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The dispersion of metallic oxides within a polymer matrix is used to enhanced its dielectric properties while preserving its interesting mechanical properties. A better understanding of the interactions between the different materials of such a composite is nevertheless required in order to fully optimize the end product. The aim of this PhD thesis was to create a system able to perform nanoscale characterisation of the dielectric response of a polymer-oxide composite by the mean of Atomic Force Microscopy (AFM). This method give us access to the microscopic dynamic of polymer chains in interactions with the particles. The system is highly precise due to the use of an interferometric monitoring of the deflection of the AFM cantilever and the multiple isolation systems shielding the measure from outside noises, including a Faraday cage, a semi-anechoic chamber. Additionally the measure is performed within a vacuum chamber under temperature control. To characterize the precision and reliability of the interferometric measure system, the impact of optical imperfections have been extensively studied. An innovative calibration method to compensate these imperfections is offered. It improves the end linearity of the measure in comparison to the traditionally used methods of correction. Finally, a proof of principle of our ability to perform dielectric measure is demonstrated upon a sample of PVdF-HFP composite mixed with BaTiO3 nanoparticles. It shows the potential of our method for the cartography of dielectric properties on the scale of these 50 nm diameter particles.; La dispersion d’oxydes métalliques au sein d’une matrice polymère permet de décupler la permittivité diélectrique de cette dernière tout en conservant ses propriétés mécaniques. Une compréhension fine des interactions entre les constituants est néanmoins nécessaire pour maîtriser la formulation et l’optimisation du matériau composite final. Cette thèse porte sur la création d’un instrument permettant la caractérisation à l’échelle des nanoparticules de la réponse du matériau : un microscope à force atomique (AFM) pour réaliser une spectroscopie diélectrique locale. Cette méthode donnera accès à la dynamique microscopique des chaînes polymères en interaction avec les particules. L’instrument développé se distingue par sa grande précision, liée à une détection interférométrique de la déflexion de la sonde AFM et à un environnement très faible bruit, combinant cage de Faraday, chambre sourde et isolation des vibrations mécaniques. Une chambre à vide et un contrôle de température parachèvent la maîtrise des conditions de mesure. Pour caractériser la précision et la fiabilité de la mesure interférométrique, une étude poussée des imperfections optiques est réalisée. Une méthode de calibration innovante permettant de passer outres ces imperfections est proposée. Elle améliore notablement la linéarité de la mesure par rapport aux méthodes traditionnelles des interféromètres à quadrature de phase. Pour finir, une preuve de principe de la mesure diélectrique locale est réalisée sur un échantillon de PVdF-HFP chargé de particules de BaTiO3. Elle démontre le potentiel de la méthode pour la cartographie des propriétés diélectriques à l’échelle de particules de 50 nm de diamètre.

This work consists of an experimental study of the microscale physical phenomena occurring during the growth of a single bubble attached to the heater at nucleate boiling. The experiment is performed with water at normal conditions by using the state-of-the-art high-speed (4000 frames per second) and microscopic-scale optical diagnostics. The boiling surface consists of an indium-tin oxide (ITO) film deposited on the transparent MgF2 porthole. The ITO heating is performed locally with an infrared (IR) laser directed from below. We study the liquid microlayer that can form between the heater and the bubble. Simultaneous and synchronous measurements of the microlayer profile, macroscopic bubble shape and wall temperature are obtained by the white-light interferometry, sidewise shadowgraphy and IR thermography, respectively. The wall heat ux is reconstructed using the wall temperature distribution. A new feature in the microlayer shape has been detected: a bump in the microlayer profile that appears at the initial stage of the bubble growth. A simple theory that allows us to explain the bump is presented. The bump is explained by the fast bubble growth accompanied by the bubble edge deceleration and as an interplay of viscous and capillary forces acting in the microlayer during its formation. We also describe a 2D numerical simulation of microlayer dynamics that shows both a dewetting ridge evidenced in earlier numerical simulations near the contact line and a bump farther away. A good agreement is found between the simulated and experimental microlayer profiles in the bump region. We show that the dewetting is accelerated by evaporation, which leads to the formation of a large dewetting ridge at the initial stages of bubble growth. Our results also show that the microlayer thinning in time is due to its evaporation. The measured thermal resistance at the liquid-vapor interface is a few times larger than its theoretical value and seems to grow in time, which suggests the water weak contamination as its cause.; Ce travail consiste en une étude expérimentale des phénomènes physiques à micro-échelle se produisant lors de la croissance d'une seule bulle attachée à la paroi chauffante en régime d'ébullition nucléée. L'expérience est réalisée avec de l'eau à pression atmosphérique en utilisant des diagnostics optiques rapides (4000 images par seconde) et à l'échelle microscopique. La surface d'ébullition est constituée d'un film d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) déposée sur une fenêtre transparente en MgF2. La bulle est déclenchée par un chauffage local avec un laser infrarouge (IR). Nous étudions la dynamique et le transfert de chaleur d'une microcouche liquide qui peut se former entre la paroi et la bulle. Des mesures simultanées et synchronisées du profil de la microcouche, de la forme macroscopique de la bulle et de la température de la paroi sont obtenues respectivement par interférométrie en lumière blanche, par ombroscopie latérale et par thermographie IR. Le flux de chaleur de la paroi est reconstruit en utilisant la distribution de la température de la paroi. Une nouvelle caractéristique de la forme de la microcouche a été détectée : une bosse dans le profil de la microcouche qui apparaît au stade initial de la croissance de la bulle. Une théorie simple qui nous permet d'expliquer cette bosse est présentée. La bosse est expliquée par la croissance rapide des bulles et par l'interaction des forces visqueuses et capillaires agissant dans la microcouche pendant sa formation. Nous décrivons également une simulation numérique 2D de la dynamique de la microcouche qui montre un bourrelet de démouillage mis en évidence dans les simulations numériques précédentes près de la ligne de contact et une bosse plus éloignée. Un bon accord est trouvé entre les profils de microcouche simulés et expérimentaux dans la région de la bosse. Nous montrons que le démouillage est accéléré par l'évaporation, ce qui entraîne la formation d'un large bourrelet aux premiers stades de la croissance des bulles. Nos résultats montrent que l'amincissement de la microcouche dans le temps est dû à son évaporation. La résistance thermique mesurée à l'interface liquide-vapeur est plusieurs fois plus grande que sa valeur théorique et semble grossir dans le temps, ce qui est expliqué par une faible contamination de l'eau.

International audience; PISTIL is an interferometric metrology tool dedicated to the analysis of regular segmented wavefront surfaces. Its ease of use and the quality of its measurements make it an ideal and independent analyzer for the diagnosis of the phasing of coherent combined lasers. The results presented here were obtained on the XCAN laser, a digital laser composed of 61 CBC laser fibers.; PISTIL est un moyen de métrologie interférométrique dédié à l'analyse des surfaces d'onde segmentées régulières. Sa facilité de mise en oeuvre et la qualité de ses mesures en font un analyseur idéal et indépendant pour le diagnostic de la mise en phase des lasers à combinaison cohérente. Les résultats présentés ici ont été obtenus sur le laser XCAN, laser digital composé de 61 fibres laser CBC.

The dynamics of drops in a confined environment in a Hele-Shaw cell is an old problem. It has been shown that these dynamics depend on the conditions at the interface between the drop and the external phase that pushes it. We have come, through a double experimentation, to measure both velocities of the problem: namely the velocity of the drop and the velocity of the carrier phase, and at the same time, using an interferometric device, to measure the thickness of the lubrication films. This first measurement allowed us to highlight an inversion of the dependence of the velocity of the drop on its radius, as well as the relevant parameter driving this inversion. The second measurement, that of film thickness, also shows the signature of an interfacial effect observed in the lubrication film as a function of this parameter. Finally, a model taking into account the 3D geometry of a Hele-Shaw cell and considering the lateral flows present on the sides of the drop is presented. This model shows a striking agreement with our experimental data, which confirms that these flows are responsible for the two effects observed experimentally : inversion of the radius dependence and localized thickening.; La dynamique de gouttes en milieu confiné, dans une cellule de Hele-Shaw est une problématique ancienne. Il a été montré que cette dynamique dépend des conditions à l’interface entre la goutte et la phase externe qui la pousse. Nous venons, au travers d’une double expérimentation, à la fois mesurer les deux vitesses du problème : à savoir la vitesse de la goutte et la vitesse de la phase porteuse, et à la fois, à l’aide d’un dispositif interférométrique, mesurer l’épaisseur des films de lubrifications. Cette première mesure nous a permis de mettre en évidence une inversion de la dépendance de la vitesse de la goutte avec son rayon, ainsi que le paramètre pertinent pilotant cette inversion. La seconde mesure, celle d’épaisseur des films, montre également la signature d’un effet interfaciale observé dans le film de lubrification en fonction de ce paramètre. Enfin, un modèle prenant en compte la géométrie 3D d’une cellule de Hele-Shaw et considérant les écoulements latéraux présents sur les côtés de la gouttes est présenté. Ce modèle présente un accord saisissant avec nos données expérimentales, ce qui nous conforte dans l’idée que ces écoulements sont responsables des deux effets observés expérimentalement : inversion de la dépendance en rayon et épaississement localisé.

X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. Classically, its use is based on the measurement of X-ray attenuation, well suited for imaging dense materials (metals, bones, weapons,etc.) because they strongly attenuate the Xray beam and bring contrast to the image. However, there is a wide range of materials of interest, which are not very attenuating (composites, carbon fibers, soft tissues, explosives, etc.) and therefore difficult to image using conventional techniques. Furthermore, in addition to their attenuation, phase shifting happens, in particular for low-attenuating material. The measurement of the phase shift by a grating interferometer allows to estimate the geometry of the observed object. The imaging associated with this measurement is called phase imaging by Multi-Lateral Shearing Interferometer (MLSI) and allows to restore a strong contrast for sparse materials, where conventional imaging techniques is limited. Since the phase measurement is not direct to the measurement, it requires specific extraction algorithms that can lead to estimation errors also called extraction artifacts. A first goal of my thesis was to develop a tool for mapping these artefacts to the phase image that allows a direct feedback of the phase extraction quality. On the other hand, my work consisted in correcting these estimation errors by developing two image processing methods. The first method applies to aliasing errors induced by the sampling constraints of wave-fronts with abrupt transition by MLSI and has already been deployed for Non Destructive Testing (NDT) applications that I will present. The second method seeks to minimize the noise by exploiting the redundancy of the phase measurement and allowed me to improve, with the support of a simulation model I developed, new geometries of MLSI that maximizes signal-to-noise gains in phase images.; L’imagerie par rayons X est fortement développée dans de nombreux domaines de notre société, notamment dans les milieux industriels, médicaux ou sécuritaires. Classiquement son utilisation repose sur la mesure d’atténuation des rayons X, bien adaptée pour imager des matériaux denses (métaux, os, armes…) car fortement atténuants et amenant du contraste à l’image. Toutefois, il existe un large panel de matériaux d’intérêt peu atténuants (composites, fibres carbonées, tissus mous, explosifs…) donc difficiles à imager par les techniques classiques. Les rayons X, en plus de leur atténuation, subissent un déphasage qui est d’autant plus important que le matériau traversé est peu atténuant. La mesure de ce déphasage, notamment à travers l’ajout d’un réseau de diffraction sur le trajet du faisceau, permet de remonter à la géométrie de l’objet observé. L’imagerie associée à cette mesure est appelée imagerie de phase par interférométrie à décalage multi-latéral (IDML) et permet de restituer un fort contraste pour les matériaux peu denses. Par ailleurs, la mesure de phase n’est pas directe à la mesure et nécessite des algorithmes spécifiques d’extraction pouvant amener des erreurs d’estimation. Un premier volet de ma thèse a ainsi consisté à développer un outil de cartographie des erreurs de l’image de phase servant de retour direct de la qualité d’estimation de phase. D’autre part, mon travail a consisté à corriger ces erreurs d’estimation à travers le développement de deux méthodes traitement d’image. La première méthode s’applique aux erreurs liées au sous-échantillonnage du signal par l’IDML et son déploiement a été démontré expérimentalement pour des applications en contrôle non-destructif (CND). La deuxième méthode cherche à minimiser le bruit de mesure par l’exploitation de la redondance accessible par l’IDML. Avec l’appui d’un modèle de simulation que j’ai développé, de nouvelles géométries de réseau de diffraction ont été étudiées permettant de maximiser les performances de cette méthode.

International audience; X-ray grating-based techniques often lead to artifacts in the phase retrieval process of phase objects presenting very fast spatial transitions or sudden jumps, especially in the field of non-destructive testing and evaluation. In this paper, we present a method that prevents the emergence of artifacts by building an interferogram corrected from any variations of intensity of the object and given as input in the phase extraction process. For illustration, this method is applied to a carbon fiber specimen imaged by a microfocus X-ray tube and a single 2D grating. A significant reduction of artifacts has been obtained, by a factor higher than 10. This evaluation has been performed thanks to the Confidence Map tool, a recently developed method that estimates the error distribution from the data sets.; Les méthodes à réseaux de diffraction en rayons X mènent souvent à des artefacts dans le processus d'extraction de phase d'objets à transitions spatiales abruptes ou présentant des sauts soudains, notamment dans le domaine des essais et évaluations non destructifs. Dans cet article, nous présentons une méthode qui prévient l'apparition d'artefacts en construisant un interférogramme corrigé de toute variation d'intensité de l'objet, donné en entrée du processus d'extraction de phase. À titre d'illustration, cette méthode est appliquée à un échantillon composé de fibres de carbone, imagé par un tube à rayons X microfocus et par un simple réseau 2D. Une réduction significative des artefacts a été obtenue, d'un facteur supérieur à 10. Cette évaluation a été réalisée expérimentalement grâce à l'outil Carte de Confiance, une méthode récemment développée qui estime la distribution des erreurs à partir des informations sur les gradients de phase.

Im Zuge des Forschungsprojektes "Seismic Imaging Techniques for Mineral Exploration" wurde die Anwendung von passiver seismischer Interferometrie (PSI) in untertägigen Strecken und dessen Eignung für die Mineralexploration getestet. Zu Validierungszecken wurde PSI mit der 3D-Bohrlochradartechnologie und einer aktiven seismischen Messung verglichen. Die Messungen wurden auf der 574-m-Sohle des ehemaligen Salz- und Forschungsbergwerk für die Endlagerung von radioaktiven Abfällen, der Schachtanlage Asse II, durchgeführt. Im Anschluss wurden die gesammelten Datensätze quantitativ und qualitativ prozessiert und bewertet. Dies erlaubte die Verifizierung von bereits bekannten und unbekannten geologischen Strukturen mittels Datenklassifikation und Selektion durch eine Illuminations-Diagnose und anschließender Anwendung von PSI via Kreuz- und Autokorrelation. Darüber hinaus konnten herkömmliche Prozessierungsschritte von PSI auf untertägige Anwendungen angepasst und verfeinert werden.

Rastertunnelmikroskope (scanning tunneling microscope, STM) sind eine Gruppe von Instrumenten, welche mit einer Messspitze Oberflächen abtasten. Unter Ausnutzung des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe sind sie in der Lage Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden. Allerdings ist die Positionierung der Messspitze stark von Nichtlinearitäten und Hysterese sowie Drift des Positioniersystems betroffen. Dadurch ist es mit bisher existierenden STMs nicht möglich, zuverlässige rückführbare dimensionelle Messungen an ebendiesen Oberflächen vorzunehmen. Ein STM, welches diese Möglichkeiten hätte, würde es beispielsweise ermöglichen, Aussagen über die Gitterkonstanten von Oberflächenrekonstruktionen kristalliner Materialien zu treffen. Mit diesen Messungen wäre es möglich, den Gitterabstand zur Kalibrierung anderer Instrumente zu verwenden, welche diese Oberflächen abbilden können. Ebenso könnten sogar in der Vergangenheit liegende Messungen mit einem rückgeführten Längenmaßstab versehen werden. Ziel dieser Arbeit ist es, ein STM zu implementieren, welches in allen drei Raumrichtungen dimensionell rückgeführt messen kann. Ebenso soll es in der Lage sein, unter Ultrahochvakuumbedingungen zu messen, um auch Messungen an Materialien zu ermöglichen, welche unter Umgebungsbedingungen oxidieren. Dazu wird ein existierendes STM mit sechs Interferometern ausgerüstet, welche Drehung und Verschiebung in allen sechs Freiheitsgraden messen können. Besonders der Einsatz unter Ultrahochvakuumbedingen und die damit verbundenen Anforderungen an den Aufbau und die verwendeten Materialien, sowie der durch die Vakuumkammer eingeschränkte Bauraum stellen dabei große Herausforderungen dar. Inhalt der Arbeit ist die Konstruktion eines Interferometeraufbaus und dessen Anpassung an das bestehende STM. Dabei werden besonders die Voraussetzungen für den Einsatz im Ultrahochvakuum und der begrenzte Bauraum berücksichtigt. Ebenso wird auf die Auslegung und Fertigung elektronischer und mechanischer Komponenten unter den gleichen Gesichtspunkten eingegangen. Weiterhin werden kommerzielle Komponenten ausgewählt und auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. Auch der Zusammenbau und die Justage des Aufbaus werden beschrieben und die Funktionsfähigkeit des Instrumentes unter Umgebungsbedingungen wird demonstriert. Auf weitere Schritte, welche notwendig sind um das UHV-STM zur vollen Einsatzbereitschaft zu bringen wird ebenfalls eingegangen., Scanning Tunneling Microscopes (STM) are a class of instruments, which scan surfaces using a small metal tip. Utilizing the tunnel current between tip and sample, they are capable to provide images of surfaces with atomic resolution. However, the positioning of the tip relative to the sample is highly affected by hysteresis, nonlinearities and drift of the positioning system. Therefore it is not possible for current STMs to perform traceable dimensional measurements on the aforementioned surfaces. A STM with these capabilities could enable one to measure the lattice constant of surface reconstructions of crystalline materials. With these measurements it would in turn be possible to calibrate measurements of other instruments which can resolve these surfaces. Even calibrations of past measurements could thus be an option. The goal of this work is to implement an instrument which can provide for traceable dimensional measurements in all three lateral dimensions. Also it must be capable of operating under ultra-high vacuum conditions in order to enable the examination of materials which would oxidize under ambient conditions. To achieve this goal, an existing STM is being outfitted with six interferometers, which can measure displacement and tilt of sample and tip in all six degrees of freedom. Especially the operation under vacuum conditions is challenging, as the used materials and the setup must all be suited for these conditions. Also the limited space inside the vacuum chamber, which needs to accommodate all six interferometers must be taken into account. The scope of this work is the construction of a interferometer setup and its adaption to the existing STM. Especially the requirements for the operation under UHV conditions as well as the space constraints are taken into account. Also the development and manufacture of electronics and mechanical components under the same aspects is described. Furthermore, the selection of commercial components and their testing for suitability is discussed. The assembly and adjustment of the measurement setup is also handled and its functionality under ambient conditions is demonstrated. Further steps, which will be necessary in order to bring the instrument into full working order are also described.

Point-wise measuring profilometers like the tactile stylus instruments or optical sensors are established measurement tools in science and industry to measure and characterize surface textures. We present a fiber-coupled laser interferometric confocal distance sensor for surface profiling. The sensor is characterized by small geometric dimensions and by its high lateral scanning speed. The ability to measure specularly reflecting and rough surface textures are demonstrated by performing several measurements on a sinusoidal standard as well as two roughness standards specified by different degree of roughness using various lateral scan velocities up to 75 mm s−1. These measurement results are compared to those obtained by a tactile stylus instrument used in the identical measurement environment as the introduced optical sensor. Finally, the ability for full-field measurements is presented.

With the advent of high-power laser facilities in the second half of the XXth century camethe ability to study matter at extreme conditions of pressure and temperature. This advancementenabled research into thermonuclear fusion and laboratory astrophysics, two fields which oftenemploy elements with low atomic numbers. These elements have weak x-ray absorption, resultingin poor contrast in traditional x-ray radiography. Thus, new and more refined methods arerequired to achieve high-contrast and high-resolution images.This manuscript reports on the study of propagative and interferometric x-ray phase imagingmethods for laser-generated plasmas at XFEL and other laser facilities. First, the neededfundamental plasma and imaging physics are presented to develop x-ray phase contrast imagingin a high-energy-density environment. This is followed by an overview of the facilities andprimary diagnostics used in these studies. Next, experimental results are shown using propagativeimaging methods at laser and XFEL facilities. The manuscript finishes by examining the currentdevelopments in differential x-ray phase contrast imaging of laser-generated plasmas using aTalbot-Lau x-ray interferometer, including its first demonstration at XFEL facilities.; L’avènement des lasers de forte puissance dans la seconde moitié du XXème sièclea donné la possibilité d’étudier en laboratoire la matière dans des conditions de pression et detempérature extrêmes. Les applications de fusion thermonucléaire, et d’astrophysique de laboratoiresont ainsi vite évoquées. Les matériaux généralement employés dans ces expériences sontde numéro atomiques faible (Deuterium-Tritium, mousses, etc..). Ils sont donc particulièrementpeu absorbants. Le faible contraste qu’ils procurent à la radiographie impose de développer denouvelles méthodes de radiographie plus fines.Ainsi, dans ce manuscrit nous étudions les possibilités de réalisation expérimentale de la radiographiede phase X en propagation et par interférométrie pour les plasmas générés par laser.Dans un premier temps, sont abordées les notions de base en physique des plasmas et d’imagerie.Ensuite sont présentées les installations et les diagnostics utilisés lors des expériences. Enfin, nousmontrons les résultats expérimentaux de radiographie classique et de phase sur installations laseret sur XFEL. Nous terminons le manuscrit sur les études en cours sur l’interférométrie Talbot-Laupour l’imagerie X par différence de phase de plasmas denses. Nous présentons d’ailleurs la premièredémonstration d’interférométrie Talbot sur XFEL afin d’imager des plasmas denses dans uncontexte de haute densité d’énergie.

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The satellite pair of the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Follow-On orbits the Earth, while their inter-satellite distance changes are measured with an accuracy never reached before. This is achieved with the first Laser Ranging Interferometer (LRI) that oper- ates between two distant spacecraft. The mission is based on a US-German collaboration for investigating Earth’s gravitational field and its temporal variations. The LRI was developed with the involvement of the Albert Einstein Institute (AEI) and the instrument has been running reliably for about 3 years now. The AEI has an interest in verifying and validating the LRI Level 1 data products, to ensure that the officially provided LRI data (Release 04 or v04) is correct and useful for gravity field determination. Level 1 data results from the raw telemetry of the spacecraft and serves as an intermediate step before the actual gravity field solutions can be created. Furthermore, the Level 1 data is divided into Level 1A and Level 1B products, where Level 1B is the result of further processing of Level 1A. The author of this thesis has implemented a processing chain in the existing framework of data processing and data analysis at AEI. The new processing chain generates alternative LRI Level 1A data products and especially the LRI1B product. They are referred to as v50 data. The data sets of v04 and v50 were compared in order to identify discrepancies between both versions. It turns out that the LRI Level 1A v04 products show some minor imperfections like a few missing packets of the data, incorrect units or time frame identifiers which do not match with the product description. However, the LRI phase measurements within the LRI1A product are provided correctly, which is the most important data for deriving a correct LRI1B product and the subsequent gravity field solutions. In the case of LRI1B, the range measurement in v50 shows a lower noise level on some individual days than v04. This might be related to instrument reboots, incorrect clock data, and to jumps in the phase measurement, which result for example from thruster activation, but were probably not completely removed from v04 data. In summary, this thesis will introduce some theoretical basics on laser interferometry and occurring effects of relativity in space. Afterwards, the GRACE Follow-On mission and the functionality of the LRI are presented in detail. Furthermore, the different levels of data processing are discussed and the LRI Level 1A and LRI1B processing steps are explained. Finally, the differences of v04 and v50, and their origins will be clarified.

In this thesis, we study an engineered mechanical oscillator coupled to a microwave cavity. In a preliminary experiment, microwave photons were used as a cold bath to reduce the temperature of the mechanical oscillator by a factor 500. We present several improvements to the membranes which should enable us to cool them down to their quantum ground state. In particular, we explore the rich physics of phononic bangaps to isolate an ultrahigh-quality-factor membrane mode from decoherence channels, a technique known as ``soft-clamping''. Using a quantum-limited interferometer able to resolve the membrane's Brownian motion, we reconstruct the profiles of the membrane modes. Thanks to this setup we identify a set of parasitic membrane modes which significantly degrade the quality factor of the soft-clamped modes. Specific mode engineering strategies are therefore implemented to ensure the optimal performance of the softly-clamped membranes. Once integrated in an electromechanical cavity, the optimized membranes developed over the course of this thesis should operate deep in the quantum regime. We discuss the perspectives of preparing nonclassical states of motion by exploiting superconducting qubits as a nonlinear resource. In particular, we propose a scheme which could achieve this using a single microwave-photon detector, developed in collaboration with LPENS. This hybrid electromechanical system could be used to store fragile quantum states on the scale of seconds, to measure minute forces with unprecedented precision, or to study the boundary between the quantum and the classical worlds.; Dans cette thèse, nous étudions un résonateur mécanique optimisé qui est couplé à une cavité micro-ondes. Au cours d'une expérience préliminaire, des photons micro-ondes sont employés comme bain froid pour réduire la température de l'oscillateur mécanique d'un facteur 500. Nous introduisons plusieurs améliorations à ces membranes dans l’optique de les refroidir jusqu’à leur état quantique fondamental. En particulier, nous explorons la physique riche des bandgaps phononiques pour isoler un mode de facteur de qualité ultra-élevé de ses canaux de décohérence, une méthode connue sous le nom de ``soft-clamping''. Avec un interféromètre limité quantiquement et capable de résoudre le mouvement Brownien des membranes, nous reconstruisons le profil des modes de la membrane. Grâce à cette expérience, nous identifions un groupe de modes parasitiques qui dégradent fortement le facteur de qualité des modes ``soft-clamped''. Des stratégies d'optimisation du profil spectral sont donc implémentées pour assurer la performance optimale des membranes ``soft-clamped''. Une fois intégrées dans une cavité électromécanique, les membranes optimisées qui ont été développées au cours de cette thèse devraient opérer profondément dans le régime quantique. Nous discutons des perspectives pour préparer des états de mouvement non-classiques qui exploitent la nonlinearité des qubits supraconducteurs. Nous proposons en particulier une méthode pour réussir cela en utilisant un détecteur de photons micro-ondes uniques, qui a été développé en collaboration avec le LPENS. Un tel système electromécanique hybride pourrait être utilisé pour stocker des état quantiques fragiles à l'échelles des secondes, pour mesurer avec une précision sans précédent des forces infimes, ou encore pour sonder la frontière entre les mondes classiques et quantiques.

International audience; The purpose of this paper is to show that the Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWFS) gives access to more derivatives than the two orthogonal derivatives classically extracted either by estimating the centroid or by taking into account the first two harmonics of the Fourier transform. The demonstration is based on a simple model of the SHWFS, taking into account the microlens array as a whole and linking the SHWFS to the multilateral shearing interferometry family. This allows for estimating the quality of these additional derivatives, paving the way to new reconstruction techniques involving more than two cross derivatives that should improve the signal-to-noise ratio.; Le but de cet article est de montrer que l'analyseur de front d'onde Shack-Hartmann (SHWFS) permet d’accéder à plus de dérivées que les deux dites classiques (selon x et y), qui sont extraites soit par recherche des barycentres (centroiding), soit en utilisant les deux premières harmoniques de la transformée de Fourier de l'image de l'analyseur. La démonstration se base sur un modèle simple du SHWFS qui prend en compte un réseau de microlentilles en tant qu'un objet et lie par similarité le SHWFS au concept d'interférométrie à décalage multi-latéral. Cette liaison permet d'extraire des dérivées additionnelles, ce qui constitue une première étape vers l'élaboration de nouvelles techniques de reconstruction du front d'onde utilisant plus d'information que celle fournie par les deux dérivées classiques.

Illustrationen, Diagramme

In this thesis, a novel interferometric method for the spectroscopic and time-resolved investigation of the complex optical and magento-optical refractive index in the spectral range of extreme ultraviolet radiation and soft x-rays is presented. Compared to similar methods, our method is self-normalizing and allows the determination of the real and imaginary part of the complex refractive index in only one single measurement. The wavefront splitter of our interferometer consists of a simple monolithic combination of a double slit acting as a reference and an additional aperture containing the sample system under investigation as a free-standing film. The interferogram measured in the far field is evaluated by a single Fourier transformation. Via polarization-dependent measurements, the dichroic contributions to the complex refractive index due to the magnetization of the material can be extracted. We present proof-of-principle measurements using this concept and discuss performance and limiting factors. Results are presented for CoGd-alloy, FeGd-alloy, and Co/Pt-multilayers, investigating for Co and Fe both the spectral regions of the respective M- and L-edges and for Gd the spectral region corresponding to the N-edge. These experiments were carried out at a synchrotron radiation source. We compare our results to experimental results in the literature and to electronic structure calculations. For the case of Gd25Co75 alloy, to our knowledge, we are the first to present experimental data on the magneto-optical refractive index at the Gd N-edge. Beyond static measurements, we present a proof-of-concept experiment for a timeresolved investigation in a pump-probe scheme. Using a high-harmonic generation source for interferometric probing, the evolution of the magneto-optical refractive index of Fe in Gd28Fe72 is studied after optical excitation leading to ultrafast demagnetization. We conclude by discussing the current limitations of our time-resolved experiment and discuss improvements for future applications., In dieser Arbeit wird eine neuartige interferometrische Methode zur spektroskopischen und zeitaufgelösten Untersuchung des komplexen optischen und magentooptischen Brechungsindex im Spektralbereich extremer ultravioletter Strahlung und weicher Röntgenstrahlung vorgestellt. Im Vergleich zu ähnlichen Methoden ist unsere Methode selbst-normalisierend und erlaubt die Bestimmung des Real- und Imaginärteils des komplexen Brechungsindex in nur einer einzigen Messung. Der Strahlteiler unseres Interferometers besteht aus einer einfachen monolithischen Kombination von einem Doppelspalt, der als Referenz dient, und einer zusätzlichen Apertur, welche das zu untersuchende Probensystem als freistehenden Film enthält. Das im Fernfeld gemessene Interferogramm wird mittels einer einzelnen Fouriertransformation ausgewertet. Durch polarisationsabhängige Messungen können die dichroitischen Beiträge zum komplexen Brechungsindex aufgrund der Magnetisierung des Materials extrahiert werden. Wir stellen proof-of-principle-Messungen unter Verwendung dieses Konzepts vor und diskutieren Leistungsfähigkeit und limitierende Faktoren. Die Ergebnisse werden für CoGd-Legierungen, FeGd-Legierungen und Co/Pt-Multilagen vorgestellt, wobei für Co und Fe sowohl die Spektralbereiche der jeweiligen M- und LKanten als auch f¨ur Gd der Spektralbereich entsprechend der N-Kante untersucht werden. Diese Experimente wurden an einer Synchrotronstrahlungsquelle durchgeführt. Wir vergleichen unsere Ergebnisse mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur und mit elektronischen Strukturberechnungen. Für den Fall der Gd25Co75-Legierung sind wir unseres Wissens nach die ersten, die experimentelle Daten über den magnetooptischen Brechungsindex an der Gd N-Kante präsentieren. Über statische Messungen hinaus stellen wir ein proof-of-concept-Experiment für eine zeitaufgelöste Untersuchung mittels einer pump-probe-Methode vor. Unter Verwendung einer Quelle zur Erzeugung hoher Harmonischer wird die zeitliche Entwicklung des magnetooptischen Brechungsindex von Fe in Gd28Fe72 nach optischer Anregung untersucht, die zu einer ultraschnellen Entmagnetisierung führt. Abschließend erörtern wir die derzeitigen Grenzen unseres zeitaufgelösten Experiments und diskutieren Verbesserungen für zukünftige Anwendungen.

A general algorithm for the rigorous computation of Optical Coherence Tomography (OCT) images based on Maxwell's equations is presented to calculate tomograms of various scattering structures. The impact of the microscopic structure of the scatterers on the tomograms is investigated and the main parameters of OCT imaging such as the central wavelength, the pinhole diameter and the width of the broadband light source are varied. The computed OCT data are rigorously compared to OCT data obtained elsewhere. It is shown that OCT images do not always reveal the underlying structure of the scatterers, and care must be taken when interpreting OCT images.

Surface Brightness-Color Relations (SBCRs) are a key tool for characterizing stars and calibrating distance scales in the Universe. These relations link the stellar flux (integrated per solid angle unit) to its color (the difference between the magnitudes calculated in two distinct photometric bands). Their ease of use is a major advantage in modern astronomy. Although widely used for decades, there are, however, differences in the calibration according to the spectral type and the luminosity class of stars. My thesis aims to calibrate precise SBCRs for early- and late-type stars in order to estimate the stellar angular diameter that allows to characterize exoplanets host stars and calibrate extragalactic distances using detached eclipsing binaries in neighboring galaxies such as the Magellanic clouds, M31 or M33.As a first step, I made use of a catalog that lists all the interferometric measurements made so far, namely the JMDC, in order to calibrate an accurate SBCR for late-type stars. The interest of such calibration relates to the characterization of exoplanets host stars, since these relations are intended to be used within the framework of the PLATO space mission. For that purpose, I have developed selection criteria based on the stellar activity, the photometry of stars but also on the quality of the interferometric measurements in order to avoid any bias in the calibration of the relation. In this work, I show a dependence of SBCRs on the spectral type and the luminosity class of stars, and develop four relations allowing to estimate the angular diameter of stars with a precision ranging between 1% and 2%. I also carry out tests proving the consistency of such selection criteria for the calibration of these relations.In order to cover a large sample of stars with different spectral types, I devoted two years of my thesis to the observation of early-type stars using the VEGA instrument installed at the CHARA array, at Mount Wilson, in the United States. In the same way as for late-type stars, I used selection criteria to properly construct my sample of 18 stars to observe. I measured the angular diameter of these stars with an accuracy between 0.8% and 5%, and calibrated a SBCR for early-type stars that allows to estimate their angular diameter with a precision of 2.4%, namely three times more precise than the relations calibrated so far for this type of stars. I also made a detailed study on the infrared photometry of stars. I used conversion relations between K and Ks photometries in order to transform the infrared photometries of stars into an uniform sample. I show that the use of these relations for early-type stars faces some limits, especially for stars with V – K < - 0.3 mag.A part of my thesis has finally been devoted to the development of so-called "theoretical" SBCRs using MARCS atmosphere models, in order to study the physics of SBCRs, and to understand their dependencies and the differences observed in their calibration. I find a dependence of SBCRs on the luminosity class and the spectral type of stars, but also on the metallicity. I show an average agreement of about 3% with my empirical SBCRs, and I suggest solutions to improve this consistency.The SPICA 6-telescope instrument will soon make it possible to carry out interferometric observations of a very large number of stars, and therefore to refine the calibration of SBCRs and access a more precise study of fundamental parameters of stars., Les relations brillance de surface-couleur (SBCRs, en anglais) sont un outil clé pour la caractérisation des étoiles et l'étalonnage des distances dans l'Univers. La SBCR est une relation entre le flux de l'étoile, intégré par unité d'angle solide, et sa couleur, c'est-à-dire la différence entre les magnitudes calculées dans deux bandes photométriques distinctes. Leur facilité d'utilisation représente un atout majeur au sein de l'astronomie moderne. Bien que largement utilisées depuis des décennies, on constate cependant des incohérences selon le type spectral et la classe de luminosité des étoiles. Ma thèse a pour objectif d'étalonner des SBCRs précises pour les étoiles précoces (types spectraux O, B et A) et tardives (types spectraux plus tardifs que F) dans le but d'estimer le diamètre angulaire des étoiles, qui serviront à la caractérisation des étoiles hôtes d'exoplanètes mais aussi pour la détermination de distance des binaires à éclipses extragalactiques.En premier lieu, j'ai utilisé le catalogue répertoriant toutes les mesures interférométriques réalisées jusqu'à maintenant, le Jean-Marie Mariotti Center Measured stellar Diameters Catalog (JMDC), afin de développer des SBCRs précises pour les étoiles tardives. Ces relations visent à préparer la mission spatiale PLAnetary Transits and Oscillations of Stars (PLATO). Pour ce faire, j'ai élaboré des critères de sélection basés sur l'activité stellaire (variabilité, multiplicité, rotation, etc.), la photométrie des étoiles mais également sur la qualité des mesures afin d'éviter le maximum de biais éventuels sur l'étalonnage de la relation. J'ai développé quatre relations permettant d'estimer le diamètre angulaire des étoiles tardives entre 1% et 2% de précision, et j'ai montré une dépendance des SBCRs en fonction du type spectral et de la classe de luminosité des étoiles.J'ai consacré deux années de ma thèse à l'observation d'étoiles de types précoces à l'aide de l'instrument "Visible spEctroGraph and polArimeter" (VEGA) installé au centre d'observation "Center for High Angular Resolution Astronomy" (CHARA), au Mont Wilson, aux États-Unis. De la même manière que pour les étoiles tardives, j'ai eu recours à des critères de sélection pour finalement construire mon échantillon de 18 étoiles à observer. J'ai mesuré le diamètre angulaire de ces étoiles avec une précision comprise entre 0.8% et 5%, et j'ai développé une SBCR permettant d'estimer leur diamètre angulaire avec une précision de 2.4%, à condition que la relation soit appliquée à des étoiles dépourvues d'activité stellaire. J'ai également réalisé une étude détaillée sur la photométrie infrarouge des étoiles. J'ai utilisé des relations de conversion entre les photométries Johnson-K et 2MASS-Ks afin de transformer les photométries infrarouges des étoiles en un échantillon uniforme. Je montre que l'utilisation de ces relations pour ce type d'étoiles présente des limites, notamment pour les étoiles avec des couleurs V – K < - 0.3 mag.Une partie de ma thèse a finalement eu pour objectif de développer des SBCRs dites "théoriques" à l'aide de modèles d'atmosphères MARCS, afin de comprendre physiquement les différences observées entre les SBCRs correspondant à différentes classes d'objets. Je trouve une différence d'environ 0.025 mag entre la brillance de surface des étoiles géantes (log g = 3) et naines (log g = 4.5) pour une couleur V – K autour de 4 mag. Je trouve également des différences dans les SBCRs selon la métallicité des étoiles, et montre un accord moyen d'environ 3% avec mes relations empiriques. L'instrument 6-télescopes SPICA permettra prochainement de réaliser des observations interférométriques d'un très grand nombre d'étoiles, et donc d'affiner l'étalonnage des SBCRs, mais aussi d'accéder à une étude plus précise des paramètres fondamentaux des étoiles.

Die optische Kohärenz Tomografie (OCT) ist ein bildgebendes Verfahren, das Querschnittsbilder von biologischen Geweben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich generiert. Da die Methode auf Interferometrie beruht, ist die Phase des rückgestreuten Lichts zugänglich und erlaubt theoretisch die Messung von Längenunterschieden im Pikometerbereich.In der Praxis beeinflussen Schwankungen im Interferometer und die Bewegung der Probe die Phasenmessung und limitieren damit den Anwendungsbereich. Um diese Hürde zu überwinden, kann die Phasenkontrast-Methode verwendet werden. Die Grundidee ist, dass zwei Lichtstrahlen verschiedener Fokusdurchmesser kollinear auf die Probe treffen. Der Strahl mit kleinem Fokusdurchmesser wird zur Beprobung verwendet, der Strahl mit breitem Durchmesser dient als Phasenreferenz und ermöglicht damit die Phasenänderungen, die von der Probenbewegung und den Schwankungen im Interferometer herrühren, abzuziehen.Diese Arbeit widmet sich der praktischen Realisierung eines differentiellen Phasenkontrast-Systems, bei dem die Bildgebung mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt, einschließlich der Entwicklung zugehöriger Software im Bereich der Signalerfassung und Datenauswertung.Die Methode basiert auf einem polarisationssensitiven OCT System, das in dieser Arbeit modifiziert wurde, um differentielle Phasenkontrast-Bilder aufnehmen zu können. Für das Funktionieren der Methode ist eine perfekte Justierung des Systems essentiell. Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb ein genaues Prozedere vorgestellt, um eine hohe Genauigkeit der Justierung zu erzielen. Des Weiteren wird die mit diesem System erreichbare Phasenstabilität wird bestimmt.Schließlich werden die charakteristischen Parameter des Messsystems, in Bezug auf Auflösung, Sensitivität und Abbildungstiefe, bestimmt. Verschiedene technische Proben wurden gemessen, um die Leistungsfähigkeit des Geräts zu quantifizieren., Optical coherence tomography (OCT) is an imaging technique that is capable of providing cross sectional images of biological tissues with micrometer resolution. As the method is based on interferometry, the phase component of the backscattered light is accessible and theoretically opens the possibility of measuring length differences in the pico-meter range. Practically, interferometric jitter and sample motion greatly influence the corresponding phase measurements limiting corresponding applications. To overcome this limitation, a differential phase-contrast technique can be used. The basic idea is that two light beams of different focus diameters incident collinearly onto the sample. The beam with small focus diameter is used as probing beam, while the beam with broad focus diameter serves as phase reference and enables to subtract for phase changes introduced by motion or interferometric jitter.This work focuses on the practical realization of a differential phase-contrast system operating at high imaging speeds, including development of corresponding signal acquisition and data evaluation software. The system is based on a polarization sensitive swept-source OCT setup that has been modified in this work for differential phase contrast imaging.An alignment procedure is presented and the phase stability that can be achieved with the system is determined.Finally, the characteristic parameters of the system in terms of resolution, sensitivity and imaging depth are assessed. Several technical samples have been measured and the measurement performance of the instrument is quantified.

The central parsec is one of the most interesting regions of our Galaxy. It is populated by a nuclear stellar cluster where massive, energetic and young stars coexist with colder evolved stars, hot plasma and streams of interstellar matter. A compact object called SgrA* with a mass of several million solar masses lies in its center becoming the closest supermassive black hole candidate, but being fainter in all wavelengths than other galactic nuclei. One of the closest stars to SgrA*, S2, completes an orbit around it in just 16 years and is bright enough to be used as a robust probe the gravitational potential of the central source by orbit tracking. In the infrared, SgrA* presents a quiescent emission with random short episodes called flares where its brightness sharply increases up to a factor 4, lasting several hours before dimming. The origin of these flares is likely due to the presence of accretion processes in the close environment of the black hole and their study can provide essential information about the exotic nature of SgrA*. Unfortunately, these events are random and require a sufficiently sampled monitoring over time.The GRAVITY instrument, part of the second generation of VLTI, enables the use of optical interferometry to study the Galactic Center. It is able to track the orbit of the star S2 with unprecedented accuracy, up to 10 micro-arcseconds. This thesis work is focused on the data analysis of the first products of the GRAVITY instrument in the Galactic Center.In the first part of the thesis, the astrometry of the star S2 is obtained by the use of the first two years of GRAVITY observations, in which I have actively participated. For that purpose, abinary star model is used to reproduce the interferometric data. Right before and after the pericenter passage, who took place in 2018, I have obtained the positions of S2 with respect to SgrA* reaching an astrometric accuracy of 30 micro-arcseconds, comparable with the expected size of the shadow of the supermassive black hole. In addition, I have obtained a new light curve of SgrA* which complements the data already published and confirms the quiescent-flare scenario. The results obtained are part of a larger study involving orbit fitting where several tests of General Relativity have been successfully performed, as well as interpretations of the flares as a product of accretion processes in the near SgrA* orbit.The second part of the thesis is focused on an evolved star called GCIRS 7, which is also located in the central parsec and serves as a reference for GRAVITY observations. This star, which has a large variability in the infrared, is known to contribute to the interstellar medium of the Galactic Center. By complementing GRAVITY archival data from 2017 with observations I have taken in 2019, I have implemented an atmosphere model, widely used for the study of other advanced stars, to explain the visibility curves of GCIRS 7 obtained by GRAVITY. The model consists of a photosphere and a thin molecular shell. The results show that the data can be interpreted as a photosphere with the same diameter for both epochs, but with a shell being colder and larger in 2019 compared to 2017. An estimation of the density of the thin shell reveals a saturation of the model for 2017 due to a high density, but 2019 data is partially reproduced. The results can be explained by a layer expansion and cooling likely due to an episode of mass loss.; Le parsec central est l'une des régions les plus intéressantes de notre Galaxie. Il est peuplé d'un amas stellaire nucléaire où coexistent des étoiles massives, énergétiques et jeunes, des étoiles évoluées plus froides, du plasma chaud et des flux de matière interstellaire. Un objet compact appelé SgrA*, d'une masse de plusieurs millions de masses solaires, se trouve en son centre, devenant ainsi le plus proche candidat au trou noir supermassif, mais étant plus faible dans toutes les longueurs d'onde que les autres noyaux galactiques. L'une des étoiles les plus proches de SgrA*, S2, effectue une orbite autour d'elle en 16 ans seulement et est suffisamment brillante pour être utilisée comme une sonde robuste du potentiel gravitationnel de la source centrale par suivi d'orbite. Dans l'infrarouge, SgrA* présente une émission quiescente avec de courts épisodes aléatoires appelés sursauts où sa luminosité augmente fortement jusqu'à un facteur 4, durant plusieurs heures avant de s'affaiblir. L'origine de ces éruptions est probablement due à la présence de processus d'accrétion dans l'environnement proche du trou noir et leur étude peut fournir des informations essentielles sur la nature exotique de SgrA*. Malheureusement, ces événements sont aléatoires et nécessitent un suivi suffisamment échantillonné dans le temps. L'instrument GRAVITY, qui fait partie de la deuxième génération de VLTI, permet d'utiliser l'interférométrie optique pour étudier le Centre Galactique. Il est capable de suivre l'orbite de l'étoile S2 avec une précision sans précédent, jusqu'à 10 microsecondes d'arc. Ce travail de thèse est axé sur l'analyse des données des premiers produits de l'instrument GRAVITY au Centre Galactique.Dans la première partie de la thèse, l'astrométrie de l'étoile S2 est obtenue par l'utilisation des deux premières années d'observations de la GRAVITY, auxquelles j'ai participé activement. Pour cela, un modèle d’étoile binaire est utilisé pour reproduire les données interférométriques. Juste avant et après le passage du péricentre, qui a eu lieu en 2018, j'ai obtenu les positions de S2 par rapport à SgrA* atteignant une précision astrométrique de 30 microsecondes d’arc, comparable à la taille attendue de l'ombre du trou noir supermassif. En outre, j'ai obtenu une nouvelle courbe de lumière de SgrA* qui complète les données déjà publiées et confirme le comportement quiescent avec des sursauts. Les résultats obtenus font partie d'une étude plus large impliquant l'ajustement de l'orbite où plusieurs tests de relativité générale ont été effectués avec succès, ainsi que des interprétations des sursauts comme produit des processus d’accrétion dans l’orbite proche de SgrA*.La deuxième partie de la thèse est centrée sur une étoile évoluée appelée GCIRS 7, qui est également située dans le parsec central et qui sert de référence pour les observations de GRAVITY. Cette étoile, qui présente une grande variabilité dans l’infrarouge (1 magnitude), est connue pour contribuer au milieu interstellaire du Centre Galactique. En complétant les données d'archives de GRAVITY de 2017 par des observations que j'ai effectuées en 2019, j'ai mis en place un modèle d'atmosphère, largement utilisé pour l'étude d'autres étoiles évoluées, afin d'expliquer les courbes de visibilité de GCIRS 7 obtenues par GRAVITY. Le modèle s'agit d'une photosphère et d'une fine couche moléculaire. Les résultats montrent que les données peuvent être interprétées comme une photosphère avec le même diamètre pour les deux époques, mais la couche étant plus froide et plus grande en 2019 par rapport à 2017. Une estimation de la densité de la couche révèle une saturation du modèle pour 2017 en raison d'une densité élevée, mais les données de 2019 sont partiellement reproduites. Les résultats peuvent être expliqués par une expansion et un refroidissement de la couche probablement dus à un épisode de perte de masse.