. The first prototype of PARISROC chip has a total surface of 19 mm². It has been sent for fabrication in June 2008 to AMS foundry (AustriaMicroSystems) through the CMP (Multi Project Center) and received in December 2008. The ASIC measurements have led to the realization of a second prototype. Important measurements were brought in terms of noise, dynamic range, read out frequency (from 10 MHz to 40 MHz), time measurements (TDC improvements) and charge measurements (Slow shaper improvements). Sent for fabrication in November 2009 and received in February 2010, this new prototype PARISROC 2 has been tested and the characterisation has shown a good overall behavior and the verification of the improvements

L'objectif de cette thèse est la conception d'un nouveaucapteur à fibre optique pour la mesure enfouie dedéformation. Les capteurs de déformation à réseaux deBragg fibrés sont généralement collés à la surface de lastructure sondée. Leur utilisation comme capteur enfouipeut s'avérer inappropriée. En effet, dans ces conditions,un couplage mécanique entre le capteur et sonenvironnement modifie la déformation transverse de la fibrequi devient alors une inconnue. Dès lors, la seule mesuredu décalage de la longueur d'onde de Bragg ne suffit paspour remonter aux déformations axiales et transverses. Pour décorréler ces déformations nous proposons unearchitecture de capteur basée sur la superposition dansune fibre optique d'un réseau de Bragg (FBG) et d'unréseau longue période (LPG). Le travail de thèse a été detrouver l'architecture optimale, possédant une réponse auxdéformations linéaire et une résolution de mesureéquivalente à celle des capteurs FBG standards. Lors de laconception du capteur, des résultats classiques sur les LPGont été revisités. Des propriétés optiques inédites desmodes de gaine ont été mises en évidence. Nous avonsmontré que la forme de ces modes évolue fortement avecle rayon de gaine et qu'il existe des rayons de gainecritiques pour lesquels des modes de gaine possèdent lemême profil d'intensité. Nous avons également réalisé une étude statistique surles sensibilités des LPG aux déformations afin de dégagerdes règles générales sur l'utilisation des LPG commecapteur. Nous notons que les sensibilités croisées sontnégligeables et que les sensibilités dépendentprincipalement du pas du réseau et du rayon de gaine. L'enfouissement du capteur pouvant induire descourbures, l'influence de la courbure sur la réponse desréseaux a été étudiée en couplant des simulations paréléments finis et des méthodes semi-analytiques. Il a étédémontré que la sensibilité des FBG à la courbure est dueaux variations opposées de l'indice effectif et du coefficientde couplage des modes couplés et que l'indice effectifmoyen du réseau jouait un rôle clé dans l'amplitude et lesigne de cette sensibilité. Un mécanisme similaire a été misen évidence pour les LPG
The aim of this thesis is the design of a new fiber optic sensor for the strain measurement inside materials. Fiber Bragg grating strain sensors are usually glued on the surface of the monitored structure. Their use like embedded strain sensor may be unadapted. Indeed, in these circumstances, a mechanical coupling between the sensor and the host material changes the transverse strain of the fiber. The transverse strain becomes unknown. Consequently, the only measurement of the Bragg wavelength shift is not enough to estimate both axial and transverse strains. In order to decorrelate these strains, we propose a sensor architecture based on the juxtaposition of a Bragg grating (FBG) and of a long period grating (LPG). The thesis work consist in finding the optimal architecture so that the sensor response to strain is linear and the measurement resolution is identical to the resolution of usual fiber optic sensors. During the sensor design, some usual results on LPG have been studied again. Some original optical properties of cladding modes have been revealed. It has been shown that the shape of these modes changes significantly with the cladding radius of the fiber and that there are critical cladding radii for which some modes have the same transverse intensity distribution. A statistical study has been carried out on the strain sensitivities of LPG. General behaviors of LPG strain sensors have been highlighted. Especially, the crosssensitivities can be neglected and the sensitivities are mainly influenced by the period of grating and the cladding radius of the fiber. When the sensor is embedded inside the material, it may be bent. The bending effects on the gratings responses have been studied using the finite element as well as the semi analytical methods. It has been shown that the bending sensitivity of FBG depends on a balance mechanism between the effective refractive index change and the coupling coefficient change of the coupled modes and that the average index variation of the grating plays a key role in the amplitude and the sign of this sensitivity. A similar mechanism has been highlighted for LPG

Le projet de Recherche et Développement R&D 17 au CERN, dans lequel se situe cette thèse, étudie la possibilité d'utiliser un photomultiplicateur sensible à la position (PSPM) associé à des fibres scintillantes pour définir un déclenchement de premier niveau pour le LHC. Une simulation d'événements physiques avec ISAJET a permis d'étudier ses performances pour effectuer une sélection des «bons» événements dans les conditions très sévères imposées par le LHC. Ce détecteur a de la diaphonie entre les anodes et doit donc être associé à des systèmes de lecture pour retrouver le centre de gravité de la charge laissée par la particule. Deux méthodes de reconstruction de la position ont été étudiées et simulées avec un langage de spécification VHDL afin de les comparer: une première basée sur des lignes à retard (RTD) et une autre qui utilise des systèmes de neurones. La méthode RTD a abouti à la construction d'une carte NIM qui nous a permis de définir ces limites pour notre application. Un système d'acquisition de données a été conçu dans le langage C++ pour tester des hodoscopes de fibres. C'est un système temps réel grâce à l'utilisation de la librairie tâche du C++ qui permet de gérer plusieurs tâches. Une interface utilisateur graphique sous MOTIF a été développée pour permettre d'utiliser ce système de façon conviviale. Ce système nous a permis d'étudier la résolution spatiale de notre détecteur, les multiplicités, l'effet du champ magnétique. . .

Pour des raisons de sécurité liées aux propriétés détonantes de l'hydrogène dans l'air, la détection de fuites d'hydrogène gazeux est primordiale dans les lanceurs spatiaux propulsés par un moteur fonctionnant à l'oxygène et l'hydrogène liquide. Afin de compléter ses équipements de détection, la société européenne de propulsion cherche à développer un détecteur de fuite d'hydrogène à fibre optique. La fibre optique est préconisée pour cette application car elle offre de nombreux avantages en ce qui concerne sa facilité d'utilisation et sa sécurité de fonctionnement. La conception de ce détecteur doit satisfaire les contraintes d'utilisation (capteur d'extrémité, faible masse, faible encombrement, faible consommation énergétique), mais également les contraintes métrologiques de fonctionnement (détection de 1% à 100% d'hydrogène dans l'azote dans une gamme de températures comprises entre 196°C et 23°C). Nous avons réalisé deux dispositifs à fibre optique. La fibre optique et la membrane transductrice utilisées pour ces deux dispositifs sont identiques : il s'agit d'une part d'une fibre multimodale à saut d'indice et à gros diamètre de coeur et d'autre part du palladium. Le premier dispositif est basé sur l'excitation d'une onde plasmon à la surface du palladium déposé sur la surface latérale du coeur de la fibre (capteur reparti le long de la fibre). Le second dispositif est basé sur la variation de la réflectivité d'un micro-miroir de palladium déposé en bout de fibre (capteur d'extrémité). Les performances du dispositif à plasmon de surface satisfont les spécifications métrologiques du cahier des charges pour un fonctionnement à 23°C, mais la conception de ce dispositif est peu adaptée aux contraintes d'utilisation. Bien que la réponse du dispositif à micro-miroir soit plus faible, sa conception est cependant plus adaptée au cahier des charges et permet d'utiliser plus facilement une diode laser de puissance pour obtenir des performances intéressantes à 196°C

Lynred est l’un des principaux acteurs mondiaux sur le marché des détecteurs infrarouge refroidis haute performance, historiquement basés sur des matériaux II-VI (HgCdTe), et plus récemment sur des matériaux III-V (QWIP, InSb, InGaAs). Les détecteurs InSb et InGaAs sont constitués de diodes organisées en matrices pour obtenir un imageur bidimensionnel. L’étude présentée dans ce manuscrit porte sur la compréhension du courant d’obscurité de ces diodes. La problématique est abordée en trois étapes : une étude du profil de la jonction, une analyse des phénomènes générant du courant d’obscurité dans le matériau massif, et la mise en évidence du rôle des interfaces. Le profil de la jonction est établi à partir de mesures SIMS fines. Les épaisseurs de la couche absorbante InGaAs et des zones de charge d'espace sont estimées par des mesures de capacité. En raison du caractère non abrupt des jonctions, les mesures de capacité ne permettent pas une détermination quantitative du dopage. Le courant de diffusion, non négligeable pour la diode InGaAs, est fortement contraint par la double hétérojonction. Il faut traiter séparément les mécanismes de diffusion verticale et latérale. La configuration matricielle vient ajouter une contrainte supplémentaire sur ce courant. Le courant de génération est à l’image des avancées technologiques actuelles, des matériaux de très bonne qualité et des diodes de faible taille. Le matériau massif contribue en proportion négligeable au courant d’obscurité en comparaison de la contribution des états d’interfaces, présents aux interfaces InSb/SiO ou InGaAs/InP. La maîtrise des étapes, de passivation pour l’InSb, et d’épitaxie pour l’InGaAs, sont les points critiques de ces technologies. Cette thèse a permis d’identifier les différents mécanismes responsables du courant d’obscurité des diodes InSb et InGaAs. Il est ainsi possible de pointer les étapes de fabrication critiques et de proposer des optimisations de design. Les moyens de caractérisation développés pour ces études pourront être utilisés sur la ligne de production. Ils permettront de contrôler la stabilité des procédés de fabrication, en particulier le dopage de la couche InGaAs et son épaisseur. Ces méthodes ont l'avantage d'être simples à mettre en œuvre, relativement peu coûteuses et surtout non destructives
Lynred is one of the major actors in the high quality cooled infrared detectors market, originally based on II-VI materials (HgCdTe), and more recently on III-V materials (QWIP, InSb, InGaAs). The InSb and InGaAs detectors are composed of photodiode organized in an array, in order to get a two dimension imager. The study reported here aim to enhance our comprehension of the dark current of these photodiodes. The subject is addressed in three steps: a study of the junction profile, an analyze of the phenomenon responsible for the dark current generated in the material’s bulk, and the highlighting of the interfaces role. The junction profile is established from sensibility optimized SIMS measurement. The thicknesses of the absorbing InGaAs layer, and of the space charge region, are obtained from capacity measurement. Because of the non-abrupt junction, the determination of the doping concentration can’t be achieved form the capacity. Diffusion current, which have to be taken into account for the InGaAs diode, is highly dependent upon the double heterojunction. Therefore, vertical and radial diffusion mechanisms have to be considered separately. Additionally, array configuration brings another constraint. Generation current is the witness of the actual technologies progresses, high quality materials with low default concentration and small sized diodes. Bulk material contribution is mostly negligible in comparison of the surface states one, localized at the InSb/SiO or the InGaAs/InP interfaces. Hence, the passivation process, or the epitaxy, is the critical point of those technologies. This thesis made it possible to identify the mechanisms responsible for the dark current of the InSb and InGaAs diodes, allowing us to point out the critical fabrication processes and to propose optimization of design. Characterization means developed during those three years might be used in the production line. It will allow monitoring the stability of the fabrication processes, especially the doping and thickness of the InGaAs absorbing layer. Those methods have the advantages of being simple to use, relatively cheap and above all non-destructives

Ce mémoire présente la modélisation, la simulation et la conception d’un nouveau capteur de température et d’étirement à fibre optique à modulation d’intensité dont l’élément sensible constituant le transducteur, est composé d’une fibre optique multimode à saut d’indice pincée entre deux mâchoires micro-structurées. L’effet du pincement produit des perturbations locales périodiques de la géométrie et de l’indice optique des éléments constitutifs de la fibre (cœur et gaine). Pour modéliser les couplages radiatifs dus à la courte période de perturbation, nous avons choisi d’utiliser un modèle électromagnétique du couplage de modes développé initialement par Dietrich Marcuse. Cette simulation nous a permis de déterminer la sensibilité du transducteur en fonction de ses caractéristiques propres. A partir de ces résultats, nous avons choisi les paramètres pour dimensionner le capteur en fonction de l’application visée. Les premiers prototypes des mâchoires des transducteurs ont été microstructurés en créneaux de 20 microns de profondeur et de période comprise entre 50 microns et 100 microns gravés dans du métal par usinage au laser femto-seconde. Après évaluation, nous avons proposé et contribué à développer un procédé de fabrication en grande série des mâchoires par injection plastique très performant. Les tests des premiers démonstrateurs de capteur ont permis de valider les modèles de calcul et révélés une réponse expérimentale linéaire en fonction du mesurande. Nous présentons les méthodes d’étalonnage statique et dynamique que nous avons proposées pour établir les spécifications métrologiques du capteur
This manuscript presents the modeling, simulation and design of a new kind of light modulation optical fiber sensor for temperature and strain measurement. The transducer consists of a multimode fiber step index clamped between two micro-structured jaws. The clamping effect generates local periodical perturbations of both the geometry and the fiber refraction indexes (core and optical cladding). In order to compute the radiative coupling occurring when the waveguide is perturbated by a mechanical deformation of short period, we have chosen to use an electromagnetic model of modes coupling initially developed by Dietrich Marcuse. The simulation allowed us to determine the transducer sensitivity according to its specific characteristics. From these results we have chosen the parameters useful to design the sensor versus the aimed application. The first jaws prototypes of transducers have been microstructured in rectangular pattern etched in metal by femto-second laser micromachining. The elementary pattern size was of 20 micrometers of depth and the pattern layout period was ranging from 50 micrometers to 100 micrometers. After evaluation, we proposed to develop a large scale fabrication process of the jaws using plastic injection which was very efficient. The experimental tests of the first sensor prototypes allowed the validation of the computing models and showed a linear response of the sensor versus the measured physical parameter. We present the static and dynamic calibration methods that we have implemented to establish the metrological specifications of the sensor

Le détecteur LHCb est l'une des quatre expériences de physique des particules de la nouvelle chaîne d'accélération LHC du CERN. Afin de réduire la quantité de données destinée au stockage, un dispositif de sélection en ligne est mis en place. L'unité de décision au niveau 0 (L0DU) est le système central du premier niveau de déclenchement. LODU est un circuit imprimé 16 couches intégrant des composants de haute technologie de type FGPA et des liaisons optiques à 1,6 Gbit/s. Le traitement est implémenté en utilisant une architecture pipeline synchrone à 40 MHz. L0DU applique un algorithme de physique simple pour calculer sa décision et réduire le flot de données de 40 MHz à 1 MHz pour le prochain niveau de sélection. Le traitement interne se compose d'un traitement partiel des données (PDP) et d'une partie dédiée à la définition de l'algorithme de sélection (TDU). Le TDU est flexible et permet de reconfigurer entièrement les conditions de déclenchement sans re-programmation des FGPA

Ce travail présente différentes avancées réalisées en terme de conception haut-débit à travers la technologie TBdH InP du laboratoire III-V Alcatel-Thales. L’objectif principal est l’amélioration des performances de vitesse des circuits afin d’améliorer la capacité des réseaux optiques mais aussi d’en réduire (ou tout au moins d’en maîtriser) leur coût. Cette recherche de fréquence de fonctionnement (ou de débit) maximum s’appuie sur une amélioration du flot de conception ainsi que sur différentes innovations de conception aussi bien d’un point de vue du schéma électrique que de l’implantation. Dans un premier temps, des cellules de base furent réalisées : un diviseur statique à 60 GHz, un doubleur de fréquence à 120 GHz et un ou exclusif à 40 Gb/s. Dans un second temps, il est apparu capital de valider des fonctions numériques de plus en plus complexes, dans un objectif d’une forte intégration au niveau des blocs émetteur/récepteur. Pour cela, dans l’optique d’une réalisation d’un circuit de récupération de l’horloge et des données, un détecteur de phase numérique fut conçu puis validé à 40 Gb/s. Les différents circuits réalisés puis mesurés montrent des performances circuits à l’état-de-l’art et pourront être intégrés dans les futurs réseaux optiques à 40 Gb/s
This work presents various high-speed design results in the InP DHBT technology of the III-V Alcatel Thales laboratory. The main goal is an IC speed improvement to develop optical network capacity and also to reduce (or to control) their cost. This maximum high operation frequency search is based on an improvement of design techniques and on several design innovations for electric diagram to layout. In the first time, basic cells have been realized: a 60-GHz static divider, a 120-GHz frequency doubler and a 40-Gb/s XOR. In the second time, it was capital to validate more complex digital functions, with the aim of transceiver reduced-scale integration. So, in order to implement a CDR, a digital phase detector have been designed and validated at 40 Gb/s. The different designed and measured circuits show state-of-the-art circuit performances. They could be use in 40-Gb/s future optical networks

Parmi les detecteurs de flamme actuellement utilises, les systemes a base de photocathodes capable de detecter selectivement les ultraviolets possedent les meilleures performances. Cependant leur utilisation se limite au domaine industriel du principalement a leur temps de vie limite a un ou deux ans, et a leur cout eleve. Le developpement exceptionnel des semiconducteurs aux nitrures au cours de ces dix dernieres annees a ouvert la voie des applications dans le domaine du bleu et de l'ultraviolet aux composants optoelectroniques. Il devient desormais possible d'envisager de remplacer les photocathodes par des photodetecteurs a base de semiconducteur ayant des caracteristiques de detections competitives, ajoute a un meilleur temps de vie et a un prix plus modeste. Dans ce travail, apres avoir defini les caracteristiques requises pour un photodetecteur de flamme, les principes de base des photodetecteurs a base de semiconducteurs, et les technologies de fabrication des structures etudiees sont presentees. Grace a la tres bonne qualite cristalline obtenue par la technique d'intercouche pour l'algan, des detecteurs a grande detectivite avec un faible courant d'obscurite sont fabriques. Leur selectivite spectrale permettant le rejet de la lumiere visible d'un facteur 1000 est acheve, avec un front de coupure modulable 360 a 270 nm suivant la composition en aluminium de l'algan. Dans un deuxieme temps l'etude du courant de fuite de diodes p-n et la caracterisation d'heterophotodiodes p-i-n de gan/algan sont faites. Avec ces photodetecteurs la faisabilite d'un detecteur de flamme a base de d'algan est demontre par des mesures de presence de flamme. Un effort reste cependant indispensable pour l'obtention d'un detecteur ayant un

Pour les structures en béton armé, la corrosion des armatures représente la plupart des pathologies observées. Aujourd'hui, pour réduire les coûts de maintenance, une détection avant l'apparition de la corrosion permettrait d'optimiser la gestion des infrastructures. Il est observé que les détériorations les plus rapides sur les structures en béton armé se développent en présence simultanée d'eau liquide et d'ions chlorure qui accélèrent l'apparition et le développement de la corrosion des armatures. Lorsque la concentration de chlorures dans le béton d'enrobage dépasse un certain seuil, la couche de passivation est détruite, et la corrosion des aciers d'armature s'initie. Ce phénomène est accentué dans les pays où les sels de déglaçage sont utilisés pour la sécurité routière, ainsi qu'en bordure de zones maritimes. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de monitorage non destructive permettant d'observer l'évolution des concentrations en ions chlorure dans le béton d'enrobage. Ce monitorage permet de surveiller en continu, et en temps réel, la concentration en chlorures libres dans les pores de béton afin d'évaluer la phase d'initiation de la corrosion. Le monitorage consiste en un capteur chimique à fibres optiques qui a été développé et testé. Des études théoriques et expérimentales ont permis la calibration et validation du capteur dans des échantillons de mortier. Une lumière bleue transite à l'intérieur des fibres optiques, atteignant à leur extrémité une pastille sensible aux ions chlorure. Avec l'analyse par spectroscopie de fluorescence, souvent utilisée dans le domaine de la biochimie et de la médecine, les concentrations d'ions chlorure libres dans l'eau interstitielle du béton sont déterminées. Ce capteur de petite taille, est facile à placer à différentes profondeurs dans le béton d'enrobage permettant de suivre en continu la concentration des chlorures contenue dans l'eau interstitielle à l'intérieur des pores du béton.
For reinforced concrete structures, corrosion of reinforcements represents most of the pathologies observed. Today, to reduce maintenance costs, detection before the onset of corrosion would optimize infrastructure management. It is observed that the fastest deterioration on reinforced concrete structures develop in the simultaneous presence of liquid water and chloride ions which accelerate the appearance and development of reinforcement corrosion. When the concentration of chlorides in the concrete coating exceeds a certain threshold, the passivation layer is destroyed, and the corrosion of reinforcing steel is initiated. This phenomenon is accentuated in countries where de-icing salts are used for road safety, as well as, in marine regions. This research work proposes a new non-destructive monitoring method allowing to observe the evolution of the chloride ion concentrations in the cover concrete. This sensor makes it possible to continuously monitor, in real time, the concentration of free chlorides in the concrete pores in order to evaluate the initiation phase of the corrosion. The innovative instrument consists of a fiber optic chemical sensor that has been developed and tested. Theoretical and experimental studies allowed the calibration and validation of the sensor in mortar samples. Blue light travels inside the optical fibers, reaching at their ends a patch sensitive to chloride ions. With fluorescence spectroscopy analysis, often used in the field of biochemistry and medicine, the concentrations of free chloride ions are determined. This small-sized sensor is easy to place at different depths into concrete structures, to continuously monitor the concentration of chlorides contained in the pore solution.

Cette thèse se compose de trois parties qui correspondent chacune à létude d'un verre différent avec des applications potentielles différentes. Dans la première partie, nous nous sommes intéressés à une nouvelle matrice vitreuse d'oxyfluorures dérivée des fluorophosphates, les verres de fluoroarsenates. Nous avons étudié les caractéristiques physiques, optiques et structurales de ces verres. Cette matrice a la particularité d'accepter un fort pourcentage d'ions terre rares. Elle est ici dopée avec l'ion erbium pour effectuer une analyse spectroscopique de cet ion dans cette nouvelle matrice. Dans la deuxième partie, nous avons utilisé le verre de chalcogènures GeSe4. Le but de cette étude est de mesurer la non linéarité de ce verre sur une fibre optique à 1,55 æm. Cette mesure passe par la réalisation d'une fibre monomode à 1,55 æm. Une nouvelle technique permettant lélaboration de fibres monomodes en deux étapes de fibrage a été mise au point. Pour finir, un indice de réfraction non linéaire 100 fois supérieur à celui de la silice a été mesuré sur cette fibre monomode. La troisième partie concerne un autre verre de chalcogénure composé de tellure, d'arsenic et de sélénium et nommé plus communément verre TAS. Cette partie est basée sur le projet Darwin qui a pour objectif de détecter des planètes hors du système solaire. Ce projet nécessite un filtre interférométrique opérant entre 4 et 20 æm. La fenêtre de transmission du verre TAS sétend de 2 à 20 æm, il apparaît donc comme un candidat potentiel. Enfin, nous avons procédé à la réalisation de cette fibre monomode, en utilisant une nouvelle technique de fabrication de préforme, double indice sous vide, brevetée par le laboratoire Verres et Céramiques.

L'imagerie infrarouge presente des limitations inherentes aux detecteurs. Afin de proposer et d'evaluer certaines techniques correctives, nous avons realise la maquette d'un dispositif de veille panoramique. Le detecteur utilise est une barrette hgcdte de 288 points, multiplexes par dtc, avec tdi sur 4 elements. C'est un prototype du lir (cea) sensible jusqu'a 11 microns. Les resultats se transposent facilement a d'autre capteurs. L'analyse des limitations liees a la physique et a la technologie des materiaux montre que les caracteristiques des detecteurs ne sont pas parfaitement maitrisees, en particulier la longueur d'onde de coupure. Les consequences, mineures pour un element isole, sont preoccupantes avec des detecteurs multielements. La multiplicite des sites sensibles est le second aspect de l'analyse. La dispersion des caracteristiques et les derives sont la source d'un bruit spatial fixe, que les corrections habituelles ne suppriment pas totalement. Cela nous a mene a optimiser la periodicite d'une prise de reference. Parallelement des procedures de correction non lineaires ont ete mises en uvre et jugees satisfaisantes. D'autre part, le multiplexage des detecteurs peut engendrer des images fantomes qui occasionnent des fausses alarmes. Pour resoudre ce probleme, on presente un traitement d'image base sur la connaissance a priori des parasites. Le troisieme axe concerne l'echantillonnage. L'echantillonnage spatial, dicte par la geometrie du detecteur, conduit a une forte sensibilite du signal suivant la position de l'image a la frontiere entre deux lignes. Cela peut entrainer des non detections qu'il est possible d'eviter par le biais du traitement du signal. On expose entre autre, une procedure a base d'interpolation, qui renforce efficacement la detection.

Dans ce mémoire, nous présentons le développement de détecteurs thermiques non refroidis de type pyroélectrique à base de films minces amorphes d'YBaCuO semi-conducteur pour des applications en imagerie infrarouge et térahertz. En première partie, nous étudions la composition et les propriétés optiques des films d'YBaCuO semi-conducteur. Nous avons montré par XPS l'existence d'un mélange entre plusieurs phases et nous avons déterminé la composition de la couche de contamination en surface d'YBaCuO, ainsi que le travail de sortie d'YBaCuO par UPS. Nous avons extrait l'indice de réfraction et le coefficient d'absorption sur une gamme de longueur d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge proche ; nous avons aussi déterminé les valeurs des gaps optiques que nous avons corrélés à la structure granulaire des films d'YBaCuO. En seconde partie, nous étudions le comportement en transport électrique et la réponse optique de détecteurs pyroélectriques fabriqués à partir de ces films d'YBaCuO semi-conducteur. Le contact électrique entre YBaCuO et les plots métalliques peut être ohmique ou redresseur. Des mesures de résistivité en fonction de la température ont montré que la conduction électrique s'opère préférentiellement par sauts à distance variable des porteurs autour du niveau de Fermi. Les réponses à température ambiante des détecteurs dans l'infrarouge proche ont révélé - en fonction de la fréquence de modulation - un comportement de type passe-bande attribué à l'effet pyroélectrique, qui a pu être interprété par un modèle analytique. Les performances en termes de détectivité (1E9 cm.Hz^0,5/W) et de constante de temps (quelques microsecondes) se situent à l'état de l'art
In this manuscript, we are presenting the development of uncooled thermal sensors of the pyroelectric type, based on thin films of amorphous YBaCuO semiconductor, for applications in terahertz and infrared imaging. In a first part, we discuss the composition and optical properties of the YBaCuO semiconducting films. By X-ray photoelectron spectroscopy, we show the existence of a mixture of several phases and deduce the composition of the YBaCuO surface contamination layer; by ultraviolet photoelectron spectroscopy, we determine the YBaCuO work function. By optical spectroscopy, we then extract the refractive index and the absorption coefficient over a range of wavelengths spanning from ultraviolet to the near infrared. We also determine the values of optical gaps that we have correlated with the granular structure of the YBaCuO films at the micro and nanoscales. In a second part, we study the electrical transport behavior and optical response of pyroelectric detectors made from these amorphous YBaCuO thin films. The electrical contact between YBaCuO and the metal connections can be ohmic as well as rectifying. Resistivity measurements as a function of temperature show that the electric conduction is preferentially dominated by variable distance hopping of the carriers around the Fermi level. The response of the sensors in the near infrared - as a function of the modulation frequency of the source - reveal at room temperature a band-pass type behavior attributed to the pyroelectric effect, which could be interpreted by an analytical model. The device performance in terms of detectivity (1E9 cm.Hz^0.5/W) and time constant (a few microseconds) are at the state of the art

De nombreuses methodes de chimie analytiques reposent sur une mesure photometrique et sont a l'origine d'une nouvelle generation de capteurs chimiques utilisant la lumiere comme vehicule de l'information. Les capteurs de ph a fibre optique sont constitues d'un indicateur colore, greffe a l'extremite d'une fibre optique, soit directement, soit par l'intermediaire d'un support macromoleculaire. Pour immobiliser l'indicateur, deux methodologies ont ete examinees. Selon le premier procede l'indicateur est immobilise sur le support macromoleculaire par une liaison non covalente. Dans la seconde methode, l'indicateur est greffe par une liaison covalente a l'aide d'un polymere reactif. Le premier est constitue de polyvinylimidazole greffe et reticule par l'epichlorhydrine a la surface de la fibre. Ce support a permis la fixation par adsorption, de sulfonephtaleines chargees negativement. L'etape d'immobilisation entraine une diminution du pka de l'indicateur. En ce qui concerne la stabilite des optodes, il a ete montre qu'elle dependait de la nature de la sulfonephtaleine adsorbee et de la concentration en agent reticulant. Cette etude a permis de retenir la tetrabromophenolsulfonephtaleine pour la realisation de prototypes industriels. L'autre procede consiste a immobiliser par liaison covalente deux derives du bleu de meldola, a l'aide d'un polymere reactif, le polychloroformiate de vinyle. La stabilite des colorants s'est revelee tres satisfaisante en milieu basique. Toutefois, les caracteristiques physico-chimiques de ces indicateurs apres immobilisation, sont differentes de celles observees en solution. La principale modification porte sur l'elargissement des bandes d'adsorption qui entraine une diminution de la dynamique de reponse aux variations de ph

L'absorption du champ évanescent se produit lorsque le matériau qui forme la gaine d'un guide d'ondes absorbe la lumière à la longueur d'onde transmise. Cet effet connu serait à la base d'un nouveau type de capteur à fibre optique mettant en jeu l'absorption à ondes évanescentes. Pour sa réalisation, une partie de la gaine de la fibre est dénudée et remplacée par un milieu absorbant. La lumière est injectée à un bout de la fibre et détectée à l'autre bout de la fibre. La technique spectroscopique par diode laser peut être appliquée aux capteurs à fibre optique. Les lasers à diode constituent des sources accordables en fréquence. Pour obtenir cette fréquence d'émission, il faut agir sur les paramètres qui déterminent le gap d'énergie entre les niveaux de la transition. La fréquence d'émission des diodes laser peut être contrôlée sur une plage spectrale par variation de la température de fonctionnement, ou sur une région spectrale plus fine en variant le courant d'injection. Il existe une variété de méthodes spectroscopiques par diodes laser pour détecter de faibles concentrations de gaz. Nous utilisons la méthode de spectroscopie par modulation de fréquence. La fréquence d'émission du laser est donc soumise à deux variations, l'une correspond au balayage lent de la raie d'absorption par injection d'un courant en dent de scie de fréquence de l'ordre du Hz, l'autre étant une modulation sinusoïdale rapide par injection d'un courant sinusoïdal de fréquence de l'ordre du kHz. La forme du signal obtenu dépend de la forme de la raie d'absorption étudiée et de l'amplitude de modulation. La mesure à la sortie du détecteur se fait sur la fréquence de la modulation sinusoïdale. Le signal mesuré est relié à la variation de la puissance avec la longueur d'onde. Nous décrivons dans ce mémoire les différentes démarches de construction du dispositif spectroscopique par diode laser, puis son couplage à la fibre optique capteur. Des spectres d'absorption pour la vapeur d'eau ont permit de montrer les possibilités du système

L’utilisation de fibres optiques pour mesurer des d´eformations se vulgarise en raison de ses nombreux avantages comparé aux autres technologies de capteurs. Aujourd’hui des jauges de déformations basées sur l’emploi de fibre optique sont disponibles commercialement. Cependant leur utilisation qui semble simple au premier abord peut s’avérer complexe lorsque cette fibre est encapsulée dans un matériau ayant des paramètres mécaniques très éloignés de la silice. L’objectif de ces travaux est d’approfondir la réflexion sur l’utilisation de capteurs de déformations à base de fibres optiques pour obtenir des mesures quantifiables et/ou pertinentes au coeur des matériaux composites. Dans un premier temps nous dressons un état de l’art des différents types de capteurs à fibres optiques en focalisant plus particulièrement notre attention sur leurs usages dans les matériaux composites. La seconde partie de ces travaux est consacrée aux fibres optiques incluses dans différents matériaux homogènes. Des modèles analytiques et numériques sont confrontés à des études expérimentales afin de quantifier les éventuelles erreurs de mesures commises lorsque le capteur est noyé dans un matériau. Une méthode est alors proposée afin d’obtenir simultanément la déformation longitudinale et radiale à l’aide d’un seul capteur à fibre optique. Enfin, les concepts expos´es dans la seconde partie sont validés dans l’étude d’une éprouvette bi-composants instrumentée. Puis nous explorons l’utilisation d’un tel capteur dans une structure composite stratifiée dans une configuration différente de celle proposée dans la littérature : le capteur est inséré à travers les plis stratifiés
The use of optical fibers for strain measurements tends to generalize because of its numerous advantages over other sensor technologies. Today strain gauges based on the use of optical fiber are easy and commercially available. However, this can become complex when the fiber is embedded into a material displaying very different mechanical properties from the properties of the silica. The main purpose of this work is to further question the use of fiber optic strain sensors to obtain quantifiable and/or relevant measures inside composite materials. Firstly we present a state of the art of different types of fiber optic sensors by focusing our attention on their use in composite materials. The second part of this work is devoted to optical fibers included in different homogeneous materials. Analytical and numerical models are compared to experimental studies in order to quantify measurement errors eventually made when the sensor is embedded into a material. Then a method is proposed in order to obtain both the longitudinal and the radial strain with only one optical fiber sensor. Finally, the concepts presented in the second part are validated through the study of a specimen made of two materials crossing the sensor’s location. Furthermore we evaluate the use of this sensor in a laminated composite structure under a different configuration than that proposed in the literature : the sensor is inserted across the thickness of the laminate

Cette thèse porte sur le développement et la caractérisation d’une matrice 2D de détecteurs à fibres scintillantes plastiques pour la dosimétrie des faisceaux de photons d’énergie mégavoltage utilisés en radiothérapie. Les propriétés visées lors de la conception du détecteur matriciel furent la justesse, l’équivalence à l’eau, une bonne résolution spatiale, un nombre élevé de détecteurs, et une lecture à haute fréquence des doses déposées. La première partie de cette thèse fut consacrée à améliorer la justesse de la méthode spectrale utilisée pour corriger l’effet Cerenkov. Deux procédures aptes à extraire de façon juste les coefficients d’étalonnage ont été développées. Les résultats ont montré que cette méthode peut corriger l’effet Cerenkov avec une justesse de 1%. La seconde partie de cette thèse fut consacrée à la conception, la réalisation et la validation d’un détecteur matriciel composé de 781 dosimètres insérés dans un fantôme eau-équivalent. Un système optique a aussi été développé. Il fut déterminé qu’en moyenne, l’écart-type des mesures est inférieure à 1 % pour les doses supérieures à 6.3 cGy. Il fut aussi démontré que les distributions de dose ne sont pas perturbées (à +/- 1.1 %) par la présence des dosimètres à l’intérieur du fantôme. La caractérisation de la dépendance angulaire a révélée que les incidences des faisceaux ont peu d’impact sur la justesse des mesures. Le détecteur matriciel a aussi été validé dans le contexte de la radiothérapie à intensité modulée (IMRT). Onze plans de traitement ont été mesurés et les résultats ont montré d’excellents accords avec les doses calculées à l’aide d’algorithmes convolution-superposition ou mesurées avec des films radiochromiques. La sensibilité et la spécificité du détecteur matriciel aux erreurs de position d’une lame et d’un banc de lame d’un collimateur multi-lames (MLC) ont été déterminées en appliquant la théorie de détection du signal. Cette étude conclut que les dosimètres à fibres scintillantes plastiques pourraient permettre d’améliorer la qualité de la dosimétrie en IMRT, en raison de leurs avantages par rapport aux autres dosimètres, tels que l’équivalence à l’eau, une haute résolution spatiale, la lecture à haute fréquence, et une très faible dépendance angulaire.
This thesis deals with the development and characterization of a 2D array of plastic scintillation detectors for the dosimetry of megavoltage energy photon beams used in radiation therapy. The characteristics sought with the detector array are accuracy, water-equivalence, a good spatial resolution, a large number of detectors and a high frequency readout of the doses deposited. The first part of this thesis is devoted to the improvement of the accuracy of the spectral method used to correct the Cerenkov effect. A study has determined the optimal attenuation characteristics for the optical fibers and two procedures able to accurately extract the calibration coefficients were developed. Measurements performed in various situations showed that this method can correct the Cerenkov effect with an accuracy of 1 %. The second part of this thesis relates to the design, realization and validation of a detector array consisting of 781 plastic scintillation detectors inserted vertically into a plane of a water-equivalent phantom. An novel optical system was also designed. It was determined that, on average, the standard deviation of measurements is smaller than 1 % for doses deposited greater than 6.3 cGy. It was also demonstrated that the dose distributions are not perturbed (within +/- 1.1 %) by the presence of the detectors inside the phantom. The characterization of the angular dependence showed that the incidences of radiation beams have very little effect on the accuracy of measurements. The detector array was also validated in the context of intensity-modulated radiation therapy (IMRT). Eleven treatment plans were measured and the results showed excellent agreements with dose distributions calculated with convolution-superposition algorithms or measured with radiochromic films. The sensitivity and specificity of the detector array to position errors of one leaf and one leaf bank of a multileaf collimator (MLC) were also determined by applying the principles of signal detection theory. The study concluded that plastic scintillation detectors could allow improving the quality of dosimetry in IMRT, due to their advantages compared to other dosimeters, such as water-equivalence, high frequency readout, high spatial resolution and a very low angular dependence.

Des fibres optiques double indice en verre TAS (Te/As/Se) ont été élaborées à partir d'une préforme réalisée par un nouveau procédé en tube scellé sous vide. Il permet d'obtenir des interfaces coeur/gaine de parfaite qualité et des rapports de diamètre pouvant varier de 0,25 à 0,75. Leurs pertes optiques sont actuellement de 1,7 dB/m entre 6,5 et 9,5 æm. Des solutions de polissage chimique, préparées à partir d'acide sulfurique concentré et d'un oxydant ont été étudiées. Le traitement chimique, réalisé sur des échantillons, permet d'améliorer leur état de surface, tout en conservant les propriétés de transmission infrarouge. Les vitesses de dissolution peuvent atteindre des vitesses de l'ordre de 50 æm/h. Les fibres monoindice en verre TAS sont utilisées en spectroscopie par onde évanescente dans la région 2 - 12 æm. Le polissage chimique permet d'effiler les fibres monoindice et l'accès au coeur des fibres double indice, pour les utiliser en tant que capteur chimique.

Le suivi santé-matière des matériaux et des structures s’est révélé, au cours de ces dernières années, un sujet majeur de recherche, notamment dans le domaine des matériaux composites. Ces matériaux à haute performance sont de plus en plus utilisés pour les structures mécaniquement très sollicitées telles que les avions et les turbines éoliennes. Afin de vérifier que leur intégrité n’est pas compromise, des systèmes permettant la surveillance in-situ de leur santé-matière sont développés. Ce mémoire de thèse a pour objectif de concevoir des « matériaux composites intelligents » en utilisant une nouvelle sorte de capteur à fibre optique basée sur les fibres optiques micro-structurées (MOFs) hautement biréfringentes associée à la technologie particulière des réseaux de Bragg. La fibre utilisée dans ce travail présente une biréfringence de phase pratiquement insensible aux variations de température et une sensibilité accrue à la déformation transversale. Nous avons évalué la tenue mécanique et les modes de défaillance des MOFs afin de définir les gammes de contraintes mécaniques auxquelles ces fibres optiques peuvent être soumises sans endommagement sous différentes sollicitations. Puis nous avons développé un capteur in-situ permettant de quantifier les déformations tridimensionnelles au sein d’un matériau composite avec une résolution de l’ordre de 5µm dans les directions transverses. Enfin, nous avons démontré la possibilité d’utiliser ces capteurs MOF pour identifier les changements d’état du matériau composite pendant le cycle de cuisson et pour quantifier le développement des déformations résiduelles dans le matériau composite pendant sa fabrication
Structural health monitoring (SHM) has emerged as an exciting topic for multi-disciplinary research and development in the field of composite materials. These high-performance materials are increasingly being used in highly mechanically loaded structures such as aircrafts and wind turbines. To ensure that their integrity is not compromised, new systems that enable in-situ SHM are currently developed. This PhD thesis contributes to the development of “smart composite materials” using a novel type of optical sensor based on Bragg gratings in highly birefringent microstructured optical fibre (MOF). The MOF used in this PhD work is highly asymmetric and has been designed such that its phase modal birefringence features sensitivity to transverse strain that is one order of magnitude larger than that reported in literature, whilst being quasi-insensitive to temperature changes. Our objective is to demonstrate the capabilities of our sensors for smart material applications, and to do so we integrate our sensors inside carbon fibre reinforced polymer materials. First, we evaluate the mechanical strength of our MOFs in order to define the mechanical stress range to which MOFs can be submitted without being damaged. Then, we propose a multi-strain sensor using our MOF in order to assess the multi-axial strain field within the composite material with a strain resolution of 5µm in the transverse directions. Finally, we demonstrate the possibility to use these MOF sensors to identify the material state changes during the cure cycle of a composite and we prove that we are able to estimate the residual strain built up within the composite as a result of the manufacturing

Parce qu'ils offrent de nombreux avantages par rapport aux méthodes classiques de mesure, les capteurs chimiques optiques, ou optodes, connaissent un large succès depuis une quinzaine d'années. De nombreux analytes peuvent être dosés par ces méthodes. Comme il prend part à beaucoup de phénomènes chimiques et biochimiques, l'oxygène est l'un des plus souvent cité. La mesure est fondée sur l'inhibition, par l'oxygène, de la fluorescence d'un indicateur. La connaissance de l'intensité ou plutôt de la durée de vie de fluorescence permet de déterminer la concentration en oxygène autour de l'indicateur placé à l'extrémité d'une ou plusieurs fibres optiques. Nous nous sommes intéressés à l'application de cette nouvelle voie de mesure au milieu marin. Après avoir mis au point et caractérisé un dispositif de mesure de durée de vie de fluorescence, deux composés fluorescents ont été étudiés: le pyrène et le tris(1,10-phénantroline)ruthenium(ii) chloride hydrate. La calibration en fonction de l'oxygène a été effectuée et pour le second composé, qui s'est révélé plus performant, les influences de la température, de la salinité et de la pression hydrostatique ont été étudiées

Les développements récents des techniques de fabrication de matériaux semi-conducteurs de type III-N comme GaN et AlGaN permettent le développement de photo-détecteurs Schottky et métal-semi-conducteur-métal opérant dans le domaine de l'ultraviolet. Alors que les photo-détecteurs à base de GaN et AlGaN ont un faible bruit et un temps de réponse rapide, l'absence de gain interne est un obstacle majeur à leur utilisation dans des applications qui nécessitent des photo-détecteurs à haute sensibilité. Dans ce travail, nous avons conçu et fabriqué des photo-détecteurs à base d'alliage BAlGaN sous forme de monocouches et de super réseaux réalisés par MOVPE et photo-lithographie. Une caractérisation complète de leurs propriétés électriques et électro-optiques a ensuite été réalisée. Nous montrons que ces nouveaux alliages BAlGaN ont un impact majeur sur les performances des photo-détecteurs étudiés. Nous avons pu réaliser des détecteurs présentant un important gain interne (jusqu'à 3x105) donc avec une sensibilité améliorée, un courant d'obscurité faible (jusqu'à 9 ordres de grandeurs plus faible que dans les détecteurs à base de GaN réalisés), une longueur d'onde de coupure ajustable dans la gamme 260-380, et un temps de réponse deux fois plus rapide que dans les détecteurs à base de GaN réalisés. Finalement, nous proposons une interprétation du mécanisme de gain dans ces nouvelles structures reposant sur l'existence de pièges profonds à électrons et à trous
Recent developments in III-N material growth technology such as GaN and AlGaN made possible to fabricate high performance solar-blind Schottky, and metal-semiconductor-metal based photodetectors operating in the ultraviolet range -based photodetectors. While GaN and AlGaN have low noise and fast response times, the lack of high internal gain is a limitation for their use in applications that require high sensitivity photodetectors. In this work, we have designed and fabricated BAlGaN-based photodetectors. For this, several BGaN monolayer and superlattices were grown using MOVPE and lithography processes followed by a full characterization of their electrical and electro-optical properties. We show that these new BAlGaN alloys have tremendous impact on the performance of these photodetectors. We were able to achieve photodetectors with large internal gain (up to 3x105) and thus improved sensitivity, low dark current (up to nine orders of magnitude lower compared to our own GaN-based photodetectors), tunable cut-off wavelength in the 260-380 nm range, and more than two orders of magnitude reduction in the response time compared to our own GaN-based photodetectors. Finally, we propose an interpretation, based on the existence of deep level electron and hole traps, to explain the different mechanisms at the origin of the internal gain in these new structure

L'objectif de ce travail était d'étudier la réactivité de surface de nanoparticules de silice au travers des propriétés physico-chimiques du matériau élaboré sous forme de suspensions colloïdales ou de couches minces. Les applications sont multiples et elles sont illustrées dans ce travail par la réalisation de revêtements optiques pour des composants lasers ainsi que dans la mise au point de capteurs chimiques pour la détection de composés nitroaromatiques
The aim of this work was to study surface reactivity of silice nanoparticles through physical and chemical properties of sols and coatings. Appliatons are numerous and they are illustrated in this work by optical coating preparation for laser components and chemical gas sensor development for nitroaromatics detection

Le travail effectué dans ce mémoire concerne l'étude des caractéristiques optiques d'un milieu poreux semi-transparent. Ce milieu composé de fibres, absorbe et diffuse la lumière, c'est un milieu absorbant-diffusant. La théorie électromagnétique permet l'accès aux coefficients monochromatiques d'absorption et de diffusion, à partir de l'indice de réfraction de la phase solide du milieu. Nous avons construit une installation permettant de tester cette théorie en mesurant la transmittance spectrale sur des échantillons de différentes épaisseurs. La confrontation entre les calculs et l'expérience est très satisfaisante du point de vue optique, ce qui confère une certaine validité à la théorie utilisée

Depuis quelques dizaines d’années, la surveillance des rayonnements ionisants est particulièrement importante dans des endroits difficiles d’accès, voire dangereux, surtout en environnement sévère. La fibre optique constitue une solution de choix lorsqu’une mesure à distance est obligatoire. De plus, les fibres optiques assurent la séparation spatiale de la sonde, sensible aux rayonnements, et du système de traitement électronique, ce qui permet des mesures à distance dans des géométries complexes. Lors de ce travail, des verres à base de silice élaborée par voie sol-gel et codopée par des ions actifs Ce/Tb ou Ce/Cu ont été soudés à une ou deux fibres de transport pour réaliser des mesures de débits de dose et de dose à distance. De plus, la présence au sein de la matrice de deux types de centres luminescents émettant à des longueurs d’ondes différentes permet d’étendre la gamme spectrale de luminescence. Ces échantillons ont été caractérisés, avant et après irradiations 1MGy, par plusieurs techniques spectroscopiques. Dans le cas des verres dopés Cu ou Tb seul, des défauts (NBOHC, HC1...) ont été créés après irradiation. Grace à la présence des ions cérium dans la silice codopé Ce/Cu ou Ce/Tb qui a joué un rôle très important où il a protégé la matrice et atténue la création de certains défauts sous irradiation. Des mesures dosimétriques réalisées sous rayons X ont permis d’évaluer la linéarité du signal RL et OSL pour les verres de silice codopés Ce/Tb et Ce/Cu. Concernant les verres codopés Ce/Cu, le signal de RL présente une réponse linéaire dans la gamme 0,0011 - 34 Gy/s à Saint-Etienne et entre 13,3 µGy/s et 7,3 Gy(SiO2)/s à Nice et la linéarité d’OSL a été démontrée jusqu’à 50 Gy à Saint-Etienne et 33 Gy à Nice. Les verres codopés Ce/Tb ont montré une sensibilité en RL dans la gamme de débits de dose comprise entre 13,3 µGy/s et 7,3 Gy/s avec une excellente reproductibilité des mesures. Il a été démontré que ce matériau a une réponse OSL qui reste proportionnelle à la dose jusqu’à 66 Gy(SiO2). Grâce à ces résultats, on en déduit que ces échantillons codopés constituent une solution pour les mesures dosimétries à distance en environnement sévère
For several decades now, monitoring ionizing radiation has been particularly important in places that are difficult to access or even dangerous, especially in harsh environments. Optical fiber is the solution of choice when remote measurement is mandatory. In addition, the optical fibers ensure the spatial separation of the probe, sensitive to radiation, and the electronic processing system, which allows remote measurements in complex geometries. During this work, silica-based glasses developed by the sol-gel route and codoped with active Ce / Tb or Ce / Cu ions were welded to one or two transport fibers to make measurements of dose rates and remote dose. In addition, the presence within the matrix of two types of luminescent centers emitting at different wavelengths makes it possible to extend the spectral range of luminescence. These samples were characterized, before and after 1MGy irradiation, by several spectroscopic techniques. In the case of Cu or Tb doped glasses alone, defects (NBOHC, HC1 ...) have been created after irradiation. Thanks to the presence of the cerium ions in the codoped silica Ce / Cu or Ce / Tb which played a very important role where it protected the matrix and attenuates the creation of certain defects under irradiation. Dosimetric measurements carried out under X-rays made it possible to evaluate the linearity of the RL and OSL signal for the codoped silica glasses Ce / Tb and Ce / Cu. For Ce / Cu codoped glasses, the RL signal has a linear response in the range 0.0011 - 34 Gy / s in Saint-Etienne and between 13.3 µGy / s and 7.3 Gy (SiO2) at Nice and the linearity of OSL has been demonstrated up to 50 Gy in Saint-Etienne and 33 Gy in Nice. Co-coded Ce / Tb glasses showed sensitivity in RL in the dose rate range of between 13.3 µGy / s and 7.3 Gy / s with excellent reproducibility of the measurements. This material has been shown to have an OSL response which remains dose proportional up to 66 Gy (SiO2). Thanks to these results, we deduce that these codoped samples constitute a solution for remote dosimetry measurements in severe environment

Depuis quelques dizaines d’années, la surveillance des rayonnements ionisants est particulièrement importante dans des endroits difficiles d’accès, voire dangereux, surtout en environnement sévère. La fibre optique constitue une solution de choix lorsqu’une mesure à distance est obligatoire. De plus, les fibres optiques assurent la séparation spatiale de la sonde, sensible aux rayonnements, et du système de traitement électronique, ce qui permet des mesures à distance dans des géométries complexes. Lors de ce travail, des verres à base de silice élaborée par voie sol-gel et codopée par des ions actifs Ce/Tb ou Ce/Cu ont été soudés à une ou deux fibres de transport pour réaliser des mesures de débits de dose et de dose à distance. De plus, la présence au sein de la matrice de deux types de centres luminescents émettant à des longueurs d’ondes différentes permet d’étendre la gamme spectrale de luminescence. Ces échantillons ont été caractérisés, avant et après irradiations 1MGy, par plusieurs techniques spectroscopiques. Dans le cas des verres dopés Cu ou Tb seul, des défauts (NBOHC, HC1...) ont été créés après irradiation. Grace à la présence des ions cérium dans la silice codopé Ce/Cu ou Ce/Tb qui a joué un rôle très important où il a protégé la matrice et atténue la création de certains défauts sous irradiation. Des mesures dosimétriques réalisées sous rayons X ont permis d’évaluer la linéarité du signal RL et OSL pour les verres de silice codopés Ce/Tb et Ce/Cu. Concernant les verres codopés Ce/Cu, le signal de RL présente une réponse linéaire dans la gamme 0,0011 - 34 Gy/s à Saint-Etienne et entre 13,3 µGy/s et 7,3 Gy(SiO2)/s à Nice et la linéarité d’OSL a été démontrée jusqu’à 50 Gy à Saint-Etienne et 33 Gy à Nice. Les verres codopés Ce/Tb ont montré une sensibilité en RL dans la gamme de débits de dose comprise entre 13,3 µGy/s et 7,3 Gy/s avec une excellente reproductibilité des mesures. Il a été démontré que ce matériau a une réponse OSL qui reste proportionnelle à la dose jusqu’à 66 Gy(SiO2). Grâce à ces résultats, on en déduit que ces échantillons codopés constituent une solution pour les mesures dosimétries à distance en environnement sévère
For several decades now, monitoring ionizing radiation has been particularly important in places that are difficult to access or even dangerous, especially in harsh environments. Optical fiber is the solution of choice when remote measurement is mandatory. In addition, the optical fibers ensure the spatial separation of the probe, sensitive to radiation, and the electronic processing system, which allows remote measurements in complex geometries. During this work, silica-based glasses developed by the sol-gel route and codoped with active Ce / Tb or Ce / Cu ions were welded to one or two transport fibers to make measurements of dose rates and remote dose. In addition, the presence within the matrix of two types of luminescent centers emitting at different wavelengths makes it possible to extend the spectral range of luminescence. These samples were characterized, before and after 1MGy irradiation, by several spectroscopic techniques. In the case of Cu or Tb doped glasses alone, defects (NBOHC, HC1 ...) have been created after irradiation. Thanks to the presence of the cerium ions in the codoped silica Ce / Cu or Ce / Tb which played a very important role where it protected the matrix and attenuates the creation of certain defects under irradiation. Dosimetric measurements carried out under X-rays made it possible to evaluate the linearity of the RL and OSL signal for the codoped silica glasses Ce / Tb and Ce / Cu. For Ce / Cu codoped glasses, the RL signal has a linear response in the range 0.0011 - 34 Gy / s in Saint-Etienne and between 13.3 µGy / s and 7.3 Gy (SiO2) at Nice and the linearity of OSL has been demonstrated up to 50 Gy in Saint-Etienne and 33 Gy in Nice. Co-coded Ce / Tb glasses showed sensitivity in RL in the dose rate range of between 13.3 µGy / s and 7.3 Gy / s with excellent reproducibility of the measurements. This material has been shown to have an OSL response which remains dose proportional up to 66 Gy (SiO2). Thanks to these results, we deduce that these codoped samples constitute a solution for remote dosimetry measurements in severe environment

Cette thèse présente une application du rayonnement synchrotron de l'anneau DCI d'ORSAY à la microscopie X de contact et à la micro-analyse chimique par absorption X au voisinage d'un seuil. Dans une première partie, la détection d'images s'effectue à l'aide de plaques photographiques haute résolution. Deux microradiographies d'un échantillon sont enregistrées à deux longueurs d'onde X choisies de part et d'autre d'un seuil d'absorption de l'élément analysé. Un traitement informatique des images numérisées au microdensitomêtre permet de dresser une carte de répartition de cet élément avec une résolution de 5 à 10 sur un champ de 2 à 3 cm2. La deuxième partie présente l'étude d'un détecteur d'images X par scintillation guidée destiné à remplacer la détection photographique en vue de l'imagerie X quantitative à haut flux au-delà de 5 keV. Il s'agit d'une matrice de fibres optiques conductrices d'images dont les cœurs sont remplacés par un liquide scintillateur. La résolution obtenue expérimentalement est celle du pas du réseau de fibres, soit 10 μm. Les applications d'un tel détecteur à la microscopie X, à la micro-analyse chimique et à l'imagerie médicale avec le rayonnement synchrotron sont décrites
This thesis presents an application of synchrotron radiation (ORSAY/DCI storage ring) to X-ray contact microscopy and X-ray absorption chemical microanalysis near an absorption edge. In a first part, high resolution photographic plates are used as images detectors. Two microradioqraphs of the sample are recorded at two different X-ray wavelengths chosen on each side of an absorption edge of the analysed element. The images are digitalised with a microdensitometer. Subsequent computer processing gives analytical charts of this element showing 5 to 10 μm spatial resolution and 2-3 cm2 field. The second part presents an X-ray image detector based on guided scintillation. The detector is designed to improve the limited performances of photographic detection for high flux quantitative X-ray image detection over keV. X-ray to visible image conversion is performed in an array of optical fibers with a scintillating liquid core. A spatial resolution close to the pitch of the fiber array (10 μm) is experimentally obtained. Applications of the detector to X-ray microscopy, X-ray micro-analysis and medical imaging with synchrotron radiation are described

La premiere partie de ce manuscrit correspond a la realisation de l'heterostructure p-pbse / caf#2 // si (111) par epitaxie par jets moleculaires. Quelques rappels concernant la technique d'epitaxie, les caracterisations associees ainsi que les proprietes des materiaux etudies sont tout d'abord presentes. Ensuite, les differentes analyses montrent que les premieres etapes sont correctement maitrisees. Les proprietes structurales de la couche de pbse ont pu etre optimisees mais le controle des caracteristiques electriques, en dopant le materiau de type p par ecart a la stchiometrie, presente des difficultes. De plus, les analyses de surface montrent que la couche de pbse s'oxyde lorsqu'elle est exposee a l'air. La seconde partie concerne la passivation de surface des couches de pbse. Tout d'abord, l'etude bibliographique met en evidence les avantages des methodes de sulfuration par voies chimique et electrochimique. L'application de ces techniques sur les couches de pbse est alors etudiee et montre la substitution, a la surface, du selenium par le soufre. De plus, une desoxydation prealable est necessaire, qui est facilement realisee par voie chimique. Un effort est porte sur la comprehension des phenomenes observes a la surface de la couche de pbse.

Le trigger optique est un detecteur destine a une experience de physique en cible ponctuelle. Il permet la selection rapide des particules ayant un parametre d'impact non nul par rapport a son centre. Son principe repose sur la collection de la lumiere cherenkov emise par une particule dans une coupelle spherique en saphir. Les conditions de reflexion totale a l'interface externe de la coupelle, imposent que le milieu en contact avec elle ait un indice de refraction bien determine sur la gamme spectrale de la lumiere collectee. L'etude theorique de l'emission de lumiere cherenkov dans un cristal anisotrope uniaxe permet de tenir compte de l'anisotropie du saphir. Un liquide constitue le milieu externe de deux prototypes. Les tests sur un faisceau de pions montrent que la discrimination est optimale pour une temperature du liquide en bon accord avec les previsions theoriques. La reponse du premier prototype montre la faisabilite d'un trigger optique pour reconnaitre des interactions contenant des mesons b. Le second prototype est une version en saphir plan du detecteur prevu a l'experience e871 du fermilab, pour l'etude de la violation de cp dans le systeme des hyperons. Mais il serait preferable pour une experience de physique, de remplacer le liquide par un depot solide. L'ambition est d'obtenir sur saphir, une couche mince dont l'indice est celui de la silice massive a 520 nm, mais dont la dispersion est plus forte dans l'ultraviolet. Apres avoir presente la technique spectrophotometrique que nous avons developpee pour determiner l'indice des couches minces, nous donnons les resultats obtenus par des techniques d'evaporation sous vide, et par des techniques sol-gel. A partir d'un melange de colloides d'alumine et de dioxyde de titane, la technique sol-gel nous a permis de mettre au point une couche dont les proprietes optiques sont proches de celles cherchees

Dans ce travail de thèse, nous avons développé et testé deux capteurs à fibres optiques intrinsèques et à modulation d'intensité, pour la mesure des contraintes mécaniques de compression et la détection des perturbations (vibrations, impacts et ondes acoustiques). Le capteur de contraintes est ponctuel. Il est basé sur le couplage de la lumière entre deux fibres optiques multimodes, faiblement fusionnées par la tranche et intégrées dans la résine époxyde. Les contraintes de compression appliquées sur le capteur induisent une augmentation de l'indice de réfraction des fibres optiques et notamment dans la zone de fusion. Ceci a pour effet le couplage de la lumière de la première fibre guidant la lumière a la seconde et qui est proportionnel à la contrainte extérieure appliquée sur le capteur. Ce capteur est dédié à la mesure des fortes valeurs de contraintes, pour les applications dans le domaine du génie civil. Le capteur de perturbations à fibre optique exploite le phénomène des interférences intermodales (bruit modal) dans les fibres optiques multimodes, guidant une lumière cohérente. C'est un capteur distribué et la fibre optique est sensible sur toute sa longueur. En effet, une fibre optique multimode guidant une lumière cohérente présente des fluctuations du déphasage entre les modes, en cas de perturbations. Afin de convertir les fluctuations de phase en une variation d'intensité, nous avons effectué un filtrage spatial, par le raccordement d'une seconde fibre ayant un diamètre du cœur plus petit que celui de la fibre sensible. Ce capteur à été intégré dans les matériaux composites utilisés en construction aéronautique et aérospatiale

Ce travail a consiste a mettre en place les outils de calcul necessaires pour evaluer les performances d'un photodetecteur a avalanche a absorption et multiplication separees (sam-apd) permettant la photodetection dans la gamme de longueurs d'onde autour de 2,5 um. On precise les parametres technologiques necessaires ainsi que les performances du photodetecteur realisable actuellement. L'influence des principaux parametres est mise en evidence

Il est bien connu que la résonance de plasmon de surface (SPR) d'une onde électromagnétique de surface peut être utilisée en tant que sonde optique sensible à de faibles variations intervenant à l'interface métal/diélectrique. La configuration de Kreschmann basée sur un prisme est traditionnellement employée pour exciter et détecter le phénomène SPR. En 1993, le premier capteur SPR à fibre optique a été réalisé par R. C. Jorgenson et S. S. Yee et a été ensuite commercialisé par la société Biacore (Suède). Le capteur SPR à fibre optique présente un certain nombre d'avantages sur le système Kreschmann tels que sa faible taille, son faible coût et la possibilité de détection déportée. Un capteur SPR à fibre optique multimodale plus simple, utilisant l'injection oblique d'une lumière monochromatique collimatée, a été développé au laboratoire TSI de l'université Jean-Monnet de Saint-Etienne, en 1996. Utilisant l'argent pour induire le phénomène SPR d'une lumière à la longueur d'onde 670 nm, le capteur à fibre optique est un réfractomètre fonctionnant dans la gamme d'indice optique 1,35-1,40. Ce mémoire de thèse est constitué de cinq articles visant à développer ce type de capteur à fibre optique pour les applications physique, chimique et biologique. Le premier article traite de la modification de la gamme d'indice mesurable, afin d'être capable de fonctionner dans des systèmes chimiques et biologiques, dont les indices de réfraction sont compris entre 1,33 et 1,36. Les relations entre les paramètres de structure et de matériau, de la configuration multicouche pour l'excitation du SPR, ont été déduites de la théorie. La technique sol-gel est utilisée pour fabriquer un revêtement d'acétate de zirconium de quelques dizaines de nanomètres. La fiabilité est augmentée par une protection constituée d'une monocouche auto-assemblée de thiol longue chaîne qui empêche l'oxydation de l'argent. Ce premier article a été soumis à la revue Thin Solid Films. Les variations spatiales du vecteur champ électrique au cours de la propagation des rayons non méridiens dans la fibre multimodale sont étudiées dans le second article accepté pour publication dans la revue Sensors and Actuators A. Un modèle 3D précis a été établi permettant d'expliquer le phénomène expérimental observé sur l'influence de la direction de polarisation de la lumière incidente par rapport à la face d'entrée de la fibre. Les signaux du capteur provenant de l'adsorption d'une très fine couche diélectrique sur la surface du métal ou d'une très faible variation de l'indice de réfraction dans le milieu de mesure peuvent alors être interprétés quantitativement. L'article suivant, accepté pour publication à la revue Applied Optics, propose une méthode directe pour déterminer l'épaisseur et les constantes optiques d'un film mince de métal déposé sur le cœur de la fibre, par simple mesure de la réponse du capteur à fibre optique. L'intérêt de ce travail vient des difficultés rencontrées dans la caractérisation des films métalliques avec des surfaces courbes en utilisant des techniques optiques conventionnelles telles que la réflectométrie et l'ellipsométrie. Un nouveau moyen optique capable de suivre in-situ la formation d'une monocouche auto-assemblée d'alkylthiol est présenté dans le quatrième article, soumis au Journal of Chemical Physics. L'application de la technique SPR à fibre optique pour étudier les monocouches auto-assemblées, l'observation directe et la description du phénomène d'inclinaison des chaînes lors de l'auto-assemblage de la monocouche d'alkylthiol, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté auparavant dans la littérature. La bonne sensibilité observée montre que notre approche du système à fibre optique est plus adaptée que l'ellipsométrie et que le système SPR à prisme pour suivre les variations sur la totalité d'un film diélectrique. Le dernier article, soumis au Japanese Journal of Applied Physics, est consacré au développement d'un biocapteur basé sur le système à fibre optique pour suivre des interactions entre biomolécules. Avec une très simple configuration, cet immunocapteur a montré de bonnes performances en sensibilité et en spécificité, comparé à l'appareil commercialisé par Biacore qui est beaucoup plus complexe et cher. Ce travail constitue un excellent départ vers le développement d'une immunosonde pour des immunoessais sans marqueur. Ces cinq articles sont indépendants mais complémentaires l'un de l'autre. Les conditions pour lesquelles le SPR peut être excité sur une géométrie multicouche, obtenues dans le premier article, fournissent une base théorique pour le choix de la longueur d'onde de la lumière ou pour la gamme d'indice du milieu environnant lorsque l'or est utilisé et se retrouve dans les autres articles. Les études du modèle 3D précis, présenté dans le second article, pour simuler les performances des capteurs à fibre optique, permettent ensuite de caractériser le film métallique (dans le troisième article), la couche chimique adsorbée (dans le quatrième article) et les couches biomoléculaires (dans le cinquième article). De plus, la mesure des propriétés du film métallique dans le troisième article, permet de détecter avec succès, la monocouche auto-assemblée d'alkylthiol adsorbée sur la surface du métal (en référence au quatrième article). Les déterminations des caractéristiques du film d'or et de la couche de thiol sont nécessaires pour caractériser le film d'anticorps et la couche d'anticorps-antigène après la réaction d'affinité. Un biocapteur basé sur un système SPR à fibre optique a donc été réalisé et est présenté dans le cinquième article. Ce biocapteur a été conçu, élaboré et caractérisé couche par couche
It is well known that surface plasmon resonance (SPR) of the surface electromagnetic wave can be used as a sensitive optical probe to the slight variations occurring in the proximity of the metal/dielectric interface. The prism-based Kretschmann configuration is traditionally employed to excite and detect the SPR. In 1993, the first fiber-optic based SPR sensor was realized by R. C. Jorgenson and S. S. Yee and then commercialized by Biacore Company (Sweden). The SPR fiber-optic sensor offers a number of advantages such as small size, low cost and feasibility in remote sensing over the bulk Kretschmann System. A simpler SPR multimode fiber-optic sensor using oblique injection of the collimated monochromatic light has been developed at the TSI laboratory, Jean Monnet University in Saint-Etienne, France since 1996. Using silver to support SPR at the light wavelength of 670nm, this fiber-optic sensor was characterized as a refractometer operating in the index range of 1. 35-1. 40. This dissertation consists of five articles aimed to develop this kind of fiber-optic sensor for physical, chemical and biological applications. The first article is devoted to drop down the range of measurable indices in order to be capable of performing in most practical chemical and biochemical Systems whose refractive indices are 1. 33-1. 36. The relations between the structural and material parameters of the multilayered configuration for the excitation of SPR at certain wavelength have been theoretically derived. Sol-gel technique is applied to fabricate the Zirconium acetate overlay as thin as some ten nanometers. The reliability is improved by preventing the oxidation of silver using a self-assembled monolayer (SAM) of long chain acid thiol. This article has been submitted to Thin Solid Films. Accepted by Sensors & Actuators A, the spatial variations of the electric field vector during the propagation of the skew rays in the multimode fiber are investigated in the second article. An accurate 3D model has been established so that the experimental phenomena, which first demonstrate the influences of the polarization direction of the incident light with respect to the input end face of the fiber, can be consistently explained. The sensing signals coming from such as the adsorption of a very thin dielectric layer on metal surface or the slight variation of the refractive index in the monitored bulk medium are ready to be quantitatively interpreted. Next article, accepted for publication by Applied Optics, proposes a direct method to determine the thickness and the optical constants of the thin metal films deposited on the surface of the fiber core by simple measurements of fiber-optic SPR responses. The significance of this work cornes from the difficulties in characterizing the metal films with curved surfaces by using the conventional optical techniques such as reflectometry and ellipsometry. A novel optical means capable of monitoring the formation process of the alkylthiol SAM is presented in the fourth article, submitted to Journal of Chemical Physics. The application of the fiber-optic SPR technique to study SAMs and the direct observation and description of the tilting process during the self-assembly of alkylthiol, to our knowledge, have never been reported before in the literature. The rather high sensitivity proves that our fiber-optic approach is more adapted than ellipsometry and the prism-based SPR System to monitor the variations over entire investigated dielectric film. Last article, submitted to Japanese Journal of Applied Physics, is dedicated to develop a biosensor based on this fiber-optic arrangement to monitor the biomolecular interaction. With very simple configuration, this immunosensor has manifested good performances in both sensitivity and specificity compared to the commercialized BIACORE Probe that is much more complex and expensive. This work makes a starting progress towards the development of a portable immunoprobe for non-labeling immunoassay. These five articles are independent as well as supplementary each other. The conditions on which the SPR can be excited in a multilayered geometry, obtained in the first article, provide a theoretical basis for the choice of light wavelength or the index range of environment medium while metal gold is used as it can be seen in other articles. The studies of the accurate 3D model in the second article for simulating the performances of the fiber-optic sensors enable to characterize afterwards the metal film (in the third article), the chemical adsorbed layer (in the fourth article) and the functional biomolecular layers (in the 5th article). Moreover, the successful measurement of the metallic film properties in the third article ensures the success in the detection of the alkylthiol SAM, which is adsorbed on the metal surface (referred to the fourth article). Furthermore, the determinations of the gold film and the thiol layer are necessary for characterizing the antibody film and the antibody-antigen-binding layer after the affinity reaction. As a result, a new SPR multimode fiber-optic biosensor has been realized and reported in the 5th article. This biosensor has been well designed, elaborated and characterized at the level of its each layer

Les interféromètres stellaires à très haute résolution angulaire sont des dispositifs performants qui permettent une étude approfondie de notre Univers. Cette thèse décrit un nouvel instrument, baptisé interféromètre à somme de fréquences, dédié à l’analyse de la cohérence spatio-temporelle de rayonnements infrarouges autour de 1550nm en les transposant vers les longueurs d’onde visibles autour de 630nm. Cette transposition fréquentielle est réalisée au moyen de processus de somme de fréquences, alimentés par une source laser à 1064nm, et générés dans les cristaux de PPLN mis en place sur chacun des bras de l’instrument. La première partie de ce manuscrit donne les éléments théoriques nécessaires à la compréhension des travaux présentés. La deuxième partie concerne la conception, la réalisation et la caractérisation d’un interféromètre à somme de fréquences adapté à l’analyse de sources infrarouges spectralement étendues. La troisième partie présente la caractérisation expérimentale de la cohérence temporelle d’une source infrarouge large bande spectrale. Elle se solde par la démonstration expérimentale de l’analyse de la cohérence spatiale d’une source thermique artificielle en régime de comptage de photons. La dernière partie traite de la possibilité d’étendre la bande spectrale de fonctionnement de l’interféromètre et démontre l’apparition un effet de compression spectrale en fréquences dans les cristaux de PPLN. Elle se conclut par le projet de mise en place de l’instrument sur le site du réseau de télescope CHARA et fournit une estimation de la magnitude limite accessible en combinant ce dispositif à différentes configurations de l’interféromètre
Stellar interferometers dedicated to high angular resolution imaging are powerful instruments that allow an extensive study of our Universe. This thesis describes a new instrument, called sum frequency generation interferometer, dedicated to the spatio-temporal coherence analysis of infrared radiations in the visible domain around 630nm thanks to frequency shift processes. This frequency shift is achieved through a sum frequency generation process, supplied by a laser source at 1064 nm, in the PPLN crystals placed on each arm of the interferometer. The first part of this thesis provides the theoretical elements needed for the understanding of the present work. The second part concerns the design, the realization and the characterization of a sum frequency generation interferometer suitable for the analysis of broadband infrared sources. The third part presents the experimental temporal coherence analysis of such a source. It ends by the experimental demonstration of the spatial coherence analysis of an artificial thermal source in the photon counting regime. The last part deals with the possibility to extend the spectral bandwidth of the interferometer and shows the appearance of a frequency spectral compression effect through the PPLN crystals. It concludes with the proposed implementation of a sum frequency generation interferometer on the CHARA telescope array and provides an estimation of the limiting magnitude reached by combining this instrument to different configurations of the interferometer

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps qui pourraient être détectées par un interféromètre de Michelson avec cavités Fabry-Perot. Plusieurs interféromètres sont à présent en opération: LIGO, Virgo, GEO. Ces instruments ont atteint leur sensibilité nominale et ont accompli plusieurs acquisitions de données scientifiques. Aucune détection n'a été reportée. Advanced Virgo, Advanced LIGO et LCGT sont les projets d'amélioration de sensibilité des détecteurs actuels d'un ordre de grandeur. Ces instruments, dont la construction est en cours, permettront la première détection directe des ondes gravitationnelles. Une ultérieure troisième génération d'instrument offrant une encore plus grande sensibilité est à l'étude. La sensibilité des détecteurs futurs sera limitée par le bruit thermique des miroirs. Cette thèse porte sur deux thèmes liés à la réduction de ce bruit. Le premier concerne la conception optique des cavités stable de Advanced Virgo. Leurs propriétés sont présentées, les arguments en faveur de leur utilisation sont discutés. Une procédure est établie pour achever leur conception optique. Plusieurs configurations sont examinées, conduisant à la sélection de l'une d'entre elles dont on discute les performances optiques. Le deuxième thème concerne l'utilisation des modes de Laguerre-Gauss (LG). On présente les résultats d'une expérience testant la génération d'un mode LG33 avec une optique diffractive et une cavité Fabry-Perot. Ce mode est utilisé dans un interféromètre de Michelson pour démontrer la faisabilité de mesures interférométriques avec des faisceaux non-Gaussiens. L'utilisation des modes LG dans les détecteurs futurs est discutée.

Nous avons construit une expérience de pinces optiques basée sur l'utilisation d'un microscope optique inversé. Deux classes de micro objets ont été étudiées : 1 - Des particules colloïdales sphériques ou approximativement sphériques, soit homogènes tels des colloïdes de silice pure élabores par méthode sol-gel ou des billes commerciales de latex, soit inhomogènes tels des particules composites constituées d'un coeur métallique d'or entouré d'une coquille de silice. 2 - Des micro-monocristaux d'une molécule organique fluorescente présentant une forme non sphérique, parallélépipédique. Notre étude a démontré un piégeage efficace même sur les plus petites particules contenant un noyau d'or. Pour les nanoparticules hybrides d'or-silice, la constante élastique du piège optique expérimentalement mesurée est plus forte que pour les nanoparticules de silice avec un diamètre semblable. Ce résultat est en accord avec un modèle simple fondé sur l'accroissement de la polarisabilité de la particule dû à la présence du noyau d'or. L'influence de la polarisation de la lumière a été étudiée et nous avons discuté le choix du détecteur de position. Les microcristaux organiques s'orientent de sorte que leur axe long soit dans la direction axiale du faisceau de piégeage, l'axe court suit la direction de la polarisation linéaire du faisceau. En polarisation circulaire ou elliptique, les cristaux se mettent spontanément en rotation avec des vitesses de rotation tout à fait élevées, jusqu'à 500 tours par seconde. C'est la première fois qu'un tel résultat est reporté pour des particules de la taille de nos cristaux. Un autre résultat surprenant est que lorsque la puissance incidente augmente, la vitesse de rotation augmente aussi comme attendu mais après passage par un maximum, alors que la puissance continue de croître, la vitesse de rotation diminue jusqu'à arrêt complet de la rotation, et cette évolution n'est pas réversible ! La thèse présentée est une thèse réalisée dans un cadre de cotutelle entre l'Université Paris 11 et l'Institut Supérieur des Sciences et Techniques Avancées - Université de La Havane à Cuba
We built an experiment of optical tweezers based on the use of an inverted optical microscope. Two classes of micro objects were studied : 1 - spherical or roughly spherical colloidal particles, either homogeneous such as colloids of pure silica elaborated through a sol-gel method or commercial latex balls, or inhomogeneous such as composite particles made up of a metal gold core embedded in a silica shell. 2 - micro-single crystals of a fluorescent organic molecule presenting a nonspherical, parallelepipedic form. Our study showed an effective trapping even on the smallest particles containing a gold core. For the hybrid gold-silica nanoparticles, the elastic constant of the optical trap measured in experiments is stronger than for the silica nanoparticles with a similar diameter. This result is in agreement with a simple model based on the increase in polarizability of the particle due to the presence of the gold core. The influence of the polarization of the light was studied and we discussed the choice of the detector of position. The organic microcrystals are directed so that their long axis is in the axial direction of the trapping beam; the short axis follows the direction of the linear polarization of the beam. In circular or elliptic polarization, the crystals are put spontaneously in rotation with high speed up to 500 turns per second. It is the ¯rst time that such a result is deferred for particles of the size of our crystals. Another surprising result is that when the incident power increases, the rotation speed also increases as expected but after the passage by a maximum, whereas the power continues growing, the rotation speed decreases until complete stop of rotation, and this evolution is not reversible ! The thesis presented is a thesis carried out within a framework of cotutelle between the University Paris 11 and the Higher Institute of Science and Advanced Technologies - Havana University in Cuba

Les nanocristaux colloïdaux sont des nanoparticules dont la croissance se fait en solution. Lorsque la taille de ceux-ci est suffisamment faible, des effets de confinement quantique apparaissent et leurs propriétés optiques deviennent ajustables avec leur taille. Ces nanocristaux sont en particulier utilisés pour leur luminescence dans le visible mais peuvent aussi être utilisés pour réaliser de la photodétection dans la gamme infrarouge. Les nanocristaux de HgTe et PbS présentent des propriétés d’absorption dans l’infrarouge. Le mécanisme de transport au sein d’un film de nanocristaux induit leur utilisation sous forme de couches minces, réduisant l’absorption et conduisant à des performances modestes. L’objectif de mon doctorat est d’augmenter le couplage lumière-matière au sein de film de nanocristaux afin d’augmenter l’absorption et donc la réponse. En particulier je démontrerai la possibilité de nanostructurer les électrodes afin d’induire des résonances de modes guidés pour des films de nanocristaux. L’utilisation de ces nanoélectrodes induit une augmentation de la réponse de deux à trois ordres de grandeur grâce à une augmentation de l’absorption et du gain photoconducteur. L’utilisation de telles résonances est une méthode versatile puisqu’elle peut être appliquée à différents matériaux, à différentes longueurs d’onde et pour différentes géométries. Enfin dans une dernière partie je présenterai un dispositif permettant d’exalter les propriétés de transport au sein d’un film de nanocristaux. Ce dispositif atteint une détectivité de 1012 Jones à 2.5 µm, 1 V et à 200 K, ce qui est comparable avec des détecteurs conventionnels
Colloidal nanocrystals are nanoparticles grown in solution. When their dimension is reduced below the Bohr radius, quantum confinement appears: optical properties depend on the size of the crystal. These nanocrystals are currently used for their visible emission properties but can also be applied for infrared photodetection. Mercury and lead chalcogenide (and in particular HgTe and PbS) absorb in the infrared. The hopping transport associated with nanocrystal array induced the use of thin film. The absorption of such film remains low and so does their performance. My work consists in induce light-matter coupling within a nanocrystal array in order to boost the absorption and the responsivity. Using nanostructured electrodes, it is possible to induce guided mode resonances within nanocrystal thin films. The responsivity of such devices presents an increase of a factor 102 – 103 compared to a film on conventional electrodes due to an enlargement of the absorption and the photoconductive gain both. This method is versatile and can be used for different materials, at different wavelengths and for different device geometries. In a last part, I will show a device that improve transport properties in a nanocrystal film. This device has a detectivity of 1012 Jones at 2.5 µm, 1 V and 200 K, which is comparable with commercial detectors

Le developpement de photodetecteurs a bande d'impuretes bloquee (bib) a base de silicium dope antimoine a ete entrepris pour couvrir la gamme spectrale centree a 30 m. Ces dispositifs en couches minces epitaxiees fonctionnent aux environs de 10 k. Ils comportent entre deux plans de contacts ohmiques une couche photoactive adjacente a une couche tres pure ayant pour role de bloquer le courant par sauts entre impuretes de la couche active fortement dopee. La technologie bib necessite un niveau de compensation de l'ordre de 10#-#5 dans la couche active, une purete d'environ 10#1#2 cm#-#3 dans la couche pure et un contact frontal semi-transparent. Les couches pure et photoactive ont ete realisees par epitaxie cvd et le contact frontal par implantation ionique dans la couche pure et recuit thermique rapide. Une instrumentation specifique de caracterisation electrique et optique a ete mise en place pour l'etude physique des dispositifs. La caracterisation a demontre que les niveaux de dopage, de compensation et de purete requis sont atteints. La photoconductivite infrarouge a revele par ailleurs un dopage au phosphore non intentionnel de la couche active. L'extension des reponses spectrales vers les grandes longueurs d'ondes est interpretee sur la base de l'effet poole-frenkel et de l'ionisation thermique ou par impact d'electrons chauds des etats localises photoexcites. La modelisation de la sensibilite par un mecanisme d'ionisation par impact conduit a proposer des valeurs de champ electrique seuil et de section efficace d'ionisation par impact pour l'impurete antimoine. Des mesures de magneto-resistance jusqu'a 40 t donnent une valeur indicative des parametres de transport dans la bande d'impuretes. Une efficacite quantique de detectivite de 20% mesuree sous un flux de photons de 60 nw a une temperature de 10 k a ete obtenue pour une concentration optimale d'antimoine de 5. 10#1#7 at/cm#3. Ces performances sont les meilleures dans la gamme spectrale visee et conviennent au projet spatial safire de spectroscopie de la haute atmosphere

Afin de répondre aux contraintes des nouveaux champs d'applications des biocapteurs, le laboratoire LISA a développé un lecteur optique de fluorescence pour des immunoanalyses permettant une détection en continue. Cet instrument, dont le support de la réaction biologique est une lame de verre, utilise le couplage de la fluorescence en champ proche dans celle-ci. Mon travail de thèse a consisté à rechercher les possibilités d'améliorer les performances de compacité, de robustesse et d'adaptabilité du système en cherchant à intégrer les sources d'excitation de type OLED dans la lame de verre. La recherche d'une configuration adaptée à nos contraintes de détection nous a d'autre part poussé à étudier la répartition de l'émission de molécules fluorescentes à l'interface d'un substrat stratifié.
Pour ce faire, un modèle théorique basé sur la décomposition en ondes planes de l'émission d'un dipôle a été développé. Ce modèle nous a permis d'étudier à la fois les propriétés d'émission de sources organiques de types OLED ainsi que celles de molécules fluorescentes situées à l'interface d'un milieu massif recouvert ou non par une couche mince.
Une étude expérimentale et théorique de sources organique situées à l'intérieur d'une cavité Fabry Pérot a permis de fournir des réponses concrètes aux deux principaux défauts inhérents aux OLED pour leur intégration, la directivité angulaire d'émission et la largeur spectrale. Enfin, l'étude de lame de verre recouverte par une couche mince de Nitrure de Silicium a montré qu'il était possible d'améliorer le rapport signal sur bruit du détecteur et a permis de valider la configuration de l'instrument mis au point au laboratoire.

Les méthodes stochastiques d'optimisation globale ont fait preuve d'une plus grande performance sur certains problèmes que sur d'autres. La méthode que nous avons choisie comme outil d'optimisation est la méthode du recuit simule : c'est une méthode issue de la thermodynamique statistique, qui a montré son efficacité sur des fonctions analytiques complexes, comme les fonctions de Rosenbrock à 100 variables, Shekel à 4 variables et Zakharov à 100 variables. Grâce à un couplage entre un simulateur de circuits linéaires et le recuit simulé, nous avons pu résoudre non seulement les problèmes d'optimisation combinatoire mais aussi ceux d'optimisation à variables continues, notamment la caractérisation des modèles de composants électroniques. Il s'agit de déterminer, à partir de données expérimentales caractérisant le composant, les valeurs des paramètres d'un modèle de composant électronique et aussi sa topologie. Nous avons d'abord effectué la caractérisation de modèle de composant passifs, notamment un modèle d'inductance MMIC de THOMSON-CSF. Puis, nous nous sommes intéressés aux modèles de composants actifs, en particulier un modèle de transistor bipolaire. Nous avons ensuite procédé à la recherche de la topologie des modèles de composant par simplification d'une structure complexe jusqu'a l'aboutissement d'une structure simple. Cette simplification est basée sur deux méthodes, soit la comparaison des impédances, soit la technique des moyennes glissantes. Elle a nécessité la mise au point d'une variante du recuit simulé, permettant la recherche des paramètres dans un domaine de grande amplitude (plus de 10 décades) : le recuit simulé logarithmique. La recherche de la topologie a permis l'ouverture sur un autre domaine d'application : celui de l'adaptation à large bande. Dans ce cas, la connaissance de la topologie du correcteur à insérer entre le générateur et la charge est nécessaire afin de maximiser le gain de transfert en puissance.

Ce travail presente un dispositif experimental, mettant en jeu deux outils, permettant de caracteriser la taille (diametre de sauteur = d 3 , 2) et la concentration volumique (c) de suspensions polydisperses de billes de verre dans l'eau. Un capteur a fibres optiques base sur la retrodiffusion de la lumiere par les particules de la suspension mesure le rapport c/d 3 , 2, pour 0. 1 c 0. 4 et pour d 3 , 2 7 m. Et, un dispositif acoustique utilise en transmission (frequence = 5 mhz) mesure la concentration volumique de la suspension independamment de la taille des particules pour 0c0. 4. En couplant ces deux mesures, la suspension est caracterisee au travers de c et d 3 , 2.

L’émission accidentelle de gaz sur des sites industriels ou l’utilisation d’armes chimiques peuvent avoir des conséquences dramatiques. Bertin Technologies commercialise une caméra multispectrale infrarouge utilisant un détecteur non-refroidi appelée Second Sight permettant de détecter de nombreux gaz. Cependant, l’acquisition temporelle des images spectrales est un frein pour une utilisation sur porteurs mobiles (véhicules, drones…). L’objet de la thèse a donc été d’étudier plusieurs concepts de caméras multispectrales à acquisition simultanée utilisant un seul détecteur non-refroidi. J’ai travaillé sur deux concepts d’architectures optiques : une architecture basée sur l’utilisation d’un kaléidoscope et une architecture multivoies inspiré de l’architecture TOMBO. L’architecture kaléidoscope a l’avantage d’utiliser de manière optimale le détecteur pour de fortes ouvertures et pour une grande variété de champs de vue. Elle est cependant encombrante et la fonction multispectrale reste délicate à intégrer. L’architecture multivoie, quant à elle, est très compacte et facilement adaptable à des applications multispectrales mais un compromis entre le champ de vue et l’ouverture doit être trouvé. Nous avons choisi cette architecture comme successeur de la Second Sight et j’ai pu réaliser un démonstrateur. Enfin, un modèle radiométrique a été développé pour comparer les différentes caméras et j’ai montré que la caméra TOMBO pouvait avoir de meilleures performances que la Second Sight grâce à l’acquisition simultanée des images multispectrales
The accidental emission of gas in an industrial platform or the use of chemical weapons can have dramatic consequences. Bertin Technology commercialize an infrared multispectral camera using an array of uncooled detectors and called Second Sight allowing the detection of numerous gas. However, the temporal acquisition of spectral images is a limitation for a use on mobile platforms (vehicles, drones...). Therefore, the purpose of my PhD was to study several concepts of snapshot multispectral cameras using a single array of uncooled detectors. I worked on two concepts of optical architectures: a kaleidoscope-based design and a multichannel design inspired by the TOMBO architecture. The kaleidoscope-based camera can use optimally the focal plane array while having an important aperture and a great range of Fields of View. However, it has an important footprint and the implementation of the multispectral function is not obvious. By comparing, the multichannel architecture can be very compact and easily adaptable for multispectral applications but a compromise between its aperture and its Field Of View is necessary. Following these studies, the TOMBO multichannel design was chosen as the successor of the Second Sight and I could make a first demonstrator. Finally, a radiometric model was developed to compare the different cameras and I showed that the TOMBO camera could have better performances than the Second Sight thanks to its snapshot feature

De par leur interaction avec leur environnement, les étoiles massives contribuent significativement à l'évolution de leur galaxie hôte. Cependant leur processus de formation est encore méconnu. Pour mieux contraindre les modèles de formation de ces étoiles, l'étude de leur multiplicité est essentielle. Alors que la photométrie et la spectroscopie permettent d'étudier les systèmes multiples séparés de quelques millisecondes d'angle (mas) et que l'imagerie directe permet de sonder les séparations supérieures à 50 mas, l'intervalle entre quelques mas et 50 mas de séparation ne pouvait être sondé jusqu'à récemment. Cet intervalle peut être résolu par l'interférométrie optique à longue ligne de base (OLBI), mais cette technique était limitée en sensibilité et ne pouvait observer qu'une dizaine d'étoiles massives jusqu'à il y a peu. Mener une étude statistique de la multiplicité des étoiles massives nécessite d'observer un bien plus grand nombre d'objets.L'objectif de cette thèse est l'amélioration de la sensibilité de la technique OLBI afin de réaliser un relevé de la multiplicité des étoiles massives de l'hémisphère Nord.J'ai tout d'abord participé activement à l'implémentation de deux caméras C-RED ONE dans les instruments interférométriques MIRC-X et MYSTIC pour le réseau CHARA à l’observatoire du mont Wilson, en Californie. Ces caméras, basées sur la technologie des photodiodes à avalanche (APD), ne sont utilisées en astrophysique que depuis quelques années ; notre connaissance sur leur fonctionnement est donc encore limitée. Durant ma thèse, j'ai mené une caractérisation complète de ces caméras. J'ai créé un modèle de distribution du signal des détecteurs APD afin de mieux comprendre les résultats obtenus. Ce modèle et les méthodes classiques de caractérisation ont mis en évidence des différences significatives entre les valeurs de gain et de facteur d'excès de bruit mesurées et celles fournies par le fabricant. Même si cela rend le comptage de photons individuels impossible, les caractéristiques de ces caméras restent exceptionnelles, avec un bruit total inférieur à l'électron pour des cadences de lecture allant jusqu'au kiloHertz, ce qui est fondamental pour s'affranchir au mieux des effets de la turbulence atmosphérique.Ces performances permettent un gain en sensibilité conséquent : MIRC-X atteint une magnitude limite de H = 7.5, comparé à H = 5 pour son prédécesseur MIRC. Cette magnitude limite est confirmée par le relevé de démonstration sur 44 étoiles massives. Lors de ce relevé, j'ai pu observer de manière routinière plusieurs cibles de magnitude H = 7.5, et jusqu'à une magnitude H = 8.1 avec des conditions atmosphériques très favorables. Dans ces observations, j'ai détecté 27 compagnons pour un total de 21 systèmes multiples, ayant des séparations comprises entre 0.5 et 50 mas. Ce relevé de démonstration permet de confirmer la possibilité d'utiliser MIRC-X pour rechercher des compagnons dans l'intervalle non couvert par les autres techniques d'observation, et cela sur un grand nombre d'étoiles massives (>100).Ce relevé de démonstration correspond à la première phase du grand relevé des étoiles massives de l'hémisphère nord ayant une magnitude H < 7.5 que j'ai préparé. J'ai ainsi sélectionné 120 systèmes observables avec le réseau CHARA, ce qui permettra une analyse statistique de la multiplicité des étoiles massives, complémentaire au relevé SMASH+ réalisé dans l'hémisphère sud. Ce type de relevés est essentiel pour contraindre les modèles de formation de ces étoiles
From their interaction with their environment, the massive stars contribute significantly to the evolution of their host galaxy. However, their formation process is still unknown. To better constrain the formation models of those stars, the study of their multiplicity is essential. While photometry and spectroscopy allow studying the multiple systems separated from a few milliarcseconds (mas), and direct imaging allows to probe the separations above 50 mas, the range between a few mas and 50 mas of separation could not be probed until recently. This range can be resolved by the optical long baseline interferometry (OLBI), but this technique was limited in sensitivity and was able to observe only a dozen of massive stars a few years ago. Performing a statistical study on the multiplicity of massive stars requires to observe a larger number of objects.The goal of this thesis is to improve the sensitivity of the OLBI technique to conduct a survey on the multiplicity of Northern hemisphere massive stars.First, I actively participated in the implementation of two C-RED ONE cameras in the interferometric instruments MIRC-X and MYSTIC for the CHARA array of the Mount Wilson Observatory, in California. These cameras, based on the avalanche photodiode (APD) technology, have been used in astrophysics only for a few years; our knowledge on how they work is quite limited. During my thesis, I performed a full characterization of these cameras. I built a model of the signal distribution of the APD detectors to better understand the obtained results. This model and the classical characterization methods highlighted significant differences between the gain and excess noise factor that I measured and those provided by the manufacturer. Even if this makes individual photon counting impossible, the characteristics of these cameras remain exceptional, with a total noise below the electron for a frame rate up to kilohertz, which is fundamental to get rid at best of the atmospheric turbulence.These performance lead to a consequent sensitivity improvement: MIRC-X reaches a limiting magnitude of H = 7.5, to be compared with H = 5 for its predecessor MIRC. This limiting magnitude is confirmed by the demonstration survey on 44 massive stars. During this survey, I could observe routinely several targets with magnitudes of H = 7.5, and up to H = 8.1 with really favorable atmospheric conditions. In these observations, I detected 27 companions for a total of 21 multiple systems, with separations between 0.5 and 50 mas. This demonstration survey confirms the possibility to use MIRC-X to look for companions in the range of separation not covered by the other observational techniques, and this on a large number of massive stars (> 100).This demonstration survey corresponds to the first phase of the large survey on Northern hemisphere massive stars with a magnitude H < 7.5 that I prepared. I have thus selected 120 systems that are observable with the CHARA array, which will allow a statistical analysis of the massive stars multiplicity, as a complement of the SMASH+ survey in the Southern hemisphere. This kind of surveys is essential to constrain the formation models of those stars

Le système nerveux central (SNC) est composé d’une population hétérogène de neurones. L’étude de leurs propriétés fonctionnelles à l’intérieur du SNC est indispensable afin de parvenir à comprendre leur rôle dans l’intégration du signal à l’intérieur d’un réseau. Pour accéder à ces informations, il est essentiel de pouvoir enregistrer de manière électrophysiologique des cellules identifiées dans le tissu intact. Ce type d’enregistrement ciblé est un défi, spécialement pour les circuits locaux de neurones. Pour prendre pleinement avantage des récentes techniques de marquages fluorescents, l’habilité à enregistrer des cellules individuelles électrophysiologiquement doit être combinée à un système de détection optique. Ce système doit être lui aussi capable de détecter les neurones sur une base individuelle profondément dans le SNC. Cette thèse fait la description d’une nouvelle microsonde optique et électrique basée sur une fibre optique à deux cœurs : un cœur optique permettant d’excitation local de la fluorescence de cellules marquées par un fluorophore et permettant aussi de collecter la fluorescence émise, et un cœur creux remplis d’électrolytes permettant l’enregistrement électrophysiologique unitaire de manière extracellulaire. Cette nouvelle approche permet la production de microsondes ayant suffisamment de résolution spatiale optique pour détecter une cellule unique : la microsonde peut être étirée pour obtenir un diamètre de pointe allant jusqu’à 6 µm, ce qui est plus petit que les corps cellulaires de la plupart des populations neuronales. La thèse présente l’évolution des différents designs de microsonde et du montage expérimental. Pour caractériser les propriétés optiques des sondes, une série d’expériences in vitro (sur des tranches cérébrales de rat) ont été réalisées ainsi qu’une série de simulations numériques. Par la suite, des expériences in vivo (sur le SNC de rat et souris) ont été faites pour identifier et enregistrer des neurones spinothalamique unitaires marqués au DiI ainsi que des neurones cérébraux de souris génétiquement modifiés pour exprimer de la GFP dans leurs cellules GABAergiques. Cette thèse présente aussi un critère spatial optique et électrophysiologique afin de confirmer la co-détection de cellules unitaire. Cette nouvelle microsonde ouvre de larges possibilités pour les enregistrements électrophysiologiques in vivo en donnant accès, en parallèle, aux signaux optiques unicellulaires.
The central nervous system is composed of heterogeneous populations of neurons. Studying their functional properties in the intact central nervous system (CNS) is key to be able to understand their respective role in signal processing within entire networks. To achieve this, it is essential to be able to record electrophysiologically from identified neurons in the intact tissue. Recording from identified cells types in vivo has remained a challenge, especially for local circuit neurons. Novel fluorescent labeling techniques open new possibilities on that front. To take full advantage of these recent developments, the ability to record electrophysiological signals from single neurons must be combined with optical detection of individual cells deep into CNS tissue. Here it describe the development of a novel microprobe based on a dual core optical fiber: an optical core that excites locally fluorescent labeled cells and collects back the fluorescence, and an electrolyte filled hollow core that performs classical extracellular single unit electrophysiological measurements. In contrast to previous solutions, this novel design allows production of microprobes with sufficient optical resolution for single cell detection: the microprobes could be pulled down to tips sizes of 6 µm, which is smaller than the cell body diameter of most neuron populations. It is presented the evolution of the microprobe design and the experimental setup. To characterize the optical properties of the probes, it is showed a series of in vitro experiments and numerical simulations. Then, it is presented in vivo experiment to identify and record single spinal neurons labeled retrogradely with fluorescent dyes as well as single GABAergic interneurons expressing GFP in the brain of transgenic mice. It’s also established a spatial criterion to correlate optical and electrophysiological signals, confirming co-detection of single cells. This novel microprobe vastly expands possibilities for in vivo electrophysiological recording by providing parallel access to single cell optical monitoring.

La caractérisation des sources vibratoires dans les machines est nécessaire pour diminuer les vibrations et le bruit émis. Une nouvelle approche expérimentale a été développée basée sur les techniques inverses, avec une instrumentation et des méthodes de traitement du signal adaptées. Cette caractérisation se résume à une identification des forces d’excitation à l’interface d’un actionneur placé dans son environnement industriel. La machine étudiée est un moteur électrique avec une alimentation PWM, intégré sur un banc d’essai. Une approche initiale, utilisait les méthodes de pseudo inversion de la matrice des fonctions de transfert associée à la matrice spectrale de la réponse vibratoire de la machine. On a montré qu’il est difficile d’identifier les forces d’excitation du moteur en présence des parasites engendrées par les autres sources vibratoires telles que le frein (un générateur). Une méthode de conditionnement des signaux, basées sur les cohérences partielles est proposée pour s’affranchir de ces parasites. Cette approche n’est pas valable si les signaux des capteurs de références utilisés pour appliquer cette technique sont trop contaminés, les résultats sont biaisés. Pour les cas des sources indépendantes les résultats sont améliorés, mais dans d’autre cas l’estimation n’est pas exacte. Une nouvelle approche (le Minorant ajusté) est proposée pour obtenir une meilleure estimation de la contribution de chaque source. Cette méthode permet une amélioration significative des estimations pour chaque source représentée par les forces à chaque interface. Elle est également applicable à d’autres cas pratiques de traitement utilisant les systèmes MIMO.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation de photodétecteurs à barrière à base de superréseaux type-2 (T2SL) InAs/GaSb pour le lointain infrarouge (LWIR etVLWIR). Les propriétés principales de ce matériau ont été décrites ainsi que les avantages qu’il offre pour la détection LWIR.L’absorbeur en superréseau InAs/GaSb a été implémenté dans une structure à barrière,dont la couche barrière est composée d’un superréseau InAs/AlSb et la couche contact d’un superréseau InAs/GaSb. Les performances de la structure proposée ont été simulées et analysées à l’aide du logiciel commercial Silvaco ATLAS. La structureest épitaxiée par épitaxie par jets moléculaires (EJM) and les échantillons ont montré une bonne homogénéité et qualité cristalline sur un wafer 2 pouces, comme démontré par des mesures de diffraction de rayons X à haute résolution, microscopie à force atomique et photoluminescence. Par la suite, des dispositifs LWIR et VLWIR ont été réalisés par un processus de photolithographie développé au sein de l’IES.Des caractérisations électriques et électro-optiques ont ensuite été menées sur les dispositifs fabriqués. Elles comprenaient des mesures J(V), C(V) et réponse spectrale non calibrée. La longueur d’onde de coupure mesurée été proche des valeurs visées, avec un courant d’obscurité à l’état de l’art des détecteurs infrarouge T2SL. Néanmoins, les premiers détecteurs fabriqués ont montré une tension de fonctionnement élevée et pour cette raison, une nouvelle structure a été proposée. De nouveaux échantillons ayant la structure optimisée ont été réalisés, dédiés à la fabrication des matrices LWIR et VLWIR
This PhD thesis reports the development of InAs/GaSb type-2 superlattice (T2SL)-based barrier photodetectors operating in the long-wave (LWIR) and very long-waveinfrared (VLWIR). The main properties of this material were described as well asthe advantages it offers for LWIR detection.The InAs/GaSb T2SL absorber was implemented in a barrier structure with anInAs/AlSb SL barrier layer and an InAs/GaSb contact layer. The performance of theproposed structure was analyzed using the commercial software Silvaco ATLAS. Thestructure was grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the samples showedgood crystalline quality and homogeneity across the 2-inch wafer as determined byhigh-resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy and photoluminescencemeasurements. LWIR and VLWIR devices were fabricated by a photolithographybasedprocedure developped at IES.Fabricated devices were characterized electrically and electro-optically. The measurements included J(V), C(V) and non-calibrated photoresponse. The devices exhibited cut-off wavelengths close to their targeted values with dark current levels at the state of the art of T2SL IR detectors. However, the first devices suffered from a high operating bias and for that reason, a new optimized structure was designed. New wafers were grown based on the optimized design dedicated to LWIR and VLWIR focal plane array fabrication