Cette thèse contribue à la compréhension fondamentale du phénomène de couplage fort de la lumière avec des molécules organiques en mettant en œuvre de nouveaux systèmes et de nouvelles techniques, afin d'étudier les modifications de propriétés de molécules couplées à des résonances photoniques. Nous présentons des techniques de nanofabrication avancées pour la création de grands réseaux de trous sur des métaux et de cavités de Fabry-Pérot (FP) nanofluidiques. Ces systèmes sont ensuite utilisés pour étudier, sous régime de couplage fort, les modifications des propriétés de surface et de volume de molécules organiques en phase solide et liquide. En particulier les transitions électroniques de molécules du colorant cyanine en solution liquide ont été couplées à des modes photoniques résonants de cavités FP nanofluidiques spécialement conçues. Leur couplage fort a conduit à une amélioration du rendement quantique d'émission, mettant en évidence la nature radiative des états polaritoniques. / This thesis contributes to the fundamental understanding of the phenomenon of strong coupling of light with organic molecules by implementing new systems and techniques in order to investigate property modifications of molecules coupled with photonic resonances. State-of-the-art nanofabrication techniques for the formation of large hole-array gratings in metals and nanofluidic Fabry-Perot (FP) cavities are presented. These systems were then invested to study, under strong coupling, surface and bulk properties modifications of organic molecules in the solid and liquid phase. In particular, electronic transitions of cyanine dye molecules in liquid solutions were coupled to resonant photonic modes of specially designed nanofluidic FP cavities. Their strong coupling has led to an enhancement of the emission quantum yield, highlighting the radiative nature of the associated polaritonic states.

[pt] Nesta dissertação foram discutidos os resultados obtidos com um interferômetro Fabry-Perot intrínseco (FPI) a fibra óptica, para sensoriamento de deformação longitudinal, temperatura e campo magnético. O FPI foi construído através da emenda de uma fibra capilar entre dois pedaços de fibra padrão de telecomunicação, formando uma cavidade de ar retangular. Esta cavidade, quando atua como um sensor de deformação longitudinal, possui uma sensibilidade nove vezes maior que uma típica rede de Bragg (FBG). Porém, quando atua como sensor de temperatura, a sensibilidade é bem menor que a de uma rede de Bragg, tornando-se bastante útil para diversas aplicações. O sensor de campo magnético foi construído através da colagem da cavidade de ar num material magnetostrictivo, para que este convertesse as mudanças causadas em seu comprimento, devido à aplicação do campo magnético, em deformação longitudinal. Este sensor apresentou uma sensibilidade ao campo magnético quatro vezes maior do que quando o mesmo é construído com uma rede de Bragg. / [en] This thesis discusses the results obtained with an intrinsic Fabry-Perot interferometer (FPI) fiber, for sensing longitudinal strain, temperature and magnetic field. The FPI was constructed by splicing a capillary fiber between two pieces of standard telecommunication fiber, forming a rectangular air cavity. This cavity, when acting as a longitudinal deformation sensor has a sensitivity nine times greater than a typical Bragg grating (FBG). However, when it acts as a temperature sensor, the sensitivity is much smaller than a Bragg grating, making it useful for various applications. The magnetic field sensor was built placing the air cavity on a magnetostrictive material, so that it converted the changes brought in its length due to the application of the magnetic field in longitudinal deformation. The sensor showed a sensitivity to the magnetic field four times higher than when it is built with a Bragg grating.

Le couplage entre un écoulement instable et des résonances acoustiques dans des systèmes de conduites peut conduire à des phénomènes d’oscillations auto-induites. Ce type de phénomènes trouve principalement place dans des conduites latérales fermées, par exemple dans des systèmes de transport ou de compression de gaz. L’objectif de ce travail est d’étudier les oscillations auto-induites dans le cas où le fluide transporté ne se limite pas à un gaz, mais est un mélange de gaz et de liquide. Les pulsations sont mesurées dans des conduites latérales fermées, pour deux types de configurations (en tandem et en croix), avec écoulement d’un mélange variable d’air et d’eau. La position de l’injection d’eau est variable afin d’obtenir plusieurs régimes d’écoulement diphasique. Les résultats indiquent que la présence d’eau a un effet important sur les niveaux de pulsations dans les conduites. Cet effet a pu être attribué à deux mécanismes dus à la présence d’eau : les instabilités de couches de mélange sont modifiées et l’amortissement des ondes acoustiques est amplifié.Le deuxième mécanisme a été quantifié à l’aide de mesures sur un montage expérimental dédié conçu pour avoir un écoulement stratifié. On a observé que, dans tous les cas, la présence d’eau augmente l’amortissement. Cette augmentation a pu être attribuée à la réduction de la section effective de la conduite (due au remplissage partiel par l’eau) et à l’augmentation de la friction turbulente à l’interface entre les phases liquide et gazeuse. / Coupling between flow instabilities and acoustic resonances in ducts with closed side branches leads to Flow Induced Pulsations (FIPs). This is a typical phenomenon in engineering applications (gas transport systems, compressor installations, and chemical plants). The objective of this work is to extend the knowledge about FIPs when the transported medium is not uniquely gas but a combination of gas and (a small quantity of) liquid. For two configurations of double side branches (in tandem and in quasi-cross), the amplitude of pressure pulsations in the side branches was measured for different liquid injection rates. This was repeated with the liquid injection point located at different places to allow different flow regimes at the pipe connections. The results show a strong effect of the water content on the pulsations. On basis of these results and additional measurements, the following hypotheses for the effect of liquid were made: (1) interaction of the liquid with the flow instability and (2) increase of the acoustical damping in the ducts in presence of liquid.The effect of liquid on damping was measured with a dedicated test setup designed to have a stratified flow. It was found that the liquid always increases the acoustical damping, mainly due to the reduction of the effective cross section by the liquid, and because of the increased turbulent friction at the interface between gas and liquid.

Dans ce travail, les risques naturels considérés concernent des mouvements de terrains qui résultent de deux phénomènes principaux : retrait et gonflement des sols argileux et l'affaissement à grand rayon lié à la présence des cavités souterraines. Ceux-ci provoquent des tassements différentiels du sol qui génèrent des désordres sur les constructions environnantes : dégâts et fissuration des murs porteurs en maçonnerie, particulièrement aux angles du bâti. Ces dégradations structurales induisent des conséquences économiques importantes dans le cas des maisons individuelles ; elles résultent d'un manque de résistance des maçonneries, du peu de raideur de leur système de fondation et du peu d'efficacité de leur système de contreventement. Cette recherche a pour objectif d'analyser la vulnérabilité du bâti et de proposer des méthodes de renforcement pour les constructions existantes ainsi que des recommandations de dimensionnement pour les constructions. Ces questions nécessitent une connaissance approfondie du phénomène des mouvements des terrains et des modalités de transfert de ces actions à une structure. Pour y répondre, quatre étapes principales ont été effectuées : une étude bibliographique, une analyse de l'interaction sol-structure, un développement d'une justification d'endommagement et d'une méthode de renforcement ou de dimensionnement ainsi qu'une analyse probabiliste des risques. L'étude bibliographique avec des analyses fonctionnelles et statistiques, d'abord, propose un profil de la maison sensible à l'aléa naturel et des cas typiques des désordres sur la construction. Le développement des modélisations par éléments finis ensuite permet d'étudier les phénomènes d'interaction sol-structure. L'analyse de l'interaction sol - structure, au moyen de modélisations par éléments finis, permet d'obtenir des sollicitations dans la maçonnerie. D'abord, des modèles analytique et numérique simplifiés ont été développés pour modéliser des structures simples telles une semelle filante, un système de semelles d'une fondation filante ou un mur en maçonnerie sur un sol élastique de type Winkler ou Boussinesq. Ensuite, des modélisations de structures plus complexes avec tous les éléments du bâti ont été effectuées en développant un code aux éléments finis particulier qui a permis de calculer des bâtiments en maçonnerie sur un sol de type Pasternak. En vue de développer une justification d'endommagement ainsi qu'une méthode de renforcement et de dimensionnement adaptée pour risque «mouvement de terrains », les travaux de recherche focalisent sur la distribution des sollicitations obtenues par des modélisations et analysent les domaines de validité de la démarche proposée par les Eurocodes EC6 et EC8 pour les murs de contreventement en maçonnerie confinée (chainée) ou armée. L'analyse probabiliste des risques, couplant les modèles aux éléments finis développés avec la méthode des simulations de Monte-Carlo, a permis d'étudier la vulnérabilité des maisons individuelles selon les caractéristiques structurales représentatives du bâti existant, dans les régions les plus touchées par les mouvements de terrains. Les résultats de cette analyse ont été unifiés, au sein d'une méthodologie globale de l'évaluation de la vulnérabilité de structures, à l'usage, d'une part, des pouvoirs publics dans l'établissement de cartographies SIG des risques, et d'autre part de la capacité des procédés de renforcement à l'usage des industries / In the present work, the considered natural hazards concern to ground movements resulting from two main phenomena : shrinkage and swelling of clay soils and ground subsidence due to the presence of underground cavities. These phenomena cause differential ground settlements which generate disorders on the structures erected in their neighborhood : damage and cracking of masonry load-bearing walls, especially at the building corners. These structural degradations cause important economic consequences and losses in the case of dwelling houses. These damages result from a lack of masonry resistance or a small stiffness of the foundation system as well as a limited effectiveness of bracing system.This research aims to analyze the vulnerability of buildings and to propose a reinforcement method for the existing constructions as well as design recommendations for structures. These topics require a thorough understanding of the ground movements phenomenon and their transfer as actions on a structure. For this purpose, four main steps were performed : a literature review, an analysis of soil-structure interaction, a development of a damage justification and a method for reinforcement or design, as well as a probabilistic analysis of risk.The literature review with functional and statistical analysis, as a first step, provides a profile of the house susceptible to natural hazard effects and typical cases of building disturbances. The development of finite element method is therefore considered in order to study soil-structure interaction.The analysis of the soil-structure interaction using finite element modeling provides stresses in the masonry. First, simplified analytical and numerical models have been developed for simple structures such as a strip footing, a system of strips foundation or a masonry wall lying on elastic soil (Winkler or Boussinesq). Afterwards, modeling of more complex structures with the whole building elements was made by developing a particular finite element code that allowed the calculation of masonry buildings on a Pasternak soil. To develop a damage justification as well as the reinforcement and design building methods suitable for risk of “ground movements”, this work focuses on the stresses distribution obtained by numerical models and analyzes the validity domain of the approach proposed by Eurocodes EC6 and EC8 for confined masonry or reinforced masonry. By coupling the developed finite element models with the Monte-Carlo method, the probabilistic analysis of risk allows to study the vulnerability of dwelling houses having representative structural characteristics of existing buildings, erected in areas that are the most affected by ground movements. The results of this analysis have been unified into a global methodology for assessing the vulnerability of structures. This methodology is used, in one hand, for the development of GIS mapping of risks and, in other hand, for the reinforcement processes

Les interfaces protéine-protéine sont au cœur de nombreux mécanismes physiologiques du vivant. Les caractériser au niveau moléculaire est un donc enjeu crucial pour la recherche de nouveaux candidat-médicaments. Nous proposons ici de nouvelles méthodes d’analyse des interfaces protéine-protéine à visée pharmaceutique. Notre protocole automatisé détecte les interfaces au sein des structures de la Protein Data Bank afin de définir les zones d’interactions à potentiel pharmacologique, les cavités droguables, les ligands présents à l’interface ainsi que les pharmacophores directement déduits à partir des cavités. Notre méthode permet de réaliser un état de l’art des informations disponibles autour des interfaces protéine-protéine ainsi que de prédire de nouvelles cibles potentielles pour des molécules candidats médicaments. / Protein-protein interfaces are involved in many physiological mechanisms of living cells. Their characterization at the molecular level is therefore crucial in drug discovery.We propose here new methods for the analysis protein-protein interfaces of pharmaceutical interest. Our automated protocol detects the biologicaly relevant interfaces within the Protein Data Bank structures, droguables cavities, ligands present at the interface and pharmacophores derived directly from the cavities. Our method enables a state-of- the-art of all available structural information about protein-protein interfaces and predicts potential new targets for drug candidates.

Cette thèse est une contribution à la modélisation et à l'étude expérimentale de cavités à cristaux photoniques à fente développées en vue d’un intégration hybride de matériaux actifs sur silicium. Parmi les travaux de conception, nous avons d'abord utilisé la méthodes des ondes planes et la méthode des différences finies (FDTD) pour concevoir une série de cavités SOI à hétérostructures, mécaniquement robustes, infiltrées par des liquides d’indices (n environ 1,5), présentant des longueurs d'onde de résonance dans la gamme des télécommunications (1,3 μm - 1,6 μm), des facteurs de qualité de plusieurs dizaines de milliers, et des volumes modaux proches de 0,03 (lambda/n)3. Nous avons ensuite étudié analytiquement et numériquement le couplage entre une cavité à cristaux photoniques à fente et un guide d'onde à fente par la théorie des modes couplés, complétée par des simulations FDTD, qui ont permis de confirmer la possibilité d'exciter efficacement les modes de fente des cavités à partir d'un guide externe. Enfin, nous avons étudié numériquement et semi-analytiquement des géométries de molécules photoniques constituées de deux cavités à cristaux photoniques à fentes couplées, dont l’écart fréquentiel entre les supermodes a pu être ajusté en amplitude et en signe. Nous avons utilisé une méthode perturbative (« Tight binding ») pour estimer les distributions spatiales des modes des molécules photoniques et prédire leurs fréquences dans plusieurs configurations de cavités à cristaux photoniques à fentes couplées.Ce travail exploratoire a été complété par une partie expérimentale qui a porté sur l'étude d'une famille de cavités de hétérostructure à cristaux photoniques à fente. Les cavités à cœur creux fabriquées ont montré des facteurs de qualité (Q) de plusieurs dizaines de milliers, associés à des volumes modaux de l’ordre de V=0,03 (λ/n)^3 après infiltration de la fente et des trous des structures par des liquides d'indice de réfraction proches de 1,46. Des facteurs Q/V supérieurs à 600 000 et atteignant 1 000 000 dans le meilleur des cas (vers lambda=1,3µm) ont ainsi été observés. Cette phase expérimentale préliminaire a donné ensuite lieu à deux types de développements.Tout d'abord, les propriétés des cavités à cristaux photoniques à fentes ont été étudiées pour des applications en détection d'indice en volume, et testées en utilisant différents liquides d'indice de réfraction compris entre 1,345 à 1,545. Les résonateurs étudiés ont présenté des sensibilités de ~ 235 nm / RIU et des facteur de mérite de détection d'indice de l’ordre de 3700, à l’état de l’art pour des résonateurs silicium intégrés à cœur creux.Dans une autre direction, le potentiel des résonateurs diélectriques à fente a été exploré en vue d’une intégration des matériaux actifs sur silicium. Un polymère dopé aux nanotubes de carbone semiconducteurs a été déposé comme matériau de couverture en vue d’étudier le renforcement de la photoluminescence (PL) des nano-émetteurs sous pompage optique vertical à lambda=740nm. Les expériences conduites ont permis de corréler le renforcement de la PL des nanotubes avec les modes de résonance des cavités et de démontrer le couplage partiel de cette PL vers des guides SOI longs de plusieurs millimètres (collection par la tranche vers lambda=1.3µm), apportant une preuve de principe d’une possible intégration des nanotubes émetteurs en photonique sur silicium. / This Ph.D. work is a contribution to the modeling and the experimental study of slot photonic crystal cavities for hybrid on-silicon integration. Among the design works, we first have used plane the wave expansion and finite-difference time-domain methods to design a series of mechanically robust (non-free membrane) SOI slot photonic crystal heterostructure cavities with resonance wavelengths in the telecommunication range, i.e. from 1.3 µm – 1.6 µm, with Q-factors of around several tens of thousands and mode volumes around 0.03(lambda/n)^3 after being infiltrated by cladding materials with typical index values around 1.5. We have then analytically and numerically studied the coupling between a slot photonic crystal cavity and a slot photonic crystal waveguide by using the coupled mode theory and FDTD simulation. Then we confirmed the ability to excite the cavity slot modes from a waveguide by using FDTD simulation. Finally, as a preliminary step towards the use of several coupled slotted cavities for future hybrid integration schemes, we have numerically and semi-analytically investigated photonic molecules made of two coupled slot photonic crystal cavities providing two different supermodes (bonding and antibonding ones) with controllable wavelength splitting. We successfully employed the tight-binding (TB) approach, which relies on the overlap of the two tightly confined cavity electric fields, to predict the supermodes frequencies and spatial distributions in several coupled slot photonic crystal cavity configurations.This exploratory work was supplemented by an experimental part, which focused on the investigation of a family of slot photonic crystal heterostructure cavities. The fabricated silicon on insulator hollow core cavities showed quality factors of several tens of thousands, i.e. from 18,000 to 31,000 and mode volume V of ~0.03(λ/n)3 after being infiltrated with liquids of ~1.46 refractive index, yielding Q/V ratio larger than 600,000, and reaching 1,000,000 in the best case (at λ ≈ 1.3 μm).This preliminary experimental stage gave rise to two types of additional developments.Firstly, the properties of the studied slot photonic crystal cavities have been investigated for index sensing applications by using different liquids with refractive index values ranging from 1.345 to 1.545. The considered photonic crystal resonators have demonstrated quality factors of several tens of thousands with sensitivities of ~235 nm/RIU and index sensing FOMs around 3,700, i.e. at the state of the art considering hollow core silicon integrated resonators.Secondly, in the view of the integration of active materials on silicon, the potential of these hollow core nanoresonators has been considered to enhance the photo-luminescence (PL) of semiconductor single-walled carbon nanotubes (SWNTs) integrated in thin films deposited on top of silicon. We have brought the first experimental demonstration of SWNTs PL collection (around lambda=1.28 µm) under vertical pumping at short wavelength (lambda=740 nm) from a slotted resonator into millimeter long integrated silicon waveguides, providing a first proof-of-concept step towards nanotube/Si-PhC integration as an active photonic platform. The reported works demonstrate the feasibility of integrating telecommunication wavelength nanotube emitters in silicon photonics as well as emphasize the role of slot photonic crystal cavities for on-chip hybrid integration.

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Cemented carbide tools are subjected to high loads and temperatures during use. Long before any significant wear can occur on the tool, the material will experience plastic deformation. The purpose of this master thesis was to investigate how Kernel Average Misorientation (KAM) can be utilised to analyse plastic deformation within the microstructure or grains of cemented carbides. Six different cemented carbides were investigated. The materials were plastically deformed by utilizing cutting tests with a feed rate staircase method to induce the plastic deformation. Each material was characterised by using Scanning Electron Microscopy (SEM) either equipped with a secondary electron detector or an Electron Backscatter Diffraction detector (EBSD). This made it possible to investigate the WC grain size, Co infiltration, step formation, cavities and pores, KAM and the average grain size. It was concluded that KAM showed to be a valuable tool to visualise the plastic deformation in the materials. There were some limitations to KAM regarding materials with similar amounts of plastic deformation. Additionally, the data from KAM could be used to create graphs to more easily display the misorientation. However, KAM cannot showcase the mechanisms that lead to plastic deformation. Other characterisation methods are needed as a compliment to completely understand what is happening in the material on a microstructural level.

[ES] La optomecánica de cavidades se ocupa de la interacción entre la luz y la materia a través del efecto de presión de radiación cuando las ondas ópticas y mecánicas implicadas están confinadas en una cavidad. En estos sistemas optomecánicos, la interacción entre fotones y fonones da lugar a multitud de fenómenos en función de las condiciones en las que se excita el sistema. En particular, se pueden obtener dos regímenes distintos en los que se puede, o bien absorber fonones (denominado como enfriamiento de la cavidad), o bien éstos se pueden amplificar (régimen conocido como calentamiento de la cavidad). El primer régimen puede usarse, por ejemplo, para reducir la ocupación térmica del sistema y se usa comúnmente para aplicaciones relativas al procesado de información cuántica. Sin embargo, la amplificación de fonones, que puede ser desarrollada a temperatura ambiente, ha permitido conseguir alcanzar incluso las condiciones necesarias para obtener láseres de fonones, lo cual permite poder usar esta característica como elemento de referencia en aplicaciones relativas al procesado de señales de radiofrecuencia (RF). En esta tesis se aborda el confinamiento simultáneo y la interacción de fotones y fonones en estructuras periódicas y en guías no suspendidas desarrolladas en sistemas CMOS compatibles basados en tecnología de silicio. A través del estudio experimental de estas estructuras periódicas, hemos demostrado que las cavidades optomecánicas pueden actuar como elementos clave en el dominio de la fotónica de microondas, donde todo el procesado de la información puede ser realizado en el dominio óptico a través de la manipulación de fonones en este sistema. En particular, mostramos que un solo oscilador optomecánico puede actuar tanto como un oscilador local y un mezclador de RF, y éste puede operar como un conversor de frecuencias de señales de cadenas de datos reales. Para mejorar esta funcionalidad, también se demuestra que es posible obtener tanto peines de frecuencias ópticos así como múltiples modos mecánicos confinados, aumentando así su rendimiento. Por otro lado, con el objetivo de poder solventar las posibles limitaciones de estos sistemas, en esta tesis también se exploran diferentes configuraciones que permiten la interacción acusto-óptica simultánea en la misma estructura. Específicamente, se analiza la interacción optomecánica en discos de alto índice que soportan estados cuasi-ligados en el continuo así como una propuesta de guías no suspendidas que soportan altas ganancias de Brillouin. Este último estudio debería permitir el desarrollo de sistemas optomecánicos no suspendidos donde el problema de la pérdida de fonones hacia el sustrato se resuelva, hecho que permitiría enormemente simplificar la fabricación de estos sistemas optomecánicos en chips de silicio así como su uso en múltiples aplicaciones. / [CA] L'optomecànica de cavitats s'ocupa de la interacció entre la llum i la matèria a través de l'efecte de pressió de radiació quan les ones òptiques i mecàniques implicades estan confinades en una cavitat. En aquests sistemes optomecànics, la interacció entre fotons i fonons dona lloc a multitud de fenòmens en funció de les condicions de les condicions en les quals s'excita el sistema. En particular, es poden obtindre dos règims diferents en els quals es pot, o bé, absorbir fonons (denominat com a refredament de la cavitat), o bé, es poden amplificar (règim conegut com a calfament de la cavitat). El primer règim pot usar-se, per exemple, per a reduir l'ocupació tèrmica del sistema i s'usa comunament per a aplicacions relatives al processament d'informació quàntica. No obstant això, l'amplificació de fonons, que pot ser desenvolupada a temperatura ambient, ha permés aconseguir fins i tot les condicions necessàries per a obtindre làsers de fonons, la qual cosa permet poder usar aquesta característica com a element de referència en aplicacions relatives al processament de senyals de radiofreqüència (RF). En aquesta tesi s'aborda el confinament simultani i la interacció de fotons i fonons en estructures periòdiques i en guies no suspeses en sistemes CMOS compatibles basats en tecnologia de silici. A través de l'estudi experimental d'aquestes estructures periòdiques, hem demostrat que les cavitats optomecàniques poden actuar com a elements clau en el domini de la fotònica de microones, on tot el processament de la informació pot ser realitzat en el domini òptic a través de la manipulació de fonons en aquest sistema. En particular, vam mostrar que només un oscil·lador optomecànic pot actuar tant com un oscil·lador local i un mesclador de RF, i aquest pot operar com un convertidor de freqüències de senyals de cadenes de dades reals. Per a millorar aquesta funcionalitat, també es demostra que és possible obtindre tant tren de freqüències òptics així com múltiples modes mecànics confinats, augmentant així el seu rendiment. D'altra banda, amb l'objectiu de poder solucionar les possibles limitacions d'aquests sistemes, en aquesta tesi també s'exploren diferents configuracions que permeten la interacció acusto-òptica simultània en la mateixa estructura. Específicament, s'analitza la interacció optomecànica en discos d'alt índex que suporten estats quasi-lligats en el continu així com una proposta de guies no suspeses que suporten altes ganancies de Brillouin. Aquest últim estudi hauria de permetre el desenvolupament de sistemes optomecànics no suspesos on el problema de la pèrdua de fonons cap al substrat es resolga, fet que permetria enormement simplificar la fabricació d'aquests sistema optomecànics en xips de silici així com el seu ús en diverses aplicacions. / [EN] Cavity optomechanics deals with the interaction of light and matter through the radiation pressure effect, when the involved optical and mechanical waves are confined in a cavity. In optomechanical systems, photon and phonon interaction give rise to a plethora of phenomena as a function of the driving conditions of the system. Relative to that, two distinctive regimes can be obtained which enable either the absorption of phonons (cavity cooling) or their amplification (cavity heating). The first regime can be used to reduce the thermal occupancy of the system and it is commonly used for quantum processing information applications. However, the amplification of phonons, which can be performed at room temperature, has enabled to even reach phonon lasing conditions, a feature that could be used as a reference element for RF processing applications. In this thesis, we address the simultaneous confinement and interaction of photons and phonons in periodic structures and unreleased waveguides on CMOS-compatible silicon-based technology. Throughout the experimental study of those periodic structures, we demonstrate that optomechanical cavities can perform as key blocks in the microwave photonics domain where all the information processing can be performed in the optical domain through phonon manipulation. In particular, we show that a single optomechanical oscillator can perform as both a local oscillator and an RF mixer, and it can operate as a frequency-converted of real data stream signals. To improve its performance, it is also demonstrated that optical frequency combs can be obtained by means of this system and multiple mechanical mode confinement can also be achieved, thus improving the functionality of the system. On the other hand, in order to fulfill the possible limitations of those systems, we explore different configurations enabling the simultaneous acousto-optic interaction together into the same structure. Especially, optomechanical interaction in high-index disks supporting quasi-bound states in the continuum is addressed, as well as a proposal of unreleased waveguides supporting strong Brillouin gains is also reported. The last one should lead to unreleased optomechanical interacting systems where the issue of phonon leakage into the substrate is solved, which could enormously simplify the fabrication of optomechanical systems in silicon chips as well as their practical use in multiple applications. / This work has been carried out under the framework of the H2020 FET-Open EU project PHENOMEN. This Thesis was also supported by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-16) de la Universitat Politècnica de València / Mercadé Morales, L. (2021). Phonons Manipulation in Silicon Chips Using Cavity Optomechanics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171461

Diode lasers are a convenient and economical source of near-infrared radiation, which may usefully be applied to a host of different sensitive detection methods; this thesis presents novel extensions of these methods, making use of the favourable characteristics of this type of light source. The first part of this thesis details the development of an optical feedback cavity-enhanced absorption spectroscopy (OF-CEAS) apparatus, including the development of the optical system, the sample handling, and the electronics for feedback phase control. A preliminary demonstration of the system is reported, presenting the detection of atmospheric water absorptions close to 1596 nm. Optimisation and application of the OF-CEAS spectrometer are then demonstrated, after which the spectrometer is applied to the sensitive detection of carbon dioxide absorptions suitable as a diagnostic aid in identifying Heliobacter pylori infection. A time-normalised α-min value of 5.8 × 10⁻⁹ cm⁻¹s^1/2 was measured for these spectra. Further optimisation of the system leads to an ultimate detection sensitivity of 1.42 × 10⁻⁹ cm⁻¹s^1/2, measured on absorption transitions in acetylene close to 1532 nm. In order further to characterise the performance of the OF-CEAS system, analogous experiments are presented using the OF-CEAS setup and a standard diode-laser cavity-enhanced absorption spectroscopy (CEAS) apparatus. Detection is carried out on the P(6) line of the ν₁ + ν₃ vibrational band of the mixed isotopologue of acetylene, ¹²-C¹³-CH₂. Direct comparison is made between the sensitivities of the two methods, and in light of this the suitability of each technique for detection in different environments is considered. The well-characterised and consistent frequency scale which is inherent to the OF-CEAS technique is then applied to a line shape analysis for the presented absorption spectra. Pressure-broadening coefficients are determined for selected absorptions in the ν₁ + ν₃ band of acetylene. In spite of the low resolution associated with this technique, this accurate frequency scaling allows observation of subtle line shape effects such as Dicke collisional narrowing using the data presented in Chapter 3 for the R(60) line in the 3ν₁ + ν₃ vibrational band of CO₂. These effects are quantified through use of a Galatry fit to each absorption spectrum. The statistical significance associated with the use of such a model, and the physical meaning of the results, are examined and discussed. An alternative strategy for increasing the sensitivity of a diode-laser-based gas monitoring technique lies in moving detection to the mid-infrared region, where the absorption cross-sections are generally larger. With this motivation, difference frequency generation is presented, to produce radiation close to 3.5 µm which is then applied to a series of different enhanced spectroscopy techniques. The optimal sensitivity, of 32 ppb NO2 at 45 Torr total sample pressure, was achieved using wavelength modulation spectroscopy. The different techniques are compared and possible improvements to them are put forward. Finally, proof-of-principle work is presented seeking to combine the enhanced circulating power associated with the optical-feedback-locked techniques and non-linear optical techniques to move detection to a more favourable spectral region. Light close to 429 nm is generated by second harmonic generation in a crystal of potassium niobate, with resonance-enhancement afforded by a feedback V-cavity of the sort employed in OF-CEAS. The potential of such a system for diode-laser-based generation of blue and ultraviolet light is demonstrated and discussed, along with improvements that might be implemented to increase the efficiency of the system.