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Les détecteurs à inductance cinétique (MKIDs) sont des résonateurs LC à haut facteur de qualité faits à partir de couches minces supraconductrices. Ils peuvent simultanément déterminer le temps d'arrivée de chaque photon en mesurant leur énergie sans optique supplémentaire. Grâce au pouvoir de multiplexage des MKIDs qui permet de facilement réaliser des matrices de plusieurs kilopixels, cette technologie est au centre de l'attention pour les nouvelles applications en astronomie. Parmi eux se trouve l'instrument SpectroPhotometric Imaging for Astronomy with Kinetic InductanceDetectors (SPIAKID), projet du GEPI à l'Observatoire de Paris. Nous utilisons la technologie MKID pour construire un spectrophotomètre composé de 20 000 pixels qui sera déployé sur le New Technology Telescope (NTT) de 3.6m au Chili à l'horizon 2025. SPIAKID s'intéressera à la population stellaire des galaxies naines ultra faibles du Groupe Local pour mieux comprendre la formation des galaxies ainsi que la matière noire. Nous présenterons dans ce travail de thèse un design novateur pour améliorer le couplage optique entre les photons incidents et la partie sensible du détecteur
Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) are superconductive thin films LCresonators with high quality factors. They can simultaneously record single-photon events and measure their energy without any added optics. Combined with the ease of multiplexing thousands of pixels into a large array, MKIDs are now at the heart of current and upcoming ground-based astronomy applications .Among them is the SpectroPhotometric Imaging for Astronomy with Kinetic InductanceDetectors (SPIAKID) project at Paris Observatory. We are using MKID technologyto build a 20,000 pixels spectrophotometer that will be deployed in 2025 on the 3.6m New Technology Telescope (NTT) in Chile. SPIAKID aims to study the population andmetallicity of stars in Ultra Faint Dwarf (UFD) galaxies in the Local group to have abetter understanding of galaxy formation and evolution. We will present an original design intended to improve the optical coupling between incident photons and the absorber part of the detector

Depuis 10 ans, les détecteurs à inductance cinétique (Kinetic Inductance Detector KID) ont connu un essor considérable dans le domaine de la radioastronomie millimétrique pour atteindre des limites de sensibilités de l'ordre du bruit de photon. Le détecteur à inductance cinétique est un résonateur, équivalent à un circuit RLC dont la fréquence de résonance est f_0, lithographié dans un métal supraconducteur. Des photons incidents, possédant une énergie plus grande que le gap supraconducteur, sont absorbés dans le matériau et modifient son impédance de surface résultant en un décalage Df_0 de la fréquence de résonance du résonateur. Plusieurs centaines de résonateurs, de fréquence de résonance distincte, sont organisés en matrice. Nous étudions la réalisation de matrices de détecteurs en aluminium contenant jusqu'à 1932 pixels sur des substrats de diamètre 100 mm sur lesquels les propriétés physiques du matériau supraconducteur sont très homogènes. Différentes approches permettant l'optimisation électrique et optique de ces matrices sont proposées. Ces optimisations ont permis de sélectionner des matrices de détecteurs répondant aux caractéristiques requises par l'IRAM et qui sont à présent installées dans l'instrument NIKA-2 (New Instrument of KID Array) au télescope de 30 m sur le Pico Veleta en Espagne. Nous analysons également la déposition par pulvérisation réactive de films fin de nitrure de titane et nous présentons une méthode rapide et non destructive de caractérisation de la teneur en azote dans ces films par ellipsométrie. Nous décrivons des détails sur l'amélioration du bâti de déposition pour produire des films de TiN plus homogènes en teneur d'azote. Des matrices de détecteurs en nitrure de titane sont fabriquées et caractérisées à partir de ces films. Les performances de cette première matrice sont prometteuses et nous encouragent à poursuivre leur développement
For 10 years, kinetic inductance detectors are developed for millimeter radioastronomy and they now reach photon-noise sensitivities. A kinetic inductance detector (KID) is a resonator, equivalent to an RLC circuit whose resonant frequency is f_0, structured in a superconducting metal. Incoming photons, with energy greater than the superconducting gap, are absorbed in the metal and change its surface impedance leading to a shift Df_0 of the resonant frequency of the resonator. KID arrays are made with hundred of resonators with different resonant frequencies. We study the fabrication of aluminum-KID arrays of 1932 pixels on 4 inch substrate with homogeneous superconducting properties over this area. Various ways to electrically and optically optimize these arrays are proposed. These optimization allow us to choose arrays that have the required performances. These arrays are now installed in the NIKA-2 (New Instrument of KID Array) instrument in IRAM's 30 m telescope located on the Pico Veleta in Spain. We also analyze reactive sputtered titanium nitride thin films and we present a rapid and non-destructive measurement to characterize the nitrogen content in these films. We describe upgrades of the deposition chamber that allow more uniform thin films to be deposited. TiN KID arrays are fabricated and characterized from these optimized thin films. The performances of these TiN prototype arrays are surprisingly good and encourage future work

Le sujet principal de cette thèse est la conception et le développement d'un nouveau type de détecteur cryogénique, appelé Lumped Element Kinetic Inductance Detector, pour l'application dans l'astronomie millimétrique et la détection de photons de haute énergie. Concernant l'astrophysique, l'objectif était d'élaborer des grandes matrices de détecteurs qui montrent une sensibilité comparable aux bolomètres. J'ai travaillé sur le développement et les tests de pixels uniques, la réalisation de matrices et l'intégration dans la caméra NIKA (Néel IRAM KIDs Array), une expérience pour le télescope IRAM en Espagne. Cette activité a été couronnée par deux campagnes de démonstration au télescope avec d'excellents résultats: la caméra travaille dans deux bandes de fréquences (1,25 mm et 2 mm), chacune avec plus de 100 pixels, et présente une sensibilité d'environ 200 aW/sqrt(Hz). Un deuxième objectif de la thèse était de réaliser un concept des LEKIDs pour la détection de photons de haute énergie. Nous avons développé des nouveaux dispositifs pour étudier la détection de rayons X médiée par les phonons produits dans le substrat. Ces tests montrent un seuil de détection d'environ 60 eV ce qui est encourageant pour le future
The main subject of this PhD thesis is the concept and development of a novel kind of cryogenics detectors, called Lumped Element Kinetic Inductance Detector for the application in millimeter astronomy and in the detection of high energy photons. Regarding astrophysics, the goal was to obtain large arrays of detectors, demonstrating a sensitivity comparable with bolometers. I worked on the development and tests of single pixel, realization of the array and integration into NIKA (Neel IRAM KIDs Array), an experiment installed at the IRAM telescope in Spain. This activity culminated with two demonstrative runs at the telescope with excellent results: the camera, working at two frequencies (1.25 mm and 2 mm) with more than 200 pixels, obtained a sensitivity of about 200 aW/sqrt(Hz). The goal of the second application was to obtain a good concept for high energy photons detection with LEKIDs. We developed new devices to study the detection of X-ray mediated via phonons produced in the substrate. Those tests demonstrated a threshold level of about 60 eV, encouraging for the future

Les Détecteurs a Inductance Cinétique (KID) ont récemment attiré l'attention de la communauté des détecteurs fonctionnants à très basse température (~100 mK). Haute sensibilité, une fabrication simple, une lecture à faible constante de temps et un multiplexage fréquentielle intrinsèque, ouvrent de nouvelles possibilités pour les expériences necessitant des matrices de détecteurs ultra-sensibles avec un grand nombre de pixels. En astronomie millimétrique, l'instrument New IRAM KID Array (NIKA) est aujourd'hui la meilleure démonstration des performances optiques des ces détecteurs. Cette dernière est composée de plusieurs centaines des KIDs répartis sur deux bandes spectrales. NIKA est installé de manière permanente au telescope (30 mètres) IRAM à Pico Veleta (Grenade, Espagne). Pendant les campagnes d'observation NIKA, nous avons démontré des performances comparables aux bolomètres et l'instrument est aujourd'hui ouvert à la communauté des astronomes. Ces résultats favorables ont déclenché le développement d'une géneration plus ambitieuse : NIKA2. Cette dernière fonctionnera avec pas moins de quelques ~5000 pixels. De plus, il existe une volonté d'étendre la technologie de KID pour les futures missions spatiales d'observation. Dans ce cadre, il est important d'étudier l'interaction des rayons cosmiques avec les matrices de KIDs. Nous avons réalisé une étude avancée permettant aujourd'hui d'entrevoire la physique derrière les intéractions à haute énergie dans les substrats et leur propagation sous forme de phonons jusque dans les pixels. Le travail effectué dans cette thèse est centré principalement sur le développement des instruments (les matrices des detecteurs et le software de lecture et acquisition des donnes) dédiés aux KIDs pour ces mesures
Kinetic Inductance Detectors (KID) have recently drawn the attention of the low-temperature detectors community. High sensitivity, low fabrication complexity, small time constant and most notably the intrinsic capability of frequency multiplexed readout open new possibilities for experiments which need large format arrays of ultra sensitive light detectors. In millimeter Astronomy, the New IRAM KID Array (NIKA) instrument is today the most beautiful demonstration of this statement. It is a two bands hundreds-pixels KID based camera permanently installed at the focal plane of the IRAM 30-m telescope of Pico Veleta (Granada, Spain). Thanks to the NIKA observational campaign, we have de nitively demonstrated performances comparable to the state-of-art of bolometers and the instrument is today opened to the astronomers community. This encourages further array scaling and opens the path to next generation kilo-pixels ground-based cameras, like NIKA-2. Moreover, the will to extend KID technology to space mission needs the interaction with cosmic rays to be investigated. The understanding of the physics behind substrate-higher energy particles interactions led us to implement a fully independent system for the phonon-mediated particle detection with KID arrays. The work carried out through this PhD thesis concerned the development of optimized Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) and the implementation of dedicated readout techniques for the aforementioned activities

La prochaine génération d’instruments pour l'observation de la polarisation du fond diffus cosmologique est particulièrement exigeante en termes de nombre de détecteurs, de qualité de la mesure et d'efficacité de remplissage du plan focal. De plus, pour détecter les modes-B de polarisation provenant de l’inflation, il faut observer le ciel avec plusieurs bandes de fréquence afin de soustraire les avant-plans. Dans ce contexte, les détecteurs à inductance cinétique (KIDs) représentent une technologie très prometteuse en raison de leur grand facteur de multiplexage et de leur facilité de réalisation, tandis que le couplage avec une antenne peut fournir des solutions multi-bandes et double-polarisation dans un design compacte. Les KIDs à éléments localisés (LEKID) couplé à une antenne développé dans cette thèse sont sensibles à la polarisation avec deux sous-bandes à 140 GHz et 160 GHz chacune avec une bande passante de 10%. L'architecture proposée utilise une antenne à fente excitée par une ligne microruban et deux filtres passe-bande vers deux résonateurs. Ces derniers sont couplés capacitivement avec l'antenne et comprennent une ligne microruban en Aluminium comme absorbeur. Cette architecture est particulièrement simple à fabriquer, sans via et ne nécessite que de deux niveaux de métallisation. La transition ne nécessite aucun dépôt de diélectrique au-dessus du résonateur, évitant ainsi les limitations de toute source de bruit due au substrat non-monocristallin (TLS). En outre, la même technique de couplage peut être appliquée à de nombreux types d'antennes excitées par une ligne microruban, ce qui permet de s'adapter aux filtres passe-bande
Next generation telescopes for observing the Cosmic Microwave Background are demanding in terms of number of detectors and focal plane area filling efficiency. Moreover, foreground reduction in B-Mode polarimetry requires sky observation with multiple frequency bands. In this context KIDs are promising technology because of their large multiplexing rate, while antenna coupling can provide multi-band and dual-polarization solutions in compact design. The proposed polarization sensitive antenna-coupled LEKID is operating at 140 GHz and 160 GHz with a bandwidth of almost 10% for each sub-band. The design involves a microstrip excited slot antenna and two open-stub band-pass filters to direct the signal toward two resonators. These are lumped elements capacitively coupled to the antenna and include an Aluminium strip as absorber. The architecture proposed is particularly simple to fabricate, via-less and only involves two metallization levels. The transition doesn't require any dielectric deposition above the resonator, thus preventing limitations from any source of noise due to non-monocrystalline substrate (TLS). Furthermore, the same coupling technique can be applied to many types of microstrip excited antennas, which allow to accommodate band-pass filters

La microscopie dans le domaine Terahertz (de facto sub-longueur d’onde) suscite un fort intérêt pour compléter les techniques déjà existantes aux autres longueurs d’onde. Cependant, la limite de diffraction empêche, par des schémas optiques classiques, d’atteindre des tailles de faisceaux THz, et donc des résolutions d’image, inférieurs à quelques centaines de micromètres. Dans cette thèse, nous proposons deux techniques de microscopie originales. La première consiste à écranter le faisceau THz à l’aide d’une fine plaque de métal percé d’un trou dont le diamètre est sub-longueur d’onde. L’échantillon est placé contre la plaque et déplacé devant le trou afin de faire une image point à point. La résolution attendue pour l’image est de l’ordre de grandeur de la taille du trou.La deuxième technique présentée ici consiste à générer un signal THz directement dans l’échantillon. Lorsqu’un faisceau laser est focalisé dans l’échantillon, la région illuminée peut, dans le cas où elle est non centrosymmétrique, générer un signal THz par rectification optique. Une image point à point est obtenue en scannant l’échantillon avec le faisceau laser. La résolution d’image attendue est alors proche de la taille du faisceau laser.Les signaux THz en jeu dans ces deux techniques sont potentiellement faibles. C’est pourquoi nous avons étudié la possibilité de les mesurer avec des détecteurs très sensibles, habituellement utilisé en astronomie : les KIDs (kinetic inductance detector). Après avoir présenté les principes physiques mis en jeu dans de tels détecteurs, ce manuscrit décrit la caractérisation qui a été faite d’une caméra KIDs. A l’aide d’un montage « classique » de spectroscopie dans le domaine temporel, nous avons pu mesurer des puissances de signal très faibles, de l’ordre de 0.2 fW, démontrant les performances de tels détecteurs.Les deux derniers chapitres sont dédiés aux deux techniques de microscopie elles-mêmes. Pour la première, une simulation à base d’éléments finis a été utilisée afin de rechercher la forme d’ouverture permettant d’obtenir la meilleure transmission d’un trou sub-longueur d’onde. Les résultats montrent qu’une ouverture conique est plus performante qu’un trou cylindrique. Une analyse des résultats encourageants obtenus lors des premières expériences de microscopie THz à travers un trou et impliquant une caméra KIDs est présentée.Finalement, la technique dite ORTI (Image Terahertz par Rectification Optique) est étudiée. Une image de 10 µm de résolution spatiale ((λ/214 à 0.14 THz) a été obtenue en scannant les domaines ferroelectriques d’un cristal de PPKTP. Il est démontré que la résolution de l’image dépend uniquement de la taille du faisceau laser et non pas de la fréquence THz générée. De plus, il est montré que cette technique peut être utilisée pour imager un échantillon poly-cristallin ou encore un échantillon présentant des zones géographiques de différentes épaisseurs. Enfin, ce manuscrit se conclue sur les paramètres limitant la résolution spatiale des images ORTI
Imaging in the Terahertz frequency range at subwavelength resolution has gained a great interest for certain studies which cannot be carried out with other parts of the electromagnetic spectrum. However, classical optical schemes cannot be employed to obtain micrometre-range resolution for THz microscopy as diffraction limits the resolution to about 100 µm. In this thesis, we present two different original subwavelength THz microscopy techniques. In the first technique, the THz beam is screened by a thin metallic sheet in which a subwavelength hole has been made. The sample is placed against the sheet and moved over the hole to perform a raster image. The expected resolution is then equal to the hole size. The second technique presented in this thesis is based on generated a THz signal directly from the sample. When a laser beam is focused in the sample, the illuminated region, if non-centrosymmetric, can generate THz signals through optical rectification. The raster image is obtained by recording this THz signal while the laser beam is moved over the sample. The expected resolution is then close to the laser spot size.Both technique might involve weak THz signals. That is why we investigated on the possibility to measure them with a very sensitive detector, usually used for astronomy, named kinetic inductance detector (KID). This manuscript presents its principle as well as the study that was carried on. On a “classical” time domain spectroscopy setup, signal as low as 0.2 fW were thus recorded, demonstrating the interest of such detectors.The two last chapters are dedicated to the two microscopy techniques themselves. For the first one, a simulation model using a finite element model solver is used to design the most efficient aperture to enhance the transmission through a subwavelength hole. The results show that a conically tapered hole has a higher transmission than a classical cylindrical hole. Our attempts at using the KIDs camera for the first time for THz microscopy are discussed and first encouraging results are presented.Finally, the ORTI (Optical Rectification Terahertz Imaging) technique is investigated. An image with a 10 µm spatial resolution (λ/214 for 0.14 THz) was obtained while scanning the ferroelectric domains of a crystal of PPKTP. We show that the resolution of the image depends only on the laser spot size and not on the generated THz frequency. In addition, we showed that ORTI image can be used to scan a poly-crystalline sample as well as a crystal with different thickness areas. Lastly, the limitations of the spatial resolution of ORTI images are discussed in detail

Les MKIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) par leurs aptitudes à compter les photons, à mesurer leurs énergies individuelles et à acquérir des images à très haute cadence sont susceptibles de permettre une révolution observationnelle dans le visible et l’infrarouge proche. Un détecteur MKID est un résonateur supraconducteur LC dont la fréquence de résonance intrinsèque est fixée par les caractéristiques physiques ainsi que la géométrie des parties inductives et capacitives. La détection est basée sur l'absorption de photons incidents par la partie inductive, qui modifie l'inductance cinétique du supraconducteur provoquant un décalage fréquentiel. Comparativement aux CCDs, les MKIDs permettent des vitesses de lecture plus rapide à des niveaux de bruit plus faibles car ils ne souffrent ni de bruit de lecture ni de bruit de courant d’obscurité. De plus, les MKIDs permettent de réaliser un multiplexage fréquentiel simple, ouvrant la voie à la réalisation de matrices comportant des milliers de pixels lus en temps réel avec une seule ligne de lecture. Les MKIDs optiques actuels sont souvent définis à partir d’un méandre inductif en série avec une capacité interdigitée. Afin de maintenir des fréquences de résonance relativement basse, typiquement quelques GHz, celle-ci doit être large et peut occuper jusqu’à 90% de la taille d’un pixel. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle conception qui consiste à remplacer la capacité interdigitée par une capacité parallèle plus compacte, permettant de réduire considérablement la taille du pixel. Ceci a permis d’atteindre un plus grand facteur de remplissage en vue, entre autres, d’une meilleure résolution spatiale des imageurs optiques dédiés à l’astronomie. Dans ce travail de thèse, je présenterai la conception et la fabrication d’une matrice de LEKIDs (Lumped Element Kinetic Inductance Detectors) utilisant le nitrure de titane (TiN) comme absorbeur supraconducteur, ainsi que les résultats expérimentaux, très prometteurs, obtenus entre 70 et 300 mK
KIDs (Microwave Kinetic Inductance Detectors) by their ability to count photons, to measure their individual energies and to acquire images at very high rates are likely to allow an observational revolution in the visible and near infrared. A MKID detector is basically an LC superconducting resonator whose intrinsic resonance frequency is fixed by the physical characteristics as well as the geometry of the inductive and capacitive parts. The detection is based on the absorption of incident photons by the inductive part, which modifies the kinetic inductance of the superconductor causing a frequency shift. Compared to CCDs, MKIDs allow a faster readout with lower noise as they do not suffer from the readout and dark current noises. In addition, MKIDs allow the implementation of a simple frequency multiplexing, paving the way to arrays comprising thousands of pixels which can be read in real time using a single readout line. The current optical MKIDs are often patterned from an inductive meander in series with an interdigitated capacitor whose size must be large enough to maintain a low resonance frequency, typically a few GHz, which can be easily measured with inexpensive and easy-to-use readout electronics. However, for the classical designs, the interdigitated capacitor can cover up to 90 % of the overall pixel surface. This is detrimental for many astrophysical applications as it leads to large pixels and a very low fill factor. This thesis work consists in implementing a new architecture where the large interdigitated capacitor is replaced by a parallel plate capacitor which features a larger capacitance value within a much smaller space allowing to strongly reduce the size of the pixels. This will lead to a higher filling factor and a better spatial resolution of optical imaging systems. I will present the design and fabrication of parallel-plate capacitor-based lumped element kinetic detector arrays using titanium nitride (TiN) as a superconducting absorber, as well as promising experimental results obtained between 70 and 300 mK

La mesure de la distribution de matière dans l'Univers offre une sonde importante pour la cosmologie. Elle peut être tracée à différentes étapes de la formation des structures en utilisant l'analyse des anisotropies primaires et secondaires du fond diffus cosmologique (CMB). Cette thèse se focalise sur l'analyse des données du satellite Planck et celles de la caméra NIKA installée au sol au télescope de 30 mètres de l'IRAM.La première partie introduit le contexte, en se concentrant sur: 1) l'inflation, qui procure une origine naturelle aux fluctuations de matière observées dans l'Univers; 2) la réionisation, qui correspond au moment où les premières étoiles se forment; 3) les amas de galaxies, qui sont les briques de l'Univers plus récent.La seconde partie se concentre sur la réduction des données de NIKA. Le développement de la chaîne d'analyse, qui permet de passer des données brutes aux cartes astrophysiques, est présenté. Elle est dédiée aux détecteurs à inductance cinétique, nouvellement développés pour la caméra NIKA. Les outils et les simulations utilisés pour caractériser les cartes sont aussi présentés.La troisième partie est dédiée à l'observation et l'analyse des amas de galaxies par effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ), i.e. l'interaction Compton inverse entre les photons du CMB et les électrons énergétiques dans les amas. Une fois obtenues, les cartes SZ sont combinées avec des données X afin de mesurer les propriétés thermodynamiques et de matière des amas observés. Les résultats principaux sont: la première observation de l'effet SZ avec des détecteurs à inductance cinétique, la mesure du profil de pression dans un amas à haut redshift (z=0.89), l'étude de la contamination par les sources ponctuelles dans un amas résolu, et la cartographie SZ dans un amas en collision triple.La dernière partie présente l'analyse des données de Planck en polarisation. Les effets systématiques aux grandes échelles angulaires et les outils développés pour les identifier et les corriger y sont discutés. Les données en polarisation aux grandes échelles permettent à la fois de chercher les empreintes des fluctuations quantiques générées pendant l'inflation et de mesurer la réionisation
The measurement of the matter distribution in the Universe provides valuable tests for cosmology. It can be traced at various steps of the formation of structures using the analysis of the primary and secondary anisotropies in the Cosmic Microwave Background (CMB). This thesis focuses on the data analysis of the observations of the Planck satellite and that of the ground-based camera NIKA installed at the IRAM-30m telescope.The first part introduces the context, focussing on: 1) the inflation, which provides a natural origin for the matter fluctuations seen in the Universe; 2) the reionization, which corresponds to the moment when the first stars form; 3) clusters of galaxy, that are the building blocks of the more recent Universe.The second part focuses on the data reduction of the NIKA data. The development of the data reduction pipeline, allowing to go from raw data to maps, is presented. It is dedicated for the newly developed kinetic inductance detectors used by NIKA. Tools and simulations are also constructed to characterize the maps.The third part is dedicated to the observation and the analysis of galaxy clusters through the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, i.e. the inverse Compton interaction of CMB photons and free electrons in clusters. Once recovered, the SZ maps are combined to X-ray data to measure the matter content and thermodynamic properties of the observed clusters. The main results are: the first observation of the SZ effect with kinetic inductance detectors, the measurement of the pressure profile of a high redshift cluster ($z=0.89$), the study of point source contamination in a resolved cluster, and the SZ mapping in a triple merger.The last part is dedicated to the analysis of Planck polarization data. In particular, we discuss large angular scale systematics and the tools developed to identify and correct for them. The large scales CMB polarization data allows both to search for the imprint of the quantum fluctuations generated during inflation, and to measure the reionization

Au cours des dernières décennies, l'observation du ciel dans les longueurs d'onde millimétriques a permis de faire grandement progresser notre compréhension de l'univers, notamment à travers l'étude du fond diffus cosmologique. Pour répondre aux besoins actuels des astronomes, nous proposons dans ce rapport un instrument intégré permettant de réaliser des mesures spectrales large-bande dans le domaine millimétrique. Celui-ci se base sur le concept de SWIFTS (Stationary-Wave Fourier-Transform Spectrometer :spectromètre de Fourier à ondes stationnaire), un instrument opérationnel aux longueurs d'onde visibles et infrarouges. Notre dispositif " SWIFTS millimétrique " utilise des détecteurs à inductance cinétique (KID pour Kinetic Inductance Detectors) comme détecteurs de lumière. Différents aspects de la conception du SWIFTS millimétrique sont abordés dans ce rapport. Le dimensionnement des éléments clés du dispositif est réalisé à l'aide de simulations électromagnétiques. Nous proposons aussi un procédé de fabrication en technologie silicium permettant le dépôt d'antennes sur membrane de nitrure de silicium SiN. Les premières caractérisations permettent de confirmer un fonctionnement adapté des détecteurs en configuration SWIFTS et démontre l'existence d'un couplage entre l'antenne et un des détecteurs aux longueurs d'onde millimétriques ce qui ouvre la voie à un futur démonstrateur. Parallèlement, la technologie développée pour le SWIFTS millimétrique a rendu possible la fabrication de KID sur membrane. L'intérêt est ici d'évaluer la membrane comme un moyen de réduire l'interaction entre les rayons cosmiques et le détecteur dans la perspective d'une utilisation des KID dans l'espace. Des mesures comparatives effectuées sur KID déposés sur membrane et sur substrat démontrent des taux d'événements identiques dans les deux cas. La membrane est donc inefficace pour l'application envisagée. Le temps de relaxation présente en revanche une dépendance avec la présence du substrat.

La distribution de masse dans l'Univers telle que tracée par les amas de galaxies constitue une sonde cosmologique puissante. La caractérisation des processus associés à l'origine et à la croissance des grandes structures permet de contraindre des paramètres cosmologiques via l'étude de la distribution des amas en fonction de leur masse et de leur redshift. Cependant, il existe un désaccord statistiquement significatif observé entre les contraintes cosmologiques établies par l'étude des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique et celles issues de l'analyse de la distribution des amas de galaxies. Cela pourrait signifier que le modèle standard de la cosmologie est incomplet. L'une des méthodes d'observation des amas de galaxie exploite l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) qui permet de contraindre la pression du gaz contenu dans ces derniers. Cette observable peut être directement liée à la masse des amas via une relation d'échelle et un profil de pression. Il est donc essentiel de caractériser précisément ces derniers afin de limiter les potentiels biais et effets systématiques affectant les analyses cosmologiques. Cette thèse présente l'ensemble des travaux réalisés dans cet objectif. Elle porte sur des thématiques allant des observations SZ effectuées avec la caméra NIKA2 installée au télescope de 30 mètres de l’IRAM jusqu'à l'estimation des paramètres cosmologiques en passant par l'analyse des données brutes de NIKA2 et des cartes SZ réalisées.Une part du travail de thèse présenté dans ce document est consacrée à l'étude et l’amélioration des différentes étapes effectuées, depuis les observations d'amas de galaxies au télescope avec la caméra NIKA2 jusqu'à la production de cartes de l'effet SZ. Les procédures développées pour estimer les performances instrumentales de NIKA2 sont détaillées et la chaîne d'analyse utilisée pour réduire les données brutes est présentée.Les travaux réalisés dans cette thèse ont également consisté à caractériser les propriétés thermodynamiques d'amas de galaxies via des analyses jointes combinant les cartes SZ NIKA2 avec des données X mesurées par le satellite XMM-Newton. Nous détaillons les méthodes employées dans le logiciel de traitement des données SZ créé pour le grand programme SZ de NIKA2, la procédure de déprojection non-paramétrique développée pour caractériser le profil de pression des amas de galaxies et les résultats de la première observation SZ avec NIKA2.Les dernières activités présentées sont dédiées aux analyses réalisées afin de quantifier l'impact du grand programme SZ de NIKA2 sur la cosmologie. Nous analysons l'effet des perturbations dynamiques du milieu intra-amas sur la caractérisation du profil de pression avec NIKA2 via l'utilisation d'amas de la simulation numérique MUSIC. Finalement, nous détaillons l'étude permettant d'estimer l'impact d'une variation du profil de pression universel sur l'estimation des paramètres cosmologiques déduite du spectre de puissance de l'effet SZ mesuré par Planck
The mass distribution in the Universe, as traced by galaxy clusters is a powerful cosmological probe. The characterization of the processes associated with the origin and the growth of the large scale structures enables constraining cosmological parameters by studying the distribution of clusters according to their mass and redshift. However, a tension is observed between the cosmological constraints established by the study of the primary anisotropies of the cosmological background and those resulting from the analysis of the distribution of galaxy clusters. This may imply that our cosmological model is incomplete. The observation of clusters from the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect allows us to constrain their gas pressure. This observable can be directly linked to the mass of galaxy clusters via a scaling relation and a pressure profile. It is thus essential to characterize the latter precisely in order to limit the potential bias and systematic effects affecting cosmological analyses. This thesis presents the work carried out to this end. It covers topics ranging from SZ observations made with the NIKA2 camera installed at the IRAM 30-metre telescope to the estimation of cosmological parameters, and including the analysis of NIKA2 raw data and the SZ maps produced.Part of the thesis work presented in this document is dedicated to the study and the improvement of the different tasks carried out, from the observations of galaxy clusters with the NIKA2 camera to the production of maps of the SZ effect. The procedures developed to estimate the NIKA2 instrumental performance are detailed and the analysis pipeline used to analyze the raw data is presented.The work carried out in this thesis also consisted in characterizing the thermodynamic properties of galaxy clusters using joint analyzes that combine the NIKA2 SZ maps with X-ray data measured by the XMM-Newton satellite. We detail the methods used in the SZ data processing software created for the NIKA2 SZ large program, the non-parametric deprojection procedure developed to characterize the pressure profile of galaxy clusters and the results of the first SZ observation with NIKA2.The last activities presented are dedicated to the analyses carried out to quantify the impact of the NIKA2 SZ large program on cosmology. We analyze the effect of dynamic disturbances of the intracluster medium on the characterization of the pressure profile with NIKA2 via the use of clusters from the MUSIC N-body simulation. Finally, we detail the study realized in order to estimate the impact of a modification of the universal pressure profile on the estimation of cosmological parameters derived from the power spectrum of the SZ effect measured by Planck