Les chocs induits par laser de puissance permettent d'investir le comportement hautement dynamique des matériaux, d'un grand intérêt tant pour la recherche fondamentale que pour l'industrie. L'évolution des technologies laser ces dernières années a permis d'accéder à des régimes plus courts, en dessous de la picoseconde. L'objectif de ce travail, résultat d'une collaboration entre l'institut P', le PIMM et le CEA‐DAM est de caractériser le comportement sous choc de matériaux métalliques (Aluminium, Tantale,...) dans ce régime ultra‐bref, conduisant à des sollicitations dynamiques extrêmes (>107s‐1). L'étude repose sur la comparaison et la validation de modèles numériques à des résultats expérimentaux obtenus sur la chaîne 100TW du LULI. Cette caractérisation passe dans un premier temps par l'étude de l'interaction laser‐matière afin caractériser le chargement équivalent en pression sur la cible. Les processus en régime ultra‐bref sont différents de ce qui est connu en régime nanoseconde : en effet, l'échelle de temps, quelques picosecondes, est du même ordre que bon nombres de phénomènes moléculaires tel que le déséquilibre électrons‐ions. Ensuite, nous avons étudié l'évolution de l'onde de choc et son amortissement, très prononcé dans ce régime. L'écaillage dans une telle configuration se produit par couches très minces (quelques μm) et régulières dans ce régime. L'endommagement obtenu est caractérisé par la mesure VISAR. Les résultats obtenus par observations post‐mortem jusqu'à présent montrent que plus l'épaisseur de cible est faible, plus l'épaisseur d'écaille diminue, pouvant atteindre l'échelle du micron. Dans le cadre de la modélisation de l'endommagement et le dimensionnement des critères d'endommagement utilisés et éprouvés en régime nanoseconde (Kanel), des essais à différentes épaisseurs de cible ont été réalisés afin d'observer les conséquences d'une variation de vitesse de déformation sur l'endommagement, et généraliser le modèle de Kanel au régime ultra‐bref, et plus généralement en fonction de la vitesse de déformation. L'ensemble des résultats relatifs à l'endommagement est généralisé à des configurations 2D, permettant notamment de caractériser l'évolution du diamètre d'écaille. En parallèle, des simulations microscopiques par dynamique moléculaire de choc laser ultra‐bref sur des cibles monocristallines de Tantale à l'échelle du micron ont été menées au CEA‐DAM donnent un point de vue complémentaire des processus microscopiques liés à l'endommagement à des vitesses de déformation aux abords de la limite de cohésion théorique. Les résultats obtenus sur les chocs ultra‐brefs et 2D présentent un grand intérêt pour le développement du test d'adhérence de revêtements par choc laser (LASAT), offrant la possibilité de nouvelles extensions pour le procédé LASAT. Par exemple, de nombreux domaines industriels utilisent des revêtements micrométriques (optique, électronique, ...) mais il existe peu de méthodes pour caractériser leurs propriétés avec fiabilité. Des essais de transposition de LASAT en régime femtoseconde sur des cellules photovoltaïques ont démontré la possibilité d'éjecter des revêtements submicrométriques et caractériser leur seuil d'adhérence.

Les processus de radioluminescence, phénomène aussi appelé scintillation, sont plutôt bien décrits théoriquement, que ce soit pour les matériaux organiques que pour les matériaux inorganiques. Cependant, le cas des structures non-cristallines dopées d'ions de lanthanides présente des particularités surprenantes. On présente l'étude des spectres d'émission par radioluminescence qui montrent des raies spectrales dues à une propagation d'exciton, ce qui devrait correspondre à des structures cristallines. Après avoir exposé les différentes théories liées à l'excitation des matériaux et à leur production de lumière, l'hypothèse d'un procédé de fluorescence induite par radioluminescence est proposée comme une excitation optique des ions trivalents de lanthanides par la radioluminescence émise par le matériau irradié. Différents calculs et simulations numériques ont permis de prédire le comportement des matériaux soumis à des particules ionisantes, telles que des y ou des ions accélérés. Plusieurs matériaux, comme l'ED2 dopé de néodyme (NdIV:ED2) ou le verre poreux dopé d'erbium (ErIV:VP), sont aussi étudiés expérimentalement. Un échantillon de titane saphir (Ti:Sa) a été utilisé comme référence en raison de sa structure cristalline. L'étude expérimentale de ces matériaux exposés à des ions de H2+ , de 4He++ et de 12C ++ permet d'observer la fluorescence induite par radioluminescence, ainsi que d'évaluer son intensité relative par rapport aux faisceaux incidents. Une étude de temps de vie de certaines des transitions atomiques concernées, ainsi que de leur dépendance à l'intensité de l'exposition permet d'envisager quelques applications, que ce soit pour des détecteurs à particules ionisantes émettant dans l'infrarouge, ou que ce soit pour de l'excitation ionisante pour le pompage laser. / Two processes explain radioluminescence of organic and inorganic materials. Exposition of organic materials to ionising particles leads to the excitation of the molecules of the matrix. The relaxation leads to photon emission. In the case of the inorganic materials a self-trapped exciton (STE) propagates in the crystal until it reaches and excites an impurity; the relaxation of this impurity may be radiative. We observed that lanthanides (ErlV or NdIV) doped materials (porous or ED2 glasses) show some characteristic emission rays. The spectra are quite similar to the expected ones for inorganic materials, although these materials are organic. We developed a model describing how the radioluminescence of the organic materials excites the lanthanide ions, and then the observed radioluminescence emission spectra can be explained by the Judd-Ofelt theory. Several materials have been studied: erbium doped porous glass (ErIV:PG), neodymium doped ED2 glass (NdIV:ED2), and also a sample of titan sapphire (Ti:Sa) as a comparison sample for inorganic materials. These samples have been exposed to H2+ , 4He++ , 12C ++ ions accelerated up to 4.1MeV with a Van de Graaff accelerator. The emission spectra have been measured and a study of the luminescence Lifetime of the material has been made. Luminescence Lifetime of the characteristic rays is dependent of the radiation dose. These observations allow us to conclude that the lanthanide ions are well excited by the standard radioluminescence of the undoped material. Also, studies have been made as a function of the deposited energy to investigate the potential applications.

Au cours des dernières décennies, les métamatériaux ont montré qu'ils pouvaient avoir des propriétés étonnantes, permettant d'imaginer et de réaliser des dispositifs tels que des lentilles à indice négatif, des dispositifs de camouflage ou des lentilles parfaitement plates. Aussi, font-ils aujourd'hui l'objet d'une intense recherche. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR METAPHOTONIQUE, avait pour objectif principal d'étudier la possibilité d'utiliser des métamatériaux pour l'optique guidée à la longueur d'onde télécom. Ceci a requis une meilleure compréhension du comportement des métamatériaux, ce qui nous a orientés vers l'étude de modèles effectifs. La récupération des paramètres optiques effectifs a nécessité de pouvoir simuler la réponse des métamatériaux sous une illumination en incidence oblique, ce qui a requis l'implémentation de telles méthodes en FDTD. Aux cours de nos travaux, nous avons aussi mis en évidence un phénomène de rotation de la polarisation de modes guidés suite à leur interaction avec des métamatériaux asymétriques. Nous avons alors pu concevoir et caractériser un dispositif pour l'optique guidée destiné faire tourner la polarisation de la lumière sur une longueur deux fois plus courte que la longueur d'onde. Enfin, un objectif secondaire a été de déterminer si les pertes dues à la présence de nanostructures métalliques dans nos métamatériaux pouvaient être compensées grâce à l'utilisation de matériaux à gain. Un modèle permettant de décrire de tels matériaux en FDTD a donc été étudié et implémenté / Over the last decades, metamaterials have been shown to exhibit extraordinary properties. These properties could allow the design of new devices such as negative refractive index lenses, cloaking devices and perfectly flat lenses. This PhD is part of the ANR METAPHOTONIQUE project and its main objective was to study the potential of metamaterials for integrated photonics at telecommunication wavelengths. This required to first better understand the behavior of metamaterials, which led us to study effective index models. The retrieval of effective optical parameters required to be able to simulate the optical response of metamaterials under oblique incidence excitation. Due to this, we had to study and implement such methods for FDTD computations. Our work also showed that asymmetrical metamaterials possessed the ability to make the polarization of guided modes rotate. This allowed us to design and characterize a potential device for integrated photonics, which effectively converts the polarization of guided modes over lengths shorter than half the wavelength. A secondary goal of this PhD was to study the potential compensation of losses occuring within the metallic nanostructures of our metamaterials through the use of materials with gain. Thus, a model allowing us to simulate such materials in FDTD has been implemented