Le graphène et les nanotubes de carbone, assimilés à des nano-systèmes graphitiques, partagent des propriétés mécaniques, optiques, électroniques et vibrationnelles uniques. Associant faible masse, grande rigidité et comportement semi-transparent, des membranes de 10 à 100 couches de graphène ont été suspendues au dessus d'un substrat réfléchissant, formant ainsi un résonateur mécanique couplé à une cavité optique. Le projet de cette thèse repose sur les diffusions élastiques et inélastiques de la lumière pour sonder les contraintes mécaniques et les effets thermiques dans ces nano-systèmes graphitiques. Ce type de mesure repose sur la spectroscopie Raman, sensible aux phonons optiques du matériau sondé. Un premier aspect du présent projet de thèse porte sur l'utilisation de cavités optiques à base de graphène comme élément de base pour constituer un système hybride. Après avoir déposé une couche de molécules à la surface de ces membranes, nous avons montré que le signal Raman des molécules est exalté par un effet d'interférences optiques constructives. Nous avons mis en évidence la possibilité de moduler ce signal en se déplaçant le long de l'échantillon, ou en variant la position de la membrane à l'aide d'une actuation électrostatique. De plus, on peut observer des effets thermiques importants associés aux phénomènes d'interférences optiques dans ces membranes à base de graphène. Le second axe de cette thèse est la détection du mouvement et des contraintes mécaniques dans un résonateur graphitique (membranes de graphène multicouche, nanotubes, etc.). Au travers d'expériences menées sur des membranes suspendues de graphène multicouche, nous avons détecté la résonance mécanique de deux façons : en analysant la modulation de la lumière réfléchie et en mesurant les variations de la réponse Raman du résonateur. Cette détection, reposant sur l'augmentation des contraintes mécaniques à résonance, associe le mouvement mécanique du résonateur à un décalage en énergie des photons Raman et représente un schéma original de couplage optomécanique.

La Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un outil de mesure de vitesse particulaire non-invasif couramment utilisé en mécanique des fluides qui reste cependant encore marginal en acoustique. L'accès à l'information de vitesse particulaire acoustique permet de caractériser les champs acoustiques complexes, autorisant l'étude de phénomènes acoustiques au voisinage de parois vibrantes ou de discontinuités gémométriques par exemple.<br />L'application de la VLD à l'acoustique de l'audible pour des niveaux allant de 60 à 120 dBSPL en présence de faibles écoulements (quelques mm/s) constitue le domaine d'investigation du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine depuis le milieu des années 90. Les méthodes de traitement du signal aujourd'hui implémentées sur le banc de mesure appartiennent à la famille des méthodes temps-fréquence donnant accès à la loi de fréquence instantanée (proportionnelle à la vitesse) de la particule lors de son passage dans le volume de mesure. Ces méthodes ont été développées et validées expérimentalement sur une seule bouffée Doppler en présence de très faible écoulement conduisant à une loi de variation de la vitesse de plusieurs périodes acoustiques.<br />L'objectif de cette thèse est double. Dans un premier temps, il vise à développer un traitement de signal qui permette d'estimer la vitesse acoustique à partir de l'analyse de plusieurs bouffées. Dans un deuxième temps, il vise à utiliser la VLD pour estimer une pression acoustique à partir des vitesses acoustiques mesurées au voisinage d'un structure (d'un microphone).<br />La première partie du travail consiste à développer et valider une méthode de traitement du signal, basée sur l'utilisation de la transformée en ondelette, capable de détecter, localiser, classifier (simple ou multiple) les bouffées contenues dans un signal bruité et propose une méthode d'estimation des paramètres acoustiques et de vitesse d'écoulement par utilisation d'une méthode des moindres carrés appliquée au signal de fréquence instantanée estimé suite à la détection des bouffées.<br />La deuxième partie de cette thèse permet d'initialiser des travaux, en collaboration avec le laboratoire d'acoustique d'Edimbourg, sur l'étalonnage de microphone en champ libre par mesures de vitesses acoustiques VLD.<br />Une première étude de faisabilité d'estimation de la pression à partir de mesures de vitesses à une dimension est menée, permettant d'envisager un étalonnage des microphones à réponse en pression. Puis, dans un second temps, une approche analytique basée sur la formulation intégrale de Green propose de développer un modèle à deux dimensions du champ de pression en fonction de la vitesse au voisinage très proche du microphone dans le but d'étalonner les microphones en champ libre.

Les problèmes d'optimisation et de satisfaction de contraintes sur des ensembles de variables discrètes sont l'objet principal de la complexité algorithmique. Ces problèmes ont récemment bénéficié des outils et des concepts de la physique des systèmes désordonnés, à la fois théoriquement et algorithmiquement. En particulier, il a été suggéré que les difficultés pratiques soulevées par certaines instances dures de problèmes d'optimisation sont liées à la structure fragmentée de leur espace de solutions, qui rappelle une phase vitreuse. Parallèlement, les codes de correction d'erreur de pointe, qui peuvent être ramenés à des problèmes d'optimisation, reposent sur la séparabilité de leurs messages afin d'assurer une communication fiable. L'objet de cette thèse est d'explorer, dans un cadre commun, cette relation entre les propriétés d'inférence et l'organisation géométrique, dans les problèmes issus de la complexité algorithmique et de la théorie de l'information.<br /><br />Après une introduction physique des problèmes et des concepts liés aux domaines sus-évoqués, les méthodes de passage de messages, basées sur l'approximation de Bethe, sont introduites. Ces méthodes sont utiles d'un point de vue physique, car elle permettent d'étudier les propriétés thermodynamiques d'ensemble d'instances aléatoires. Elles sont également utiles pour l'inférence. L'analyse de spectres de distances est ensuite effectuée à l'aide de méthodes combinatoires et de passage de messages, et mises à profit afin de prouver et l'existence de la fragmentation dans les problèmes de satisfaction de contraintes, et d'en étudier les aspects importants.

Le bruit dans l'environnement et dans l'habitat est une préoccupation majeure pour la population. Les entreprises, dans des secteurs aussi variés que l'automobile, l'électroménager ou l'aéronautique, travaillent de plus en plus la sonorité de leurs produits. Pour réduire les bruits, une des solutions est l'utilisation de matériaux absorbants acoustiques passifs, comme les mousses, les laines de verre ou de roche. D'autres matériaux offrent des propriétés absorbantes du fait de leur réactivité. Il s'agit de matériaux comportant par exemple des cavités résonnantes. Dans cette catégorie, les matériaux de type nids d'abeilles (NIDA) sont de plus en plus employés, non seulement pour leur rapport rigidité/poids particulièrement intéressant d'un point de vue mécanique, mais aussi pour leurs propriétés acoustiques, notamment dans les nacelles des réacteurs d'avions. Cependant, les phénomènes physiques intervenant dans cette atténuation ne sont pas bien connus et la maîtrise des comportements acoustiques de ces matériaux, à partir de leur dimensionnement, n'est pas totalement acquise. En ce sens, les travaux de recherche présentés dans cette thèse se veulent une contribution à la détermination de phénomènes physiques relatifs au comportement de cavités de Helmholtz et de matériaux NIDA lorsqu'ils sont soumis à diverses sollicitations: une onde acoustique, une onde acoustique couplée à un écoulement d'air, ou encore, à des vibrations. Cette étude, largement guidée par l'expérimentation, a nécessité la conception et la réalisation de nombreux bancs d'essais afin de comprendre et de mesurer les divers phénomènes pour valider les théories que nous avons proposées. Une nouvelle approche est élaborée dans la modélisation de matériaux NIDA qui prend en compte l'influence des cavités résonnantes de la structure par une analogie mécanique et, les résultats de la simulation sont comparés à ceux de l'expérimentation. La méthodologie des plans d'expériences a été utilisée pour rechercher les rapports de forme des cavités optimisant l'atténuation sonore globale. Enfin, une théorie novatrice sur les phénomènes physiques intervenant dans l'atténuation sonore provoquée par des cavités soumises à la fois à un écoulement d'air et à une onde acoustique est développée. Les expérimentations permettent de valider l'hypothèse selon laquelle il existe un contrôle réactif par auto-adaptation de la réponse de la cavité à l'excitation acoustique extérieure.

La source laser pour le détecteur d'ondes gravitationnelles VIRGO a été conçue pour délivrer un faisceau stable, continu, mono mode de 20 W à 1.064 μm. Je rappelle dans un premier temps les principales contraintes auxquelles doit répondre la source laser. Je décris ensuite l'architecture du système et les techniques utilisées pour stabiliser le faisceau. Enfin je donne les principales performances obtenues jusqu'en juillet 2002 : puissance de 2.7W avec un niveau de stabilité en fréquence de 500 Hz rms pour un cycle utile de plus de 90%. Dans un second temps, j'étudie les principales sources de bruits et les processus de couplages pouvant expliquer le manque de stabilité du système. Je montre ainsi que le contrôle local utilisé contribue à augmenter le bruit de fréquence et de puissance jusqu'à 10 Hz. Des résonances mécaniques sont identifiées entre 10 Hz et 1 kHz. Ainsi la simplification de l'un des bancs devrait permettre au système de respecter les contraintes.

Dans ce travail de thèse, on aborde la manifestation des effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité (EDQC) dans le domaine THz. Le domaine THz est définie comme la région des fréquences entre 300 GHz et 30 THz (longueurs d'onde entre 10 µm et 1000 µm). Les sources que nous employons pour la génération rayonnement THz sont des cascades quantiques électroluminescentes<br />GaAs/GaAlAs.<br /><br />Les longueurs d'ondes rayonnées (l ~100 µm) sont ainsi beaucoup plus grandes que l'épaisseur typique des émetteurs (~1 µm). Dans ces conditions, lorsque la source est mise dans une cavité métallique planaire, le taux de l'émission spontanée croît comme l'inverse de l'épaisseur de la cavité.<br /><br />Le travail de thèse comporte d'abord un analyse théorique des dispositifs. Le taux d'émission spontanée est étudié à la fois dans le formalisme classique du champ rétro-réfléchi, et dans le<br />formalisme quantique du règle d'or de Fermi. Pour la dernière approche on a développé une méthode numérique pour le calcul et la normalisation des modes optiques supportés par un système<br />multicouches quelconque, qui peut être appliqué à l'étude des dispositifs lasers. L'analyse des cavités planaires sub-longueur d'onde permet de distinguer un effet "utile", qui porte sur le mode TM_0 guidé dans la cavité, et un effet d'absorption, associé aux plasmons de surface supporté par les<br />couches de contact dopées qui sont nécessaires pour l'injection électrique dans la cascade quantique.<br /><br />Le problème d'extraction de l'émission de la cavité est ensuite analysé. Pour cela on étudie un dispositif photonique de nouveau type, la "cavité complexe", dans lequel on a remplacé le miroir<br />métallique supérieur par un réseau métallique. Un modèle de diffraction conique général est développé pour cette étude. Ce modèle a été vérifié dans le domaine THz par mesures de transmission. Il est appliqué dans le cas de rayonnement dipolaire à l'intérieur de la cavité complexe. Le comportement de la puissance extraite de la cavité en fonction de la période du réseau et de l'épaisseur de la cavité permet de reconnaître les effets d'Électrodynamique Quantique en Cavité dans le domaine THz.<br /><br />Pour la mise en évidence expérimentale des effets EDQC, nous avons fabriqué et étudié des cavités complexes avec une cascades quantique. La croissance de type MOCVD, peu exploitée jusqu'à<br />maintenant pour la fabrication des dispositifs à cascade quantique, a été mis au point avec la perspective de réalisation des dispositifs lasers. Notre étude expérimentale confirme les<br />prévisions théoriques. Un facteur de renforcement de l'émission spontanée de ~ 50 est démontré pour la structure de l'épaisseur la plus faible 0.4 µm. Nous avons ainsi mis en évidence, pour la première fois, l'effet de réduction de l'épaisseur du dispositif rayonnant sur l'émission spontanée dans<br />le domaine THz.<br /><br />Parmi les perspectives sur lesquelles cette étude débouche, on peut citer la réduction de la taille latérale des dispositifs pour obtenir un effet Purcell 3D, et également l'exploitation du plasmon des couches des contact dopées pour la conception et la fabrication des dispositifs photoniques THz compacts de nouveau type.

Les effets des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle sont étudiés en régimes transitionnel et turbulent. On considère des mélanges air/H2O/CO2 confinés dans des cavités cubiques différentiellement chauffées. Des simulations numériques de référence sont entreprises jusqu'à Ra=3x108 en couplant une méthode spectrale de collocation pour l'écoulement et une méthode de lancer de rayons, associée à un modèle ADF, pour le rayonnement. Pour l'étude du régime turbulent, une modélisation des transferts radiatifs basée sur un filtrage spatial est proposée : les contributions filtrées sont résolues par la méthode de lancer de rayons sur un maillage lâche et les contributions de sous-maille sont résolues de manière analytique dans l'espace de Fourier. Ce modèle est combiné à la simulation numérique directe de l'écoulement à Ra=3x109. Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique verticale et d'augmenter la circulation générale. Lorsque les six parois de la cavité sont noires et le gaz transparent, deux zones de stratification thermique instable apparaissent en amont des couches limites verticales. Dès Ra=5x106, une instabilité de type Rayleigh-Bénard se développe dans ces zones, induisant des écoulements instationnaires. Lorsque les parois adiabatiques sont parfaitement réfléchissantes, les parois isothermes noires et le gaz rayonnant, des écoulements instationnaires chaotiques sont obtenus à partir de Ra=3x107. Des rouleaux contra-rotatifs à la sortie des couches limites verticales sont observés, ce qui suggère qu'une instabilité de force centrifuge soit responsable de la transition.

Pour élargir le domaine fréquentiel d'analyse vibroacoustique des méthodes éléments finis et de la SEA (Statistical Energy Analysis), la Méthode Énergétique Simplifiée MES utilisant des variables quadratiques permet de considérer aussi bien les moyennes que les hautes fréquences. Cette méthode est basée sur une analyse des ondes propagatives vibratoires et acoustiques. Dans ce travail, la formulation inverse de la MES est proposée. A partir d'un vecteur de densité d'énergie et intensité vibroacoustique données, la formulation MES inverse permet de remonter aux sources. Elle permet d'identifier les sources de vibration dans des systèmes bidimensionnels (plaque excitée en flexion,...) et les sources acoustiques dans des systèmes tridimensionnels (cavité acoustique excitée,...). La formulation MES inverse est numériquement validée dans plusieurs cas de figures. Une analyse paramétrique est effectuée afin de tester la robustesse et l'efficacité de cette approche. Par exemple, la sensibilité avec les données d'entrée ou à la nature des sources envisagées est traitée.Une comparaison entre les résultats numériques obtenus par la MES et ceux obtenus par la SEA est abordée permettant de présenter les avantages de la MES au niveau de l'identification des sources. Une application industrielle de la MES inverse est réalisée dans le cadre de ce travail. Elle montre la fiabilité de la méthode pour le cas d'une cabine excitée par un bruit blanc. Finalement, la MES est utilisée pour réduire les nuisances sonores détectées dans les cabines. Un programme d'optimisation est développé permettant de trouver la meilleure répartition des absorbants et de définir leurs caractéristiques.

Nous présentons dans cette étude le développement de la convection à partir de différentes perturbations de l'état conductif d'une couche fluide confinée dans une cavité cylindrique, chauffée par le bas et avec une surface supérieure libre. La discrétisation spatiale du domaine repose sur la méthode des éléments spectraux et les itérations temporelles sont assurées par une méthode splitting.Au déclenchement de la convection, les structures convectives correspondent à des modes de Fourier, et les seuils critiques dépendent du rapport de forme de la cavité, et des nombres de Biotet de Marangoni qui caractérisent la surface libre. Les transitions d'écoulements au-delà du seuil primaire sont caractérisées quantitativement en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes valeurs du nombre de Biot et Ma = 0. Les résultats présentés sont obtenus en résolvant l'ensemble des équations non-linéaires de conservation à travers une méthode de continuation. Lorsque la convection se déclenche sous la forme d'un mode axisymétrique m = 0, l'évolution non-linéaire montre la coexistence de différentes structures convectives, des structures axisymétriques avec écoulement montant ou descendant au centre de la cavité et des structures correspondant à des combinaisons de modes qui apparaissent sur des branches secondaires sous-critiques.L'action d'un champ magnétique constant est ensuite étudiée pour des fluides conducteurs dans une même configuration comprenant une surface supérieure libre. Nous montrons l'effet stabilisateur du champ magnétique sur les seuils primaires ainsi que son action sélective sur les différents modes de convection. Nous analysons l'évolution des structures convectives au delà de ces seuils et montrons comment le champ magnétique modifie les transitions entre ces structures.En soumettant le bain fondu à un champ magnétique tournant, le mouvement de rotation du fluide se superpose aux mouvements de convection thermique et on observe une diminution des fluctuations de température et un retard du déclenchement de l'instabilité de Rayleigh-Bénard(lorsque les deux parois haut/bas du bain sont rigides). La rotation influe sur ce déclenchement qui de stationnaire devient oscillatoire, à l'exception du mode m = 0 de Fourier, pour qui la transition reste stationnaire jusqu'à une certaine valeur critique du nombre de Taylor magnétique.La dynamique de l'écoulement axisymétrique de part et d'autre de cette valeur critique sera étudiée en détail.

Cette thèse présente la réalisation d'un dispositif expérimental pour la détection d'atomes, sur une puce atomique, avec une micro-cavité optique. La puce atomique est un substrat sur lequel des fils et la cavité optique sont fabriqué par des techniques de lithographie. La puce permet de piéger, de manipuler et de transporter des atomes grâce aux potentiels magnétiques générés par les courants électriques qui traversent ces fils. La puce permettra à terme de transporter les atomes vers la microcavité optique où ils peuvent être en interaction forte avec la lumière de la cavité. Le résonateur est construit à partir d'un guide d'onde sur lequel des miroirs sont déposés aux extrémités. Une tranchée est creusée dans le guide d'onde pour que les atomes puissent interagir avec le champ électromagnétique. Ce manuscrit présente la fabrication et la caractérisation d'une telle cavité. Une étude théorique du résonateur a permis d'estimer la finesse et la figure de mérite du système atome-cavité. Les calculs montrent que la microcavité peut permettre dans certains cas de détecter des atomes uniques.