Les surfaces nanostructurées permettent d'obtenir des effets colorés gonio-apparents lorsque les nanostructures présentent des dimensions de l'ordre des longueurs d'onde du spectre visible. ces couleurs sont habituellement modélisées par le biais d'interactions de types "interférences" ou "cristaux photoniques" entre le rayonnement lumineux et une structure modèle. dans cette thèse, l'anodisation d'aluminium est utilisée comme méthode de structuration à l'échelle submicronique. cette technique présente l'avantage d'être mature industriellement et de permettre de structurer de grandes surfaces. des effets colorés sont observés même si les structures obtenues ne sont pas parfaitement ordonnées. le but de cette thèse est de comprendre les phénomènes optiques mis en jeu dans l'obtention de ces effets. ce manuscrit se divise donc en deux parties principales, toutes deux basées sur une étude de la littérature existante. afin d'établir un parallèle entre caractérisation expérimentale et simulation numérique, la première partie présente l'outil de caractérisation optique développé. la seconde est dédiée à l'étude des effets colorés de certaines surfaces d'aluminium anodisé. cette partie propose une compréhension des phénomènes d'interaction de la lumière avec la structure d'aluminium anodisé se basant sur les caractérisations optiques et microstructurales des échantillons, associées à une modélisation de l'interaction entre rayonnement et matière structurée. cette étude montre que les structures réelles présentent un ordre à courte distance. les effets colorés sont simulés par la méthode modale de fourier par le biais de structures modèles avec un certain niveau de désordre.

L'accès direct à l'ionosphère que les cornets polaires permettent au plasma du vent solaire font de ceux-ci une région-clef pour l'étude de l'interface entre le vent solaire et la magnétosphère. Il a été choisi d'étudier la nature des ondes UBF et de leur interaction avec le plasma dans la partie la plus distante des cornets polaires avec les données Cluster.<br />Une étude de cas détaillée montre que les injections de plasma du vent solaire s'accompagnent d'une forte activité électromagnétique. L'analyse des ondes, met en valeur la nature alfvénique dominante de ces fluctuations, ainsi que le mélange des modes dans une même bouffée, résultat obtenu par une analyse pluri-satellitaire, ici le filtrage-en-k. Les ondes d'Alfvén sont identifiées dans le domaine cinétique. Les interactions possibles avec le plasma sont recherchées. Ces résultats sont pour partie généralisés, montrant l'importance des ondes UBF dans la pénétration du plasma du vent solaire dans la magnétosphère terrestre.

Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement du contrôle non destructif des conduits de précontrainte extérieure dans les ouvrages d'art. Une sonde capacitive a été développée pour ausculter ces conduits. L'objectif est d'en améliorer le diagnostic.Dans un premier temps, une cellule de mesure en transmission coaxiale a été développée pour caractériser les matériaux présents dans le conduit sur la bande de fréquence 50 MHz - 1 GHz. Le ciment, les produits de la ségrégation du ciment et la cire d'injection ont été étudiés.La deuxième partie du travail exploite ces résultats dans une modélisation directe du problème global. Une étude paramétrique nous a permis de proposer une méthode d'estimation de l'épaisseur de vide à l'intérieur du conduit à partir des signaux délivrés par la sonde, qui a pu être validée sur une maquette de conduit. A partir de ces résultats sont proposées plusieurs améliorations du dispositif visant à l'obtention de signaux plus riches issus des capteurs, afin de pouvoir estimer un plus grand nombre de paramètres.

Cette thèse présente des résultats basés sur les mesures d'ondes réalisées par le satellite DEMETER. Ce satellite français a été exploité entre les années 2004 et 2010 à l'altitude de ~660 km. Nous nous sommes concentrés sur les mesures des ondes électromagnétiques et de la densité du plasma au voisinage des tremblements de terre imminents .Dans la première partie, nous présentons une étude des variations de la densité du plasma dans le voisinage d'un tremblement de terre très puissant au Chili ( Mω 8.8) qui a eu lieu le 27 Février 2010. Les données enregistrées avant le choc principal le long des orbites proches de l'épicentre ont montré des augmentations de densité du plasma. Dans une deuxième étape, une analyse statistique a été effectuée en utilisant 4 ans de données pour suivre les variations saisonnières de densité. Cette étude montre qu'une augmentation forte de la densité du plasma est très rare dans cette région à l'époque du séisme. Dans la deuxième partie, une étude statistique (~6,5 ans) des variations de l'intensité des ondes TBF est montrée. Nous avons analysé toutes les données mesurées disponibles à proximité (en temps et en distance) de grands séismes (M> ou = 5). Les données relatives à plus de 12000 tremblements de terre ont été comparées avec une distribution de référence non perturbée. Nous confirmons les résultats déjà rapportés de la diminution statistiquement significative de l'intensité des ondes à des fréquences de l'ordre de ~1,7 kHz. Cet effet semble être lié à une diminution de la limite inférieure de l'ionosphére qui affecte les ondes TBF qui se propagent dans le guide Terre-ionosphère. / This thesis presents results based on wave measurements performed by the DEMETER spacecraft. This French spacecraft was operating between 2004 and 2010 at the altitude of ~660 km. We focus on measurements of the electromagnetic waves and plasma density in the vicinity of imminent earthquakes. In a first part, we present a study of plasma density variations in the vicinity of a very powerful earthquake in Chile ( Mω 8.8) which occurred on February 27, 2010. Data recorded before the main shock along orbits close to the future epicenter showed increasing plasma densities. In a second step, a statistical analysis using 4 years of data to monitor density variations under similar conditions has been performed. This study shows that a large increase of the plasma density is very uncommon at this location and at this time. In a second part, a statistical study (~6.5 years) of variations of VLF wave intensity is shown. We have analyzed all available data measured close (in time and in distance) to large earthquakes (M> ou = 5). Data related to more than 12000 earthquakes have been compared with an unperturbed background distribution. We confirm the previously reported results of a statistically significant decrease of the wave intensity at frequencies of about ~1.7kHz. This effect seems to be related to a decrease of the lower ionospheric boundary which affects the VLF waves propagating in the Earth-ionosphere waveguide.

Nous étudions la génération de rayonnement TeraHertz (THz) dans des microplasmas produits par des lasers femtosecondes. Cette technique est prometteuse pour créer efficacement des sources THz compactes et étendue spectralement (0.3-30 THz), qui intéressent de nombreuses applications, comme l’identification spectroscopique de substances dangereuses ou encore l’imagerie en biologie et médecine. Contrairement aux sources conventionnelles, comme les interrupteurs photo-conducteur, les sources THz basées sur des plasmas ne sont pas limitées par la tenue au flux et couvrent l’ensemble du spectre THz. Afin de modéliser des microplasmas générés par des faisceaux laser fortement focalisés, nous présentons un nouvel algorithme qui permet d’injecter tout type de laser dans des codes électromagnétiques. Nous dérivons aussi un modèle compatible avec les équations de Maxwell qui inclut les deux mécanismes générateurs de THz: le courant d’ionisation (IC) et le mécanisme “Transition-Cherenkov” (TC). Ce dernier mécanisme domine la production de THz pour des lasers à plusieurs cycles optiques, où l’émission est produite par les courants d’électron longitudinaux. Dans le cas des microplasmas où un champ électrostatique externe est ajouté, le taux de conversion énergétique laser/THz peut être augmenté de deux ordres de grandeur via le mécanisme IC lorsque le champs statique ou la pression du gaz sont accrus. De plus, les simulations 3D montrent que pour un faisceau laser à deux couleurs et dans des conditions optimales de focalisation, une énergie laser de 10 micro-Joule est suffisante pour atteindre des taux de conversion bien au-dessus de 10−4. Dans ce cas, la nature transverse du courant IC est cruciale pour accroitre l’efficacité avec la longueur du plasma. En considérant un faisceau laser à deux couleurs de forme elliptique, nous proposons de contrôler les spectres d’émission en exploitant les effets plasmoniques résonants. / We investigate terahertz (THz) generation in fs-laser-induced microplasmas, which are promising candidates for compact and efficient broadband THz sources (0.3-30 THz). Such sources have various applications as spectroscopic identification of hazardous substances or THz imaging in biology and medicine. Unlike conventional THz sources as photoconductive switches, gas-plasma-based THz sources do not suffer from irreversible material damage and can cover the whole THz range at once. To simulate tightly-focused-laser-induced microplasmas, we propose an efficient numerical algorithm that can introduce any arbitrarily shaped laser pulses into electromagnetic codes. We derive a Maxwell-consistent model that includes two major THz generation mechanisms, the ionization current (IC) and transition-Cherenkov mechanisms (TC). The latter mechanism is shown to dominate for single-color multi-cycle lasers pulses where the emission is driven by longitudinal electron currents. For microplasmas a constant electric field can boost the laser-to-THz converison efficiency by two orders of magnitude via the IC mechanism when increasing the gas-pressure and bias-voltage. Moreover for two-color-driving laser pulses, Maxwell-consistent 3D simulations show, that only 10 μJ laser pulse energy are sufficient to reach conversion efficiencies well above 10−4 when optimizing the focusing conditions. Here, the transverse nature of the IC currents is crucial for the up-scaling of the efficiency with the plasma length. By using elliptically-shaped two-color-driving laser beams, we propose to control the emission spectra by exploiting resonant plasmonic effects.

Le présent projet présente une étude théorique du phénomène de génération d'une onde électromagnétique, à une interface métallo-diélectrique, par excitation d'une structure simple (sillon) sous longueur d'onde gravée dans un substrat métallique. La structure illuminée par un champ transverse incident est considérée comme un système radiatif TM via une ligne infinie et ponctuelle de courant magnétique équivalent. Utilisant les équations de Maxwell, le calcul du champ magnétique irradié par cette source à l' interface mène à une solution sous forme intégrale. L'intégration de contour est utilisée pour trouver la solution sous forme analytique fermée. La solution se compose de deux termes distincts, le premier étant un mode plasmonique (plasmon polariton de surface) et le second étant un plasmon polariton de surface transitoire. Cette deuxième onde est interprétée physiquement comme étant l'onde provenant de la radiation de la source TM. À partir d'une distance d'un dixième de la longueur d'onde, la décroissance du champ irradié diverge de celle d'une, onde cylindrique typique (l/VX) en raison de la dissipation d'énergie dans le métal via l'oscillation de la couche d'électrons libres du métal et ce, jusqu'à une distance d'une longueur d'onde. Ainsi, le champ résiduel au-delà de cette zone est un champ de décroissance plus rapide de li x qui devient très vite négligeable par rapport au mode plasmonique excité. Ce résultat analytique est en bon accord avec des études expérimentales et numériques existant dans la littérature et représente un avancement important sur le plan de la compréhension physique des phénomènes optiques à l'échelle sous longueur d'onde.

Ce projet de maîtrise s’insère dans l’effort de modélisation entourant le phénomène de focalisation extrême amorcé dans les groupes de recherche des professeurs Thibault et Piché. Le mémoire présente d’abord une comparaison entre le formalisme de Richards-Wolf étendu (ERWT) et les solutions numériques de propagation d’onde électromagnétique obtenues à l’aide d’un algorithme FDTD. Les résultats montrent que l’utilisation du formalisme étendu permet de traiter le processus de focalisation non paraxiale pour une gamme étendue de surfaces réfléchissantes avec peu de variations entre les deux techniques. Les limitations intrinsèques à l’algorithme utilisé et la divergence de la fonction d’illumination imparfaitement traitée pourraient expliquer les déviations observées. Ensuite, cherchant à améliorer le traitement de cette illumination, le processus de focalisation inverse a été développé. En effet, il est possible de formuler une inversion du formalisme de Richards-Wolf (RWT) pour des systèmes à symétrie de révolution en définissant l’illumination à polarisation radiale en fonction d’une distribution recherchée au foyer selon un seul axe (radial ou sur l’axe optique). En utilisant un seul axe, le problème de surdéfinir le champ ne se pose pas et un critère est fourni afin de conclure de la validité physique du patron d’illumination calculé. Avec la méthode proposée, il est souvent possible d’obtenir des solutions analytiques qui sont essentielles à l’obtention d’une meilleure compréhension des différences entre les modèles paraxiaux et non paraxiaux. De plus, il est facile d’adapter cette dernière afin d’obtenir des solutions numériques pour des problèmes plus complexes. Ainsi, les figures d’illumination calculées peuvent directement être utilisées et sont particulièrement utiles lorsque la dimension optimale de la tâche focale pour une application donnée est connue. Un article a été soumis basé sur ces travaux. Enfin, une généralisation culminant avec le traitement de surfaces asphériques avec aberrations est présentée en adaptant le formalisme étendu (ERWT). Cet ajout au formalisme permet d’envisager de modéliser des surfaces complexes et possiblement hors de portée des corrections seulement en phase usuellement utilisées dans la littérature. Cependant, ces ajouts au formalisme complexifient de manière appréciable les intégrales de diffraction de Richards-Wolf. Finalement, une démonstration de la procédure a été effectuée pour un miroir parabolique comportant un léger tilt. / This project is part of the modeling effort around extreme focusing phenomenon taking place in the research groups of professor Thibault and Piché. At first, this thesis shows the comparison between the modeling by the extended Richards-Wolf formalism (ERWT) and by FDTD simulations of the field propagation. Both methods used for computing the electromagnetic distribution resulting from the reflection on a mirror in a non paraxial setup show satisfactory agreement. In fact, the extended formalism is suited to accurately model a large spectrum of reflecting surfaces such as elliptic mirrors, for which the description is not possible with the classical formalism of Richards-Wolf. Some intrinsic limitations of the used FDTD algorithm and the divergence of the illumination could explained the observed variations. Then, looking to solve the illumination problem, the inversion formalism has been developed. The integral of the Richards-Wolf formalism (RWT) of an axisymetric optical system can be inverted to define the radially polarized illumination pattern as a function of the electromagnetic distribution at the focus over a given axis (radial or the optical axis). Using only one axis at the focus, the field distribution is not over defined and a criterion is given to check the physical validity of the obtained illumination pattern. The method gives numerical or, in some cases, analytic solutions that can be used to obtain the optimized focal pattern fora given application. The analytical solutions are relevant as they can intuitively show the differences between the paraxial and non paraxial regimes. An article has been submitted on this particular subject. Finally, this thesis describes the generalization of the extended formalism to cover aspheric surfaces with aberrations. The procedure gives the possibility to accurately model complex reflecting surfaces that would otherwise be out of reach of the formalism. However, the complexity of the formalism increases compared to the initial diffraction integral. The proposed technique is demonstrated with a slightly tilted parabolic mirror.

Les matériaux magnétiques sont utilisés pour la fabrication des circuits magnétiques des dispositifs électromagnétiques. Ces matériaux ont une grande influence sur les performances et les topologies possibles de ces dispositifs. La topologie de la MFT (Machine à Flux Transverse) clawpole à stator hybride requiert l'usage combiné de matériaux magnétiques laminés et de SMC (Soft Magnetic Composites) pour limiter les pertes Fer. Néanmoins, à cause de son nombre de pôles élevé et de l'utilisation des SMC, les pertes Fer dans la MFT sont généralement plus importantes que dans les autres types de machines électriques. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l'étude de matériaux magnétiques composites à particules lamellaires (SL-SMC) qui peuvent améliorer les performances magnétiques des dispositifs électromagnétiques utilisant des pièces magnétiques moulées. La forme des particules ferromagnétiques employées et la résistance thermique du diélectrique utilisé pour leur isolation permettent à ces matériaux anisotropes de combiner l'avantage de moulabilité des SMC et les très bonnes propriétés magnétiques des tôles laminées. Les simulations d'une MFT clawpole à stator hybride qui intègre des concentrateurs en SL-SMC montrent que l'usage de ce matériau permet d'améliorer le rendement de la machine. Ce gain de rendement est la conséquence d'une augmentation de la puissance de la machine et d'une réduction des pertes Fer dans le rotor de la machine. La valeur du gain observé dépend fortement de la géométrie de la MFT.

Dans cette thèse nous expliquons comment pourraient être produites, dans le vide, des impulsions d'électrons relativistes ultrarapides. Le schéma d'accélération proposé tire profit du champ électrique longitudinal d'un faisceau laser spécial nommé faisceau TMQI ("TM" pour "Transverse Magnetic"). En résolvant les équations de Maxwell-Lorentz dépendantes du temps, il apparaît qu'un nuage d'électrons initialement au repos à l'étranglement d'une impulsion TMOi de quelques cycles peut potentiellement être accéléré à des énergies relativistes. Pour des puissances laser multitérawatt (1012 W) - le seuil pour que des accélérations notables se produisent - des énergies cinétiques allant d'une dizaine de keV à quelques dizaines de MeV sont prédites. Les électrons ainsi accélérés formeraient, sur l'axe du faisceau laser, un dense paquet faiblement divergent dont la durée atteindrait, dans certains cas, quelques centaines de zeptosecondes (10~21 s). Le problème de l'accélération en cascade est aussi abordé : il est démontré qu'ainsi des énergies de l'ordre du GeV seraient accessibles avec des puissances laser pétawatt (1015 W). Ces impulsions brèves d'électrons relativistes pourraient trouver de multiples applications biomédicales et scientifiques, notamment en ce qui concerne la production de rayons X pour la radiothérapie et, éventuellement, pour sonder des phénomènes atomiques et subatomiques avec une résolution temporelle sans précédent.

Nous examinons la possibilité de créer de nouveaux composants électro-optiques à l’aide de surfaces mésogènes contrôlées par champs électromagnétiques. Ces surfaces programmées ont comme fonction d’imposer une orientation sur le volume de cristal liquide lui étant juxtaposé afin de produire les propriétés électro-optiques désirées. L’étendue et l’efficacité de ces propriétés ont un impact technologique important par exemple dans le domaine des afficheurs à cristaux liquides et des atténuateurs optiques variables. Plus spécifiquement, cette recherche analyse l’interaction de surface entre le substrat mésogène et le cristal liquide ainsi que les diverses avenues pratiques en découlant. Par exemple, l’importance de l’interdiffusion entre ces deux milieux sera détaillée et liée à la création de réseaux autoorganisés en surface. Ce phénomène précurseur permet la création d’un système composite novateur de cristaux liquides stabilisés par surfaces mésogéniques avec comme application les atténuateurs électro-optiques. / We investigate the possibility of creating new electro-optical components using mesogenic surfaces controlled by electromagnetic fields. These programmed surfaces have the function of imposing an alignment on the juxtaposed volume of liquid crystal to produce the desired electro-optical properties. The extent and effectiveness of these properties have a great technological impact such as in the field of liquid crystal displays and variable optical attenuators. More specifically, this research addresses the surface interaction between the mesogen substrate and the liquid crystal and various practical avenues resulting therefrom. For example, the importance of interdiffusion between those two materials will be detailed and linked to the creation of surface self-organizing networks. This original phenomenon allows the creation of a surface - polymer stabilized liquid crystal composite which is applied to electro-optical attenuators.