Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d'identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu'au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l'interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l'interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d'un capteur multimodal pour l'identification de processus biologiques à l'interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimérie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d'effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d'une interaction intermoléculaire à l'interface d'une réaction d'hybridation d'ADN furent définies afin d'en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétrique et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s'assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s'assurer qu'il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s'assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d'hybridation d'ADN à l'interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l'interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l'interface. Des mesures d'oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées.

Nous nous intéressons aux effets en surface induits par un écoulement turbulent, en utilisant une approche expérimentale. Nous étudions un écoulement turbulent de faible épaisseur avec une surface libre. L'écoulement est produit dans un métal liquide à l'aide d'une force électromagnétique. Il présente des tourbillons, des bandes de cisaillement et des ondes, dépendent des conditions de forçage. Trois aspects ont été considérées: la déformation de surface engendré par la turbulence; les effets de la turbulence sur la propagation des ondes; et les effets de la turbulence sur des particules qui flottent à la surface. Concernant la déformation de surface : à mesure que l'on augmente l'intensité du forçage, l'écart type de la déformation augmente de façon linéaire, jusqu'à atteindre le 10% de l'épaisseur du fluide. Les déformations extrêmes peuvent atteindre la moitié de l'épaisseur. A faible forçage, la déformation de surface est principalement liée à la présence des tourbillons, impliquant une distribution de l'hauteur avec un facteur d'asymétrie négatif. Cette observation contraste avec la turbulence d'onde, où une asymétrie est aussi observée, mais avec un facteur d'asymétrie positif, notamment à cause des crêtes pointues dans les ondes de gravité. Le spectre en fréquence de la déformation présente une loi de puissance avec un exposant -5, similaire au spectre de singularité de Phillips. Ainsi, nous avons présenté les empreintes statistiques des tourbillons. Deuxièmement, nous avons considéré un autre aspect de la relation onde-écoulement turbulent : nous avons induit mécaniquement des ondes monochromatiques à la surface de l'écoulement. Lorsque l'écoulement deviens plus intense, nous avons mesure la décroissance et l'élargissement du mode associé à l'onde. Nous avons calculé une moyenne cohérente que souligne l'onde para rapport aux fluctuations turbulentes. Ceci nous permet d'observer la décroissance spatial de l'onde lorsque l'écoulement deviens plus intense. Ces analyses nous ont permit de quantifier une augmentation de l'atténuation des ondes à cause de la turbulence. Si l'on considère des particules qui flottent à la surface du liquide, on s'aperçoit qu'elles ont tendance à former des amas. Ce phénomène est confirmé par une analyse statistique des aires définies par la position des trois particules voisines. Ce faisant, on peut identifier clairement les particules qui appartiennent aux amas. De plus, ces particules présentent une corrélation très forte des vitesses et d'orientation angulaire. Plusieurs mécanismes physiques peuvent induire cette formation des amas: (i) l'inertie des particules ; (ii) des mouvements verticaux secondaires et ; (iii) la déformation de surface. Nous avons construit des quantités pour corréler les effets de concentration de particules avec ses mécanismes. Les corrélations plus importantes sont celles que concernent les mouvements verticaux secondaires, qui l'on interprète comme le mécanisme responsable des effets de concentration.

L'aléa sismique d'un site donné peut être largement influencé par des effets de site. Afin d'évaluer ces effets, la structure locale du sous-sol ainsi que les propriétés du champ d'onde doivent être étudiées. Les ondes de surface (ondes de Love et de Rayleigh) s'avèrent utiles, leurs propriétés (courbes de dispersion, ellipticité des ondes de Rayleigh) étant directement liées à la structure du sous-sol. Le paramètre clé pour l'identification du type d'onde est la polarisation. Dans la première partie de la thèse, de nouvelles méthodes pour l'estimation de paramètres de polarisation d'ondes de surface sont développées. Deux méthodes, DELFI et RayDec, estiment l'ellipticité des ondes de Rayleigh à partir d'enregistrements d'un seul capteur sismique. La troisième méthode, MUSIQUE, est basée sur la méthode MUSIC et utilise les enregistrements multi-composantes de réseaux sismiques afin de distinguer ondes de Love et ondes de Rayleigh et d'estimer leurs propriétés. Dans la deuxième partie de la thèse, une étude théorique de l'inversion de courbes d'ellipticité montre quelles parties de ces courbes véhiculent les informations importantes sur la structure du sol et comment l'inversion peut être améliorée. Le schéma d'inversion résultant est alors testé en l'appliquant à des données réelles mesurées pour 14 sites européens. Finalement, 22 séismes enregistrés par un réseau de capteurs dans la vallée de Santa Clara en Californie sont analysés par MUSIQUE. La répartition azimutale, les courbes de dispersion, la courbe d'ellipticité et les énergies des différents types d'ondes sont analysées et soulignent l'importance des ondes de surface diffractées dans le champ d'ondes enregistré. / The seismic hazard of a given site can be largely influenced by site effects. In order to estimate these effects, the local soil structure and the wave field properties have to be investigated. This can be done using surface waves (Love and Rayleigh waves) since their properties (dispersion curves, Rayleigh wave ellipticity) are closely linked to the soil structure. The key parameter for the correct wave type identification is the polarization. In a first part of this thesis, three new methods to estimate the polarization parameters of surface waves have been developed. Two methods, DELFI and RayDec, estimate the Rayleigh wave ellipticity using the recordings of a single seismic station. The third method, MUSIQUE, is a further developed version of the MUSIC algorithm, and uses seismic array recordings to discriminate between Love and Rayleigh waves and estimate their respective properties. In the second part of the thesis, a theoretical investigation of the inversion of ellipticity curves shows which parts of an ellipticity curve carry the important information on the soil structure and by which means the inversion can be disambiguated. The developed inversion scheme is then tested on real data measurements obtained at 14 different European sites. Finally, the seismological wave field in the Californian Santa Clara valley is investigated applying MUSIQUE to seismic array recordings for 22 earthquakes. The azimuthal energy repartition between the different wave types is investigated and the respective dispersion curves as well as the Rayleigh wave ellipticity curve are estimated. This study outlines the importance of diffracted surface waves in the recorded wave field. STAR

Les ultrasons laser font partie des techniques expérimentales d'inspection en développement pour des problématiques de contrôle non destructif toujours plus exigeantes. Ces méthodes sans contact permettent dans notre cas de générer et détecter des ondes de surface se propageant sur des distances de quelques dizaines de microns.L'objectif de cette thèse est de mettre au point et tester une méthode ultrasons lasers pour l'étude d'échantillons d'aciers polycristallins. En effet ces matériaux à la base d'un ensemble de pièces manufacturées sont composés d'une multitudes de cristaux anisotropes de tailles et d'orientations variables. Parmi les paramètres physiques d'intérêt l'évaluation des constantes élastiques ainsi que la détermination de texturations sont des facteurs essentiels dans toute application CND et leur simulation numérique. Dans un premier temps, les variations de vitesses de propagation dues à l'anisotropie et aux l'orientation différentes des cristaux sont mesurées grâce au montage expérimental en surface d'échantillons d'acier austénitique. Les résultats sont exploités sous la forme de distributions statistiques de vitesses de propagation et un protocole d'inversion est proposé pour l'évaluation des constantes élastiques. Dans une seconde partie, un échantillon d'acier moulé présentant de larges macrograins est analysé pour la mise en évidence de sous-structures au sein d'un milieu biphasique.Finalement un échantillon de soudure possédant une texturation typique avec grains allongés est étudié et la présence d'une orientation préférentielle est soulignée. / Laser ultrasonics are among the most interesting experimental technics to answer the need of industrials in NDT applications. These non contact methods allow to generate and detect elastic surface wave propagating on typical distances of several tens of microns.The main objective of this thesis is to test laser ultrasonics methods for polycristalline steel study. These materials are composed of several anisotropic crystals with differents sizes and orientations. Among the essential parameters to describe such material, the determination of elastic parameters and texturations are key to good understanting and for the modelisation of material in NDT studies.In a first part, velocities variations due to elastic anisotropy and crystalline orientation of grains is assessed by measuring surface acoustic wave velocity. The experimental results are used in the form of statistical distribution of velocity combined with a numerical model to evaluate elastic parameters.Stainless casted steel is a complex material presenting large biphasic grains. They are here studied to show the presence of sub-structures.Finally, a weld sample presenting typical structuration of ellongated grains is studied to show the presence of preferential orientation.

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 ondes de surface se propagent le long de la surface terrestre par-delà l'horizon et ces propriétés de propagation sont des atouts pour diverses applications industrielles (civiles ou militaires) opérant dans la bande HF. C'est le cas notamment des radars transhorizon, des systèmes de communications, de la détection de tsunami, ou encore l'étude de la courantologie. Actuellement, les aériens utilisés dans ce contexte ne sont pas optimisés pour privilégier la propagation par ondes de surface. C'est dans ce contexte que TDF, la Direction Générale de l'Armement (DGA) et l'Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes (IETR) se sont associés pour proposer cette thèse. L'objectif principal de la thèse est de concevoir des antennes en bande HF de dimensions réduites (<3 mètres) réduisant le rayonnement vers le ciel afin favoriser l'onde de surface. Une première approche a permis de concevoir deux antennes élémentaires, l'une omnidirectionnelle et l'autre directive, permettant de réduire le rayonnement vers le ciel pour les sites compris entre -45° et +45°. Les solutions proposées sont de tailles très réduites grâce à l'utilisation d'une antenne à polarisation verticale électriquement courte dans le plan vertical et de parasites horizontaux alimentés par couplage EM. Les études expérimentales réalisées à échelle réelle sont en bon accord avec les performances théoriques obtenus à l'aide de logiciels d'analyse électromagnétique commerciaux. Une seconde approche a permis de concevoir des réseaux d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical selon une disposition linéaire des aériens. La réduction du rayonnement vers le ciel est réalisée grâce aux réseaux de type Endfire/Broadside. Enfin, une troisième étude a permis de concevoir deux systèmes antennaires agiles en diagrammes tout en conservant les propriétés de réduction de rayonnement vers le ciel. Le premier système à l'aide d'antennes électriquement courtes dans le plan vertical chargées par des réactances, et le second en appliquant une pondération en amplitude et en phase d'un réseau à deux dimensions. / The surface-waves propagate beyond the horizon. This phenomenon is an attractive feature for many applications operating in the HF band both in civil or military field. By example, we can quote the High Frequency Surface Waves Radar (HFSWR), communicating systems, or the study of the currentology. Currently, the antennas used in the field of surface-waves propagation are not fully optimized and radiate also in sky wave. In order to optimize the radiation pattern of the antennas used in these systems, the company TDF, the Direction Générale de l’Armement (DGA) and the Institute of Electronic and Telecommunications of Rennes (IETR) have proposed this projetct. The main objective of this work is to design electrically small antennas in the vertical plane (< 3 meters) in the HF band while reducing the radiation toward the sky. The first concept is based on vertically polarized antennas electrically small in the vertical plane coupled to horizontally radiators placed above the antenna. As a result, the radiation pattern in the horizontal plane is omnidirectional or directive with a radiation toward the sky reduced for the elevations range from -45° to +45°. Prototypes have been realized and validated by measurements. Then, in the second study we have developed antennas array in order to reduce the radiation toward the sky with another way that the horizontal radiators. This method allows reducing significantly the radiation toward the sky according to the number of elements in the array. Finally, in the third study we have studied electronically scanning antennas while maintaining the reduction of the radiation toward the sky. The first system is based on an array of radiator loaded by reactance, and the second is based on a planar array with an appropriate feeding.

Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées / The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified

Ce travail a pour objectif l'étude des différents paramètres sismologiques utilisables en géodynamique, c'est à-dire principalement l'étude des structures profondes, de la sismicité et des mécanismes focaux. La première étape consiste dans la collecte de données nouvelles et fiables ce qui nous a amenés : premièrement à compléter le réseau sismologique existant au Maroc et deuxièmement à organiser ou participer à plusieurs campagnes de sondages sismiques profonds. De nombreux modèles géodynamiques ont été proposés pour la Méditerranée occidentale, nous présenterons les principaux d'entre eux en tentant d'expliquer quelles sont les données qui ont été à l'origine de leur élaboration. Souvent ces modèles s'appuient sur des données géologiques mais peu tiennent compte de l'ensemble des contraintes apportées par les données géophysiques. Ayant acquis des données géophysiques récentes, je les confronterai à ces modèles et à leurs conséquences. Notre exposé sera composé de plusieurs chapitres dans lesquels nous introduirons en annexe certaines de nos publications ayant trait au sujet. - Une étude de la dispersion des ondes de surface pour preclser la structure profonde dans le domaine atlantique et le domaine nord africain et tenter de déceler une différence entre la plaque Europe et la plaque Afrique. - Plusieurs interprétations de sondages sismiques profonds, en mer d'Alboran où la nature de la croùte (océanique, continentale ... ) conditionne toute hypothèse quant à son mode de formation, au Maroc où de nombreux profils ont été effectués principalement dans la zone rifaine. - Une étude gravimétrique faite en mer d'Alboran en utilisant les structures définies par les sondages sismiques pour confirmer ou infirmer certains résultats de ces derniers. - Plusieurs études de sismicité: de type général à partir du fichier de données U.S.G.S. de 1900 à 1976, ou plus locales concernant particulièrement l'arc de Gibraltar à partir des nouvelles données ou l'Algérie du Nord en redéterminant les épicentres de la période 1950-1970. Le problème de la profondeur des foyers est crucial pour tout modèle supposant une subduction lithosphérique, nous tenterons, examinant les données avec un soin particulier, de préciser la profondeur des foyers. Ce chapitre se terminera par quelques considérations sur les mécanismes associés aux tremblements de terre en domaine océanique ou continental. Les mécanismes focaux, du fait de la faible magnitude des séismes sur le pourtour méditerranéen, sont mal connus ; nous tenterons. à partir de données de sismogrammes courte période d'en proposer de nouveaux et de les relier à des accidents tectoniques existants. Cet exposé se terminera, non par la proposition d'un nouveau modèle supplantant tous les précédents, mais par une revue critique des différents modèles proposés à la lumière des données nouvellement acquises ou de données géophysiques déjà publiées.

L'inversion des formes d'ondes (FWI) est une méthode d'imagerie sismique quantitative multiparamètre actuellement en plein essor. La prise en compte de l'ensemble des phénomènes de propagation enregistrés, en particulier des ondes de surface, en font une technique prometteuse pour des applications de la subsurface sur des problématiques géotechniques ou environnementales. Cependant, l'adaptation au contexte de la subsurface d'une méthode sismique validée numériquement ou sur des applications d'imagerie profonde est une tâche difficile. Nous proposons ici une approche par modélisation physique à échelle réduite à l'aide d'un laboratoire de Mesures laser-Ultrasonore Sans Contact (MUSC) mis en place dans le cadre de cette thèse. Les différents éléments du laboratoire ont été caractérisés pour la modélisation sismique à échelle réduite et une attention particulière a été portée à la simulation de la source. Les données acquises ont été validées par confrontation avec des données obtenues par modélisation numérique à l'aide des codes fournis par Géoazur dans le cadre du projet ANR SEISCOPE. Dans un deuxième temps, le potentiel de la FWI pour des applications de la subsurface a été évalué par l'approche conjointe de la modélisation numérique et de la modélisation expérimentale. Nous avons ainsi pu montrer par cette double approche que la FWI permet d'obtenir une information sur la morphologie de cavités souterraines grâce à la prise en compte des ondes de surface. Par ailleurs, sur les différents modèles multicouches étudiés, l'information sur les zones les plus superficielles fournie par les ondes de surface dispersives a pu être exploitée par la FWI.

La tomographie sismologique à l'échelle régionale peut donner des informations sur la structure profonde des continents anciens. Nous développons une méthode de tomographie en ondes de surface, puis nous l'appliquons aux ondes de Rayleigh du projet SVEKALAPKO (bouclier Balte). Cette méthode est basée sur le tracé de rais 2D, elle tient compte de la courbure des fronts d'onde incidents. Le profil moyen en vitesse des ondes S obtenu est de 4% plus rapide que des modèles de Terre standards et ne présente pas de zone à moindre vitesse. La comparaison avec des données issues de xénolithes implique une stratification chimique de la lithosphère. Le modèle 3D présente des variations latérales de +/-3% attribuées à des différences de composition des roches. La limite Archéen-Protérozoïque n'a pas de signature nette peut-être à cause d'une modification du manteau à grande échelle au cours du Protérozoïque et/ou de la structure complexe du domaine Protérozoïque, héritée de sa formation.