Dans cette thèse on s'est intéressé à différents phénomènes d'instabilités pour des équations de Schrödinger non-linéaires.<br /> Dans la première partie on met en évidence un mécanisme de décohérence de phase pour l'équation (semi-classique) de Gross-Pitaevski en dimension 3. Ce phénomène géométrique est dû à la présence du potentiel harmonique, qui permet de construire -via une méthode de minimisation- des solutions stationnaires se concentrant sur des cercles de R^{3}.<br /> Dans la deuxième partie, on obtient un résultat d'instabilité géométrique pour NLS cubique posée sur une surface riemannienne possédant une géodésique périodique, stable et non-dégénérée. Avec une méthode WKB, on construit des quasimodes non-linéaires, qui permettent d'obtenir des solutions approchées pour des temps pour lesquels l'instabilité se produit. On généralise ainsi des travaux de Burq-Gérard-Tzvetkov pour la sphère.<br /> Enfin, dans la dernière partie on considère des équations sur-critiques sur une variété de dimension d. Grâce à une optique géométrique non-linéaire dans un cadre analytique on peut montrer un mécanisme de perte de dérivées dans les espaces de Sobolev, et une instabilité dans l'espace d'énergie.

Ce travail est dédié à l’étude de l’origine des phénomènes statistiques récemment observés dans le cadre de la turbulence intégrable. Les études expérimentales et numériques de la propagation d’ondes partiellement cohérentes dans les systèmes décrits par l’équation de Schrödinger non linéaire à une dimension ont révélé un écart par rapport à la distribution gaussienne. Les régimes de propagation focalisant et défocalisant présentent un comportement qualitativement différent: la probabilité que des événements extrêmes apparaissent dans le cas focalisant est supérieure à la loi normale, alors que dans le régime défocalisant, elle y est inférieure. Nous avons réalisé des expériences d’optique bien décrites par l'équation de Schrödinger non linéaire 1-D afin d'étudier ce problème. Nous avons construit deux outils de mesure nouveaux et complémentaires. En utilisant ces outils, nous avons réalisé une observation directe des structures cohérentes qui apparaissent à différents stades de la propagation dans les deux régimes. En fournissant une analyse de ces structures, nous avons déterminé les mécanismes dominants dans les régimes focalisant et défocalisant. Dans le régime focalisant, nous avons mis en évidence le caractère universel de structures voisines des solitons de Peregrine et établi un lien avec un résultat mathématique rigoureux obtenu dans le régime semi-classique. Dans le régime défocalisant, nous avons montré que le mécanisme d'interférence non linéaire entre impulsions voisines définit l'évolution des conditions initiales partiellement cohérentes. Nous avons proposé un modèle simplifié qui explique la présence des différentes échelles dans les données enregistrées. / This work is dedicated to the investigation of the origin of statistical phenomena recently observed in the framework of integrable turbulence. Namely, experimental and numerical studies of the partially-coherent waves propagation in 1-D Nonlinear Schrödinger equation systems revealed a deviation from the Gaussian statistics. Focusing and defocusing regimes of propagation demonstrated qualitatively different behaviour: the probability of extreme events to appear in the focusing case is higher than it is predicted by normal law, while in defocusing it is lower. We provided optical experiments well described by the 1-D Nonlinear Schrödinger equation in order to investigate this problem. We built two novel and complementary ultrafast measurement tools. Employing these tools we provided direct observation of coherent structures which appear at different stages of the propagation in both regimes. Providing analysis of these structures, we determined dominating mechanisms in both focusing and defocusing regimes. In the focusing regime, we discovered the universal appearance of Peregrine soliton-like structures and made a link with the rigorous mathematical result obtained in the semi-classical regime. In the defocusing case, we showed that the mechanism of nonlinear interference of neighbour pulse-like structures defines the evolution of the partially-coherent initial conditions. We considered a simplified model which explained the presence of different scales in the recorded data.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de physique théorique appelé systèmes intégrables, qui mêle fructueusement physique et mathématiques et se caractérise par la possibilité d'obtenir des résultats exacts (i.e. non perturbatifs) guidant les prédictions physiques qui en découlent. <br />Dans ce contexte, l'équation de Schrödinger non-linéaire (à 1+1 dimensions) est un système privilégié. On la retrouve comme modèle de phénomènes variés tant classiques (optique non-linéaire, mécanique des fluides...) que quantiques (gaz ultra-froids, condensation de Bose-Einstein...). En outre, elle a contribué à la mise au point de techniques de résolution des systèmes intégrables : méthode de diffusion inverse, ansatz de Bethe, identification et utilisation de symétries (groupes quantiques, Yangiens). En utilisant ce système à la fois comme support de test et comme modèle de prédiction, mon travail de thèse tourne autour de deux points principaux : <br />- Inclusion de degrés de liberté bosoniques et fermioniques.<br />- Inclusion d'un bord ou d'une impureté.<br />Dans un premier temps, j'ai étudié une version « supersymétrique » de cette équation pour laquelle j'ai montré la validité de tous les résultats d'intégrabilité, de symétrie et de résolution explicite classiques et quantiques connus pour la version scalaire originelle. La question de l'inclusion d'un bord a été traitée d'un autre point de vue. L'idée est de partir d'une algèbre de symétrie caractéristique des systèmes intégrables avec bord, l'algèbre de réflexion, et de construire un Hamiltonien général intégrable et possédant cette algèbre comme structure de symétrie. Un cas particulier de l'Hamiltonien intégrable obtenu n'est autre que l'Hamiltonien de Schrödinger non-linéaire en présence d'un bord. Un autre cas particulier est l'Hamiltonien de Sutherland en présence d'un bord pour lequel la symétrie n'était pas connue.<br />Le problème de l'inclusion d'une impureté dans un système intégrable a constitué la plus grosse partie de mon travail. J'ai pu montrer qu'il est possible de préserver l'intégrabilité d'un système avec interaction lorsqu'on introduit un défaut qui transmet et réfléchit (une impureté) grâce à une nouvelle structure algébrique, l'algèbre de Réflexion-Transmission, appliquée à l'équation de Schrödinger non-linéaire. Cela permet de trouver la forme explicite du champ, de calculer de façon exacte les éléments de la matrice de diffusion et les fonctions de corrélation à N points et d'identifier la symétrie du problème. <br />Suite à ce travail, les équations exactes qui régissent le spectre d'énergie d'un gaz de particules en interaction de contact et en présence d'une impureté contrôlée par quatre paramètres ont été établies. Ces résultats ouvrent des perspectives d'applications en physique de la matière condensée.

Ce travail cherche a comprendre comment l'ajout d'une géométrie non euclidienne dans un problème de Schrödinger non linéaire influe sur l'existence et l'unicité des solutions explosives de masse critique. On s'inspire pour beaucoup des travaux de Merle et Raphaël sur la méthode de modulation des paramètres d'invariance géométrique pour une EDP qui possède de bonnes lois de conservations. On s'appuie ici plus particulièrement sur un article de Raphaël et Szeftel qui prouve l'existence et l'unicité d'une solution de masse critique en dimension 2 pour l'équation de Schrödinger non linéaire avec potentiel d'inhomogénéité devant la non-linéarité, et qui explose par ailleurs au maximum de l'inhomogénéité. Dans un premier temps, il s'agit de reprendre la méthode dans son ensemble afin de l'adapter à des cas où le Laplacien n'est plus plat, et est remplacé par un opérateur de type Laplace-Beltrami ou Laplacien généralisé. Ayant mis en avant le rôle de la courbure au point d'explosion, en termes de conditions sur les dérivées de termes métriques, on reprend dans un deuxième temps l'étude dans le cas plus général d'une variété riemannienne. Grâce à un ansatz sur la solution qui intègre maintenant la transformation induite par la métrique, on est capable d'énoncer un résultat d'existence et d'unicité en termes de conditions géométriques sur la variété elle même. Par soucis de simplicité, on se limite néanmoins au rôle local de la métrique, en la supposant globalement définie dans une certaine carte, et asymptotiquement équivalente a la métrique euclidienne.

Cette thèse est consacrée à l'étude de certains aspects du comportement en temps longs des solutions de deux équations de Schrödinger non-linéaires en dimension trois dans des régimes perturbatives convenables. Le premier modèle consiste en une équation de Schrödinger avec une non-linéarité concentrée obtenue en considérant une interaction ponctuelle de force $alpha$, c'est-à-dire une perturbation singulière du Laplacien décrite par un opérateur autoadjoint $H_{alpha}$, où la force $alpha$ dépend de la fonction d'onde : $ifrac{du}{dt}= H_alpha u$, $alpha=alpha(u)$. Il est bien connu que les éléments du domaine d'une interaction ponctuelle en trois dimensions peuvent être décrits comme la somme d'une fonction régulière et d'une fonction ayant une singularité proportionnelle à $|x - x_0|^{-1}$, où $x_0$ est l'emplacement du point d'interaction. Si $q$ est la charge d'un élément du domaine $u$, c'est-à-dire le coefficient de sa partie singulière, alors pour introduire une non-linéarité, on fait dépendre la force $alpha$ de $u$ selon la loi $alpha=-nu|q|^sigma$, avec $nu > 0$. Ce modèle est défini comme une équation de Schrödinger non-linéaire focalisant de type puissance avec une non-linéarité concentrée en $x_0$. Notre étude regarde la stabilité orbitale et asymptotique des ondes stationnaires de ce modèle. Nous prouvons l'existence d'ondes stationnaires de la forme $u (t)=e^{iomega t}Phi_{omega}$, qui soient orbitalement stables pour $sigma in (0,1)$ et orbitalement instables quand $sigma geq 1.$ De plus nous montrons que si $sigma in (0,frac{1}{sqrt 2}) cup (frac{1}{sqrt 2}, 1)$, alors chaque onde stationnaire est asymptotiquement stable, à savoir que pour des données initiales proches d'un état stationnaire dans la norme d'énergie et appartenant à un espace $L^p$ pondéré où les estimations dispersives sont valides, l'affirmation suivante est vérifiée : il existe $omega_{infty} > 0$ et $psi_{infty} in L^2(R^3)$ tel que $psi_{infty} = O_{L^2}(t^{-p})$ quand $t rightarrow +infty$, tel que $u(t) = e^{iomega_{infty} t +il(t)} Phi_{omega_{infty}} +U_t*psi_{infty} +r_{infty}$, où $U_t$ est le propagateur de Schrödinger libre, $p = frac{5}{4}$, $frac{1}{4}$ respectivement en fonction de $sigma in (0, 1/sqrt{2})$, $sigma in left( frac{1}{sqrt{2}}, frac{sqrt{3} +1}{2sqrt{2}} right)$, et $l(t)$ est une fonction à croissance logarithmique qui apparaît quand $sigma in (frac{1}{sqrt{2}}, sigma^*)$, où $sigma^* in left( frac{1}{sqrt{2}},frac{sqrt{3} +1}{2sqrt{2}} right]$. Notons que dans ce modèle les non-linéarités pour lesquelles on a la stabilité asymptotique sont sous-critiques dans le sens où quelle que soit la donnée initiale il n'y a pas de solutions explosives. Quant au deuxième modèle, il s'agit de l'équation de Schrödinger non-linéaire focalisant à énergie critique : $i frac{du}{dt}=-Delta u-|u|^4 u$. Pour ce cas, nous prouvons, pour tout $nu$ et $alpha_0$ suffisamment petits, l'existence de solutions radiales à énergie finie de la forme $u(t,x)=e^{ialpha(t)}lambda^{1/2}(t)W(lambda(t)x)+e^{iDelta t}zeta^*+o_{dot H^1} (1)$ tout $trightarrow +infty$, où $alpha(t)=alpha_0ln t$, $lambda(t)=t^{nu}$, $W(x)=(1+frac13|x|^2)^{-1/2}$ est l'état stationnaire et $zeta^*$ est arbitrairement petit en $dot H^1$ / The present thesis is devoted to the investigation of certain aspects of the large time behavior of the solutions of two nonlinear Schrödinger equations in dimension three in some suitable perturbative regimes. The first model consist in a Schrödinger equation with a concentrated nonlinearity obtained considering a {point} (or contact) interaction with strength $alpha$, which consists of a singular perturbation of the Laplacian described by a self adjoint operator $H_{alpha}$, and letting the strength $alpha$ depend on the wave function: $ifrac{du}{dt}= H_alpha u$, $alpha=alpha(u)$.It is well-known that the elements of the domain of a point interaction in three dimensions can be written as the sum of a regular function and a function that exhibits a singularity proportional to $|x - x_0|^{-1}$, where $x_0$is the location of the point interaction. If $q$ is the so-called charge of the domain element $u$, i.e. the coefficient of itssingular part, then, in order to introduce a nonlinearity, we let the strength $alpha$ depend on $u$ according to the law $alpha=-nu|q|^sigma$, with $nu > 0$. This characterizes the model as a focusing NLS with concentrated nonlinearity of power type. In particular, we study orbital and asymptotic stability of standing waves for such a model. We prove the existence of standing waves of the form $u (t)=e^{iomega t}Phi_{omega}$, which are orbitally stable in the range $sigma in (0,1)$, and orbitally unstable for $sigma geq 1.$ Moreover, we show that for $sigma in(0,frac{1}{sqrt 2}) cup left(frac{1}{sqrt{2}}, frac{sqrt{3} +1}{2sqrt{2}} right)$ every standing wave is asymptotically stable, in the following sense. Choosing an initial data close to the stationary state in the energy norm, and belonging to a natural weighted $L^p$ space which allows dispersive stimates, the following resolution holds: $u(t) =e^{iomega_{infty} t +il(t)} Phi_{omega_{infty}}+U_t*psi_{infty} +r_{infty}$, where $U_t$ is the free Schrödinger propagator,$omega_{infty} > 0$ and $psi_{infty}$, $r_{infty} inL^2(R^3)$ with $| r_{infty} |_{L^2} = O(t^{-p}) quadtextrm{as} ;; t right arrow +infty$, $p = frac{5}{4}$,$frac{1}{4}$ depending on $sigma in (0, 1/sqrt{2})$, $sigma in (1/sqrt{2}, 1)$, respectively, and finally $l(t)$ is a logarithmic increasing function that appears when $sigma in (frac{1}{sqrt{2}},sigma^*)$, for a certain $sigma^* in left(frac{1}{sqrt{2}}, frac{sqrt{3} +1}{2sqrt{2}} right]$. Notice that in the present model the admitted nonlinearities for which asymptotic stability of solitons is proved, are subcritical in the sense that it does not give rise to blow up, regardless of the chosen initial data. The second model is the energy critical focusing nonlinear Schrödinger equation $i frac{du}{dt}=-Delta u-|u|^4 u$. In this case we prove, for any $nu$ and $alpha_0$ sufficiently small, the existence of radial finite energy solutions of the form$u(t,x)=e^{ialpha(t)}lambda^{1/2}(t)W(lambda(t)x)+e^{iDeltat}zeta^*+o_{dot H^1} (1)$ as $tright arrow +infty$, where$alpha(t)=alpha_0ln t$, $lambda(t)=t^{nu}$,$W(x)=(1+frac13|x|^2)^{-1/2}$ is the ground state and $zeta^*$is arbitrarily small in $dot H^1$

Ce travail cherche a comprendre comment l'ajout d'une géométrie non euclidienne dans un problème de Schrödinger non linéaire influe sur l'existence et l'unicité des solutions explosives de masse critique. On s'inspire pour beaucoup des travaux de Merle et Raphaël sur la méthode de modulation des paramètres d'invariance géométrique pour une EDP qui possède de bonnes lois de conservations. On s'appuie ici plus particulièrement sur un article de Raphaël et Szeftel qui prouve l'existence et l'unicité d'une solution de masse critique en dimension 2 pour l'équation de Schrödinger non linéaire avec potentiel d'inhomogénéité devant la non-linéarité, et qui explose par ailleurs au maximum de l'inhomogénéité. Dans un premier temps, il s'agit de reprendre la méthode dans son ensemble afin de l'adapter à des cas où le Laplacien n'est plus plat, et est remplacé par un opérateur de type Laplace-Beltrami ou Laplacien généralisé. Ayant mis en avant le rôle de la courbure au point d'explosion, en termes de conditions sur les dérivées de termes métriques, on reprend dans un deuxième temps l'étude dans le cas plus général d'une variété riemannienne. Grâce à un ansatz sur la solution qui intègre maintenant la transformation induite par la métrique, on est capable d'énoncer un résultat d'existence et d'unicité en termes de conditions géométriques sur la variété elle même. Par soucis de simplicité, on se limite néanmoins au rôle local de la métrique, en la supposant globalement définie dans une certaine carte, et asymptotiquement équivalente a la métrique euclidienne. / The present work aims at investigating the effects of a non-euclidean geometry on existence and uniqueness results for critical blow up NLS solutions. We will use many ideas from the works of Merle and Raphaël, particularly ideas from modulation theory which describes a solution in terms of geometric invariants parameters. We will rely more specically on a paper from Raphaël and Szeftel for existence and uniqueness of a critical mass blow up solution in dimension two tothe nonlinear Schrödinger equation with inhomogeneous potential acting on the nonlinearity, and which blows up where the inhomogeneity reaches its maximum. At first, we consider a generalized Laplacian operator and deploy the classical ansatz method to point out difficulties inherited from the non-flat metric terms, and in particular the key role played by the curvature at the blow-up point. In a second part, we reproduce the method when modifying the geometrical ansatz on which the parametrix is constructed, and investigate more precisely what is needed for existence and then uniqueness when dealing with a Laplace-Beltrami operator associated to a riemannian manifold. For simplicity, we shall only consider the role of g locally around the blow up point we are constructing, by assuming g is globally defined in some map, and asymptotically equals the usual euclidean metric.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans la problématique générale de la formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre. Nous avons mené une étude expérimentale sur un laser Raman à fibre oscillant dans une cavité Pérot-Fabry fermée par des miroirs de Bragg. Cette étude montre que la forme du spectre optique diffère selon la puissance du laser. En développant différents modèles, nous avons montré que les miroirs de Bragg sont à l'origine de ce changement de forme du spectre optique. En particulier, à faible puissance, la forme asymétrique du spectre provient d'effets dispersifs lors de la réflexion sur les miroirs de Bragg. A forte puissance, ces effets dispersifs sont dominés par les effets de filtrage des miroirs, ce qui conduit à la symétrisation du spectre du laser observée dans notre expérience. Par ailleurs, nous avons également étudié numériquement la statistique du champ Stokes intracavité. Nous avons montré que celle-ci change fortement selon que l'onde Stokes est incidente ou réfléchie par les miroirs de Bragg. Ce résultat nous a permis de questionner la validité d'un modèle récemment publié sur la formation du spectre optique du laser Raman à fibre. Ce modèle s'appuie sur les outils de la théorie cinétique des ondes, valable uniquement dans le cas de champs possédant une statistique gaussienne. Toutefois, notre étude numérique indique que cette condition n'est pas respectée dans le laser Raman à fibre, et la forme du spectre optique observé dans notre étude expérimentale s'oppose fortement à celle prédite par cette approche statistique de la formation du spectre optique du laser Raman à fibre.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes stationnaires d'équations dispersives non linéaires, en particulier l'équation de Schrödinger, mais aussi celle de Klein-Gordon. Les travaux présentés s'articulent autour de deux questions principales : l'existence et la stabilité orbitale de ces ondes stationnaires. <br /><br />L'existence est étudiée par des méthodes essentiellement variationnelles. En plus de la simple existence, on met en évidence différentes caractérisations variationnelles des ondes stationnaires, par exemple en tant que points critiques d'une certaine fonctionnelle au niveau du col ou au niveau de moindre énergie, ou encore en tant que minimiseurs d'une fonctionnelle sur différentes contraintes.<br /><br />Selon la puissance de la non-linéarité et la forme de la dépendance en espace, on démontre que les ondes stationnaires sont stables ou instables. Lorsqu'elles sont instables, on met en évidence que dans certaines situations l'instabilité se manifeste par explosion, tandis que dans d'autres les solutions sont globalement bien posées. En plus des différentes caractérisations variationnelles des <br />ondes stationnaires, les preuves des résultats de stabilité et d'instabilité nécessitent de dériver des informations de nature spectrale. En particulier, dans la première partie de cette thèse, on prouve un résultat de non-dégénérescence du linéarisé pour un problème limite. Dans la deuxième partie, on localise la deuxième valeur propre du linéarisé par la combinaison d'une méthode perturbative et d'arguments de continuation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse regroupe une série de travaux ayant tous trait à des systèmes hamiltoniens non linéaires spatialement étendus présentant une bifurcation nœud-col. Elle est constituée de deux parties. Nous étudions dans une première partie la transition à la dissipation de systèmes unidimensionnels soumis à un forçage local et régis par des équations de type sine-Gordon ou Schrödinger non linéaire (ESNL). Nous en calculons analytiquement les solutions stationnaires et caractérisons le comportement dynamique au voisinage de celles-ci près de la bifurcation. Lorsque la relation de dispersion des systèmes possède une fréquence de coupure, le comportement dynamique est caractéristique de systèmes hamiltoniens. A contrario, lorsque la relation de dispersion ne possède pas de fréquence de coupure, la dynamique du système se couple avec l'émission d'ondes sonores qui joue le rôle d'un amortissement effectif. Elle devient alors typique de systèmes dissipatifs. En outre, les modes propres temporels du système subissent une délocalisation spatiale. La seconde partie de la thèse concerne l'étude de deux types d'écoulements bidimensionnels de fluides parfaits barotropes autour d'un obstacle : un écoulement décrit par l'ESNL et un écoulement à surface libre dans l'approximation eau peu profonde, où sont pris en compte les effets dispersifs dus aux effets de tension de surface. Lorsque la longueur caractérisant la dispersion des ondes sonores tend vers zéro, ces deux écoulements se réduisent à l'écoulement autour d'un disque d'un fluide eulérien compressible, auquel se superpose une couche limite que nous calculons analytiquement. Par des méthodes de suivi de branches fondés sur des développements pseudo-spectraux, nous calculons le diagramme de bifurcation complet des deux écoulements. En étudiant la dynamique des deux systèmes au-delà de la bifurcation, nous mettons en évidence une émission d'excitations (dans le cas de l'ESNL) dont la nature dépend du rapport de la longueur de cohérence sur la taille de l'obstacle. Dans le cadre de l'écoulement en eau peu profonde, cette émission est remplacée par une singularité à temps fini de démouillage.