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International audience; AMBER is a focal instrument for the Very Large Telescope Interferometer working in the near infrared from 1.1 to 2.4 micrometers . It has been designed having in mind the General User of interferometric observations and the full range of his possible astrophysical programs. However the three programs used to define the key specifications have been the study of Young Stellar Objects, the study of Active Galactic Nuclei dust tori and broad line regions and the measure of masses and spectra of hot Extra Solar Planets. AMBER combines up to three beams produced by the VLTI 8 m Unit Telescopes equipped with Adaptive Optics and/or by the 1.8 m Auxiliary Telescopes. The fringes are dispersed with resolutions ranging from 35 to 10000. It is optimized for high accuracy single mode measurements of the absolute visibility, of the variation of the visibility and phase with wavelength (differential interferometry) and of phase closure relations with three telescopes. The instrument and its software are designed to allow a highly automated user friendly operation and an easy maintenance.

Recent progresses of optical interferometry, in terms of spatial resolution, sensitivity and precision of the measurements, made this technique particularly well suited to study the close environment of young stars which hold the keys of stellar and planet formation. As a matter of fact, the first interferometric observations have unveiled many essential informations on the physical nature of the surrounding structure of these objects. The AMBER instrument, the near infrared three beams recombiner of the Very Large Telescope Interferometer (VLTI), will, by pioneering the era of interferometric imaging with both very high spatial and spectral resolution, allow to move one step forward in the understanding of the physical processes governing these stars. This work is organized around the AMBER instrument. After summarizing the general principles of optical interferometry in presence of atmospheric turbulence, I show why introducing waveguides in the recombination scheme allows, by taking advantage of their properties of spatial filtering, to increase the precision and the robustness of the measurements. From this theoretical basis, I then develop the AMBER data reduction procedures, with stressing the innovative specificities of the interferometric signal processing. The algorithms have been tested and validated though simulations and then applied to the observation of the Herbig Be star MWC 297 in medium spectral resolution. This young star presents a strong emission line due to the atomic transition of the hydrogen $\mathrm(Br)\gamma$. The study confirms the existence of an accretion disk around the star and reveal the presence of an atmospherical envelope, twice as broad as the disk, where the atomic transitions of the hydrogen occurs. At last, I analyze in a theoretical framework the methods that investigate the astrophysical parameters of a source observed with single mode interferometers, such as model fitting and image reconstruction techniques. I particularly emphasize the issues that restrain the capacity of AMBER to image circumstellar environment of young stars., Les recents progres de l'interferometrie optique, en termes de resolution spatiale, de sensibilite et de precision des mesures, ont rendu cette technique particulierement bien adaptee a l'etude de l'environnement proche des etoiles jeunes, etoiles qui possedent en leur sein les cles de la formation stellaire et planetaire. De fait, les premieres observations interferometriques ont revele nombre d'informations essentielles sur la nature de la structure etendue entourant ces objets. L'instrument AMBER, le recombinateur proche infra-rouge 3 telescopes du Very Large Telescope Interferometer (VLTI), va, en inaugurant l'ere de l'imagerie interferometrique a tres haute resolution spatiale et spectrale, permettre de franchir une nouvelle etape dans la comprehension des processus physiques regissant ces etoiles. Cette these s'articule autour de l'instrument AMBER. Apres un resume des principes generaux de l'interferometrie optique en presence de turbulence atmospherique, je montre en quoi l'introduction de guides d'ondes dans le schema de recombinaison permet, en utilisant leurs proprietes de filtrage spatial, d'augmenter la precision et la robustesse des mesures. Partant de ces bases theoriques, je developpe ensuite les procedures de reduction de donnees AMBER,soulignant les points specifiques et novateurs concernant le traitement du signal interferometrique. Ces algorithmes ont ete testes et valides a partir de simulations, puis appliques aux mesures a moyenne resolution spectrale de l'etoile de Herbig Be MWC 297, qui presente une forte raie d'emission relative a la transition atomique de l'hydrogene Brackett gamma. Cette etude confirme l'existence d'un disque d'accretion autour de l'etoile et met en evidence la presence d'une enveloppe atmospherique deux fois plus etendue correspondant a la raie d'hydrogene. Enfin j'analyse dans un contexte theorique global, les methodes d'investigation des parametres astrophysiques d'une source observee avec un interferometre optique monomode, respectivement par ajustement de modeles et par reconstruction d'images. Je repertorie notamment les difficultes majeures limitant les capacites d'AMBER en tant qu'imageur de l'environnement circumstellaire des etoiles jeunes.

Jury: Pierre Benech (président), Stuart Shaklan (rapporteur), Michel Tallon (rapporteur), Romain Petrov (examinateur), Alain Chelli (directeur de thèse), Fabien Malbet (codirecteur de thèse); Interferometry is the technique that produces interferences from an astrophysical target between the output of several independent apertures. Interferometry with optical waveguides is one important subclass of interferometry for which the beams propagate in optical waveguides, the most popular ones being optical fibers. Optical waveguides are special optical components which are often not well understood by the astronomical community. They are often presented as a funnel for photons, where the number of injected photons are computed from the injection coupling factor. Neither the propagation inside the waveguide, nor the effect on the spatial spectrum of the input source are considered. The goal of the work presented in this document is to get deeper understanding of how single-mode filtering works. After an introductory chapter recalling why optical waveguides have been introduced into astronomical interferometry, I will present the physics of modal filtering from a theoretical point of view. A special emphasis has been be put on the normalization problem of Radiation Modes inside a guiding structure. A new mathematical approach for solving this problem has been derived which can be applied for any number multi-layered strong or weakling guiding dielectric structure. Application of the method to the round optical fiber has led to the computation of the spectral density of power and rejection of radiated modes launched be a perfect or perturbated Airy pattern. It is shown that rejection dynamics is fast at the beginning but slows with the optical path. Furthermore interference phenomena between radiation modes and the fundamental one can locally give rise to an optimum for the rejection in terms of the size to be used for flux integration in the tranversal plane of the waveguide. The second part of this work is dedicated to the study of the object image relationship of a fibered interferometer. On a rigorous mathematical basis we study how partial coherence propagates through interferometric combination of single-mode beams in ground-based multi-aperture long-baseline optical interferometers. We show actually that the measured visibility is biased due to field of view limitations.; L'interférométrie astronomique est une technique observationnelle qui forme des interférences avec le rayonnement d'une source à la sortie de différentes ouvertures indépendantes. L'interférométrie monomode (optique fibrée ou optique intégrée) est une catégorie importante de l'interférométrie pour laquelle les faisceaux se propagent à l'intérieur des guides d'onde, les plus populaires étant les fibres optiques. Les guides d'ondes ne sont pas très bien connus de la communauté astronomique. Ils sont souvent présentés comme des entonnoirs à photons, où le nombre de photons injectés est simplement calculé à partir d'un taux de couplage. Ni la propagation dans la fibre, ni l'effet du guide sur le spectre spatial de la source ne sont considérés. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment marche le filtrage optique monomode. Après avoir rappelé pourquoi et dans quel contexte les guides d'ondes ont été introduits interférométrie, je vais présenter la physique du filtrage modal sous un angle théorique. Une attention particulière sera portée au problème de la normalisation des modes rayonnés dans une structure guidante. Une approche mathématique originale a été développée et permet de calculer les modes rayonnés de n'importe qu'elle structure multicouche fortement ou faiblement guidante. L'application de la méthode à la fibre optique circulaire bi-couche a permis de calculer la densité spectrale et dévaluer la réjection des modes rayonnés excités par une tâche d'Airy. Nous montrons que la dynamique de la réjection est rapide mais ralentit dans la longueur du guide. De plus des phénomènes interférentiels entre le mode guidé et le paquet d'ondes rayonnés conduisent à la notion d'optimum local pour la réjection en terme de taille de région d'intégration du flux dans le plan transverse du guide. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'étude formelle de la relation objet-image dans un interféromètre fibré. Sur une base mathématique rigoureuse nous étudions comment se propage la cohérence partielle à travers le système optique. Nous montrons que les mesures de visibilité sont biaisées à cause de la réduction du champ de vue induite par la présence des guides.

Interferometry is the technique that produces interferences from an astrophysical target between the output of several independent apertures. Interferometry with optical waveguides is one important subclass of interferometry for which the beams propagate in optical waveguides, the most popular ones being optical fibers. Optical waveguides are special optical components which are often not well understood by the astronomical community. They are often presented as a funnel for photons, where the number of injected photons are computed from the injection coupling factor. Neither the propagation inside the waveguide, nor the effect on the spatial spectrum of the input source are considered. The goal of the work presented in this document is to get deeper understanding of how single-mode filtering works. After an introductory chapter recalling why optical waveguides have been introduced into astronomical interferometry, I will present the physics of modal filtering from a theoretical point of view. A special emphasis has been be put on the normalization problem of Radiation Modes inside a guiding structure. A new mathematical approach for solving this problem has been derived which can be applied for any number multi-layered strong or weakling guiding dielectric structure. Application of the method to the round optical fiber has led to the computation of the spectral density of power and rejection of radiated modes launched be a perfect or perturbated Airy pattern. It is shown that rejection dynamics is fast at the beginning but slows with the optical path. Furthermore interference phenomena between radiation modes and the fundamental one can locally give rise to an optimum for the rejection in terms of the size to be used for flux integration in the tranversal plane of the waveguide. The second part of this work is dedicated to the study of the object image relationship of a fibered interferometer. On a rigorous mathematical basis we study how partial coherence propagates through interferometric combination of single-mode beams in ground-based multi-aperture long-baseline optical interferometers. We show actually that the measured visibility is biased due to field of view limitations., L'interférométrie astronomique est une technique observationnelle qui forme des interférences avec le rayonnement d'une source à la sortie de différentes ouvertures indépendantes. L'interférométrie monomode (optique fibrée ou optique intégrée) est une catégorie importante de l'interférométrie pour laquelle les faisceaux se propagent à l'intérieur des guides d'onde, les plus populaires étant les fibres optiques. Les guides d'ondes ne sont pas très bien connus de la communauté astronomique. Ils sont souvent présentés comme des entonnoirs à photons, où le nombre de photons injectés est simplement calculé à partir d'un taux de couplage. Ni la propagation dans la fibre, ni l'effet du guide sur le spectre spatial de la source ne sont considérés. Le but de ce travail est de mieux comprendre comment marche le filtrage optique monomode. Après avoir rappelé pourquoi et dans quel contexte les guides d'ondes ont été introduits interférométrie, je vais présenter la physique du filtrage modal sous un angle théorique. Une attention particulière sera portée au problème de la normalisation des modes rayonnés dans une structure guidante. Une approche mathématique originale a été développée et permet de calculer les modes rayonnés de n'importe qu'elle structure multicouche fortement ou faiblement guidante. L'application de la méthode à la fibre optique circulaire bi-couche a permis de calculer la densité spectrale et dévaluer la réjection des modes rayonnés excités par une tâche d'Airy. Nous montrons que la dynamique de la réjection est rapide mais ralentit dans la longueur du guide. De plus des phénomènes interférentiels entre le mode guidé et le paquet d'ondes rayonnés conduisent à la notion d'optimum local pour la réjection en terme de taille de région d'intégration du flux dans le plan transverse du guide. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'étude formelle de la relation objet-image dans un interféromètre fibré. Sur une base mathématique rigoureuse nous étudions comment se propage la cohérence partielle à travers le système optique. Nous montrons que les mesures de visibilité sont biaisées à cause de la réduction du champ de vue induite par la présence des guides.