Les structures immergées telles que des hydroliennes génèrent des écoulements turbulents pouvant fortement perturber les fonds marins. La compréhension de l’impact de la présence de ces structures nécessite de comprendre la dynamique tridimensionnelle des tourbillons qu’elles génèrent. Les méthodes optiques, par leur aspect non intrusif, permettent d’analyser de telles dynamiques. L’imagerie interférométrique en défaut de mise au point est une technique développée à l’originepour la mesure de taille de particules sphériques transparentes telles que des gouttes ou des bulles. Nous proposons ici l’extension de cette technique à la mesure simultanée de particules irrégulières et sphériques. Un premier montage expérimental a permis de valider la méthode pour la mesure de taille et de position tridimensionnelle de grains de sable et de bulles d’air dans l’eau. Un second dispositif a été réalisé sur un canal à houle de plus grandes dimensions, permettant d’introduire les notions de suivi tridimensionnel de particules irrégulières et d’analyse de variation de leur orientation. Un troisième montage composé de deux dispositifs d’imagerie interférométrique selon deux angles d’observations est utilisé pour la reconnaissance de forme de différentes familles de particules irrégulières. Grâce à des comparaisons avec des simulations, les dimensions et l’orientation de ces particules sont déterminées. Ce type de montage devrait être adapté à la caractérisation de cristaux de glace dont divers types de formes sont connus. Ces travaux ouvrent des perspectives pour l’extension de la technique aux mesures de vitesses de particules dans des écoulements hostiles, combinées avec la reconnaissance de forme et la détermination de la rotation de particules. / Submerged structures such as tidal turbines generate turbulent flows that can strongly disrupt the seabed. Understanding the impact of the presence of these structures requires understanding the three-dimensional dynamics of the vortices they generate. Optical methods, by their non-intrusive aspect, make it possible to analyze these dynamics. Interferometric Particle Imaging is a technique originally developed for the measurement of transparent spherical particles such as droplets orbubbles. We offer here an extension of this technique for the simultaneous characterization of irregular and spherical particles in a flow. A first experimental set-up has confirmed the validity of the method for the size and three-dimensional position measurement of grains of sand and air bubbles in water. A second device was used on a wave flume of bigger dimensions, introducing the notions of three-dimensional tracking of irregular particles and the analysis of the variation of their orientation.A third device made of two Interferometric Particle Imaging set-ups at two angles of observation is described for the shape recognition of different families of irregular particles. Through comparisons with simulations, dimensions and orientations of these particles are determined. This kind of device should be suitable for the characterization of ice crystals for which various shapes are known. The prospects that such results provide include the extension of the technique to the particle velocitymeasurement in hostile conditions, combined with the shape recognition and the determination of rotation of particles.

Dans cette thèse, nous avons développé de nouveaux cadres d'analyse pour analyser et optimiser les futurs réseaux cellulaires à l'aide de la géométrie stochastique et des processus ponctuels. Cette thèse fournit quatre contributions techniques principales.Nous analysons d’abord les réseaux émergents capables de communiquer en utilisant la lumière plutôt que les ondes radio. Dans ce contexte, nous proposons un cadre analytique innovant qui nous permet d’estimer la probabilité de couverture et le débit moyen des réseaux distribués dans l’espace, qui sont utilisés pour mieux comprendre l’optimisation du système.Deuxièmement, nous proposons une méthodologie innovante pour modéliser des réseaux cellulaires spatialement corrélés en utilisant des processus ponctuels non homogènes. L'approche proposée est testée par rapport au déploiement pratique de réseaux cellulaires et s'est révélée pratique et précise. Il est appliqué à l'analyse des réseaux de communication à lumière visible et l'impact de la corrélation spatiale est étudié.Troisièmement, nous abordons le problème ouvert de la modélisation de réseaux cellulaires MIMO massifs. Nous étudions les réseaux cellulaires montants et descendants et proposons de nouvelles limites supérieures et inférieures pour l'efficacité spectrale moyenne, ce qui nous permet d'identifier le nombre optimal d'utilisateurs à desservir dans chaque cellule du réseau et l'impact de plusieurs paramètres clés du système.Quatrièmement, nous présentons et analysons les performances d'un nouvel algorithme de planification prenant en compte les interférences pour une application sur la liaison montante des réseaux cellulaires. L’approche proposée consiste à assourdir certains utilisateurs afin de réduire le niveau d’interférence. La performance réalisable et l'équité utilisateur de l'approche proposée sont discutées et quantifiées analytiquement. / In this thesis, we have developed new analytical frameworks for analyzing and optimizing future cellular networks with the aid of stochastic geometry and point processes. This thesis provides four main technical contributions.First, we analyze emerging networks that can communicate by using light instead of radio waves. In this context, we propose an innovative analytical framework that allows us to estimate the coverage probability and the average rate of spatially distributed networks, which are used to gain insight for system optimization.Second, we propose an innovative methodology for modeling spatially correlated cellular networks by using inhomogeneous point processes. The proposed approach is tested against practical deployment of cellular networks and found to be tractable and accurate. It is applied to the analysis of visible light communication networks, and the impact of spatial correlation is studied.Third, we tackle the open problem of modeling Massive MIMO cellular networks. We study uplink and downlink cellular networks and propose new upper and lower bounds for the average spectral efficiency, which allow us to identify the optimal number of user to serve in each cell of the network and the impact of several key system parameters.Fourth, we introduce and analyze the performance of a new interference-aware scheduling algorithm for application to the uplink of cellular networks. The proposed approach is based on muting some users in order to reduce the level of interference. The achievable performance and the user-fairness of the proposed approach are discussed and quantified analytically.

Ce manuscrit présente une étude des mécanismes de condensation et d'évaporation dans des membranes d'alumine poreuse. Ce matériau poreux possède des pores quasi-cylindriques de taille nanométrique faiblement distribués en diamètres qui, contrairement à beaucoup d'autres milieux poreux, ne sont pas interconnectés. L'alumine poreuse est donc un milieu idéal pour sonder l'influence du confinement sur la condensation et l'évaporation à l'échelle du pore unique.La première partie discute mes résultats dans des membranes disposant de pores droits ouverts aux deux extrémités ou fermés d'un côté. Des mesures d'isothermes de sorption à l'hexane couplées à une étude originale du comportement optique des membranes pour sonder la répartition du liquide dans les pores, indiquent ces derniers ne sont pas parfaitement cylindriques, mais ont une forme conique et possèdent des corrugations marquées. En tenant compte de ces imperfections grâce à des simulations par automate cellulaire, j'ai pu reproduire numériquement les isothermes mesurées. Cet accord montre que la théorie de Saam & Cole décrit bien la condensation et l'évaporation dans un pore unique.La seconde partie met en évidence l'évaporation par cavitation dans les membranes d'alumine poreuse. Un protocole de synthèse spécifique m'a permis d'obtenir des membranes avec des pores en forme d'encrier. Dans ces dernières, j'ai systématiquement observé, optiquement et volumétriquement, une vidange brutale des pores à 0.33 Psat.Celle-ci correspond à la cavitation homogène de l'hexane dans les cavités des encriers, c'est-à-dire à la nucléation thermiquement activée d'une bulle de gaz sphérique dans le liquide sous tension. Il s'agit de la première observation directe d'un tel mécanisme d'évaporation dans des membranes poreuses. / This manuscript presents a study of condensation and evaporation mechanisms in porous alumina membranes. This porous material has almost cylindrical pores of nanometric diameter with a narrow pore size distribution. Unlike many other porous media, their pores are not interconnected. Porous alumina is therefore an ideal material to probe the effects of confinement on condensation and evaporation in a single pore.The first part discusses my results obtained on membranes with straight pores open at both extremities or closed at one side. Sorption isotherms using hexane coupled to an original study of the membranes optical behaviour allow us to probe the liquid distribution within the pores. The results show that our pores are not perfectly cylindrical but funnel shaped and present corrugations. I numerically reproduced the measured isotherms with a cellular automaton, which takes into account the pores defects. This agreement implies that condensation and evaporation in a single pore are properly described by Saam & Cole theory.The second part evidences evaporation by cavitation in porous alumina membranes. A specific synthesis protocol is used to produce membranes with ink-bottle shaped pores. These membranes undergo a systematic and sudden emptying at 0.33 Psat, as measured by the optic and volumetric signals. This is the signature of the homogeneous cavitation of the liquid contained inside the ink-bottles, i.e. the nucleation of a spherical gas bubble in a liquid under tension. This is the first direct observation of such an evaporation process in porous membranes.

Cette thèse propose une nouvelle théorie de l’effet Blazhko. Elle apporte également une justification théorique à certaines observations encore inexpliquées : la décroissance des harmoniques de la courbe de lumière ; l’asymétrie des enveloppes et des lobes ainsi que la variation des temps de montée et de descente dans le cas de l’effet Blazhko ; la synchronisation des couches et l’existence des trois types d’étoiles RR Lyrae : RRab, RRc et RRd. La première partie présente une étude extensive d’une étoile RR Lyrae avec effet Blazhko : S Arae. Nous débutons par une définition rigoureuse de l’analyse harmonique des courbes de lumière. Cette démarche, encore jamais entreprise en astéroséismologie, permet une meilleure interprétation des habituels résultats des études photométriques. Nous poursuivons avec une présentation du programme d’analyse fréquentielle que nous avons développé : PDM13. Nous établissons ensuite le spectre fréquentiel de la courbe de lumière de S Arae et, à la présentation des résultats de cette étude, nous apportons une démonstration mathématique à deux observations communément effectuées : la décroissance des harmoniques et l’asymétrie de modulation. Dans la deuxième partie, après un rappel des mécanismes d’oscillation, nous présentons une nouvelle modélisation discrète, et non linéaire, des équations de pulsations. Celle-ci nous permettra d’expliquer les phénomènes de synchronisation, mais surtout, conduira à une nouvelle théorie du phénomène Blazhko fondée sur l’existence de solitons, que nous étayerons par des premiers résultats, obtenus grâce à l’utilisation d’un nouvel outil : la transformée en ondelettes / In this thesis we develop a new theory of the Blazhko effect. We also provide a theoretical justification to the following commonly observed facts: the light curve harmonics decrease; the asymetry of envelopes and sidelobes ; the synchronization of layers and the mode selection. The first part of this thesis is dedicated to the extensive study of a RR Lyrae star presenting the Blazhko effect: S Arae. Firstly, a rigorous definition of harmonic analysis applied to light curves is given. This work, which has never been undertaken in the asteroseismology field, up to now, allows a better interpretation of the usual results of photometric studies. We carry on with the presentation of a software that we have developed, dedicated to frequency analysis: PDM13. After that, we perform the usual analysis of the frequency spectrum of the light curve, which we complete we two rigorous demonstrations of commonly observed facts: the harmonics decrease and the asymmetry induced by modulation. We complete it with a study of the parameters which vary during a Blazhko cycle, on which we will capitalize to understand this modulation effect. The second part begins with a reminder of the basic perturbed and linearized equations of stellar pulsation together with the oscillation mechanisms. We pursue this presentation with a non linear and discrete formalism that we have developed for these equations. This formalism will allow us to underline the importance of synchronization in those stars, but, most of all, it will lead us to a new theory of the Blazhko effect, based on solitons, which will be supported by a new results obtained with the wavelet transform method

Les Structures localisées (SLs) apparaissent dans les milieux dissipatifs nonlinéaires ayant un grand rapport d'aspect et où plusieurs solutions coexistent pour la même gamme de paramètres. Elles ont des longueurs de corrélations bien plus courtes que la taille du système ce qui en fait des objets individuellement adressables. Les SLs ont été largement étudiées dans les résonateurs optiques pour leur potentiel dans le traitement tout-optique d'information. Nous focalisons nos recherches sur les structures localisées temporelles obtenues dans un laser à blocage de modes passif. Il s'agit, plus spécifiquement, d'un laser à Cavite Verticale Émettant par la Surface (VCSEL) monté dans une cavité externe délimitée par un Miroir Semiconducteur à Absorption Saturable (SESAM). Nous montrons que les pulses émis par ce système peuvent être individuellement allumés et éteints par le biais d'impulsions électriques dans le courant de pompage. Nous étudions la possibilité de déplacer ces pulses l'un par rapport à l'autre et/ou de reconfigurer leur disposition dans la cavité à l'aide d'une modulation du paramètre de pompage. Ceci nous a permis de découvrir un nouveau paradigme pour la dynamique pour les SLs, jusqu'ici étudiées seulement dans les systèmes à symétrie de parité (systèmes spatiaux et résonateurs à Fibre de (type Kerr). En effet, dans notre système, le temps de réponse fini du milieu semiconducteur introduit la causalité dans la cavité, brisant ainsi la symétrie de parité du système. Ceci a des conséquences très importantes sur la vitesse de propagation des SLs, sur leurs formes et sur leurs interactions. Dans la partie finale de ma thèse, inspiré par le résultat obtenu dans ce système, je m'intéresser à l'implémentationdes SLs spatio-temporelle, aussi appelées Balles de Lumière (BLs). En effet, une version similaire de ce système a servi pour implémenter des SLs dans la section transverse du résonateur, ce qui en fait un bon candidat pour générer des BLs. Nous étudions donc les modifications à apporter pour atteindre ces structures. Les indications obtenues ont suggéré de remplacer le VCSEL par un dispositif similaire mais incapable de laser sans un miroir externe. Ce dispositif, appelé demi-VCSEL ou VECSEL et son SESAM compatible ont été fabriqués par l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier. L'optimisation des caractéristiques de ces dispositifs permet d'atteindre le régime de localisation temporelle, ce qui est un résultat prometteur vers les Balles de Lumière. / Localized Structures (LS) appear in non-linear dissipative mediums with a large aspect ratio and where several solutions coexist for the same range of parameters. They have a correlation length much shorter than the size of the system which makes them individually addressable objects. LS have been widely studied in optical resonators for their potential in all-optic informations processing. We focus our study on Temporal Localized Structures in a Passive Mode-Locked Laser. More specifically, we study a Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser (VCSEL) coupled in an external cavity with a Semiconductor Saturable Absorber Mirror (SESAM). We show that pulses emitted by this system can be individually turned on and off using electrical pulses in the bias current. We study the possibility to move those pulses and/or to reconfigure their positions in the cavity thanks to a modulation of the bias current. We were able to discover a new paradigm for the dynamics of LS, studied until now only in system with parity symmetry (spatial system et Kerr fiber resonator). Indeed, in our system, the finite response time of the semiconductor medium brings causality in the cavity, and so breaks the parity symmetry of the system. This fact has important consequences on the LS drifting speed, on their shapes and their interactions. In the last part of my thesis, inspired by the results we obtain in this system, we focus on the implementation of spatio-temporal LS, also called Light Bullet (LB). Indeed, a similar system was used to implement LS in the transverse section of the resonator, so it can be a good candidate to generate LB. So we study the modification needed to obtain those structures. The results suggested to replace the VCESL by a similar device but that can't lase without external mirror. This device, called half-VCSEL or VECSEL, and its compatible SESAM, were design the Institut d'Electronique et des Systèmes of Montpellier. The optimization of the characteristic of those devices allows to get a regime of temporal localization, which is a promising towards the Light Bullets.

Le déploiement de réseaux de communication quantique représente un défi auquel cette thèse apporte des solutions originales. Deux dispositifs très performants sont construits uniquement autour de composants standards de l'optique intégrée et des télécommunications optiques. Le premier correspond à un schéma de synchronisation tout optique sur longue distance à très haute cadence et de précision inégalée pour la communication sécurisée par cryptographie quantique. Le montage expérimental repose sur une configuration de relais quantique mettant en œuvre deux sources indépendantes de paires de photons intriqués dont il faut synchroniser les temps d'émissions. L’idée principale s’appuie sur l’utilisation d’un unique laser télécom picoseconde cadencé à 2.5 GHz afin de générer l’horloge et de pouvoir la distribuer efficacement aux deux sources. Nous démontrons la synchronisation de notre lien relais pour une distance effective séparant les sources de plus de 100 km. Le second dispositif correspond quant à lui à la réalisation d'une expérience de compression à une longueur d'onde des télécommunications réalisée, pour la première fois, de manière entièrement guidée. La lumière comprimée étant une ressource fondamentale dans bon nombre de protocoles d'information quantique, la réalisation de systèmes expérimentaux facilement reconfigurables et compatibles avec les réseaux télécoms fibrés existants représente une étape cruciale en vue du déploiement de dispositifs de communication quantique en régime de variables continues. Enfin, un traitement quantique des effets de gigue temporelle dans les détecteurs de photons 0N/0FF est proposé. Malgré l'importance des systèmes de détection dans les technologies quantiques photoniques émergentes, aucune modélisation quantique de leurs effets de gigue temporelle n'avait été, à notre connaissance, développé jusqu'à présent. / This thesis presents solutions to the challenges of developing quantum communication networks. Two powerful experimental devices have been set up relying only on standard telecom and integrated optical components. The first device corresponds to an all-optical synchronization scheme allowing, with an unprecedented accuracy, quantum key distribution at a high rate over long distances. The experimental scheme relies on two independent entangled photon pair sources that have to be synchronized in their emission time. Our approach is based on using a 2.5 GHz picosecond telecom laser as a master clock to efficiently synchronize the different sources. We demonstrate the synchronization for an effective distance of 100 km between sources. With our second device, we perform a squeezing experiment at telecom wavelengths and this for the first time in a fully guided-wave approach. Squeezed light being a fundamental resource for several quantum information protocols, developing plug-and-play experimental devices that are compatible with already existing telecom fiber networks is of first interest in the perspective of future quantum networks. Finally, we propose a quantum description of timing jitter effects in 0N/0FF detectors. Despite the importance of detection systems in emerging photonic quantum technologies, no quantum description of their timing jitter effects has been proposed so far.

Disciple du maître bulgare Beinsa Douno (Peter Deunov) (1864-1944), Michaël Ivanoff (1900-1986) est connu à partir de 1960 sous le nom d’Omraam Mikhaël Aïvanhov. Entre 1938 et 1985, il a donné en France un enseignement spirituel sur la Lumière, dans la lignée de l’ésotérisme chrétien de la tradition johannite, du transcendantalisme, de la kabbale, du zoroastrisme, de l’hindouisme et du bouddhisme. En 1960, au retour d’un voyage d’un an en Inde, il a élaboré le concept de laser spirituel en transposant par analogie la découverte récente du physicien américain Theodore Maiman en une pratique de méditation individuelle et collective sur la Lumière spirituelle qui aurait pour objectif d’éveiller les consciences des êtres humains dans le monde entier. Le présent mémoire de maîtrise étudie l’enseignement sur la Lumière spirituelle, appelée Vidélina en bulgare, du maître Aïvanhov de 1938 à 1980 dans l’héritage multireligieux dont il est issu, ainsi que la pratique du laser spirituel qu’il a créée à partir de 1962, à travers la recension de ses conférences et l’observation participante de cette pratique de 1980 à 1995, puis de 2011 à 2020 dans trois centres du nouveau mouvement religieux de la Fraternité Blanche Universelle de ce maître, dans le but de dégager les conditions propices à la pérennité de cette pratique spirituelle collective. / Disciple of Bulgarian Master Beinsa Douno (Peter Deunov) (1864-1944), Michaël Ivanoff (1900-1986) has been known under the name of Omraam Mikhaël Aïvanhov since 1960. Between 1938 and 1985, he taught a spiritual teaching on Light in France. This teaching was inspired by the Christian esoterism of the Johannist tradition, by Transcendentalism, Kabbalah, Zoroastrianism, Hinduism and Buddhism. When Mikhaël Ivanoff returned from India in 1960 after a one-year trip, he developed the concept of the spiritual laser, transferring by analogy the physician Theodore Maiman’s recent discovery into a practice of individual and collective meditation on the spiritual Light, which would have the aim of awakening the consciousness of human beings all around the world. The present M. A. thesis studies the teachings on the spiritual Light, called Vidélina in Bulgarian, which were given by master Aïvanhov in the period 1938 to 1980, in the multireligious heritage where they come from. It also presents the practice of the spiritual laser that he created in 1962, through the review of his lectures and the participating observation of this practice from 1980 to 1995, then from 2011 to 2020 at three centers of the Universal White Brotherhood of this master. Finally this thesis draws the adequate conditions to ensure the continuity of this collective spiritual practice.

Ce mémoire en recherche-création est accompagné du court métrage Alice, disponible en ligne à l'adresse suivante: https://www.youtube.com/watch?v=f4lHnleCO9E / Ce mémoire, présenté sous la forme d’une recherche-création, sonde les forces de la lumière et de l’ombre en mouvement. Nous nous inspirons des travaux d’Henri Alekan et de Fabrice Revault d’Allonnes pour mettre en avant une méthode de travail de la lumière, qui repose sur deux étapes essentielles: l’étape de l’éclairement qui correspond à une hiérarchisation des éclairages, et celle de la lumination qui correspond à une dramatisation de la lumière. Cette méthode, considérée dans un cadre classico-baroque, ouvrira la porte à des analyses portant sur les variations de la lumière. Nous explorerons deux techniques utilisées par les directeurs de la photographie: la conception d’un «path» lumineux et la pratique du changement à vue. Ces deux techniques seront étudiées à partir du travail de divers directeurs de la photographie, tels que Vittorio Storaro et Darius Khondji. Elles seront également employées dans la création qui accompagne ce mémoire, afin d’en saisir les subtilités, et d’appréhender les difficultés reliées à la pratique de la direction de la photographie. La création sera donc une véritable exploration pour moi et un apprentissage pratique et théorique des possibilités et contraintes de la lumière et de l’ombre. C’est finalement dans une démarche qui oscille entre tâtonnement et recherche que je tenterai de comprendre le potentiel poétique de la lumière et de l’ombre. / This thesis, presented as a research-creation project, sounds the power of the light and the shadow in movement. Inspired by the writings of Henri Alekan and Fabrice Revault d’Allonnes, we will point out a work method used to shape the light, that rests upon two essential steps: the first step is called éclairement, and calls on a hiérarchisation of the light sources. The second step is one of lumination, that is equivalent to a dramatisation of the light. The method, considered in a classico-baroque context, will open the door to some analysis of the light’s variations. We will explore two techniques used by cinematographers: the conception of a light «path», and the changement à vue. We will study these two techniques through the work of various cinematographers, such as Vittorio Storaro and Darius Khondji. We will apply these two techniques in a creation that is linked to this thesis, to better comprehend the subtleties of the light in movement, and understand the difficulties that come along with the practice of cinematography. Thus, the creation will be a true exploration for me, and a practical and theoretical learning process about the possibilities and the complexity of light and shadow. This stammering and hesitating approach intends to understand the poetic potential of the light and the shadow.

Cette thèse porte sur l’étude des gaz et nanoparticules diélectriques de l’atmosphère, fortement incriminés pour leur rôle sur le bilan radiatif terrestre et le changement climatique.Ces travaux de recherche, réalisées au sein de l’Institut Lumière Matière, traitent plus spécifiquement de la rétrodiffusion de la lumière, résolue en polarisation, par les nanoparticules de l’atmosphère, afin d’étudier la complexité des processus atmosphériques qui la composent, tels que la nucléation. En complément à cette approche particulaire, les gazà effet de serre sont également étudiés, en suivant une méthode originale, consistant à évaluer leur concentration atmosphérique, par couplage d’un télédétecteur lidar possédant une large bande spectrale avec la spectroscopie optique de corrélation (Thomas et al., 2012, 2013a,b). Une attention particulière a été portée à la réalisation de mesures sensibles et précises utilisant un lidar multi-spectral (UV, VIS), résolu en polarisation (David et al., 2012). Comme premier résultat, un coefficient de rétrodiffusion aussi faible que (2,4 ± 0,5) × 10−8 m−1.sr−1, a été mesuré dans l’UV en polarisation croisée à celle du laser incident dans la troposphère libre, avec une limite de détection de la dépolarisation de δp = 0,6 % (proche de la dépolarisation moléculaire), observée à plus de 4 kilomètres d’altitude. Ensuite, une méthode nouvelle a été développée pour retrouver, dans un mélange externe de particules à deux/trois composantes chimiques, le coefficient de rétrodiffusion de chacune de ces composantes. Pour ce faire, le coefficient d’Angström et la dépolarisation de chaque espèce chimique doivent être déterminés précisément. On montre dans ce travail de thèse que ces coefficients peuvent être déterminés soit par simulation numérique de la diffusion simple (algorithme T-matrix), soit directement par des mesures de laboratoire. Les hypothèses et les performances de cette méthode sont ensuite discutées dans trois cas d’étude : i) mélange externe de particules desulfates avec les cendres volcaniques issues de l’éruption de 2010 du volcan Eyjafjallajökull (Miffre et al., 2011, 2012a, b) ii) mélange externe de poussières désertiques dans la troposphère libre (Miffre et al., 2011 ; Dupart et al., 2012) observé lors d’un épisode detempête de sable désertique à Lyon (juillet 2010), iii) mélange externe à trois composantes : poussières désertiques, sels de mer et particules solubles dans l’eau (David et al., 2013a). Ces mesures atmosphériques ont conduit à plusieurs résultats: (a) détermination à distance de la concentration en nombre en particules volcaniques (cas i), désertiques (cas ii) (Miffre et al.,2011). Par construction, ces mesures de concentration sont spécifiques à ces particules et intègrent les effets de taille et de sédimentation (Miffre et al., 2012b) ; (b) Evolution de la rétrodiffusion en fonction de l’hygroscopicité de ces particules ; (c) Observation de la formation de nouvelles particules dans l’atmosphère (nucléation) à partir des mesures lidar UV, résolues en polarisation. Ce résultat nouveau ouvre de nouvelles perspectives à la pointede la recherche actuellement réalisée en physico-chimie de l’atmosphère (Dupart et al., 2012). En conclusion, cette thèse explore la diffusion optique d’un ensemble de nanoparticules et l’extinction d’une nanoparticule diélectrique unique, en les mesurant de manière très sensible et précise, en atmosphère réelle comme en laboratoire, tout en étayant cette approche expérimentale par des simulations numériques. Cette approche ouvre des perspectives nouvelles, portant sur les propriétés microphysiques de ces nanoparticules atmosphériques(Dupart et al., 2012, David et al., 2013b). / Atmospheric greenhouse gases and nanometer-sized particles are incriminated for their role on the Earth radiative budget and climate. This thesis relates the research performed on thepolarization-resolved backscattering of these nano-sized particles and demonstrates itsusefulness to address complex atmospheric processes like particles nucleation. Greenhouse gases are also studied, by coupling a spectrally broadband lidar with optical correlation spectroscopy to remotely evaluate their atmospheric content (Thomas et al., 2012, 2013a,b). Special care has been taken to perform sensitive and accurate UV-VIS polarization lidar measurements (David et al., 2012). Hence, and as a first result, cross-polarized backscattering coefficients as low as (2.4 ± 0.5)×10−8 m−1.sr−1 have been measured in the troposphere, corresponding to UV-particles depolarization detection limit of 0.6 % at 4 km altitude, close to the molecular depolarization. Then, a new methodology has been developed to retrieve, in atwo/three component particle external mixture, the backscattering coefficients specific to eachparticle component (David et al., 2013a). For that purpose, accurate knowledge on the backscattering Ångstrom exponent and depolarization ratio of each particle type must beaddressed. This task is here achieved by performing either single-scattering numerical simulations using T-matrix, or alternatively by performing laboratory measurements. Thei nherent assumptions and the performance of the methodology are then discussed for three case studies of external mixing: i) spherical sulfate mixed with volcanic ash released from the Eyjafjallajökull 2010 eruption (Miffre et al., 2011, 2012a, b), ii) desert dust mixed with nondustparticles (Miffre et al., 2011 ; Dupart et al., 2012), iii) desert dust mixed with sea-salt andbackground spherical particles as an example of a three-component particle mixture (David etal., 2013a). From these field measurements, three main results have been retrieved: (a) Rangere solved particles number concentrations specific to one particle component (ash, dust)(Miffre et al., 2011, 2012b), which include the variability in the particle size distribution, the particles refractive index and possible sedimentation effects(Miffre et al., 2012b), (b) particle backscattering enhancement due to hygroscopic growth, (c) observation of new particle formation in the atmosphere using a sensitive UV polarization lidar, which is new and opens new insights at the forefront of knowledge in atmospheric physics and chemistry (Dupart etal., 2012). As a conclusion, this thesis explores the optical scattering properties of a single / an ensemble of nanoparticles, addressing them in the real atmosphere, through sensitive and accurate lidarand laboratory experiments and numerical simulations, showing new outlooks on the microphysical properties of these atmospheric nanoparticles (Dupart et al., 2012, David et al.,2013b).

L’utilisation de réseaux optiques dans la géométrie de diffraction conique a connu ces dernières décennies un essor remarquable dans les domaines UV et X grâce à ses propriétés particulières: absence de l’écrantage derrière les traits du réseau aux incidences rasantes, faible dispersion angulaire limitant l’étirement temporel, efficacité de diffraction élevée. Son usage s’est imposé pour la monochromatisation d’impulsions ultra-brèves. C’est aussi l’une des deux options retenues par la Nasa pour le spectrographe à réseau de l’Observatoire à rayon X de la future mission Lynx. Ce travail de thèse contribue au développement de méthodes numériques pour modéliser les effets de diffraction par des réseaux dans une géométrie encore peu étudiée sous cet aspect. La complexité de cette étude réside dans le couplage inhérent entre les deux états fondamentaux de polarisation. Du point de vue numérique, il impose un calcul ‘’vectoriel’’, là où, en géométrie classique des calculs scalaires suffisent. Notre travail s’est appuyé sur les méthodes numériques de calcul de diffraction par des structures périodiques déjà développées dans le cadre de la géométrie classique. Ces méthodes sont basées sur la théorie différentielle, qui consiste à propager une série d’ondes planes au travers de la zone modulée. La méthode différentielle employée est complétée par l’usage de l’algorithme de propagation de la matrice réflectivité. On contourne ainsi certains problèmes de convergence. Dans la partie théorique de ce travail, ces algorithmes sont étendus pour s’adapter aux cas de géométrie oblique. Sur cette base théorique, nous avons pu développer un code de calcul, nommé COROX, fonctionnant dans toutes les géométries d’utilisation. Un certain nombre de réseau types ont été étudiés, tant en géométrie oblique que classique, pour mettre en évidence, non seulement les efficacités de diffraction mais encore les effets de polarisation, (paramètres de Stokes et matrice de Müller) ainsi que les phases spectrales. Des propriétés intéressantes ont été remarquées, comme l’existence d’une composante circulaire non négligeable diffractée par réseau lamellaire quand l’onde incidente polarisée à 45° par rapport au plan du réseau. Le comportement de la phase spectrale est également une donnée significative pour une future gestion d’impulsions ultra-brèves. Des mesures de diffraction ont été effectuées sur la ligne Métrologie du Synchrotron SOLEIL, sur un réseau blazé de 150 traits/mm. Un accord raisonnable entre efficacités mesurées et calculées est constaté si l’on tient compte de la forte rugosité du réseau étudié. / The conical geometry of optical grating diffraction has been suggested and studied, in the last 10 years, for cutting edge applications in the VUV and X-ray domains, due to its specific properties such as: absence of screen inside the grating grooves at grazing incidence, low angular dispersion which limits the temporal spread of short pulses, very high diffraction efficiencies. It has been accepted as the first choice technology for VUV short pulses monochromatization. It is also one of the two options selected by NASA, for the grating spectrograph of the future X-ray Observatory of the Lynx mission. This thesis reports our contribution to the development of numerical methods in order to model the effects of diffraction by optical gratings in this still little studied geometry. This study is made more complex by an inherent coupling between the two fundamental polarization modes. From the numerical aspect, it requires performing “vectorial” computations, whereas, in a classical diffraction geometry, scalar computations are sufficient. Our work is based on numerical methods already developed for modeling optical diffraction by periodic structures in the framework of classical geometry. These methods are using on the differential theory, whose main concept is propagating a set of plane waves throughout the modulated area. We use the differential method together with an algorithm of reflectivity matrix propagation. It overcomes some of the convergence issues. In the theoretical part of this work, reflectivity matrix algorithms are extended to the case of oblique geometry. On these theoretical grounds, we developed a computation code, named COROX, which can be applied in any geometry. A number of typical grating cases have been studied, both in the conical and of le classical one. The output is not only the diffraction efficiencies, but also the polarization properties (Stokes parameters, Müller matrix), as well as the spectral phases. Interesting properties have been noticed, such as the presence of a non-negligible circularly polarized component diffracted from a lamellar grating when the incident wave is linearly polarized at 45° from the grating plane. The spectral phase behavior is also a significant data for an eventual shape tayloring of ultrashort pulses. Diffraction efficiency measurements have been performed on the Metrology beamline of Synchrotron SOLEIL, using a 150 lines/mm blazed grating as a test object. A reasonable agreement between measured and computed efficiencies has been obtained, provided that the rather high roughness of this grating is taken into account.