Ces travaux de thèse portent sur la conception et sur la caractérisation expérimentale de résonateurs opto-phononiques. Ces structures permettent le confinement simultané de modes optiques et de vibrations mécaniques de très haute fréquence (plusieurs dizaines jusqu’à plusieurs centaines de GHz). Cette étude a été effectuée sur des systèmes multicouches à l’échelle nanométrique, fabriqués à partir de matériaux semiconducteurs de type III-V. Ces derniers ont été caractérisés par des mesures de spectroscopie Raman de haute résolution. Grâce aux méthodes expérimentales et aux outils numériques développés, nous avons pu explorer de nouvelles stratégies de confinement pour des phonons acoustiques au sein de super-réseaux nanophononiques, à des fréquences de résonance de l’ordre de 350 GHz. En particulier, nous avons étudié les propriétés acoustiques de deux types de résonateurs planaires. Le premier est basé sur la modification adiabatique du diagramme de bande d’un cristal phononique unidimensionnel. Dans le deuxième système, nous utilisons les invariants topologiques caractérisant ces structures périodiques, afin de créer un état d’interface entre deux miroirs de Bragg phononiques. Nous nous sommes ensuite intéressés à l’étude de cavités opto-phononiques permettant le confinement tridimensionnel de la lumière et de vibrations mécaniques de haute fréquence. Nous avons mesuré par spectroscopie Raman les propriétés acoustiques de résonateurs phononiques planaires placés à l’intérieur de cavités optiques tridimensionnelles, de type micropiliers. Enfin, la dernière partie de cette thèse porte sur l’étude théorique des propriétés optomécaniques de micropiliers GaAs/AlAs. Nous avons effectué des simulations numériques par éléments finis, nous permettant d’expliquer les mécanismes de confinement tridimensionnel de modes acoustiques et optiques dans ces systèmes, et de calculer les principaux paramètres optomécaniques. Les résultats de cette étude démontrent que les micropilier GaAs/AlAs possèdent des caractéristiques prometteuses pour de futures expériences en optomécanique, telles que des fréquences de résonance acoustiques très élevées, de hauts facteurs de qualités mécaniques et optiques à température ambiante, ou encore de fortes valeurs pour les facteurs de couplage optomécaniques et pour le produit Q • f / The work carried out in this thesis addresses the conception and the experimental characterization of opto-phononic resonators. These structures enable the confinement of optical modes and mechanical vibrations at very high frequencies (from few tens up to few hundreds of GHz). This study has been carried out on multilayered nanometric systems, fabricated from III-V semiconductor materials. These nanophononic platforms have been characterized through high resolution Raman scattering measurements. The experimental methods and the numerical tools that we have developed in this thesis have allowed us to explore novel confinement strategies for acoustic phonons in acoustic superlattices, with resonance frequencies around 350 GHz. In particular, we have studied the acoustic properties of two nanophononic resonators. The first acoustic cavity proposed in this manuscript enables the confinement of mechanical vibrations by adiabatically changing the acoustic band-diagram of a one-dimensional phononic crystal. In the second system, we take advantage of the topological invariants characterizing one dimensional periodic structures, in order to create an interface state between two phononic distributed Bragg reflectors. We have then focused on the study of opto-phononic cavities allowing the simultaneous confinement of light and of high frequency mechanical vibrations. We have measured, by Raman scattering spectroscopy, the acoustic properties of planar nanophononic structures embedded in three-dimensional micropillar optical resonators. Finally, in the last sections of this manuscript, we investigate the optomechanical properties of GaAs/AlAs micropillar cavities. We have performed numerical simulations through the finite element method that allowed us to explain the three-dimensional confinement mechanisms of optical and mechanical modes in these systems, and to calculate the main optomechanical parameters. This work shows that GaAs/AlAs micropillars present very interesting properties for future optomechanical experiments, such as very high mechanical resonance frequencies, large optical and mechanical quality factors at room temperature, and high values for the vacuum optomechanical coupling factors and for the Q • f products

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de<br />processus adiabatiques permettant l'implémentation de portes logiques<br />quantiques, les constituants élémentaires des ordinateurs quantiques, par<br />l'interaction de champs laser impulsionnels avec des atomes. L'utilisation de<br />techniques adiabatiques permet des implémentations robustes, i.e. insensibles<br />aux fluctuations des paramètres expérimentaux. Les processus décrits dans cette<br />thèse ne nécessitent que le contrôle précis des polarisations et des phases<br />relatives des champs lasers. Ces processus permettent l'implémentation d'un<br />ensemble universel de portes quantiques, autorisant l'implémentation de toute<br />autre porte quantique par combinaisons.<br />La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la décohérence par<br />déphasage sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition<br />d'un système à deux niveaux tenant compte de ces effets décohérents est établie.<br />Cette formule est valable dans les différents régimes, diabatique et<br />adiabatique, et permet d'établir les paramètres de trajectoires elliptiques<br />optimisant le transfert de population.

C’est dernières années, les progrès des techniques expérimentales combinées avec les simulations théoriques ont données un accès à l’étude et le contrôle des réactions photochimiques dans des systèmes moléculaires de grande taille. Ceci ouvre des portes à de nouvelles applications technologiques. Par exemple, les molécules de la famille du 3-hydroxychromone et de l’aminobenzonitrile sont des types de systèmes où les spectres de fluorescences vont présentés des différences importantes suivant l’environnement du système ou même suivant les substituants utilisés. Ce type de propriété est crucial dans le domaine des matériaux organique, afin de pouvoir comprendre et designer des matériaux qui présentent des propriétés optiques choisis tells que les marqueurs fluorescents dans le domaine médical par exemple.Notre stratégie pour étudier la réactivité photochimique est la suivante: *Explorer la surface d’énergie potentielle et optimiser les points spécifiques avec des calculs de chimie quantiques. Dans un premier temps, on a utilisé des méthodes CASSCF/CASPT2 et la méthode PCM pour décrire les effets de solvant. * Génération des surfaces d énergies potentielles exprimer sous la forme de fonctions analytiques des coordonnées nucléaires. * Résolution de l’équation de Schrödinger dépendant du temps pour les noyaux et pour tout les derges de libertés de la molécule. Cette étape est faite à l’aide de la méthode multilayer multiconfiguration time-dependent hartree (ML-MCTDH). / Over the last decades, progress in experimental techniques combined with theoretical simulations has given access to studying and controlling the photochemical reactivity of large molecular systems with numerous technological applications. 3-hydroxychromone and aminobenzonitrile-like molecules are an example where different fluorescence patterns are observed, depending of the solvent or its substituents. Such properties are crucial in the field of organic materials to understand and design materials with specific optical properties such as fluorescent markers.Our strategy to study the photochemistry reactivity is summarised as follows: * Exploring the potential energy surfaces and optimising specific points with quantum chemistry calculations. In a first stage, these are run at the CASSCF/CASPT2 level of theory with a polarised extended basis set, and the solvent effect is described implicitly with the PCM model. * Generating the full dimension potential energy surfaces as analytical functions of the nuclear coordinates.* Solving the nuclear time-dependent Schrödinger equation for all the degrees of freedom. This is achieved with the multilayer Multi-Configuration Time-Dependent Hartree method (ML-MCTDH).

La densité de puissance est devenue la principale préoccupation lorsqu'un circuit numérique est conçu. Comme pour tous les systèmes embarqués, chaque nouvelle génération de système numérique a plus d'applications que la précédente et exige en fin de compte une plus grande densité de puissance. C'est pourquoi de nombreux chercheurs et concepteurs industriels se sont penchés sur de nouvelles méthodes de réduction de la consommation énergétique des circuits numériques. La logique adiabatique est un style de conception prometteur qui peut réduire la dissipation d'énergie dynamique. La logique adiabatique est différente de la logique conventionnelle en deux principaux points : 1) l’alimentation d’une porte logique adiabatique est un signal à 4 phases, et 2) l’énergie stockée dans la porte est récupérée. Afin de respecter ces principes, la logique adiabatique nécessite une alimentation spéciale. Étant donné que l’objectif d’une telle alimentation est d’agir comme une horloge, elle est appelée alimentation-horloge. L'objectif de cette thèse est de concevoir et d'optimiser une alimentation-horloge ainsi que son réseau de distribution. Cette thèse a été financée par l'Agence Nationale pour la Recherche, ANR, avec le projet ADIANEMS2 (numéro de subvention : ANR-15-CE24-0013). / Power density has become the primary concern when a digital core is designed. As in any embedded systems, each new digital core generation has more applications than the previous one and ultimately demands more power density. This is why many researchers and industrial designers have been looking into novel methods for reducing power consumption of digital circuit. Adiabatic logic is a promising design style, which can reduce the dynamic energy dissipation. Adiabatic logic is different than conventional logic in two main points: 1) adiabatic gate are charged with a 4-phase power signal, and 2) the energy, which is stored in the gate, is recovered. In order to fulfill these principles, the adiabatic logic needs a special power supply. As the purpose of such supply is to act as a clock also, it is referred as power-clock supply. The aim of this thesis is to design and optimize a power-clock supply and its delivery network. This thesis has been funded by the French National Research Agency, ANR, with the project ADIANEMS2 (Grant number: ANR-15-CE24-0013).

Aujourd'hui, il n'existe pas d'étalon de référence pour la grandeur physique des pressions dynamiques infrasonores. La demande d'étalonnage d'une telle grandeur est apparue récemment, en réponse à des problématiques du domaine de la géophysique, étudiant la propagation d'ondes acoustiques dans l'atmosphère entre 20 Hz et 0,001 Hz, soutenue par la surveillance du respect du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaires (TICE). Dans le but de répondre à cet enjeu, cette thèse a pour objectif la réalisation d'un étalon primaire pour cette grandeur. Le contexte métrologique et quelques bancs d'étalonnage existants, utilisant des générateurs de pression dynamique infrasonore, sont présentés. Afin de concevoir le banc d'étalonnage primaire, les réponses en amplitude et en phase du générateur d'infrasons du CEA sont caractérisées analytiquement et expérimentalement. Par ailleurs, le principe de l'étalon primaire basé sur le pistonphone calculable utilise les mêmes modèles d'admittance acoustique de transfert des cavités cylindriques que ceux préconisés pour l'étalonnage primaire des microphones étalons par la méthode de la réciprocité en pression. Les limites des formulations normalisées sont identifiées pour les fréquences inférieures à 100 Hz. Deux solutions alternatives sont proposées, permettant de généraliser la gamme de fréquences au domaine des infrasons. La validité de ces formulations est démontrée expérimentalement. Enfin, à partir de ces travaux, le développement du banc primaire est détaillé, avec son modèle analytique et les choix mécaniques associés. / Currently, there is no reference standard for the dynamic infrasonic pressures physical quantity. The request for calibration of such a quantity has recently appeared, in response to geophysical issues, studying the propagation of acoustic waves in the atmosphere between 20 Hz and 0.001 Hz, supported by the monitoring of the respect of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT). In order to meet this challenge, the aim of this thesis is to realize a primary standard for this quantity. The metrological context and some existing calibration benches, using infrasonic dynamic pressure generators, are presented. To design the primary calibration bench, the amplitude and phase responses of the CEA infrasound generator are characterized analytically and experimentally. In addition, the definition of the standard model is based on the primary method models for pressure calibration of standard microphones in the acoustic pressure range, using cylindrical cavities. The limits of the acoustic transfer admittance standard formulations for these cavities are identified for frequencies below 100 Hz. Two alternative solutions are proposed, allowing the frequency range to be extended to the infrasound domain. The validity of these formulations is demonstrated experimentally. Finally, based on this work, the development of the primary bench is detailed, with its analytical model and the associated mechanical choices.

Dans le contexte énergétique actuel, nous assistons au développement de technologies de production d'énergie « propre ». Ainsi, de nouvelles perspectives comme la conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou la valorisation des déchets sont offertes à la recherche sur les « énergies renouvelables ». Dans ce cadre, nous nous intéressons aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe : les moteurs Stirling et Ericsson.<br />Cette thèse porte tout d'abord sur l'étude d'un petit moteur Stirling sur lequel nous avons mesuré la température instantanée et la pression instantanée en différents points. Les résultats tout à fait originaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus de deux analyses différentes. Nous avons conclu à l'inadéquation de ces modèles.<br />Ensuite, nous avons étudié un système de micro-cogénération basé sur un moteur Ericsson couple à un système de combustion de gaz naturel. Un moteur Ericsson est une machine alternative fonctionnant selon un cycle thermodynamique de JOULE. L'objectif de ce système est de produire 11 kW de puissance électrique ainsi que de la chaleur utile. Dans le but de dimensionner ce système, nous avons réalisé des études énergétique, exergétique et exergo-économique de cet ensemble.

L'approximation de Born-Oppenheimer consiste à traiter de manière semi-classique l'équation de Schrödinger associée à une molécule en utilisant la petitesse du rapport de masse entre électrons et noyaux. Nous montrons que pour un type générique de presque croisement de codimension 1 de deux surfaces d'énergie électroniques, la propagation d'un paquet d'ondes nucléaire gaussien associé à l'une des surfaces est gouvernée par une formule du type Landau-Zener. Par ailleurs, dans le cadre de l'équation de Schrödinger stationnaire unidimensionnelle et en situation de croisement générique de deux courbes d'énergie, nous construisons des quasimodes par intégration d'un paquet d'ondes gaussien propagé le long d'une trajectoire classique périodique associée à l'une des deux courbes d'énergie.

Afin d'augmenter leur productivité, certains industriels de la découpe mécanique s'intéressent à un procédé émergeant : le cisaillage grande vitesse. Pour ce procédé, la vitesse du poinçon atteint 10m/s alors que cette vitesse ne dépasse pas 0,1 m/s pour le cisaillage conventionnel. Cependant, même si la qualité des découpes obtenues se rapproche celle du cisaillage fin, l'apparition de phénomènes dynamiques mal compris rend aujourd'hui délicat le déploiement du cisaillage grande vitesse. Dans ce travail de thèse nous proposons d'aller vers une meilleure maîtrise de ce procédé en utilisant aussi bien des moyens expérimentaux que numériques. Ainsi un dispositif expérimental instrumenté a été mis au point afin d'observer finement les phénomènes présents lors de la découpe. Ce dispositif conserve des similitudes avec les moyens industriels et comprend notamment un poinçon dont la section varie et une matrice solidaire d'un tube de Hopkinson pour la mesure des efforts de cisaillage. Cette mesure a comprend un traitement spécifique afin de corriger des effets dynamiques présents dans la matrice. Ce traitement, qui nécessite une calibration du banc, a été validé grâce à une modélisation numérique unidimensionnelle. Des observations du faciès de rupture ont permis de mettre en évidence la présence de bandes de cisaillement adiabatiques, signature d'une augmentation localisée importante de la température. Par ailleurs, une modélisation thermomécanique du comportement de l'acier C40 (loi de Johnson-Cook) a été réalisée et utilisée dans un code de simulation utilisant une approche C-NEM (Constrained Natural Element Method) pour reproduire les cisaillages observés sur le banc. Une étude comparative simulation/expérimentation a ainsi pu être effectuée.

Ces trois années de thèse balayent la conception, la fabrication et la caractérisation de lasers III V sur silicium à 1.31 µm pour les data-communications. Le design des sources englobe notamment l’optimisation du couplage entre l’empilement III V et le silicium, effectué grâce à un taper adiabatique, ainsi que l’étude de la cavité laser inscrite, comme le taper, dans le silicium. Trois types de cavités à base de réseaux ont été étudiées: les cavités à contre-réaction distribuée (DFB pour distributed feedback), celles à réseaux de Bragg distribuées (DBR pour distributed Bragg reflector) et enfin celles à réseaux de Bragg échantillonnées (SGDBR pour sampled-grating DBR). Deux solutions ont été abordées concernant les lasers DFB: le réseau, inscrit dans le guide silicium sous la zone de gain, est soit gravé au-dessus du guide Si, soit sur les côtés. La seconde possibilité, appelée ‘DFB lasers couplés latéralement’, simplifie la fabrication et élargit les possibilités de design.Les lasers DFB fabriqués sont très prometteurs en terme de puissance (avec jusque 20 mW dans le guide) ainsi que pour leur pureté spectrale (avec une différence de plus de 50 dB entre le mode principal et le mode suivant). Une accordabilité spectrale de plus de 27 nm a été obtenue en continu avec les lasers SGDBR tout en conservant une très bonne pureté spectrale et une puissance de plus de 7 mW dans le guide. / This 3 years work covers the design, the process and the characterization of III-V on silicon lasers at 1.31 µm for datacommunication applications. In particular, the design part includes the optimization of the coupling between III V and Si using adiabatic tapers as well as the laser cavity, which is formed within the Si. Three types of lasers were studied, all of them based on cavities which consist of gratings: distributed feedback (DFB) lasers, distributed Bragg reflector (DBR) lasers and finally sampled-grating DBR (SGDBR) lasers. Regarding the DFB lasers, two solutions have been chosen: the grating is either etched on top or on the edges of the Si waveguide to form so called vertically or laterally coupled DFB lasers. The latter type, quite uncommon among hybrid III V on Si technologies, simplifies the process fabrication and broadens the designs possibilities.Not only the lasers demonstrated show high output powers (~20 mW in the waveguides) but also very good spectral purities (with a side mode suppression ratio higher than 50 dB), especially for the DFB ones. The SGDBR devices turn out to be continuously tunable over a wavelength range higher than 27 nm with a good spectral purity as well and an output power higher than 7 mW in the waveguide with great opportunities of improvement.

Lorsqu'un matériau est soumis à une sollicitation mécanique rapide, une partie de l'énergie mécanique est convertie en énergie thermique et une autre partie est stockée dans le matériau (energy of cold work). Dans le cas où la vitesse de déformation est très élevée, il peut se produire un phénomène de localisation accompagné d'une élévation importante de la température. Celle-ci peut atteindre localement des valeurs proches de la température de fusion du matériau. Ce phénomène appelé cisaillement adiabatique possède de nombreuses applications : usinage à grande vitesse, balistique, projection cold-spray... L'énergie thermique émise est une valeur observable, elle est utilisée depuis quelques années pour essayer de comprendre les mécanismes d'endommagement. Nous avons mis au point un dispositif capable de mesurer la température dans les bandes de cisaillement. L'utilisation combinée d'une caméra à balayage de fente fonctionnant aux courtes longueurs d'ondes et d'une barrette de 32 détecteurs fonctionnant dans l'infrarouge nous permet de limiter les incertitudes. Un programme d'inversion a été développé afin de caractériser le terme source thermique. Des mesures de température ont aussi été effectuées sur des matériaux énergétiques composites afin de mieux comprendre les mécanismes de réaction. / When a material is subjected to a mechanical loading, part of the energy will be transformed into thermal energy and another part will be stored inside the material énergy of cold work). In the case of a dynamic loading, a localization phenomenon may occur accompanied by a significant rise in temperature which can locally reach values close to the melting point of the material. This phenomenon called adiabatic shear has many applications: high-speed machining, ballistics, cold-spray , blanking... The emitted thermal energy is an observable value which has been used in the past years in order to better understand the failure mechanisms. We have developed a device able to measure the temperature in the shear bands. The combined use of a short-wavelength streak camera and a 32- infrared detectors array allows us to limit uncertainties. An inversion program has also been developed to identify the thermal source term. Temperature measurements were also performed on composite energetic materials to better understand the reaction mechanisms.