L'ONERA mène, depuis quelques années, des études sur les radars hautes fréquences à ondes de surface (RHFOS). Afin d'évaluer la capacité effective de surveillance maritime de ce type de radar, l'ONERA envisage de se doter d'un système de mesure. Le RHFOS, grâce à sa capacité de détection au-delà de l'horizon radioélectrique, répond à la demande de couverture de larges zones maritimes. Classiquement, sa portée peut atteindre 500 km à 600 km, sous des azimuts de 90 à 120 degrés. Toutefois, le signal reçu par le radar contient la signature des cibles, le fouillis de mer (signal caractéristique de la propagation sur la surface de la mer) et le fouillis ionosphérique (signal rétrodiffusé par les instabilités d'ionisation dans l'ionosphère). Ces deux dernières contributions peuvent masquer des cibles car leur niveau est très important. Les présents travaux consistent à définir les traitements permettant de réduire le fouillis ionosphérique pour améliorer les performances de détection du radar HF à ondes de surface. La nature des signaux en présence et le système radar développé par l'ONERA ne permettent pas un traitement par polarimétrie, direction d'arrivée ou techniques adaptatives. Nous proposons d'exploiter les différences d'échelles de variations des signaux. Pour cela, nous avons développé des méthodes de séparation des contributions (cible, fouillis de mer et fouillis ionosphérique) ; nous utilisons l'analyse discrète en ondelettes, à une ou deux dimensions. L'avantage d'une telle approche est qu'elle permet de supprimer le fouillis ionosphérique, d'extraire le fouillis de mer (amélioration du calcul de paramètres océanographiques et amélioration de la détection de cibles) et de réduire le bruit inhérent au système radar.

La génération d'impulsions courtes et de fréquence de répétition élevée est une fonction essentielle dans les systèmes de communication modernes. De plus, un faible niveau de bruit est requis afin d'avoir des systèmes performants. Les lasers à semiconducteurs à blocage de modes permettent justement d'émettre des impulsions subpicosecondes à des fréquences supérieures à plusieurs centaines de GHz. L'utilisation d'une nouvelle génération de structures à fils ou boîtes quantiques, pour la réalisation des zones actives de ces lasers, a conduit à des impulsions très courtes et de haute fréquence avec de très faibles niveaux de bruits, inférieurs à ceux mesurés sur les structures usuelles à puits quantiques. Le laboratoire CNRS Foton-INSA a une expérience de longue date dans la croissance de fils et de boîtes quantiques de haute qualité en InAs sur substrat d'InP. Le but de cette thèse a été d'expérimenter ces structures pour la réalisation de lasers à blocage de modes. Dans un premier temps ces structures ont été caractérisées par des techniques de mesure de photoluminescence et d'électroluminescence afin de sélectionner les plus adaptées pour la réalisation de lasers monomodes à deux sections, l'une amplificatrice et l'autre à absorption saturable afin d'initier le blocage de modes. Les lasers à boîtes quantiques ont présenté un comportement instable. Il s'agit d'une bifurcation du pic d'émission optique vers deux directions dont l'écart augmente avec le courant d'injection. L'origine de ce phénomène a été attribuée à des groupes de boîtes quantiques caractérisées probablement par leur différence de taille. Le blocage de modes a effectivement été obtenu dans des lasers à fils quantiques à une fréquence de 10,6 GHz et de 41 GHz. La caractérisation des impulsions a révélé une forte dérive en longueur d'onde de celles-ci. En effet, une fibre optique monomode d'environ 545 m a été nécessaire pour compresser ces impulsions et atteindre une durée aussi courte qu'une picoseconde. Le niveau de bruit de ces lasers s'avère être 30 fois plus faible que le niveau le plus bas mesuré sur les composants à puits quantiques.

A extrêmement hautes fréquences, les applications électroniques vont être confrontées à des challenges liés à la réduction des dimensions et la compacité des systèmes. Les limites physiques des matériaux conventionnels étant atteintes, de nouvelles alternatives sont nécessaires dans le domaine du nano-packaging. De nouveaux matériaux ont été étudiés pour remplacer les matériaux conventionnels. Parmi eux, le nanotube de carbone démontre une excellente conductivité électrique et thermique ainsi qu’une résistance physique extraordinaire. Il est donc un candidat de choix pour des applications comme les interconnexions, l’évacuation de chaleur, le blindage électromagnétique ou encore le renforcement structurel. Autant de points capitaux pour le nano-packaging moderne. Dans ce manuscrit, les nanotubes de carbone vont être étudiés en profondeur pour réaffirmer leurs propriétés électroniques et thermiques hors du commun. Nous nous concentrerons ensuite sur l’étude de deux types d’interconnexions à base de nanotubes de carbone : des interconnexions à base de plot en nanotubes de carbone utilisant la technologie Flip-Chip et des interconnexions sans-fil à base de monopole composé de nanotubes de carbone. Enfin, nous étudierons la possibilité de créer des composants passifs Radio-Fréquence à l’aide de structures en nanotubes de carbone. De nouvelles méthodes de fabrication des structures en CNT ont été utilisées au cours de ces travaux de thèse afin d’obtenir une compatibilité avec les technologies CMOS. / At extremely high frequency, electronic applications will have to challenge problems born from the size reduction and compactification of the systems. Physical limits of conventional materials will be reached and so new alternatives are necessary in the nano-packaging field. New materials have been studied to replace conventional materials. Among them, carbon nanotubes have shown extremely high electrical and thermal conductivity as well as extraordinary physical resistance. And so carbon nanotubes are a good candidate for applications such as interconnects, thermal management, electromagnetic shielding or structural reinforcement. All of those applications are capital for modern nano-packaging. In this manuscript, carbon nanotubes will be studied in depths to demonstrate again their incredible electronic and thermal properties. We will then focus on the study of two types of carbon nanotubes based interconnects: carbon nanotubes bumps based interconnects for Flip-Chip applications and wireless interconnects based on carbon nanotubes monopole antenna. Finally, we will study the possibility of creating passive RF components using carbon nanotubes structures. New ways of fabricating the carbon nanotubes structure were used in order to get a fabrication process of the prototype completely compatible with CMOS technologies.

Nous utilisons trois discrétisations connues pour leur localisation fréquentielle et spatiale: les bases d'ondelettes, les paquets d'ondelettes et les bases de cosinus locaux. Nous avons construit et programmé deux algorithmes: --- pour l'équation parabolique non-linéaire $\Delta(u)+\1e^(c*u)=f$ avec $f$ présentant une singularité, notre algorithme calcule la compression optimale en dimension 1 et 2, avec résultats numériques pour la dimension 1. --- pour l'équation intégrale oscillante correspondant à la Combined Integral Field Equation qui est en rapport avec le problème de diffraction des ondes (Helmholtz) par un obstacle régulier 2D, lorsque la longueur d'onde diminue vers $0$. Les trois discrétisations ci-dessus sont testées, et nous étudions sa bonne compressibité dans une analyse précise des obstacles à la compression menée de manière asymptotique. Des résultats originaux, montrant que N degrés de liberté par longueur d'onde suffisent à hautes fréquences, ont été démontrés, et les matrices résultant de ce seuillage ont été étudiées, illustrations et preuves à l'appui.

Les temps de trajet, amplitudes et angles à la source des ondes sismiques sont utilisés dans de nombreuses applications telles que la migration, la tomographie, l'estimation de la sensibilité de détection et la localisation des microséismes. Dans le contexte de la microsismicité, il est nécessaire de calculer en quasi temps réel ces attributs avec précision. Nous avons développé ici un ensemble d'algorithmes rapides et précis en 3D pour des modèles à fort contraste de vitesse.Nous présentons une nouvelle méthode pour calculer les temps de trajet, les amplitudes et les angles à la source des ondes correspondant aux premières arrivées. Plus précisément, nous résolvons l'équation Eikonal, l'équation de transport et l'équation des angles en nous basant sur une approche par différences finies pour des modèles de vitesse en 3D. Nous proposons une nouvelle méthode hybride qui bénéficie des avantages respectifs de plusieurs approches existantes de résolution de l'équation Eikonal. En particulier, les approches classiques proposent généralement de résoudre directement les équations et font l'approximation localement d'une onde plane. Cette approximation n'est pas bien adaptée au voisinage de la source car la courbure du front d'onde est importante. Des erreurs de temps de trajet sont alors générées près de la position de la source, puis propagées à travers tout le modèle de vitesse. Ceci empêche de calculer correctement les amplitudes et les angles à la source puisqu'ils reposent sur les gradients des temps. Nous surmontons cette difficulté en introduisant les opérateurs sphériques ; plus précisément nous reformulons les temps de trajet, amplitudes et angles à la source par la méthode des perturbations.Nous validons nos nouvelles méthodes pour différents modèles à fort contraste de vitesse en 2D et 3D et montrons notre contribution par rapport aux approches existantes. Nos résultats sont similaires à ceux calculés en utilisant la modélisation de la forme d'onde totale alors qu'ils sont bien moins coûteux en temps de calcul. Ces résultats ouvrent donc de nouvelles perspectives pour de nombreuses applications telles que la migration, l'estimation de la sensibilité de détection et l'inversion des mécanismes au foyer.

Les travaux présentés dans cette thèse s’appliquent à la caractérisation de propriétés mécaniques par la microscopie acoustique. Ils décrivent un capteur focalisé innovant qui autorise à la fois une topographie et une imagerie quantitative d’un matériau élastique. L’innovation consiste en la séparation des différents modes de propagation d’un matériau excité par une sonde focalisée multiélément. La mesure par temps de vol de la vitesse de propagation des modes de surfaces de matériaux élastiques et anisotropes offre une possibilité de quantification du module caractérisant l’élasticité : le module de Young. Le dimensionnement de la sonde multiélément qui est décrit ici est rendu possible grâce au développement d’un modèle de champs acoustiques permettant d’anticiper le champ rayonné par chaque élément. Un deuxième modèle traitant de l’étude temporel des signaux reçus par la sonde focalisée est aussi présenté pour vérifier le comportement discriminant de la sonde des différentes ondes pouvant se propager. La mesure de propriétés mécaniques par la sonde focalisée est appliquée à différents échantillons et propose des résultats cohérents avec une grande sensibilité. La possibilité de réaliser des images de propriétés mécaniques est ainsi démontrée. D’abord adaptée pour des fréquences de l’ordre de la trentaine de mégahertz, cette sonde possède un nombre limité d’éléments pour assurer une simplicité de conception et de fabrication permettant par la suite une miniaturisation du capteur pour atteindre des fréquences proches du gigahertz. / The work presented in this thesis is applied to the characterization of mechanical properties by acoustic microscopy. It describes an innovative focused sensor that enables both topography and quantitative imaging of an elastic material. The innovation consists in the separation of the different propagation modes of a material excited by a focused multielement probe. Measuring the surface mode propagation velocity of elastic and anisotropic materials thanks to their time of flight provides a possibility of quantifying the module characterizing the elasticity: the Young's modulus. The dimensions of the multielement probe are described here and rely on an acoustic field model developed to anticipate the field radiated by each element. A second model studies the temporal behaviour of the focused probe and also verifies the discrimination of the different waves that propagate. The measurement of mechanical properties by the multielement probe is applied to different samples and provides consistent results with high sensitivity. The ability to produce images of mechanical properties is thus demonstrated. First suitable for frequencies near thirty megahertz, this sensor has a limited number of elements to ensure a simplicity of design and manufacture for a subsequent miniaturization of the sensor to achieve frequencies near the gigahertz.

Les mécanismes produisant les signaux observés par la méthode de Polarisation Provoquée (PP) sur une large gamme de fréquences (entre 1 mHz et 20 kHz) ne sont pas encore complètement identifiés. Deux sujets particuliers ont été abordés dans cette thèse. L'origine du signal observé à haute fréquence (>1 kHz) a été analysé en effectuant des mesures de la résistivité complexe sur de l'eau à différentes salinités. Les résultats montrent des écarts sur la phase par rapport à la réponse attendue à haute fréquence. Ils dépendent du type d'électrode de mesures et de la conductivité du milieu. Un modèle basé sur un circuit électrique équivalent a été proposé pour modéliser ces effets. Nous avons aussi exploré le mécanisme responsable de la polarisation en présence de grains semi-conducteurs en analysant la dépendance de temps de relaxation. La réponse spectrale d'un milieu sableux saturé a été étudiée en variant la concentration et le type de l'électrolyte, la taille, le type et la quantité de grains semi-conducteurs insérés. En utilisant la méthode des éléments finis, nous avons entrepris une simulation numérique 2D basée sur la solution des équations de Poisson-Nernst-Planck dans le domaine temporel et spectral. Les résultats expérimentaux sont conformes à ceux issus de la simulation numérique et montrent une décroissance comparable du temps de relaxation avec l'augmentation de la concentration de l'électrolyte. Finalement, une campagne géophysique de terrain sur un site paléo-miniers contenant des grains semi-conducteurs complète l'approche de laboratoire. Des mesures de PP temporelles permettent de délimiter les zones de scories sur le site et d'en estimer le volume. / The physical mechanisms responsible for the induced polarization response over the frequency range (from 1 mHz to 20 kHz) are not completely understood. In particular, within the framework of this thesis, two subjects have been addressed. The origin of the signal observed at high frequency (HF) (>1 kHz) was analyzed by carrying out Spectral IP measurements on tap water samples. A phase deviation from the expected response has been observed at HF. The resulted deviation in phase appears to be dependent on the measuring electrode type (potential electrodes) and conductivity of the medium. A model based on an equivalent electrical circuit and designed to represent HF response, has been proposed to correct these effects. The mechanism responsible for the polarization in a medium containing semi-conductor grains has been investigated by analyzing the dependence of the relaxation time. We carried out experimental measurements on a sand medium containing different types of semi-conductors. The spectral response was studied by varying the concentration and type of the electrolyte, the size and content of semi-conductor grains. By using the finite element method, a 2D numerical simulation based on Poisson-Nernst-Planck equations was performed in time and frequency domains. The experimental results are qualitatively in accordance with numerical simulation. It showed a comparable decrease in the relaxation time when increasing the electrolyte concentration. Finally, field measurements on a paleo-mining site containing semi-conductor grains have been acquired. Time-domain IP measurements allowed us to define the zones of slag in the site and led to estimate the slag volume.

Les temps de trajet, amplitudes et angles à la source des ondes sismiques sont utilisés dans de nombreuses applications telles que la migration, la tomographie, l'estimation de la sensibilité de détection et la localisation des microséismes. Dans le contexte de la microsismicité, il est nécessaire de calculer en quasi temps réel ces attributs avec précision. Nous avons développé ici un ensemble d'algorithmes rapides et précis en 3D pour des modèles à fort contraste de vitesse.Nous présentons une nouvelle méthode pour calculer les temps de trajet, les amplitudes et les angles à la source des ondes correspondant aux premières arrivées. Plus précisément, nous résolvons l'équation Eikonal, l'équation de transport et l'équation des angles en nous basant sur une approche par différences finies pour des modèles de vitesse en 3D. Nous proposons une nouvelle méthode hybride qui bénéficie des avantages respectifs de plusieurs approches existantes de résolution de l'équation Eikonal. En particulier, les approches classiques proposent généralement de résoudre directement les équations et font l'approximation localement d'une onde plane. Cette approximation n'est pas bien adaptée au voisinage de la source car la courbure du front d'onde est importante. Des erreurs de temps de trajet sont alors générées près de la position de la source, puis propagées à travers tout le modèle de vitesse. Ceci empêche de calculer correctement les amplitudes et les angles à la source puisqu'ils reposent sur les gradients des temps. Nous surmontons cette difficulté en introduisant les opérateurs sphériques ; plus précisément nous reformulons les temps de trajet, amplitudes et angles à la source par la méthode des perturbations.Nous validons nos nouvelles méthodes pour différents modèles à fort contraste de vitesse en 2D et 3D et montrons notre contribution par rapport aux approches existantes. Nos résultats sont similaires à ceux calculés en utilisant la modélisation de la forme d'onde totale alors qu'ils sont bien moins coûteux en temps de calcul. Ces résultats ouvrent donc de nouvelles perspectives pour de nombreuses applications telles que la migration, l'estimation de la sensibilité de détection et l'inversion des mécanismes au foyer. / Traveltimes, amplitudes and take-off angles of seismic waves are used in many applications such as migration, tomography, detection sensitivity estimation and microseism location. In the microseismicty context it is necessary to compute in near real time accurately these attributes. Here we developed a set of fast and accurate algorithms in 3D for highly contrasted velocity models.We present a new accurate method for computing first arrival traveltimes, amplitudes and take-off angles; more precisely we solve the Eikonal, transport and take-off angle equations based on a finite difference approach for 3D velocity models. We propose a new hybrid method that benefits from the advantages of several existing Eikonal solvers. Common approaches that solve directly these equations assume that we are locally propagating a plane wave. This approximation is not well adapted in the neighborhood of the source since the wavefront curvature is important. Travel times errors are generated near the source position and then propagated through the whole velocity model. This prevents from properly calculating the amplitudes and the take-off angles since they rely on the travel time gradients that are not accurate. We overcome this difficulty by introducing spherical operators. Indeed we reformulate the traveltimes, amplitudes and take-off angles with the perturbation method.We validate our new methods on various highly contrasted velocity models in 2D and 3D and show our contribution compared to other existing approaches. Our results are similar to those computed using full waveform modeling while they are obtained in a much shorter CPU time. These results open thus new perspectives for several applications such as migration, detection sensitivity estimation and focal mechanism inversion.

Les travaux de la présente thèse portent sur l’estimation d'erreur a posteriori pour les solutions numériques par éléments finis de l'équation des ondes élastiques dans les milieux hétérogènes. Deux types d’estimation ont été développés. Le premier considère directement l’équation élastodynamique et conduit à un nouvel estimateur d'erreur a posteriori explicite en norme L∞ en temps. Les principales caractéristiques de cet estimateur explicite sont l'utilisation de la méthode de résidus et le développement de reconstructions en temps et en espace selon les différentes régularités exigées par les différents termes contribuant à l’obtention d’une borne supérieure. L’analyse numérique de cet estimateur dans le cas des maillages uniformes montre qu’il assure bien une borne supérieure mais avec une propriété asymptotique qui reste à améliorer. Le deuxième type d’estimateur d’erreur est développé dans le contexte de la propagation des ondes à haute fréquence dans des milieux hétérogènes à l’échelle mésoscopique. Il s’agit d’une nouvelle erreur en résidus basée sur l'équation de transfert radiatif, qui est obtenue par un développement asymptotique multi-échelle de l'équation d'onde en utilisant la transformation de Wigner en espace-temps. Les résidus sont exprimés en termes de densités énergétiques calculés dans l’espace des phases pour les solutions d’onde numériques transitoires par éléments finis. L’analyse numérique de cette erreur appliquée aux milieux homogènes et hétérogènes en 1D a permis de valider notre approche. Les champs d’application visés sont la propagation des ondes sismiques dans les milieux géophysiques ou la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux polycristallins. / This thesis work deals with a posteriori error estimates for finite element solutions of the elastic wave equation in heterogeneous media. Two different a posteriori estimation approaches are developed. The first one, in a classical way, considers directly the elastodynamic equation and results in a new explicit error estimator in a non-natural L∞ norm in time. Its key features are the use of the residual method and the development of space and time reconstructions with respect to regularities required by different residual operators contributing to the proposed error bound. Numerical applications of the error bound with different mesh sizes show that it gives rise to a fully computable upper bound. However, its effectivity index and its asymptotic accuracy remain to be improved. The second error estimator is derived for high frequency wave propagation problem in heterogeneous media in the weak coupling regime. It is a new residual-type error based on the radiative transfer equation, which is derived by a multi-scale asymptotic expansion of the wave equation in terms of the spatio-temporal Wigner transforms of wave fields. The residual errors are in terms of angularly resolved energy quantities of numerical solutions of waves by finite element method. Numerical calculations of the defined errors in 1D homogeneous and heterogeneous media allow validating the proposed error estimation approach. The application field of this work is the numerical modelling of the seismic wave propagation in geophysical media or the ultrasonic wave propagation in polycrystalline materials.

L’identification des efforts vibratoires agissant sur les structures et la détection des défauts à partir des mesures opérationnelles sont des sujets importants dans des projets académiques et industriels. Le choix de l’outil ou de la méthode utilisée dépend de la bande de fréquences d'étude puisqu’il existe des approches appropriées pour chaque domaine fréquentiel. Une méthode énergétique appelée la méthode énergétique simplifiée (MES) est utilisée pour prédire la répartition de la densité d'énergie vibroacoustique en moyennes et hautes fréquences. L'objectif de ce mémoire est d'étendre cette méthode pour résoudre les problèmes vibro-acoustiques inverses pour identifier d'une part les sources de vibration et d'autre part pour détecter les défauts. La formulation MES inverse (IMES) est numériquement validée pour des systèmes continus basés sur le couplage tel que le cas d’un système comportant plusieurs plaques couplées et celui d’un système composé d’une cavité acoustique couplée avec une plaque. En plus, une nouvelle méthodologie numérique est proposée, pour étendre cet outil d'identification IMES pour la détection des défauts. Une analyse paramétrique est effectuée pour le cas d’un modèle présentant des défauts afin de tester la robustesse et l’efficacité de cette approche. Finalement, une étude expérimentale est effectuée pour valider la technique IMES à fin d'identifier et localiser les charges exercées pour plusieurs cas, et détecter les défauts. / The identification of inputs forces acting on structures and the detection of defects from operating measurement have been important topics in both academic and industrial projects. The choice of the used tool or method depends on the frequency band of study since there are appropriate approaches for each frequency domain. An energetic method so called the simplified energy method (MES) is used to predict the distribution of the vibro-acoustic energy density in the medium and high frequency band. The objective of this thesis is to extend this energy method to solve inverse vibro-acoustic problems and to identify the sources of vibrations on one hand and to detect the defects on the other hand. The inverse MES formulation (IMES) is numerically validated for continuous coupling-based systems such as the case of a system composed with several coupled plates and the case of a system composed of an acoustic cavity coupled with a plate. In addition, a new numerical methodology is proposed to extend this IMES identification tool for the detection of defects. A parametric analysis is performed in the case of plate with defects in order to test the robustness and the efficiency of this approach. Finally, an experimental study is carried out to validate the IMES technique to identify and locate the input loads for several scenarios, and detecting the defects.