La mise en forme des composites MTP reprend des techniques déjà utilisées pour la mise en forme des pièces thermoplastiques simples comme le thermoformage ou le soudage. Cette thèse a proposé l'étude du procédé de soudage laser des composites à matrice thermoplastiques unidirectionnelles. La technique du soudage laser présente des avantages spécifiques pour des applications industrielles par rapport à d’autres technologies conventionnelles : méthode sans contact, précise et flexible. C’est un procédé facile à automatiser et à contrôler, un soudage rapide (quelques secondes), et une absence de vibration durant le procédé de soudage. Le procédé de soudage laser implique deux pièces composites. Une pièce semi-transparente à la longueur d’onde du laser et l’autre absorbante à la même longueur d’onde. La puissance du faisceau laser est transmise à travers le matériau semi-transparent et est absorbée à l’interface des deux matériaux. Le contact entre les pièces provoque le chauffage à l’interface (un transfert de chaleur par conduction a lieu entre les deux matériaux). Ainsi, la fusion des deux matériaux se produit (la liaison entre les deux parties se produit lorsque T>Tfusion dans ce domaine pour les polymères semi-cristallins et T>Tg pour les polymères amorphes). Cependant durant le procédé quelques difficultés apparaissent : les matériaux sont hétérogènes et anisotropes, cela entraine la divergence du trajet optique du faisceau laser à chaque interface fibre-matrice (phénomène de réfraction) causée par la multiplication des interfaces fibres matrice dans le matériau. Ce qui a en effet une influence sur la distribution de puissance à l'interface de soudure. La puissance de soudage du laser est réduite par cet effet de réfraction. L’obtention d’un joint de soudure de bonne qualité est conditionnée par une bonne compréhension du comportement du matériau sous l’irradiation laser, basée sur une identification, une modélisation des phénomènes optiques et thermiques impliqués. / The composite forming uses technologies being used for the simpler thermoplastic parts forming as thermoforming or welding. This thesis proposed study of transmission laser welding process in unidirectional thermoplastic composites. Transmission Laser Welding technique presents specific advantages for industrial applications over other conventional technologies: the method is accurate, flexible, small heat affected zone, easy to automate and control and non-contaminant, absence of vibration during the welding process (contrary to the ultrasonic welding, friction welding), fast welding speed for welding plastic parts with an acceptable welding time. Transmission Laser Welding of composites involves two joining parts: one semi-transparent to the laser wavelength and the other part is absorbent in the same wavelength. The two parts are positioned together before the welding. The laser beam energy is transmitted through the semi-transparent material and is absorbed within the surface of the second materials. The bonding between the two components the two parts allows the heating of the semi-transparent part by thermal conduction. Thus, melting and fusion of the both materials interface occurs (the bonding between the two parts occurs when T > Tmelt in this area). However, some difficulties are experienced during this process: heterogeneous and anisotropic materials; problems of the laser beam transfer caused by the multiplication of fiber-matrix interfaces in materials. This is highly correlated to the energy arriving at the welding interface. Obtaining of a good quality of welded seam is conditioned by a good understand of material behavior under laser irradiation, based on a clear identification, modeling of optical and thermal phenomena involved.

L'imagerie par tomographie optique diffuse requiert de modéliser la propagation de la lumière dans un tissu biologique pour une configuration optique et géométrique donnée. On appelle cela le problème direct. Une nouvelle approche basée sur la méthode des différences finies pour modéliser numériquement via l'équation de la diffusion (ED) la propagation de la lumière dans le domaine temporel dans un milieu inhomogène 3D avec frontières irrégulières est développée pour le cas de l'imagerie intrinsèque, c'est-à-dire l'imagerie des paramètres optiques d'absorption et de diffusion d'un tissu. Les éléments finis, lourds en calculs, car utilisant des maillages non structurés, sont généralement préférés, car les différences finies ne permettent pas de prendre en compte simplement des frontières irrégulières. L'utilisation de la méthode de blocking-off ainsi que d'un filtre de Sobel en 3D peuvent en principe permettre de surmonter ces difficultés et d'obtenir des équations rapides à résoudre numériquement avec les différences finies. Un algorithme est développé dans le présent ouvrage pour implanter cette approche et l'appliquer dans divers cas puis de la valider en comparant les résultats obtenus à ceux de simulations Monte-Carlo qui servent de référence. L'objectif ultime du projet est de pouvoir imager en trois dimensions un petit animal, c'est pourquoi le modèle de propagation est au coeur de l'algorithme de reconstruction d'images. L'obtention d'images requière la résolution d'un problème inverse de grandes dimensions et l'algorithme est basé sur une fonction objective que l'on minimise de façon itérative à l'aide d'une méthode basée sur le gradient. La fonction objective mesure l'écart entre les mesures expérimentales faites sur le sujet et les prédictions de celles-ci obtenues du modèle de propagation. Une des difficultés dans ce type d'algorithme est l'obtention du gradient. Ceci est fait à l'aide de variables auxiliaire (ou adjointes). Le but est de développer et de combiner des méthodes qui permettent à l'algorithme de converger le plus rapidement possible pour obtenir les propriétés optiques les plus fidèles possible à la réalité capable d'exploiter la dépendance temporelle des mesures résolues en temps, qui fournissent plus d'informations tout autre type de mesure en TOD. Des résultats illustrant la reconstruction d'un milieu complexe comme une souris sont présentés pour démontrer le potentiel de notre approche.

Les fibres optiques sont présentes de manière incontournable dans les télécommunications et les réseaux d’accès à internet. Longs fils de verre fabriqués en silice vitreuse ultra pure, elles permettent de transmettre des informations sur de longues distances sous forme de signaux lumineux. Malgré leurs capacités de transmission déjà excellentes, la réduction des pertes optiques demeure un enjeu économique. En effet, en dessous d’une certaine atténuation, il est possible de supprimer des amplificateurs localisés dans des zones peu accessibles où leur installation est très couteuse. L’objectif de ce travail de thèse est donc d’explorer de nouvelles voies permettant de réduire significativement l’atténuation du signal optique.La silice est un élément de choix pour les applications optiques du fait de ses propriétés physico-chimiques (haute transparence de l’IR à l’UV, forte résistance mécanique,…). L’incorporation de composés dans le verre de silice modifie ses caractéristiques (viscosité, densité,…) sans détérioration des propriétés optiques ; en particulier l’ajout de fluor F diminue son indice de réfraction tandis que l’oxyde de germanium GeO2 l’augmente. En revanche, le désordre structural du verre augmente avec ces ajouts et, par conséquent, l’atténuation de même. Ce désordre dépend de l’histoire thermique et est décrit au moyen de la température fictive Tf qui correspond à la température pour laquelle la structure du verre a été gelée. La Tf du verre détermine de nombreuses propriétés du matériau telles que les fluctuations d’indice de réfraction et de densité.La diffusion Rayleigh est la principale source de pertes dans les fibres optiques, représentant une part de ~90% à la longueur d’onde de 1550 nm. Cette diffusion trouve son origine dans les fluctuations de constante diélectrique dont deux types de contributions sont déjà connues : les fluctuations de densité et les fluctuations de concentration. En appliquant une approche thermodynamique, un autre terme est proposé pour compléter cette description : les fluctuations de température fictive, résultant d’une distribution des temps de relaxation du verre. Cette approche a mis en évidence l’importance d’étudier la relation existante entre la densité ρ et la Tf d’une part, et entre l’indice n et la Tf d’autre part, afin de réduire les pertes par diffusion Rayleigh.Dans une fibre optique, ce sont les conditions de fibrage essentiellement, c’est-à-dire la température, la tension et la vitesse, qui déterminent le passé thermique du matériau. Une étude expérimentale a permis de distinguer l’impact de ces conditions sur les pertes par diffusion dans des fibres monomodes conventionnelles. Les connaissances sur l’origine des objets diffusants (tailles et formes) dans les fibres d’histoires thermiques différentes ont pu être approfondies. Idéalement, il faudrait pouvoir s’affranchir des conditions de fibrage. Contrairement aux autres verres d’oxydes, le verre de silice admet un comportement dit ‘anormal’ pour sa densité : celle-ci augmente avec la température fictive. Cette anomalie disparait en incorporant une certaine quantité d’éléments chimiques (F, Cl, GeO2 mais pas TiO2) dans le matériau. Nous avons montré que certaines compositions, en supprimant la sensibilité de la diffusion Rayleigh à la Tf, permettent de minimiser les pertes optiques de la famille de fibres que nous avons étudiées.La spectroscopie Raman a ensuite été utilisée afin de comprendre l’origine structurale de cette anomalie. Les mesures réalisées ont montrées que les bandes D1 et D2 reliées à la vibration des petits cycles de tétraèdres dans le verre ne sont pas corrélées à la densité macroscopique. En conséquence, elles ne constituent pas une signature fiable du phénomène de densification dans les verres binaires. Des études complémentaires sur la coordinence du silicium dans la matrice sont nécessaires pour pouvoir conclure sur l’origine structurale de l’anomalie de la silice. / Optical fibers are inevitably present in telecommunications and Internet access networks. Long glass threads made of ultra-pure vitreous silica, they allow to relay information on long distances in the form of light signal. Despite their good transmission capacities, the reduction of optical losses remains an economical stake. Indeed, under a certain attenuation, it is possible to avoid amplifiers located in hardly accessible area where their setting is very expensive. The objective of this work is thus to explore new ways allowing to reduce significantly optical signal attenuation.The silica is a specific element for optical applications because of its physical chemistry properties (high transparency from IR to UV, strong mechanical resistance,…). Adding components in silica glass changes its characteristics (viscosity, density,…) without strong deterioration of optical properties. Especially, the addition of fluorine decreases the refractive index whereas germanium oxide GeO2 increases it. However, the glass structural disorder increases, and, therefore the optical attenuation as well. The disorder depends on thermal history. It is described by means of fictive temperature Tf that corresponds to the temperature at which the glass structure is frozen. The Tf of glass determines many material properties such as the fluctuations of refractive index and density. Rayleigh scattering is the main reason of optical losses in optical fibers, representing ~90% at 1550 nm wavelength. This scattering originates from the dielectric constant fluctuations, which contain two kinds of contributions: the density and the concentration fluctuations. By applying a thermodynamics approach, another term is suggested to complete this description: the fictive temperature fluctuations, resulting from a distribution of glass relaxation times. This approach highlighted importance of studying the relationship between density ρ and Tf on one hand, and between index n and Tf on the other hand, in order to reduce the Rayleigh scattering losses.In optical fiber process, Tf is essentially defined by the drawing conditions, i.e. furnace temperature, fiber drawing tension and speed. An experimental study allowed distinguishing the impact of these conditions on scattering losses in single mode conventional fibers. The knowledge about the origin of scattered objects (sizes and shapes) in fibers with different thermal histories has been made deeper. Ideally, it should be better to be disconnected from the drawing conditions.Contrary to the other oxide glasses, silica glass presents an anomalous behavior for its density: this one increases with fictive temperature. This anomaly disappears by adding a certain amount of chemical elements (F, Cl, GeO2, but not TiO2) in the material. We showed that some compositions, by deleting sensitivity of Rayleigh scattering to Tf, allows minimizing optical losses in the fibers family we studied. Raman spectroscopy has been then used in order to understand structural origin of this anomaly. Measurements revealed that D1 and D2 bands, which are related to small tetrahedral membered rings vibrations in glass, are not correlated to the macroscopic density. Consequently, they are not a reliable signature of densification phenomenon in binary glasses. Supplementary studies about the silicon coordination in the network are needed to conclude on structural origin of the silica anomaly.

Ce travail porte sur la caractérisation optique du silicium poreux et son application à la réalisation de structures à modulation d'indice (superréseaux). Une première étude de la diffusion optique a montré l'homogénéité de ce matériau à l'échelle de la lumière, justifiant une description par un indice de réfraction moyen. Si la formation électrochimique du silicium poreux permet l'obtention de couches minces d'épaisseurs parfaitement définies, en revanche des fluctuations du front de dissolution entraînent une diffusion à l'interface silicium poreux/ silicium cristallin. Cet effet a nécessité de développer une analyse des mesures optiques dans le cas d'interfaces rugueuses. La détermination des constantes optiques a été réalisée par une mesure à basse température de la transmission par photoconduction dans le silicium cristallin et par ajustement des spectres de réflectivité des couches minces. D'une manière générale, alors que la dispersion de l'indice est assez faible, l'absorption du silicium poreux se caractérise par une dépendance exponentielle sur une grande plage en énergie. Cette étude a permis la réalisation de structures à modulation d'indice telles que des réflecteurs de Bragg, des filtres Fabry-Perot ou des microcavités luminescentes. La mise en évidence de différences entre la formation des couches simples et enterrées a compliqué la caractérisation de ces structures. La très bonne qualité optique et le fort rendement quantique intrinsèque au silicium poreux de type p ont permis d'obtenir des microcavités luminescentes très efficaces. Enfin, en combinant l'holographie et la photochimie, un nouveau type de gravure en profondeur a été développé permettant d'obtenir des structures à modulation d'indice latérale de périodicité submicronique. La photodissolution localisée du matériau a été mise en évidence après et pendant la formation de la couche poreuse et ce pour tout type de silicium poreux y compris le macroporeux.

Nous présentons une nouvelle technique de microscopie stochastique basée sur un montage d'Holographie Digitale pour l'imagerie des distributions d'intensité optique. Nous montrons comment cette technique de champ lointain peut être adaptée afin d'obtenir des images de superrésolution ainsi que de champ proche. En pratique, nous imageons des nanoparticules métalliques en mouvement Brownien dans un liquide, que nous localisons ensuite dans le but de contourner la limite de diffraction. Le mouvement aléatoire des particules nous permet une exploration complète de l'échantillon. Au-delà de la simple localisation, ces marqueurs métalliques agissent comme des sondes locales du champ électromagnétique, pouvant notamment diffuser la lumière confinée vers le champ lointain. Les possibilités de cette nouvelle technique sont illustrées à travers l'imagerie de l'intensité optique d'une onde évanescente et d'une onde propagative. Grâce à des méthodes de calcul très performantes, nous sommes capables de localiser des centaines de particules par minute, avec une précision de l'ordre de 3×3×10 nm3 pour des particules immobiles. En plus de l'imagerie des distributions de champ optique, nous présentons une application combinant nos mesures superrésolues et des mesures d'électrochimie pour l'étude des processus d'oxydation de nanoparticules d'argent à proximité d'une électrode. Nos résultats ouvrent la voie à une nouvelle technique d'imagerie superrésolue, particulièrement bien adaptée à la caractérisation optique dans des milieux liquides (comme des systèmes microfluidiques), qui étaient jusqu'à présent inaccessibles par microscopie électronique ou par des microscopies à sonde locale. / In this thesis work, we present a novel stochastic microscopy technique based on Digital Holography for the 3D mapping of optical intensity distributions. We show that this far-field, wide-field, 3D microscopy can be turned into both a superresolution and a near-field imaging technique. To do so, we use metallic nanoparticles undergoing Brownian motion as stochastic local field probes that we localize in three-dimensions in order to overcome the diffraction limit. The random motion of the particles allows for a complete exploration of the sample. Beyond simple localization, the gold markers can actually be envisaged as extremely local electromagnetic field probes, able to scatter light into the far-field. The technique we propose here is therefore a combination of the concepts of superlocalization and NSOM microscopies. The possibilities of the technique are illustrated through the 3D optical mapping of an evanescent and a propagative wave. Fast computation methods allow us to localize hundreds of particles per minute with accuracies as good as 3×3×10 nm3 for immobilized particles. In addition to optical intensity mapping, we show a particular application in electrochemistry, by coupling our high resolution images with electrochemical oxidation measurements on silver nanoparticles in solution at the vicinity of an electrode. Our results pave the way for a new subwavelength imaging technique, well adapted to optical characterization in water-based systems (such as in emerging microfluidics studies), which are mostly inaccessible to electron microscopy or local probe microscopies.

Les thermoplastiques et les composites thermoplastiques sont généralement mis en œuvre par thermoformage et sont alors le plus souvent préchauffés en utilisant un chauffage IR. L’avantage du chauffage radiatif est qu'il permet de chauffer les polymères à cœur grâce au caractère semi-transparent des polymères. Néanmoins, dans le cas des polymères semi-cristallins, le chauffage radiatif est affecté par la structure cristalline et cette thèse a donc eu pour objectif d’améliorer la compréhension de l'interaction entre la structure cristalline et les propriétés optiques dans le but de proposer un modèle prédictif de chauffage de thermoplastiques semi-cristallins.Cette étude répond à une problématique industrielle relative au contrôle de la température des thermoplastiques semi-cristallins dans les procédés recourant au chauffage radiatif. L’optimisation de ces procédés requiert un code de calcul suffisamment robuste pour permettre une bonne prédiction du champ de température tout en conservant des temps de calcul acceptables. Une approche combinée expérimentale et numérique a ainsi été proposée dans le but de modéliser la capacité d’absorption du rayonnement thermique de milieux polymères semi-cristallins et le transfert de chaleur par rayonnement avec changement des phases de cristaux/amorphe. Ces travaux se concentrent sur le PEHD, qui présente un intérêt particulier pour l’entreprise Procter&Gamble.Dans cette thèse, après avoir établi une revue bibliographique mettant en avant les couplages existants entre les phénomènes de diffusion optique, la microstructure des polymères semi-cristallins et la température, une caractérisation et une analyse poussées des propriétés radiatives de deux polyéthylènes sont proposées. Les analyses morphologiques et optiques ont été réalisées à température ambiante et dans des conditions de chauffage afin d’identifier les formations cristallines à l’origine de la diffusion optique dans des polymères semi-cristallins et l’évolution de ce couplage au cours du chauffage. A travers ce travail de recherche, un coefficient d’extinction spectral thermo-dépendant a été proposé afin de décrire le caractère optiquement hétérogène du milieu semi-cristallin par un milieu homogène équivalent. Sur la base de la caractérisation de la capacité d'absorption du rayonnement thermique, un modèle thermique conducto-radiatif thermo-dépendant a été développé. Afin d’évaluer la précision de la modélisation, une méthodologie expérimentale spécifique a été proposée pour mesurer la température de surface par thermographie IR dans le cas du PEHD semi-transparent. L’étape finale a consisté à confronter les résultats issus des simulations numériques basées sur cette modélisation à plusieurs campagnes de mesures expérimentales. Les résultats de ces travaux démontrent la forte influence de la structure morphologique des polymères semi-cristallins sur les transferts de chaleur radiatifs. / Thermoplastics and thermoplastic composites are promising candidates for manufacturing highly cost- effective and environmental-friendly components in terms of rapid forming and recyclability. Thermoforming is extensively used for the processing of thermoplastics where IR heating is widely applied. The major advantage of radiative heating is that the significant portion of radiation penetrates into the semi-transparent polymer media.This thesis focuses on understanding of IR heating of semi-crystalline thermoplastics which aims to analyze the driven mechanisms for radiation transport in optically heterogeneous unfilled semi-crystalline polymer media. Considering the relatively narrow thermoforming window of semi-crystalline thermoplastics, accurate temperature control and close monitoring of temperature field is crucially important for successful forming process. It is thus required to build a numerical model robust enough to allow a good prediction of the temperature field while maintaining acceptable calculation times. In this research work, a combined experimental-numerical approach has been proposed which enables both to characterize the radiation absorption capacity of semi-crystalline polymer media and, to model the radiation heat transfer considering the crystalline/amorphous phases change under heating. This research focuses on a particular polymer - highly crystalline HDPE- which is supported by Procter & Gamble.In this thesis, the literature was reviewed at first for highlighting the existing coupled relation between the optical properties and the crystalline structure of semi-crystalline polymers. The role of crystalline morphology on the optical properties and optical scattering of two type of polyethylene, namely HDPE and LLDPE, were addressed. More specifically, the morphological and optical analyses were performed at room temperature and under heating to determine: which crystalline formations are responsible for optical scattering in semi-crystalline polymer media and, how does their coupled relationship evolve under heating conditions? Hence, one of the key contributions of this research is on establishing a temperature-dependent spectral extinction coefficient of HDPE allowing to describe temperature- dependent radiation absorption capacity of its semi-crystalline medium and, to model radiative transfer considering an equivalent homogeneous medium. Based on the characterization of radiation absorption capacity of semi-crystalline media, a temperature-dependent conduction-radiation model was developed. In order to assess the modeling accuracy, an experimental methodology was proposed for non-invasive surface temperature measurements via IR thermography on semi-transparent polymer media. The final step was to compare the results of numerical simulations with the several IR heating experiments to prove the strong influence of the crystalline morphology on heat transfer.