Les structures nanophotoniques sont généralement simulées par des méthodes de volumes, comme la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), ou la méthode des éléments finis (FEM). Toutefois, pour les grandes structures, ou des structures plasmoniques métalliques qui nécessitent, la mémoire et le temps de calcul requis peuvent augmenter de façon spectaculaire.Les méthodes de surface, comme la méthode des éléments de frontière (BEM) ont été développées afin de réduire le nombre d'éléments de maillage. Ces méthodes consistent à exprimer le champ formé dans tout l'espace en fonction des courants électrique et magnétique à la surface de l’objet. Combinées avec la méthode multipôle rapide (FMM) qui permet une accélération du calcul de l'interaction entre les éléments lointain du maillage, de grands systèmes peuvent ainsi être manipulés.Nous avons développé, pour la première fois à notre connaissance, une FMM sur un nouveau formalisme BEM, basé sur les potentiels scalaire et vectoriel au lieu de courants électriques et magnétiques. Cette méthode a été montrée pour permettre une simulation précise des systèmes plasmoniques métalliques, tout en offrant une réduction significative des besoins de calcul. Des systèmes nanophotoniques complexes ont été simulés, comme une lentille plasmonique composé d'un ensemble de nanotubes d'or. / Nanophotonic structures are generally simulated by volume methods, as Finite-difference time-domain (FDTD) method, or Finite element method (FEM). However, for large structures, or metallic plasmonic structures, the memory and time computation required can increase dramatically, and make proper simulation infeasible.Surface methods, like the boundary element method (BEM) have been developed to reduce the number of mesh elements. These methods consist in expressing the electromagnetic filed in whole space as a function of electric and magnetic currents at the surface of scatterers. Combined with the fast multipole method (FMM) that enables a huge acceleration of the calculation of interaction between far mesh elements, very large systems can thus be handled.What we performed is the development of an FMM on a new BEM formalism, based on scalar and vector potentials instead of electric and magnetic currents, for the first time to our knowledge. This method was shown to enable accurate simulation of metallic plasmonic systems, while providing a significant reduction of computation requirements, compared to BEM-alone. Several thousands of unknowns could be handled on a standard computer. More complex nanophotonic systems have been simulated, such as a plasmonic lens consisting of a collection of gold nanorods.

Nos travaux de recherche ont pour objectif de résoudre le problème de la géodétection des réseaux enterrés. Plusieurs méthodes sont utilisées actuellement mais présentent des limites dues à la nature du sol, aux matériaux des canalisations et au produit transporté. Notre objectif est de proposer une nouvelle approche basée sur la fusion de quatre méthodes de détection et sur la récolte de plusieurs informations qui seront représentées sous forme de connaissances et permettront de raisonner à différents niveaux d’abstraction, pour détecter avec un niveau de confiance, les canalisations enterrées indépendamment de leur matériau, du produit qu’elles transportent et du sol dans lequel elles sont enterrées / Our work aims to solve the problem of reliable detection of underground networks by optimization of the existing methods. Four methods are planned to identify the underground pipelines but they have limits and depend on many factors. Our investigation aims to solve the problem of reliable detection of underground networks by aggregation of the existing methods and reasoning at different abstraction levels. For that purpose, we must be able to provide an accurate geo-detection of underground networks regardless of their material, their function or the soil in which they are buried. The information collected in the field or soil by these detection methods will be merged in order to achieve and obtain an accurate and reliable single result of geo-detection. For that, we need to check independently these distinct methods and then to aggregate the information/data they provide. Besides, the first step will consists of the representation of this information into symbolic knowledge. The second step is to overcome the limitations of current methods to provide a reliable and expressive reasoning system

La machine asynchrone est à ce jour la référence dans les moteurs de traction ferroviaire. De nombreuses contraintes dictées par des normes notamment au niveau du bruit acoustique poussent l’industrie à développer des moteurs plus silencieux. Le vrillage connu pour réduire les ondulations de couple semble apporter également une réelle solution afin de diminuer les vibrations et le bruit émis par la machine. C’est dans ce contexte que ce projet en collaboration avec Alstom-Transport situé à Ornans et le soutien de MEDEE (pôle régional sur la maitrise énergétique) est réalisé. Cette thèse se focalise plus particulièrement sur le calcul des forces électromagnétiques dans l’entrefer à l’origine des vibrations, du bruit et du couple. Des modèles analytiques et à éléments finis estimant les forces électromagnétiques et intégrant le vrillage sont présentés et confrontés à des mesures expérimentales de vibration, de bruit et de couple. Les modèles utilisés sont valables pour les machines asynchrones à cage d’écureuil mais sont facilement adaptables pour les machines synchrones. Ils permettent de comprendre l’origine des forces électromagnétiques responsables du bruit et de trouver des configurations de machines moins bruyantes en jouant sur divers paramètres tels que : le vrillage, mais aussi le nombre de paires de pôles, le nombre d’encoches au stator et au rotor, la forme des encoches, la distribution du bobinage, etc. / The induction machine is the reference in railway traction motors. Numerous constraints dictated by standards, particularly regarding acoustic noise, are driving the industry to develop quieter engines. The skewing known to reduce torque ripples seems to also provide a real solution to reduce vibration and noise emitted by the machine. In this context, the project is realized in collaboration with Alstom-Transport located in Ornans with the support of MEDEE (regional pole on energy control). This thesis focuses on the calculation of magnetic forces in the air gap which originate vibration, noise and torque. Analytical and finite element models, which estimate electromagnetic forces and integrate skewing, are presented and compared with experimental measurements of vibration, noise and torque. The models used are valid for the squirrel-cage induction machines but are easily adaptable for synchronous machines. This allows one to understand the origin of the electromagnetic forces responsible for the noise, and to find configurations of less noisy machines. Various parameters such as skewing can be modified to reach this goal, as well as the number of pole pairs, the stator and rotor teeth number, the slot shape, the winding distribution, and so on.

Le travail de thèse présenté dans ce mémoire décrit le développement d'une méthode numérique élaborée dans le but d'étudier la propagation de la lumière dans des objets de géométrie cylindrique. Ce document est divisé en deux parties.<br /> La première partie introduit les équations de base de la dernière version de la méthode différentielle (méthode de la « factorisation de Fourier rapide ») dans le système de coordonnées cylindriques. Les tests numériques valident confortablement cette théorie aussi bien dans le cas de la diffraction classique (TE et TM) que dans le cas de la diffraction conique. Parallèlement à ces travaux, une nouvelle méthode numérique est proposée, permettant de modéliser la diffraction de la lumière par un cylindre circulaire anisotrope. Elle a été implémentée et validée avec succès.<br /> La seconde partie est essentiellement consacrée à la modélisation des fibres optiques microstructurées afin d'étudier leurs propriétés de guidage des modes à pertes qui s'y propagent. Un formalisme relatif à la méthode utilisée est écrit en tenant compte des propriétés de symétrie opto-géométrique présentes dans ce genre de guide d'onde. Les résultats très satisfaisants montrent en particulier que la méthode différentielle appartient à la famille restreinte des méthodes numériques pouvant déterminer avec précision à la fois la partie réelle et la partie imaginaire (pertes) de l'indice effectif des modes recherchés.<br /> La méthode différentielle présente l'avantage de pouvoir considérer des sections arbitraires pour les objets diffractants (les inclusions dans le cas des fibres optiques microstructurées). Cette méthode permet aussi l'étude d'objets constitués de matériaux inhomogènes et/ou anisotropes. En particulier, nous nous sommes intéressés à une fibre optique microstructurée de type « Antiresonant Reflecting Optical Waveguide » dont les inclusions circulaires possèdent un gradient d'indice parabolique. La comparaison des résultats numériques avec des mesures expérimentales est très encourageante.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, afin d'améliorer l'efficacité du fonctionnement des associations convertisseurs-machines, les semi-conducteurs utilisés fonctionnent à des fréquences de plus en plus élevées, ceci engendre des perturbations électromagnétiques très contraignantes.Durant cette étude, nous nous intéressons particulièrement aux perturbations conduites de mode commun (MC) qui est le mode le plus pénalisant dans ce genre de système. Ces perturbations vont d'une part dégrader les roulements du moteur et d'autre part se propager vers l'alimentation et engendrer des perturbations rayonnées qui peuvent créer des dysfonctionnements dans les appareils environnants, notamment les systèmes électroniques bas niveau. Ces perturbations, qui font partie des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM), attirent de plus en plus l'attention des industriels, notamment dans le domaine aéronautique qui s'oriente vers une génération d'avions « plus électriques ». Pour assurer la sûreté de fonctionnement, il convient de respecter des normes de CEM strictes (ex. DO-160D en aéronautique). La modélisation du système constitue le point de départ de ce travail. L'approche choisie, dite « quadripolaire », est basée sur des mesures spécifiques de la tension de MC générée par l'onduleur, et des impédances équivalentes de MC de chaque constituant du système qui est représenté par un quadripôle associé à une matrice d'impédance [Z]. Ce modèle simple, efficace et surtout versatile nous permet d'estimer ou de calculer directement dans le domaine fréquentiel les courants et les tensions de MC aux différents points du circuit. La confrontation aux résultats expérimentaux montre la validité du modèle sur une large gamme de fréquences. Ce modèle est ensuite exploité à des fins d'études de sensibilité et de dimensionnement de solutions de réduction des perturbations conduites de MC. Enfin, un modèle, tenant compte du courant circulant dans le plan de masse, propose une modélisation proche d'un système d'entraînement réel installé en secteur industriel ou à bord d'un avion.

NIL

Dans le domaine de la guerre électronique, la maîtrise du spectre électromagnétique est primordiale. Les antennes doivent donc posséder une couverture fréquentielle extrêmement large. Leur bande de fréquences de fonctionnement peut dépasser la décade, i.e. un rapport 10 entre fréquences haute et basse. De plus, la fréquence basse peut être voisine de la centaine de MHz augmentant de ce fait l'encombrement de l'antenne dans le sens de l'épaisseur. L'intégration d'antenne bande basse sur porteur constitue donc un enjeu majeur. Les antennes classiques dédiées a la guerre électronique font habituellement appel a des antennes dites " indépendantes de la fréquence " chargées par une cavité absorbante. Les travaux présentes dans ce manuscrit ont pour but de supprimer les absorbants présents dans les antennes pour a la fois augmenter leur efficacité et réduire leur épaisseur. Nos recherches se sont orientés vers les matériaux dits " artificiels ", les conducteurs magnétiques artificiels (CMA) et des matériaux a bandes interdites électromagnétiques (BIE), permettant la réalisation pratique de réflecteur magnétique. Apres un état de l'art sur les méthodes analytiques, numériques et expérimentales, nous étudions le comportement de l'antenne spirale d'Archimède en espace libre puis en présence de réflecteurs théoriques: conducteur électrique parfait et conducteur magnétique parfait. Nous avons proposé et validé expérimentalement une méthodologie innovante pour la conception d'antenne large bande faible épaisseur. Enfin, nous avons présenté un réflecteur hybride exploitant les propriétés des conducteurs électriques et magnétiques afin d'étendre la bande de fréquences des antennes.

La diffraction d'une onde électromagnétique est étudiée dans de nombreux domaines industriels. Certaines études, concernant les objets diffractant de petite taille par rapport à la fréquence, utilisent des<br />méthodes numériques basées sur les équations de Maxwell sous forme intégrale : les Méthodes de Moments et plus récemment les Méthodes Multipôles. Dans le cadre d'études sur de grands objets ou à hautes fréquences, ces méthodes deviennent rapidement trop coûteuses.<br />L'objet de cette thèse est de fournir une autre approche permettant de pallier ces problèmes grâce à une formulation utilisant des développements asymptotiques basés sur la Théorie Géométrique de la Diffraction (TGD).\\<br />L'application d'une méthode de couche limite à ces problèmes pour des corps réguliers dans la région proche de la frontière ombre-lumière et dans la zone d'ombre nous amène, en utilisant l'équation d'Airy, à des expressions intégrales du champ diffracté.<br />Une telle application de méthode de couche limite à des géométries de corps allongés donne plutôt une équation bi-confluente réduite de Heun. N'ayant pas de solution analytique de cette équation de Heun, nous obtenons des solutions par<br />approximations de l'équation étudiée.<br />Les résultats numériques obtenus par une implémentation de ces formulations associée à un algorithme de lancer de rayons montrent une très bonne correspondance avec des résultats de méthodes intégrales.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dans les nanostructures quantiques unidimensionnelles dont les propriétés sont étudiées en s'appuyant notamment sur le bruit en excès à fréquence finie. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude du transport à travers une impureté dans un liquide de Luttinger couplée à un environnement électromagnétique arbitraire. L'impureté est traitée dans deux limites de transmission, la limite tunnel et la limite de faible rétrodiffusion. Les calculs sont menés dans le formalisme de Keldysh. Nous montrons ainsi que la théorie du blocage de Coulomb dynamique, établie pour une jonction tunnel couplée à un environnement à l'équilibre, demeure valide pour un liquide de Luttinger. Par ailleurs nous montrons que les relations de fluctuation dissipation reliant le bruit à fréquence finie au courant reste valide. Nous montrons que cette théorie peut également s'étendre dans la limite de faible rétrodiffusion à condition de prendre en compte la rétro-action du liquide électronique sur l'environnement. En revanche, les relations de fluctuation dissipation ne sont respectées que pour le bruit en émission. Dans une seconde partie nous intéressons effets d'une modulation radiofréquence sur les propriétés de transport des mêmes systèmes. Nous montrons notamment que ces effets peuvent être décrit par une théorie du blocage de Coulomb dynamique effective en convoluant la statistique d'absorption de photon avec la statistique de Tien-Gordon. Notons cependant que les relations de fluctuation dissipation ne sont plus vérifiées. Ces prédictions théoriques sont comparées aux résultats expériments obtenus par une équipe du SPEC au CEA de Saclay. Enfin nous étudions les propriétés de transport lorsque l'environnement, ici un oscillateur harmonique, est maintenu dans un état excité. Nous montrons que la présence de photons autorise d'une part le processus photo-assistés mais favorise également l'absorption de photons par des processus de bunching. Nous montrons finalement que les propriétés du transport s'obtiennent en convoluant la loi de Poisson du blocage de Coulomb avec la fonction caractéristique de Glauber de l'état peuplant l'oscillateur, menant à des statistiques exotiques. Ce dernier point nous permet d'utiliser ce système comme un détecteur d'état quantique.

Électromagnétisme, sécurité et guerre électronique sont étroitement liés depuis des décennies. Leur association rassemble des applications de surveillance radar, de neutralisation de systèmes électroniques ou de détection d’électroniques cachées. Aujourd’hui, la multiplication des EEI (Engins Explosifs Improvisés) aussi bien sur les théâtres d’opération que dans les milieux urbains conduit à la nécessité de leur détection. Les travaux de cette thèse peuvent entrer dans cette thématique et proposent une nouvelle alternative qui permet de mettre en évidence la présence de récepteurs RF cachés. Le radar non-linéaire est particulièrement adapté à la détection de dispositifs contenant des métaux et des semi-conducteurs (électroniques). Une technique populaire consiste à transmettre une seule fréquence f1 et à recevoir la seconde harmonique générée par la cible. Une autre technique, moins courante, consiste à transmettre deux fréquences, f1 et f2, et à recevoir les produits d'intermodulation d’ordre 3 (2f1 - f2 et 2f2 - f1). Un état de l’art approfondi des systèmes radars non-linéaires est effectué dans un premier chapitre avec une comparaison de leurs caractéristiques. Dans un second chapitre, un banc de test en mode conduit est développé permettant la mesure de l’IM3 réfléchi d’une cible RF. Ainsi des analyses et des ordres de grandeurs seront connus aidant au développement du radar. Dans le chapitre 3, Le démonstrateur du radar à IM3 est développé. Un large panel de systèmes RF, commerciaux ou non, susceptibles d’être trouvé dans des milieux opérationnels est mis sous test. Leur détection va permettre de valider la technique de récupération de l’IM3. Un nouveau bilan de liaison réaliste du radar IM3 est mis en place afin d’estimer la portée de détection réelle du radar, pour différentes cibles RF. Dans le dernier chapitre les travaux s’orientent sur l’identification et la classification d’une cible RF. L’étude porte sur la possibilité d’extraire tous paramètres pouvant aider à une classification (évaluation du danger) de récepteurs RF dans un milieu opérationnel. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à l’amélioration des techniques de détection d’électroniques cachées. Un protocole de détection a été proposé décrivant les faits et gestes du radar IM3. Il inclut un balayage en fréquence puis en puissance. Les premiers tests ont été effectués sur un Talkie-Walkie démontrant la possibilité de détecter sa bande passante via la réémission d’IM3, à plus de 2 m. La répétabilité des tests sur un panel élargi de récepteurs RF valide le protocole de détection et l’intérêt du radar IM3. Une puissance d’émission du radar IM3 de 40 dBm, à une fréquence d’IM3 de 400 MHz, peut potentiellement détecter un récepteur à 80 m. Enfin dans un dernier travail exploratoire nous avons démontré que, par l’observation de la réponse de l’IM3 réfléchi suite à un balayage en puissance, le radar IM3 peut ajouter de nouveaux critères d’identification discriminant les récepteurs détectés entre eux. / Electromagnetism, security and electronic warfare have been closely linked for decades. Their association gathers applications of radar surveillance, neutralization of electronic systems or detection of hidden electronics. Today, the multiplication of IEDs (Improvised Explosive Devices) both in theatres of operation and in urban environments leads to the need for their detection. The works of this thesis can enter into this theme and propose a new alternative that allows to highlight the presence of hidden RF receivers. The nonlinear radar is particularly suitable for detecting devices containing metals and (electronic) semiconductors. A popular technique is to transmit a single frequency f1 and receive the second harmonic generated by the target. Another less common technique consists of transmitting two frequencies, f1 and f2, and receiving intermodulation products of order 3 (2f1 - f2 and 2f2 - f1). An in-depth state of the art of nonlinear radar systems is made in a first chapter with a comparison of their characteristics. In a second chapter, an inductive test bench is developed to measure the reflected IM3 of an RF target. Thus analyses and orders of magnitude will be known helping the development of radar. In chapter 3, the IM3 radar demonstrator is developed. A wide range of RF systems, commercial and non-commercial, that may be found in operational environments are being tested. Their detection will validate the IM3 recovery technique. A new realistic IM3 radar link budget is implemented to estimate the actual radar detection range for different RF targets. In the last chapter the work focuses on the identification and classification of an RF target. The study focuses on the possibility of extracting all parameters to assist in a classification (hazard assessment) of RF receptors in an operational environment. The research work presented in this manuscript contributes to the improvement of hidden electronic detection techniques. A detection protocol was proposed describing the actions of the IM3 radar. It includes a frequency scan and then a power scan. The first tests were carried out on a walkie-talkie demonstrating the possibility of detecting its bandwidth via IM3 retransmission, at more than 2 m. The repeatability of the tests on an extended panel of RF receivers validates the detection protocol and the interest of the IM3 radar. An IM3 radar transmission power of 40 dBm, at an IM3 frequency of 400 MHz, can potentially detect a receiver at 80 m. Finally in a final exploratory work, we demonstrated that by observing the IM3 response reflected following a power scan the IM3 radar can add new identification criteria that discriminate the hidden receivers detected between them.