Les nuages, le lait, le papier, les tissus biologiques appartiennent tous à une même classe de milieux que l'on nomme diffusants de part leur habilité à transformer une onde incidente collimatée en un faisceau diffus. L'imagerie, ou le transfert d'information à travers ces milieux est a priori plus difficile qu'en milieu homogène, et les méthodes actuelles nécessitent une caméra en transmission du milieu complexe considéré. La présence de cette caméra est souvent considérée comme une faille de ces méthodes car la transmission de ces milieux est souvent hors d'atteinte par l'opérateur. Dans cette thèse nous posons la question du lien qui existe entre la lumière réfléchie et la lumière transmise en milieux fortement diffusant. Nous traitons ce problème de manière statistique et nous intéressons à la dépendance statistique qui existe entre la lumière réfléchie et la lumière transmise. Nous verrons que ce lien statistique persiste même pour des milieux fortement diffusants. Ce lien statistique peut être a la base de nouvelles méthodes de contrôle du front d'onde en milieux diffusant n'utilisant que des informations réfléchies par le milieu, permettant l'imagerie, le dépôt d'énergie ou d'informations à travers des milieux fortement diffusants. / Clouds, milk, paper or biological tissues are called scattering media for light. Indeed when a plane wave encounters one a these media, the light is scattered and looses its preferential direction. Consequently, imaging through these media is more difficult than in homogeneous media. The existing methods rely on a CCD camera measuring the transmitted light. Nonetheless, the transmitted side of the sample is most of the time out of reach of the operator. In this thesis we interest ourselves to the link that exists between the reflected light and the transmitted light for thick scattering media. From a statistical point of view, this link is equivalent to the statistical dependency between the reflected light and the transmitted light. We show that the statistical dependency persists even for very thick media allowing us to propose new imaging modalities based on it. This statistical dependency between the reflected and the transmitted light is a very rich function of the parameters of the system, and may allow us to control the transmitted light using reflected information only.

Diffusion multiple et non linéarité sont deux phénomènes antagonistes en acoustique, ilest ainsi rare d’observer un couplage de ces deux effets. En acoustique, les effets non linéaires sontimportants souvent lorsqu’ils sont cumulatifs, or la diffusion multiple modifie la relation de dispersiondu milieu et empêche ainsi ce caractère cumulatif. Les bulles sont connues pour avoir un comportementnon linéaire. Elles sont aussi de très bons diffuseurs avec une section efficace de diffusion qui est trèsgrande devant leur section efficace géométrique notamment à leur fréquence de résonance. Les milieuxbulleux semblent ainsi de bons candidats pour observer de la diffusion multiple en régime non linéaire.Trois régimes sont observables dans un milieu bulleux : un régime basse fréquence auquel les effetsnon linéaires sont importants et cumulatifs mais sans diffusion multiple, un régime à la fréquence derésonance des bulles auquel les effets non linéaires ne sont pas cumulatifs mais restent quand mêmeélevés tout comme la diffusion bien qu’atténuée par l’absorption du milieu, et enfin un régime hautefréquence pour lequel les effets de diffusion multiple sont importants mais les effets non linéaires sontabsents. Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur la modélisation et l’expérimentation desrégimes à la fréquence de résonance et à haute fréquence. A haute fréquence, l’observation d’une codadans les milieux bulleux est modélisée par une équation de diffusion. A la fréquence de résonance, lamodélisation, validée par les expériences, conduit ensuite à des applications qui sont : le doubleur defréquence, la diode acoustique et le miroir à conjugaison de phase. / Multiple scattering and non linear effects are antagonists so it is not commun to observea coupling of those two effects. In acoustics, non linear effects are important when they are cumulative,therefore dispersion relation is modified by multiple scattering and non linear effects cannotbe cumulative. Bubbles are known to have a non linear behavior and also to be good scatterers witha scattering cross section higher than the geometric cross section at resonance frequency. Therefore,bubbly media seem to be good to observe multiple scattering in non linear regime. A bubbly-mediumhas three different regimes. At low frequency, non linear effects are important and cumulative butthere is no multiple scattering effects. At bubbles resonance frequency, non linear behavior and alsomultiple scattering effects are important but the non linear effects cannot be cumulative. At high frequency,multiple scattering effects are important but without no non linear effects. The experimentsin this thesis show, on the one hand, a high frequency wave propagating in a bubbly-medium andon the other hand, the resonance frequency wave propagation. At high frequency, a coda is observedin experiment and modeled by a diffusion equation. At resonance frequency, the model, confirmed bythe experiments, leads us to some applications : acoustic frequency doubler, acoustic diode and phaseconjugation mirror.

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Dans les milieux fortement hétérogènes, les ondes ne se propagent pas de façon balistique. Elles peuvent interagir de nombreuses fois avec les hétérogénéités du milieu et entrer ainsi dans le régime de diffusion multiple. Dans ce régime, les méthodes classiques d'imagerie basées sur les trajets des ondes directes ou simplement diffusées sont inefficaces. Les formes d'ondes multiplement diffusées (coda) sont trop complexes pour être modélisées exactement mais elles sont parfaitement reproductibles et très sensibles aux variations du milieu de propagation. Des travaux récents ont démontré la possibilité de mesurer de faibles changements de vitesse d'un milieu grâce aux ondes diffuses, à l'échelle de la croûte terrestre (coda sismique) comme à l'échelle des matériaux (coda ultrasonore). Ces travaux s'intéressent majoritairement à des changements globaux ou régionaux des différents milieux. La problématique de cette thèse concerne la possibilité d'utiliser la coda pour étudier des changements locaux du milieu. Deux études complémentaires sont développées : Le problème direct consiste à modéliser les variations de la coda engendrées par un changement local. Nous distinguons le cas d'un changement local de structure (fort contraste d'impédance) du cas d'un changement local de vitesse (faible contraste d'impédance). Le problème inverse consiste à utiliser les mesures de variations de la coda pour tenter de localiser et de caractériser les changements survenus. Les applications potentielles de ces travaux concernent entre autres le suivi temporel de structures géologiques ainsi que le contrôle non destructif de matériaux hétérogènes. Avec cet objectif, les différentes méthodes développées sont illustrées par des simulations numériques d'ondes acoustiques et sismiques ainsi que par des expériences en ultrasons dans des éléments en béton.

Des matériaux poreux à architecture complexe et de couleur blanche ont été synthétisés, en combinant la physico-chimie des fluides complexes (émulsions, mésophase lyotropes) avec la chimie sol-gel. Ce procédé est connu sous le nom de chimie intégrative. En contrôlant la taille des objets diffusants (diamètres des pores) et en augmentant l’indice de réfraction, nous souhaitons augmenter le caractère diffusant de ces matériaux, générant ainsi diffusion et localisation de la lumière. Toutes les caractérisations structurales et optiques ont été réalisées. En utilisant des modèles physiques, nous avons analysé les résultats et obtenu les paramètres critiques de transport (transport moyen, longueur d’onde d’adsorption et constante du diffusion). Ces matériaux présentent un fort comportement multidiffusif et éventuellement de localisation de la lumière. Ces matériaux très diffusants sont des candidats pour la génération de lasers aléatoires. Dans cette optique, nous les avons infiltrés avec de la rhodamine-6G (chromophores) et quantifié leurs propriétés comme lasers aléatoires. / Disordered, porous, white, hierarchical materials have been synthesized using a sol-gel process combined with the physical chemistry of complex fluids (emulsion, lyotrope mesophase). The whole process is known as integrative chemistry. By tuning the size of the scatters (pore diameters) and increasing the refractive index contrast, we want to increase the scattering strength of our materials, thus promoting light scattering/localization. The structural and optical characterizations have been performed. By using well established theories, we have analyzed our results and obtain the transport parameters (transport mean free path, absorption length and diffusion constant). The materials exhibit a strong multiple-diffusive behavior and an eventual localization of light. These strongly scattering materials would be of potential interest for random lasing applications. Therefore, we infiltrated them with Rhodamine 6G laser dyes and quantified their random lasing performances.

Ce travail de thèse présente une étude numérique et théorique de l’influence des effets coopératifs sur la localisation de la lumière dans des vapeurs atomiques, suivie d’une étude expérimentale de ces effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple dans des nuages d’atomes froids dilués. Le premier chapitre décrit le modèle que nous utilisons, basé sur l’Hamiltonien effectif d’interaction matière rayonnement, afin d’étudier numériquement la localisation de la lumière et les effets coopératifs. Nous discutons également des différences fondamentales existant entre la situation réelle où la lumière est assimilée à une onde vectorielle et l’approximation scalaire plus facile à traiter analytiquement. Le deuxième chapitre se concentre sur la présentation des résultats numériques complétée d’une comparaison systématique entre les cas scalaire et vectoriel. Nous remarquons dans cette partie que l’approximation scalaire, valable dans la limite des milieux spatialement dilués, présente des différences drastiques avec le cas vectoriel lorsque nous considérons des milieux spatialement denses. Nous n’observons pas également d’indications suffisantes nous permettant de discriminer le fait que les effets coopératifs ne soient pas à la base des mécanismes de localisation de la lumière. Dans la dernière partie nous nous intéressons expérimentalement aux signatures des effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple en confrontant à nos résultats expérimentaux plusieurs approches théoriques tenant compte ou pas des effets d’interférences. / In this thesis we present a numerical and theoretical study of the interplay between cooperative effects and light localization in atomic vapour, completed by an experimental study of these cooperative effects for dilute cold atom clouds in the multiple scattering regime. The first chapter describes the model we use, based on the light matter effective Hamiltonian, in order to investigate numerically light localization and cooperative effects. We also discuss the fundamental differences existing between the real situation where light is considered as a vector wave and its scalar approximation easier to treat analytically. The second chapter focuses on the numerical results where we compare systematically the scalar and the vector cases. We show that the scalar approximation, valid for spatially dilute systems, leads to drastic differences compared to the vector case when we consider spatially dense clouds. We also do not observe sufficient proofs to establish that cooperative effects are not at the origin of light localization mechanisms. In the last chapter we investigate experimentally the signatures of cooperative effects in the multiple scattering regime, comparing our results to several theoretical approaches taking or not into account interference effects related to the wave nature of light.

Le but de cette thèse est d'étudier la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux présentant des diffuseurs allongés, et plus particulièrement les alliages de titane comportant des macrozones. Cette étude est menée à l'aide d'un dispositif expérimental constitué d'un transducteur multi-éléments linéaire en rotation autour de son axe, piloté par une électronique multivoie programmable. Le champ rétrodiffusé par un milieu à diffuseurs allongés présente une cohérence spatiale anisotrope et nous montrons que l'intensité rétrodiffusée par un tel milieu dépend de l'orientation du transducteur dans le plan perpendiculaire à la direction d'insonification. Cette dépendance permet de déterminer la direction d'élongation des macrozones, leur taille caractéristique, et de réduire le bruit de structure lors d'un contrôle ultrasonore. Une cartographie en trois dimensions de la direction locale des macrozones est ainsi réalisable en employant deux faisceaux ultrasonores focalisés en un même point selon deux directions différentes. Afin de déterminer le régime de diffusion aux fréquences usuelles de contrôle, nous avons développé, à partir des travaux de thèse d'Alexandre Aubry (UPMC 2008), un indicateur du niveau de diffusion multiple : l'estimateur de la proportion de diffusion simple. Il permet de démontrer que la diffusion multiple est importante dans les alliages de TA6V et Ti17. Nous avons de plus étendu cette méthode au cas d'interfaces eau/solide complexes suffisamment régulières. Enfin, nous proposons une nouvelle visualisation des résultats de simulations de forge permettant d'observer la direction réelle des macrozones et de mieux concevoir les plans de contrôle. / This manuscript is devoted to the study of ultrasonic wave propagation in complex media composed of elongated scatterers, and specifically titanium alloys comprising macrozones. This study is carried out using a linear phased array probe rotating around its axis and driven by a multi-channel programmable amplifier. The ultrasonic field backscattered by elongated scatterers presents an anisotropic spatial coherence and we show that the intensity backscattered by such a medium depends on the angle between scatterers elongation direction and the orientation of the probe in the plane perpendicular to the insonified direction. This dependence allows to determine the macrozones elongation direction and size, and to reduce the structural noise during a non-destructive evaluation. A three dimensional cartography of local elongation direction of macrozones is achievable by using two beams focused at the same point but with different directions of incidence. In order to assess the scattering regime at conventional testing frequencies, we developed a multiple scattering measure: the single scattering proportion estimator, based on Alexandre Aubry’s PhD thesis (UPMC 2008). Applied on TA6V and Ti17 alloys, it showed strong multiple scattering. We further extended this estimator to the case of water/solid complex interfaces. Lastly, we proposed a new visualization of forging simulation results, allowing to directly observe the real macrozones elongation direction and to better design inspection procedures.

La propagation d’une onde ultrasonore de compression au travers d’une distribution de particules solides identiques localisées aléatoirement dans un liquide visqueux est étudiée. La longueur d’onde de l’onde de compression est supposée grande devant le rayon des particules, et les propriétés effectives dynamiques du milieu sont recherchées.Les coefficients de diffusion d’une sphère solide isolée sont étudiés pour différentes polarisations des ondes partielles de mode n incidentes et diffusées. Des expressions approchées en sont données pour tout n dans le régime de diffusion de Rayleigh.Dans le cas de particules sphériques, le milieu est modélisé par un noyau élastique, de même matériau et rayon que les particules, et entouré d’une coque emplie du fluide hôte. L’ensemble est insoné, dans le milieu effectif, par une onde de compression partielle de mode n. Les propriétés effectives sont recherchées par minimisation de la diffusion pour différentes valeurs de n. Le module d’élasticité volumique effectif et la masse volumique effective sont obtenus respectivement à partir des modes n=0 et n=1. Comparée à la formule d’Ament, fondée sur l’équilibre des forces hydrodynamiques et inertielle au niveau de chaque particule supposée rigide, celle obtenue ici fait apparaître un effet de la concentration sur la dépendance fréquentielle de la masse volumique similaire à celui observé, expérimentalement et dans des modèles de diffusion multiple, sur les propriétés effectives des ondes de compression. La méthode d’Ament est ensuite appliquée pour obtenir la masse volumique effective dans le cas de sphéroïdes rigides alignés. / A random dispersion of identical elastic solid particles in a viscous fluid is considered and effective properties, appropriate to the propagation through the medium of an ultrasonic compressional wave of large wavelength compared to the radius of the particles, is investigated.The scattering coefficients of a single spherical particle in a viscous medium are investigated for all combinations of incident and scattered wave types for use in multiple scattering models. Approximate formulae are obtained for the coefficients at n’th partial wave order in the Rayleigh limit. For spherical particles, a core-shell self-consistent model is used, in which the medium is modelled by an elastic core of the same material and radius as the particles, surrounded by a shell of the host fluid, and placed in the effective medium. The radius of the shell is such that the ratio of the core/shell volume is equal to the particle concentration. The dynamic properties of the effective medium are sought by minimising the scattering of the shell for different incident compressional partial wave orders (n).The effective bulk modulus is found from the monopole mode n=0 and the effective mass density from the dipole mode n=1. When compared to Ament’s formula based on local force balance at the particles (assumed rigid), the effective mass density obtained from the core-shell model shows a frequency-dependent effect of concentration similar to that observed in multiple scattering models and experimentally. Ament’s method is then applied to obtain the effective mass density in case of aligned rigid spheroids.

Ce travail de thèse comporte deux parties distinctes, concernant la diffusion d'ondes en milieu atomique.<br />La première partie étudie le problème<br />des niveaux excités d'un atome non-hydrogenoide en champ extérieur. Ce système est très similaire<br />au cas de l'hydrogène dans le même champ extérieur, mais est plus complexe à cause de la diffusion<br />de l'onde électronique sur le coeur ionique non-hydrogenoide. On montre dans cette première partie que la <br />présence du coeur ionique est mathématiquement équivalente à celle d'un ou plusieurs diffuseurs<br />ponctuels. Ceci permet d'obtenir une équation qui, d'une part, autorise un calcul efficace des niveaux <br />d'énergie du système à partir de ceux pour l'atome d'hydrogène dans le même champ extérieur,<br />et qui d'autre part mène à la prédiction des propriétés statistiques des niveaux d'énergie<br />du système, en fonction de celles du système hydrogenoide correspondant. <br /><br />La deuxième partie est consacrée au problème <br />de la diffusion multiple d'une onde lumineuse en milieu atomique, et en particulier à l'étude de l'augmentation<br />cohérente de la rétrodiffusion par un gaz d'atomes refroidis. L'augmentation cohérente de la rétrodiffusion <br />est un effet d'interférence entre des paires de chemins de diffusion multiple, et est un phénomène <br />bien étudié pour des diffuseurs classiques. Dans cette deuxième partie, nous montrons que la prise <br />en compte de la structure interne atomique est essentielle pour la compréhension de la rétrodiffusion cohérente<br />par un milieu atomique,<br />et mène à une diminution significative des facteurs d'augmentation observables. Un calcul explicite de la <br />diffusion simple et de la diffusion double par des atomes est donné, et les résultats sont comparés à des données<br /> expérimentales récentes.