Cette thèse entre dans le cadre d’un projet de recherche intitulé Electromagnetic Characterization of new Materials for Industrial Applications up to microwave frequencies (EMINDA). Il a pour objectif principal de développer une traçabilité électromagnétique de matériaux fonctionnels afin de permettre l’adoption de ces matériaux dans les industries européennes plus particulièrement dans le domaine de l’électronique. Le projet vise dans un premier temps à développer des techniques de caractérisation électromagnétiques des matériaux à l’échelle submicronique aux fréquences micro-ondes, puis par la suite à élargir la traçabilité métrologique de ces matériaux car la métrologie des propriétés électromagnétiques des matériaux. Une technique de caractérisation électromagnétique sur des matériaux ferroélectrique (BST et PZT) en couches minces à partir d’une topologie CPW pour en déterminer leurs propriétés électromagnétiques a été développée dans cette thèse. La topologie CPW a été privilégiée dans la réalisation de ces mesures hyperfréquences, car elle est compatible avec les exigences métrologiques de traçabilité des mesures aux unités du SI. Ce travail de thèse a également pour objectif de réaliser des mesures comparatives entre laboratoires nationaux de métrologie utilisant des techniques expérimentales différentes. Ces travaux constitueront au final au niveau européen, une base de mesures des propriétés électromagnétiques de matériaux émergents dans l’industrie avec une grande précision sur les incertitudes pour des mesures allant jusqu’à 110 GHz. / This thesis is part of a Join Research Project entitled Electromagnetic Characterization of new Materials for Industrial Applications up to microwave frequencies (EMINDA). The central aim of EMINDA is to develop traceable Electromagnetic (EM) materials metrology to enable the uptake of new EM and functional materials by European industries, especially electronics and ICT related industries.The project aims initially to develop techniques for electromagnetic characterization of materials at the submicron scale to microwave frequencies, and later to extend the metrological traceability of these materials. An electromagnetic characterization technique has been developed to extract electromagnetic properties of ferroelectric thin films (BST and PZT) from a CPW topology (CoPlanar Waveguide). CPW measurements on such thin-films have been shown to be the most tractable for metrological purposes.This thesis also aims to make comparative measurements between national metrology institutes using different experimental techniques. This work will constitute at European level, a measurement base of electromagnetic properties of emerging materials in industry with high accuracy on uncertainties measurements up to 110 GHz.

La capacité de pénétration des ondes électromagnétiques (OEM), généralement non destructive, dans les matériaux ou tissus permet de sonder les milieux étudiés. En termes de santé publique, améliorer la qualité de vie est devenu un objectif majeur de la société actuelle. Des applications de sondage par OEM de divers milieux ou tissus dans le domaine biologique présentent un intérêt majeur dans les opérations de diagnostic et dans les opérations thérapeutiques. Les travaux de cette thèse abordent le vaste domaine des applications biomédicales, des interactions micro-ondes/radiofréquences et de la matière. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’univers émergeant de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) à Ultra-Haut Champ. Le premier objectif est de développer un fantôme anthropomorphique de tête humaine ou il faut prendre en compte les propriétés électromagnétiques et les temps de relaxation caractéristiques de chaque tissu. Cela permet d’obtenir une estimation précise des niveaux de DAS pour l’être humain et une notion des formations de hotspots lors d’un examen IRM haut-champ.Le deuxième objectif dans le domaine des IRM à très haut champ est l’étude et la fabrication des dispositifs d’homogénéisation de champ permettant ainsi d’éclaircir les zones d’ombres. Ce processus, dénommé Dielectric Shimming, est basé entre autre sur l’utilisation d’éléments discrets à hautes permittivités appelés pads. Ces pads sont composés de matériaux diélectriques à fortes permittivités, comme des solutions aqueuses de Titanate de Baryum, afin de focaliser le champ dans les zones initialement sombres de l’image de l’IRM (dans cas du cerveau : le cervelet et les lobes temporaux). / The penetration capacity of the electromagnetic (EM) waves in matter or biological tissues allows exploring media non-destructively. Concerning the public health sector, improving the quality of life has become one of the greatest concerns of nowadays society. EM wave research on different media and biological tissues shows a great potential for diagnostic applications and eventually for therapeutically applications. In this doctoral thesis, we focus on the vast domain of the biomedical applications of wave-matter interactions, based on the knowledge of the electromagnetic properties of matter, the complex permittivity and the conductivity. On a first instance, we address the emerging domain of ultra-high field MRI (Magnetic Resonance Imaging), which nowadays puts effort into the clinical implementation of 7T devices. Firstly our purpose is to produce an anthropomorphic head model, composed of the brain’s different layers, and taking into account the electromagnetic properties and the proton relaxation times inherent to each tissue. These realistic head models allow to evaluate the newly developed protocols for these ultra-high field devices. Secondly, we have studied and developed field homogenization devices, which allow brightening the shadow areas displayed in some MRI images, such as the cerebellum and the temporal lobes in brain imaging at 7T. This procedure, named Passive Shimming, is based on the use of high permittivity dielectric pads composed of Barium Titanate, which focalize the field to the areas where normally the wavelength in insufficient to generate a homogeneous signal distribution.

Dans une chaîne de protection CEM, on distingue parmi les principaux constituants les connecteurs qui ont pour fonction la transition des signaux entre deux circuits électroniques. Ces signaux doivent parvenir aux composants électroniques intérieurs aux équipements sans dégradation. Suivant la protection recherchée, certains connecteurs doivent être munis d’une enveloppe métallique encore appelée « blindage ». Le blindage permet d’atténuer le rayonnement parasite des signaux et de les protéger des perturbations électromagnétiques extérieures. Parmi ces connecteurs, on distingue la gamme destinée à un usage sur circuit imprimé pour relier une carte électronique à une deuxième carte ou à un câble. Le blindage des connecteurs présente parfois des imperfections telles que les ouvertures et les fentes ou encore des contacts électriques non uniformes, imposées par des contraintes de conception mécanique et de production industrielle ; ces caractéristiques engendrent des fuites et consécutivement un rayonnement électromagnétique local et lointain perceptible dans l’environnement immédiat du connecteur. Ce phénomène s’accompagne également d’un couplage sur les autres composants voisins. La thèse consiste en la compréhension de ces phénomènes physiques en procédant à des mesures et à des simulations des fuites électromagnétiques issues des connecteurs blindés. Pour cela, nous avons analysé séparément chaque source de fuite électromagnétique par la réalisation d’éprouvettes s’approchant le mieux possible de connecteurs réels. Les mécanismes de couplages électromagnétiques sont alors identifiés et leur influence relative évaluée. Les concepts théoriques défendus dans la thèse ainsi que les résultats issus de simulations numériques sont systématiquement validé par des mesures. Pour conclure, une étude de cas a été pratiquée sur un connecteur réel, le HDMI. Cette phase ultime de notre thèse a montré que le transfert de cette étude était parfaitement validé en permettant au partenaire industriel d’envisager l’optimisation du design géométrique de connecteur en fonction des critères de compatibilité électromagnétique. / From the EMC point of view, connectors travelling various electrical signals between electronic circuits may collect electromagnetic disturbances or may be a source of unintentional RF emission. The aim of this work is to characterize shielding efficiency of the connector in terms of leakages occurring at shell level. We can distinguish two kinds of leakages, the one due to small apertures and other produced by non uniform contact of the shell assembly. To characterize these phenomena, two types of devices will be constructed to perform electromagnetic test in laboratory and compare the data with predictive model obtained with the analytical computation and electromagnetic code respectively. Construction of the devices are as possible similar to a realistic connector. From the computation of the small aperture polarizability, we deduce the equivalent magnetic dipole and compare the computation of near field and far field radiation with measurement performed in near field bench test and reverberation chamber respectively. According to the good agreement between theory and experiment, the computation will be extended with an electromagnetic code in order to take into account the effects of fine geometrical details. A similar way will be used to characterize the leakage of the magnetic field due to non uniform contact on the shell surface. We can notice that the data collected along the experiment are also compared with the concept of transfer impedance. To conclude the work, the shell shape of a HDMI connector will be optimized in order to reduce the unintentional radiation.

L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

L’intégration récente des systèmes de communication numériques embarqués à bord des trains pour la gestion du trafic introduit de nouveaux problèmes de compatibilité électromagnétique dans le milieu ferroviaire, notamment, pour le système GSM-R « Global System for Mobile Communications - Railway» sur lequel se focalisent les travaux de la thèse. Ce système est un système numérique élaboré employant des protocoles de communication qui lui permettent de résister à certaines perturbations électromagnétiques. Ainsi, son immunité électromagnétique ne peut pas être étudiée selon les méthodes traditionnelles standardisées, puisqu’elles sont adaptées principalement à des systèmes analogiques. La thèse consiste à caractériser l’environnement EM ferroviaire d’une manière adaptée au contexte du système GSM-R. En effet, il faut préalablement connaitre les perturbations EM qu’il peut rencontrer à bord d’un train. Ainsi, nous avons exploité les méthodes fréquentielle et temporelle pour caractériser les perturbations EM que peut subir son signal utile sous des conditions normales d’opération. Les résultats obtenus ont montré que les perturbations EM transitoires qui apparaissent lors d’un mauvais contact entre la caténaire et le pantographe sont la source principale de perturbations EM pour le système GSM-R. Ainsi, nous avons étudié minutieusement leurs caractéristiques temporelles et d’amplitude à travers une étude statistique de chaque paramètre. Suite aux résultats obtenus, nous avons pu générer des signaux de test représentatifs de ce que peut voir le système GSM-R à bord d’un train avant d’exploiter ces signaux pour l’étude de l’immunité EM de ce système en laboratoire. / The management of the European railway traffic will be ensured by the use of train’s embedded communication systems, particularly the GSM-R (Global System for Mobile communications – Railways). This system is exposed to the EM interferences observed on board trains and its EM immunity has to be guaranteed. However, the immunity the GSM-R cannot be studied according to the current standardized methods mainly developed for the test of analog systems. The GSM-R is a digital communication system having the ability to stand to some EM interferences, and its immunity has to be performed according to new methodologies considering these particular characteristics.The aim of this work is to develop new methodologies to characterize the railway EM environment adapted to the context of the GSM-R communication system. Firstly, the frequency and temporal measurement methods have been used in order to characterize the EM interferences observed on the GSM-R antennas in railway environment. The obtained results have shown that the transient EM events taking place between the catenary and the pantograph are the main source of disturbances for the GSM-R system. In order to study the immunity of this system against transient EM disturbances, in the second part, we have characterized these transients in terms of time and amplitude parameters. In the following, a statistical study of each parameter has been performed, and we have developed signals for immunity tests statistically similar to the observed railway environment’s interferences. At the end, the test signals have been used in order to study the immunity of the GSM-R system in a laboratory context.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / L’étude de l’interférence entre un plasmon polariton de surface (SPP) avec le faisceau plan lumineux incident sur une nano-fente métallique de dimension sous-longueur d’onde est devenue récemment un sujet fondamental de recherche dans le domaine de la plasmonique afin de mieux comprendre le mécanisme du rehaussement de la transmission optique de la nano-fente. Par la méthode de différences-finies dans le domaine de temps (FDTD), nous avons étudié le mécanisme de couplage du SPP dans la fente nanométrique. L’objectif de ce projet consiste dans un premier temps à la conception et l’implémentation d’un algorithme FDTD flexible et robuste, capable de simuler l’interaction de sources électromagnétiques avec des nanostructures de métal. L’algorithme développé sur la plate-forme Matlab permet de modéliser dans un espace bi-dimensionel des structures diélectriques dispersives. Dans un deuxième temps, nous avons employé ce simulateur FDTD pour étudier les mécanismes de couplage entre un SPP et une fente nanométrique percée dans une mince couche d’argent. Notre analyse démontre que le SPP incident à la fente est diffusé par le rebord de la fente et que les charges électriques induites sur les rebords ré-irradient l’énergie électromagnétique à l’intérieur de la fente. De plus, ces charges électriques génèrent des nouveaux SPPs sur les parois de la fente, qui contribuent à la formation de modes Fabry-Pérot le long de l’axe central de la fente. Nous démontrons aussi la formation de modes Fabry-Pérot créés par la multi-réflexion des ondes diffusées entre les parois de la fente. La combinaison de ces deux modes Fabry-Pérot produit une distribution de champ asymétrique dans la fente. Nous démontrons que la phase du SPP, relativement au faisceau incident normal, détermine les conditions d’interférence constructive et destructive correspondant respectivement au rehaussement et à la diminution de la transmission à travers la nano-fente. Finalement, nous avons confirmé la théorie d’interférence entre les champs induits par le SPP incident et le faisceau incident normal par l’addition de leurs amplitudes instantanées. / The study of the interference of the surface plasmon polariton (SPP) with the incident plane wave on a subwavelength metallic slit has become recently a fundamental subject of research in the domain of plasmonics. One of the objectives is to better understand the phenomenon of enhanced optical transmission through the nano-slit. Using the numerical method of finite-difference time-domain (FDTD), we have investigated the coupling mechanisms of the SPP inside the nano-slit. The objective of this project first consists in the conception and implementation of a flexible and robust FDTD algorithm capable of simulating the interaction between electromagnetic sources and metallic nanostructures. The algorithm that we have developed on the Matlab platform is able to model two-dimensional dispersive dielectric structures. The second and main objective is to use this FDTD simulator to investigate the coupling mechanisms between the SPP and a nano-slit pierced into a thin silver film. Our analysis demonstrates that the incident SPP is scattered by the inner edge of the slit and that the scattered waves induce oscillating electric charges on the slit edges which reradiate electromagnetic energy inside the slit. Moreover, these electric charges generate new SPPs on the slit walls which contribute to the formation of Fabry-Pérot modes along the central slit axis. We also show the formation of Fabry-Pérot modes set up by the multi-reflections of scattered waves between the slit walls. The combination of these two Fabry-Pérot modes produces an asymmetric field distribution inside the slit. We demonstrate that the phase of the SPP relatively to the normal incident beam determine the conditions of constructive and destructive interference which correspond, respectively, to the enhancement and suppression of the optical transmission through the nano-slit. Finally, we have confirmed the theory of interference between the induced fields by the SPP and incident normal beam via the superposition of their instantaneous fields.

Les résultats basés sur les mesures d’ondes électromagnétiques effectuées par le satellite DEMETER sont présentés. Nous nous concentrons sur deux phénomènes différents : 1) les effets liés à l’activité sismique 2) les émissions avec des structures fréquentielles linéaires. 1) Nous présentons une étude statistique de l’intensité des ondes électromagnétiques observées à proximité des tremblements de terre. Nous montrons que pendant la nuit il y a une diminution statistiquement significative de l’intensité des ondes peu avant le choc principal. 2) Nous présentons une étude systématique des événements ayant des structures fréquentielles linéaires. Un ensemble d’événements statistiquement significatif a été obtenu en utilisant une procédure automatique ainsi qu’une inspection visuelle des données. Tous les événements sont entièrement analysés et classifiés. Dans la gamme EBF (ou toutes les six composantes électromagnétiques sont mesurées pendant le mode Burst), une analyse détaillée des ondes a été faite. / Results based on wave measurements performed by the DEMETER spacecraft are presented. We focus on two different phenomena : 1) effects possibly connected with seismic activity 2) emissions with a line structure. 1) We present a statistical study of intensity of electromagnetic waves observed in the vicinity of earthquakes. It is shown that during the night there is a statistically significant decrease of wave intensity shortly before the time of the main shock. 2)We present a survey of the events with a line structure. A statistically significant set of events has been obtained both by using an automatic identification procedure and visual inspection of the data. All the events are thoroughly analyzed and classified. Moreover, in the ELF range (where all the six electromagnetic field components are measured during the Burst mode), a detailed wave analysis has been performed.

L'expérience de diffusion Compton profondément virtuelle sur le proton (DVCS) du Hall A a pris le faisceau d'électrons de 5,757 GeV polarisé du Jefferson Laboratory de septembre à décembre 2004. Elle a utilisé un spectromètre à haute résolution associé à un calorimètre électromagnétique en fluorure de plomb et à un détecteur de protons tous deux spécialement conçus pour fonctionner à une haute luminosité de 10 puissance 37cm puissance-2s puissance-1 permettant de signer les évènements exclusifs sans ambiguïté. Trois mesures ont été effectuées à x indice bjorken=0.32 constant pour 3 valeurs de Q puissance2 : 1.5 GeV carré, 1.91GeV carré, 2.32 GeV carré. Une électronique dédiée a aussi été mise en place permettant de résoudre l'empilement plus tard à l'analyse ainsi qu'un module de coïncidence électron-photon. Les données de la cinématique à 2.32 GeV carré et s=5.6 GeV carré ont permis d'extraire un résultat préliminaire pour la section efficace d'électrproduction exclusive de pi0 sur le proton

Ce travail de thèse peut être divisé en deux parties. Dans la première partie on présente une étude de la filamentation d'impulsions laser femtoseconde dans les milieux Kerr transparents passifs et amplificateurs; les résultats principaux de cette partie sont les suivants: mise en place d'une nouvelle technique (P-scan) pour l'étude des différents régimes de propagation non linéaire d'une impulsion femtoseconde dans les gaz (chapitre III), et mise en évidence de la possibilité d'augmenter l'énergie et la puissance transportées par un seul filament, bien au dessus du seuil d'apparition de multi-filaments (chapitres IV et V). Dans la deuxième partie, on étudie le plasma généré par filamentation en tant que source de radiation électromagnétique secondaire, dans les bandes Ter! ahertz et Radiofréquences. L'étude du filament comme source de radiation Terahertz est décrit dans les chapitres VI, VII et VIII ; elle a amené à la découverte d'un nouveau mécanisme d'émission radiale en présence d'un champ électrique statique longitudinal le long de l'axe du filament. Nous avons aussi découvert un nouveau mécanisme d'émission Terahertz en l'absence de champ appliqué; cette fois la radiation est émise vers l'avant dans un cône fermé autour de l'axe de propagation du filament. Le mécanisme d'émission, modélisé en collaboration avec le Prof. Tikhonchuk de l'Université de Bordeaux 1, s'est révélé être en très bon accord avec les observations expérimentales. Enfin, nous avons mis en évidence la possibilité de transformer un canal de plasma produit par la! ser en une antenne dipolaire, qui peut émettre des radiof! réq uences. Ce sujet est décrit dans le chapitre IX.