Les surfaces sélectives en fréquence (FSS) pour la furtivité radar ou l’optique ont été largement étudiées. Depuis plus de vingt ans, des matériaux artificiels ont été conçus, permettant d’obtenir des propriétés particulières, notamment l’existence de bandes permises ou interdites, réfraction négative, ultra-réfraction. Par ailleurs, des antennes basées sur la mise en réseau d’un élément rayonnant sont plus compactes et plus facilement intégrables. Le problème de la diffraction d’une onde plane par des réseaux tridimensionnels bipériodiques peut être résolu par éléments finis ou par équations intégrales bipériodiques ; il l’est souvent par une méthode hybride combinant la méthode des éléments finis et la méthode aux équations intégrales. Nous avons choisi de développer une méthode hybride utilisant deux variantes de la méthode aux équations intégrales. Les domaines semi-infinis (l’extérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales bipériodiques (EI3D2D), et les domaines bornés (l’intérieur du réseau) sont traités par des équations intégrales tridimensionnelles (EI3D), auxquelles on impose des conditions aux limites de pseudopériodicité. Ce code numérique est développé dans le cadre du code SPECTRE de Dassault-Aviation, qui est un code généraliste 3D, afin de bénéficier de la richesse des modèles qui y ont déjà été développés (modèle composé d’un nombre quelconque de sous-domaines de formes et de matériaux quelconques, traitement des différents cas de jonctions entre sous-domaines, matériaux de faible épaisseur). L’efficacité en termes de précision et en temps de calcul de la méthode numérique est validée par comparaison des résultats avec d’autres simulations numériques et également avec des résultats de mesures. Les cas testés sont représentatifs de plusieurs des principaux phénomènes liés aux métamatériaux : surfaces sélectives en fréquence, transmission « extraordinaire », surfaces à haute impédance. Enfin, nous étudions un radôme passe-bande indépendant à l’angle d’incidence, à l’aide de la méthode numérique que nous proposons. La structure retenue se base sur un réseau de cavités coaxiales dans une couche métallique. Nous expliquons l’origine physique des résonances qui apparaissent et nous suggérons une évolution géométrique du profil des cavités, afin d’augmenter la largeur de bande passante. / Frequency selective surfaces (FSS) for radar stealth or in optics have been widely studied. For more than two decades, articial materials have been designed to highlight specific behaviour, like the existence of allowed or forbidden bands, negative refraction, ultra-refraction... Moreover, antennas based upon an array of radiating elements improve the compactness and integration of these features. The problem of the diffraction of a plane wave by 3D biperiodic scatterers can be solved by finite-elements methods (FEM) or biperiodic boundary integral equations (BIE). It is often done by hybrid methods, that combine FEM and BIE. We choose to develop a hybrid method that uses two variants of the BIE method. Semiinfinite outer domains are treated by biperiodic integral equations (3D2D IE) and inner bounded domains are treated by 3D free-space integral equations (3D IE). Pseudoperiodic boundary conditions are enforced in the scattering biperiodic structure. The numerical code is developed in the framework of Dassault Aviation’s SPECTRE code, which is a general 3D code, in order to take advantage of the various models that have already been developed : arbitrary number of sub-domains of various shapes or materials, treatment of the different types of junctions between sub-domains, thin slabs. The efficiency in terms of accuracy and computation time of the numerical code is validated by comparison of the results from other numerical simulations or measurements. All the test cases are representative of several of the main phenomena that can be observed in metamaterials : FSS, “extraordinary” transmission, high-impedance surfaces. Finally, a bandpass radome which is independent to the angle of incidence is studied. The proposed numerical method is used. The chosen structure is based upon an array of coaxial cavities in a metallic slab. We explain the physical origin of resonances that appear and we suggest a geometrical evolution of the profile of the cavities, to favor a wideband behavior.

Cette thèse porte sur l’étude numérique et expérimentale de l’utilisation de métamatériaux pour le contrôle des ondes à la surface de l’eau. Dans la première partie, nous avons montré comment focaliser les ondes à la surface de l’eau en utilisant une analogie existant avec des métamatériaux électromagnétiques de permittivité diélectrique quasi nulle qualifiés de ”epsilon-near-zero”. Cela a permis d’adapter le motif de phase à l’interface circulaire entre deux domaines présentant un contraste élevé de profondeur d’eau. L’analogie a donné lieu a un comportement fortement non linéaire des ondes, qui se manifeste par la génération d’une cascade de points focaux associés à des sous-multiples de longueurs d’onde par rapport à l’onde incidente. La deuxième application envisagée des métamatériaux pour les ondes à la surface est de rendre invisible les défauts géométriques d’un guide pour un observateur situé en champ lointain. Dans le premier projet lié au cloaking, des guides d’onde possédant différentes sections transverses ont été analysés. L’efficacité de la bathymétrie, donnée par la cartographie conformationnelle, a été evaluée numériquement en termes de propriétés de diffusion. Dans le second projet, nous avons montré numériquement comment rendre invisible un cylindre qui est décalé de l’axe d’un guide d’onde. Utiliser une bathymétrie de cloaking lisse autour du cylindre permet de reduire de manière significative la dispersion dans une large gamme de frequences. Des experiences réalisées avec des bathymétries conformes aux simulations ont confirmé une augmentation de la transmission par rapport à un scenario de référence avec fond plat. / This thesis presents numerical and experimental results concerning usage of metamaterials for water waves control. Two applications were considered. Firstly, we showed how to focus water waves using analogy to a group of metamaterials called epsilon-near-zero. This allowed to tailor phase pattern at the circular interface between two domains with high contrast in water depth. The analogy resulted in highly nonlinear behaviour of waves, manifested by sub-wavelength cascade of focal spots with respect to the incident wave. The second considered application of metamaterials for water waves was hiding (cloaking) defects in a waveguide from the far-field observer. In the first project, related to cloaking, waveguide with varying cross-sections was analyzed. The efficiency of bathymetry, rendered by conformal mapping, was evaluated in terms of scattering properties. The influence of water waves dispersivity on the cancellation of scattering was also determined. Cloaking properties of the obtained bathymetry were experimentally confirmed using a wave packet characterized by broadband spectrum. In the second project, we showed how to cloak a cylinder that is shifted from the centreline of a waveguide. Smooth cloaking bathymetry surrounding a cylinder was able to significantly reduce the scattering in broad range of frequencies. The experimental counterparts confirmed increase in transmission with respect to a reference case with flat bathymetry. The remainder of the thesis presents novel method for the analysis of fringe profilometry images. Performance of the new method was compared to the Fourier Transform Profilometry. We obtained significant enhancement in spectral capabilities.

Les dimensions d’une antenne sont inversement proportionnelles à leurs fréquences de fonctionnement. De plus, la miniaturisation d’une antenne entraîne la dégradation de ses performances électriques et de rayonnement. Par conséquent, il est important pour le concepteur de trouver un bon compromis entre le taux de miniaturisation et les performances souhaitées. L’objet de cette thèse est de proposer une antenne miniature possédant les meilleures caractéristiques possibles dans la bande UHF de la RFID (860MHz – 960MHz), facile à réaliser et à moindre coût d’industrialisation. Les travaux de cette thèse ont montré qu’un couplage magnétique d’une cellule de métamatériaux avec une demi-boucle permet d’obtenir des structures antennaires intéressantes de par leurs dimensions de l’ordre de λ0/10, leur efficacité et leur fonctionnement en multibande. Différentes techniques sont appliquées pour améliorer les performances des antennes développées à savoir le gain, la directivité et la polarisation circulaire et/ou elliptique. / Antenna dimensions are inversely proportional to their operating frequencies. Besides, the antenna miniaturization degrades its electrical and radiation performances. Therefore it is important for the antenna designer to find a good compromise between the miniaturization rate and the desired performances. The purpose of this thesis is to obtain a miniature antenna which has good characteristics in the UHF band of RFID (860MHz - 960MHz), easy to implement and with low industrialization cost. The works described in this thesis showed that a magnetic coupling of a metamaterial cell with a half loop provides interesting antennas in terms of dimensions of about λ0/10, efficiency and multiband behavior. Different techniques are applied to improve the performances of realized antennas as gain, directivity and circular and/or elliptical polarization.

La théorie d'homogénéisation élastodynamique des matériaux hétérogènes initiée par J.R. Willis il y a environ une trentaine d'années a récemment reçu une très grande attention. D'après cette théorie qui est mathématiquement exacte, la loi constitutive homogénéisée est non locale en espace et en temps ; le tenseur des contraintes dépend non seulement du tenseur des déformations mais aussi de la vitesse ; la quantité du mouvement dépend à la fois de la vitesse et du tenseur des déformations, faisant apparaître en général une masse anisotrope. Ces propriétés constitutives effectives, qui pourraient être surprenantes d'un point de vue mécanique classique, se révèlent en fait très utiles pour la conception de métamatériaux acoustiques et de capes acoustiques. Ce travail de thèse consiste essentiellement à proposer et développer deux méthodes numériques efficaces pour déterminer les propriétés élastodynamiques effectives des matériaux périodiquement hétérogènes. La première méthode relève de la méthode des éléments finis alors que la deuxième méthode est basée sur la transformée de Fourier rapide. Ces deux méthodes sont d'abord élaborées pour une microstructure périodique 3D quelconque et ensuite implantées pour une microstructure périodique 2D quelconque. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux méthodes sont comparés et discutés. A l'aide des méthodes numériques élaborées, la théorie de Willis est appliquée au calcul élastodynamique sur un milieu infini hétérogène et celui homogénéisé. Les différents cas d'homogénéisabilité et de non-homogénéisabilité sont discutés / The elastodynamic homogenization theory of heterogeneous materials initiated by J.R. Willis about thirty years ago has recently received considerable attention. According to this theory which is mathematically exact, the homogenized constitutive law is non-local in space and time; the stress tensor depends not only on the strain tensor but also on the velocity; the linear momentum depends on both the velocity and the strain tensor, making appear an anisotropic mass tensor in general. These effective constitutive properties, which may be surprising from a classical mechanical point of view, turn out in fact to be very useful for the design of acoustic metamaterials and acoustic cloaks. The present work is essentially to propose and develop two efficient numerical methods for determining the effective elastodynamic properties of periodically heterogeneous materials. The first method belongs to the finite element method while the second method is based on the fast Fourier transform. These two methods are first developed for any 3D periodic microstructure and then implanted for any 2D periodic microstructure. The advantages and disadvantages of each of these two methods are compared and discussed. Using the elaborated numerical methods, the Willis theory is applied to the elastodynamic computation over the infinite heterogeneous medium and the homogenized one. The various cases of homogeneisability and non-homogeneisability are discussed

Au cours de ces 20 dernières années, une attention particulièrement soutenue a été donnée à l'étude et à la fabrication de matériaux nano-structurés permettant le contrôle de la lumière. Cependant, les propriétés de non-linéarité optique de ces nouveaux matériaux n'ont que très peu été explorées. Partant de ce constat, cette thèse se propose de pourvoir cette insuffisance. L'accent est mis en particulier sur le processus de génération de seconde harmonique à travers deux aspects fondamentaux: (i) le contrôle de l'émission de seconde harmonique pour des matériaux nano-structurés non-linéaires et (ii) l'augmentation de conversion dans des dispositifs photoniques intégrés. Nous présentons un nouveau phénomène de localisation non-linéaire qui a lieu dans des matériaux main-gauche et qui implique un accord de phase isotrope. Nous démontrons analytiquement le processus de localisation dans un milieu homogène main-gauche, avant de mettre en évidence un tel effet dans des cristaux photoniques non-linéaires à l'aide de simulations numériques. L'effet de localisation contra-propagative du second harmonique est utilisé pour le design d'une lentille de second-harmonique. Ce résultat théorique a été démontré numériquement pour une structure réalisable fonctionnant aux fréquences optiques. L'augmentation de génération de seconde harmonique constitue l'aspect complémentaire. En tirant parti de la forte localisation de lumière dans une chaîne de nano-tiges de dimension finie, nous montrons que, pris ensemble, le confinement transverse sub-longueur d'onde et la condition de résonance d'accord de phase contribuent de manière importante à l'augmentation de la génération de seconde harmonique. Les capacités de guidage sub-longueur d'onde de chaînes de nano-tiges sont mis en évidence en examinant leurs propriétés de propagation linéaire. Pour finir, nous nous penchons sur la condition d'accord de phase assurant l'interaction non-linéaire optimale. / The past twenty years have been exceptionally rich on the study and fabrication of nanostructured materials to control light, but no much attention was given to nonlinear optical properties of these novel materials. In this context, the present thesis would partially address this gap. In particular, we focus on the second-harmonic generation process, by considering two fundamental aspects: the second-harmonic emission control by means of nanostructured nonlinear materials and the conversion enhancement in integrated photonic devices. A novel nonlinear localization phenomenon occurring in left-handed materials and involving isotropic phase-matching is presented. We analytically demonstrate the localization process in a homogenous left-handed material and by numerical simulation we show the effect for nonlinear photonic crystals. The backward second-harmonic localization effect is used to design a second-harmonic lens. This interesting theoretical result is numerically shown for a feasible structure working at optical frequencies. The second-harmonic generation enhancement is the complementary aspect. By taking advantage of the strong light localization achieved in finite size dielectric nonlinear nanorod chains, we show that sub-wavelength transversal confinement, together with the resonant phase-matching condition, adds an important property to the second-harmonic generation enhancement. A study of linear propagation properties of nanorod chain structures first evidences its sub-wavelength guiding capabilities. Finally, the phase-matching condition that assures the maximal nonlinear interaction in this kind of structure is presented.

Ce travail présente et valide une théorie nonlocale nouvelle et généralisée, de la propagation acoustique dans les milieux poreux à structure rigide, saturés par un fluide viscothermique. Cette théorie linéaire permet de dépasser les limites de la théorie classique basée sur la théorie de l’homogénéisation. Elle prend en compte non seulement les phénomènes de dispersion temporelle, mais aussi ceux de dispersion spatiale. Dans le cadre de la nouvelle approche, une nouvelle procédure d’homogénéisation est proposée, qui permet de trouver les propriétés acoustiques à l’échelle macroscopique, en résolvant deux problèmes d’action-réponse indépendants, posés à l’échelle microscopique de Navier-Stokes-Fourier. Contrairement à la méthode classique d’homogénéisation, aucune contrainte de séparation d’échelle n’est introduite. En l’absence de structure solide, la procédure redonne l’équation de dispersion de Kirchhoff-Langevin, qui décrit la propagation des ondes longitudinales dans les fluides viscothermiques. La nouvelle théorie et procédure d’homogénéisation nonlocale sont validées dans trois cas, portant sur des microgéométries significativement différentes. Dans le cas simple d’un tube circulaire rempli par un fluide viscothermique, on montre que les nombres d’ondes et les impédances prédits par la théorie nonlocale, coïncident avec ceux de la solution exacte de Kirchhoff, connue depuis longtemps. Au contraire, les résultats issus de la théorie locale (celle de Zwikker et Kosten, découlant de la théorie classique d’homogénéisation) ne donnent que le mode le plus attenué, et encore, seulement avec le petit désaccord existant entre la solution simplifiée de Zwikker et Kosten et celle exacte de Kirchhoff. Dans le cas où le milieu poreux est constitué d’un réseau carré de cylindres rigides parallèles, plongés dans le fluide, la propagation étant regardée dans une direction transverse, la vitesse de phase du mode le plus atténué peut être calculée en fonction de la fréquence en suivant les approches locale et nonlocale, résolues au moyen de simulations numériques par la méthode des Eléments Finis. Elle peut être calculée d’autre part par une méthode complètement différente et quasi-exacte, de diffusion multiple prenant en compte les effets viscothermiques. Ce dernier résultat quasi-exact montre un accord remarquable avec celui obtenu par la théorie nonlocale, sans restriction de longueur d’onde. Avec celui de la théorie locale, l’accord ne se produit que tant que la longueur d’onde reste assez grande. Enfin, dans le cas où la microgéométrie, formée de portions de conduits droits, est celle de résonateurs de Helmholtz placés en dérivation sur un guide principal, on peut, en appliquant la nouvelle procédure d’homogénéisation de la théorie nonlocale, et en modélisant les champs par des ondes planes aller retour dans chacune des portions droites, calculer les deux fonctions de densité et compressibilité effectives du milieu dans l’espace de Fourier. Sans faire d’erreur appréciable les ondes planes aller-retour en question peuvent être décrites par les formules Zwikker et Kosten. Disposant ainsi des fonctions densité et compressibilité effectives, le nombre d’onde du mode le plus atténué peut être calculé en résolvant une équation de dispersion établie via la théorie nonlocale. Ce nombre d’onde peut être indépendamment calculé d’une manière plus classique pour les ondes de Bloch, sans passer par la théorie nonlocale, mais en faisant les mêmes simplifications consistant à introduire dans les différentes portions, des ondes planes décrites par les formules Zwikker et Kosten. On observe alors, encore, un accord remarquable entre le nombre d’onde calculé classiquement, et le nombre d’onde calculé via la procédure nonlocale : le comportement résonnant exact est reproduit par la théorie nonlocale. Il s’interprète comme un simple effet de la dispersion spatiale, montrant la puissance de la nouvelle approche. / This work is dedicated to present and validate a new and generalized macroscopic nonlocal theory of sound propagation in rigid-framed porous media saturated with a viscothermal fluid. This theory allows to go beyond the limits of the classical local theory and within the limits of linear theory, to take not only temporal dispersion, but also spatial dispersion into account. In the framework of the new approach, a homogenization procedure is proposed to upscale the dynamics of sound propagation from Navier-Stokes-Fourier scale to the volume-average scale, through solving two independent microscopic action-response problems. Contrary to the classical method of homogenization, there is no length-constraint to be considered alongside of the development of the new method, thus, there is no frequency limit for the medium effective properties to be valid. In absence of solid matrix, this procedure leads to Kirchhoff-Langevin’s dispersion equation for sound propagation in viscothermal fluids. The new theory and upscaling procedure are validated in three cases corresponding to three different periodic microgeometries of the porous structure. Employing a semi-analytical method in the simple case of cylindrical circular tubes filled with a viscothermal fluid, it is found that the wavenumbers and impedances predicted by nonlocal theory match with those of the long-known Kirchhoff’s exact solution, while the results by local theory (Zwikker and Kosten’s) yield only the wavenumber of the least attenuated mode, in addition, with a small discrepancy compared to Kirchhoff’s. In the case where the porous medium is made of a 2D square network of cylindrical solid inclusions, the frequency-dependent phase velocities of the least attenuated mode are computed based on the local and nonlocal approaches, by using direct Finite Element numerical simulations. The phase velocity of the least attenuated Bloch wave computed through a completely different quasi-exact multiple scattering method taking into account the viscothermal effects, shows a remarkable agreement with those obtained by the nonlocal theory in a wide frequency range. When the microgeometry is in the form of daisy chained Helmholtz resonators, using the upscaling procedure in nonlocal theory and a plane wave modelling lead to two effective density and bulk modulus functions in Fourier space. In the framework of the new upscaling procedure, Zwikker and Kosten’s equations governing the pressure and velocity fields’ dynamics averaged over the crosssections of the different parts of Helmholtz resonators, are employed in order to coarse-grain them to the scale of a periodic cell containing one resonator. The least attenuated wavenumber of the medium is obtained through a dispersion equation established via nonlocal theory, while an analytical modelling is performed, independently, to obtain the least attenuated Bloch mode propagating in the medium, in a frequency range where the resonance phenomena can be observed. The results corresponding to these two different methods show that not only the Bloch wave modelling, but also, especially, the modelling based on the new theory can describe the resonance phenomena originating from the spatial dispersion effects present in the macroscopic dynamics of the matarial.

Dans la perspective d’un contrôle ultime de la lumière, les arrivées récentes des cristaux photoniques et des métamatériaux constituent des avancées majeures. Ces matériaux nano-structurés présentant des propriétés optiques inédites nous ouvrent tout un champ de possibilités encore inexploré. En particulier, des milieux d’indice effectif négatif sont rendus concevables. L’objectif de cette thèse est d’étudier d’un point de vue électromagnétique, à l’aide d’outils analytiques et numériques, le comportement de la lumière dans ces structures exotiques. Nous nous penchons sur les boucles de lumières, qui sont des modes localisés d’une structure multi-couches, émergeant du couplage contra-directionnel entre deux guides distincts. Une analyse physique est proposée et un modèle basé sur la théorie des modes couplés est développé. Cela nous permet de décrire avec précision l’excitation d’une boucle de lumière par une source lumineuse, et d’envisager des applications pour la mise en forme de faisceau. Dans une seconde partie, nous étudions des cristaux photoniques unidimensionnels formés par une alternance de milieux d’indices positif et négatif. Lorsque l’indice moyen est nul, une bande interdite aux propriétés nouvelles apparait. Nous montrons que le caractère dispersif des milieux transforme des pics étroits de transmission en larges bandes. Pour caractériser la propagation d’un faisceau dans un tel cristal, nous développons et validons alors un modèle qui nous permet de démontrer le potentiel en matière de mise en forme de faisceau (auto-collimation, focalisation). / In the perspective of an ultimate control of light, the recent arrivals of photonic crystals and metamaterials are major advances. These nano-structured materials with unusual optical properties are opening a whole range of possibilities still unexplored. In particular, negative index media have became conceivable. The aim of this thesis is to study, with an electromagnetic point of view, the behavior of light in these exotic structures, using analytical and numerical tools. We study the light wheels, which are localized modes of a multi-layer structure, emerging from the contra-directional coupling between two separate waveguides. A physical analysis is proposed and a model, based on the coupled mode theory, is developed. This allows us to accurately describe the excitation of a light wheel by a source, and to consider applications for beam shaping. In a second part, we study one-dimensional photonic crystals combining positive and negative index layers whose the average index is equal to zero. A band gap, called zero-n gap, appears and presents new properties that we detail. Index dispersion is shown to broaden the resonant frequencies creating then a conduction band lying inside the zero-n gap. Self-collimation and focusing effects are in addition demonstrated in zero-average index crystals supporting defect modes. This beam shaping is explained in the framework of a beam propagation model by introducing an harmonic average index parameter.

La communauté des métamatériaux est entrée en effervescence depuis la publication de deux articles de Science en 2006 par Pendry et Leonhardt dans lesquels il est proposé de réaliser des systèmes exotiques tels que les capes d’invisibilité par transformation d’espace. En effet, l’invariance de forme des équations de Maxwell permet une équivalence entre géométrie déformée et présence d’un matériau aux propriétés particulières. Depuis, de nombreux exemples expérimentaux ont montré la faisabilité de tels systèmes transformés. L’invariance de forme se retrouve également dans d’autres phénomènes physiques et les transformations d’espace ont par ailleurs été appliquées à plusieurs disciplines telles que l’acoustique, l’élasto-dynamique ou la propagation d’ondes de surface. Nous présentons ici les transformations d’espace appliquées à l’équation de la chaleur. Au cours de notre étude, nous nous intéressons aux transformations menant aux capes d’invisibilité thermiques et aux concentrateurs thermiques. Ces systèmes sont constitués de matériaux anisotropes et hétérogènes ce qui les rend difficile à réaliser. Nous utilisons donc la théorie de l’homogénéisation à deux échelles qui permet d’approcher le comportement de ces systèmes par une alternance de couches de matériaux isotropes. Nous suivons une démarche systématique d’évaluation quantitative des performances de nos systèmes approchés dans une optique d’une ingénierie à haut niveau de métamatériaux thermiques. Un modèle de tapis thermique à 50 couches est proposé dont les résultats expérimentaux sont attendus. / The metamaterials community has been heavily excited since the publication of two articles by Pendry and Leonhardt in 2006 in which exotic devices such as invisibility cloaks are proposed to be implemented by space transformation. Indeed, the form invariance of the Maxwell equations allow for an equivalence between a deformed geometry and a material with specific properties. Since then, several experimental studies have shown the feasibility of such transformed devices. The form invariance is also found in other physical domains such and the space transformations were applied to mulitphyscial phenomena such acoustic wave propagation, elasto-dynamic wave and surface wave propagation. We present in this work the space transformation applied to the heat equation. Throughout our study, we focus on the transformations leading to thermal invisibility cloaks and thermal concentrators. Those transformed devices are made of anisotropic heterogeneous materials which make them difficult to practically design. Therefore, we make use of the two-scale homogenization theory allowing to approach the behavior of those devices with an alternate set of isotropic materials. We systematically try to evaluate quantitatively the performance of our approximate devices by defining an effectiveness criterion to achieve high level of mthermal metamaterials engineering. We present a the end a model of a 50-layer carpet cloak whose first results are to be expected.

Une nouvelle génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques combinant hautes performances et bas coût se profile grâce aux promesses des films à boîtes quantiques colloïdales (BQCs) et de leurs propriétés électriques et optiques uniques. Les BQCs sont des nanocristaux semi-conducteurs synthétisés en solution qui se comportent comme des atomes artificiels. Des progrès considérables ont été réalisés durant la dernière décennie pour développer une optoélectronique à base de films BQCs mais les performances des composants réalisés sont toujours limitées par un certain nombre de propriétés propres à ces milieux telles que leur granularité et la présence de ligands à la surface des nanocristaux. Un deuxième type de matériaux artificiels, les métamatériaux, suscite un intérêt considérable de la part de la communauté de la nano-optique en raison des perspectives qu'ils offrent pour surmonter la limite de diffraction, réaliser des capes d'invisibilités et des indices de réfraction négatif en optique. Cependant, un certain nombre des applications potentielles des métamatériaux optiques se heurtent à leurs pertes élevées et au manque de fonctionnalités actives contrôlées électriquement.Bien que les films BQCs et les métamatériaux soient étudiés de façon indépendante et associés à deux champs de recherche distincts, leurs propriétés ont beaucoup d'éléments en commun puisqu'elles sont dans les deux cas largement dictées par leur géométrie interne. Il paraît donc intéressant d'exploiter ces analogies et de voir si les difficultés rencontrées dans chaque discipline ne peuvent pas être surmontées en combinant les deux approches. Cette thèse se propose de jeter les premiers ponts entre films BQCs et métamatériaux et constitue une première tentative d'établir une synergie entre ces deux types de milieux artificiels.Dans un premier temps, nous étudions des réseaux de nanoantennes plasmoniques capables d'exalter la photoluminescence spontanée de BQCs et apportons de nouveaux éléments de compréhension à ces interactions. Ensuite, nous décrivons la fabrication et la caractérisation de LEDs à BQCs inorganiques et émission par le haut. Ces LEDs sont développées de façon à servir de plateforme pour la dernière partie de ce travail qui consiste à hybrider les films BQCs et les métamatériaux. Dans cette dernière partie, nous insérons les réseaux d'antennes plasmoniques étudiés précédemment dans l'architecture des LEDs et démontrons une nouvelle forme d'électroluminescence artificielle. Celle-ci se traduit par l'émission de lumière par des nanopixels discrets qui peuvent être arrangés de façon arbitrairement complexe afin de générer toute une gamme de fonctionnalités. D'autres avantages seront présentés comme une brillance accrue, une tension de seuil extrêmement basse, des longueurs d'ondes d'émission contrôlées par la géométrie et un contrôle total de la polarisation. Une série d'expériences visant à sonder les mécanismes à l’œuvre dans ce nouveau type de LEDs sera présentée.Ce travail illustre le très grand potentiel qu'il y a à combiner différentes classes de matière artificielle et suggère que bien d'autres opportunités découleront d'une vision unifiée des différents milieux composites développés en physique, chimie et ingénierie. / A next generation of electronic and optoelectronic devices with high performances and low cost is expected to take off with films of colloidal quantum dots (CQDs) thanks to their unique electrical and optical properties. CQDs are semiconducting nanocrystals synthesized in solution that behave as artificial atoms. Substantial progresses in CQD film-based optoelectronics has been made over the past decade, but the performances are still limited and governed by the merit and inherited properties of CQDs. Another type of artificial medium, metamaterials, is generating a considerable interest from the nano-optics community because of its promises for beating the diffraction limit, realizing invisible cloaks, and creating negative refractive of index at optical regime. However, many of the potential applications for optical metamaterials are limited by their losses and the lack of active functionalities driven by electricity.Although films of CQDs and metamaterials are studied independently and associated to two distinct fields, their properties are mainly determined by their inner geometry. In addition, the difficult hurdles from each field can be surmounted by cooperating with the other one. This dissertation establishes the first bridge to connect films of CQDs and metamaterials and is a first attempt at exploiting the synergy of different types of artificial media.Firstly, we study plasmonic nanoantenna arrays capable of enhancing the spontaneous photoluminescence of CQDs and provide new fundamental insight into these interactions. Secondly, we report the fabrication and characterization of the first inorganic top-emission infrared quantum dot light-emitting-diodes (QDLEDs). The diodes are developed to serve as a solid platform for studying the CQDs film/metamaterial hybrids. Finally, we insert the plasmonic nanoantenna arrays studied at the beginning of this thesis in our QDLEDs and demonstrate a novel form of electroluminescence in which light is emitted by discrete nanoscale pixels that than be arranged at will to form complex light emitting metasurfaces. Other advantages associated with our metamaterial QDLEDs will also be presented i.e. greatly enhanced brightness, extremely low turn-on voltage, emissive color tunability, and polarized electroluminescence. A series of controlled experiments to probe the operational mechanisms of metamaterial QDLED will be discussed.This demonstration illustrates the enormous synergy of combining different types of artificial matter and suggests that many other opportunities will arise by taking an unified view of the various artificial media developed in physics, chemistry and engineering.

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalisée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan réflecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé / In this thesis, original solutions are proposed for antennas not sensitive to their environment. These antennas are designed for GNSS applications and more precisely for multi-bands ones. So the solutions are developed keeping in mind the GNSS specifications. Two different research axis are discussed. The first one deals with the natural properties of an antenna composed of different radiating structures. So an helix structure is associated with a metallic plate. The specifications of this antenna are in line with the ones of commercial antennas. Nevertheless, this antenna is only one band and in linear polarization which is not conform to the GNSS specifications. To satisfy these specifications a second axis is developed. In this second axis an electric antenna is associated with a specific reflector : a High Impendance Surface. Theorically, this surface allows to place the antenna very close and so reduce the thickness of the whole structure without disturbing the radiation of the antenna. Firstly, the High Impendance Surface and more precisely its periodic patterns is studied. Both one band and dual-band pattern are designed. The one band pattern has a good bandwidth (13%) compared to its size (2,5mm). The dual-band pattern designed by pattern enclosing realized the GNSS specifications in simulation. This is followed by measures. The aim of the thesis is to place the antenna above the designed HIS so a lot of antennas are designed to test and tune the surface. Firstly dipoles are used to study the coupling effects and secondly circular polarized antenna are used to reach the GNSS specifications. For both axis, the radiation pattern and the size of the whole system is optimized. So the proposed solutions are the thinnest ones. To conclude the characteristics of the proposed structures are compared to specifications and to existing antennas and future work is proposed