La capacité de pénétration des ondes électromagnétiques (OEM), généralement non destructive, dans les matériaux ou tissus permet de sonder les milieux étudiés. En termes de santé publique, améliorer la qualité de vie est devenu un objectif majeur de la société actuelle. Des applications de sondage par OEM de divers milieux ou tissus dans le domaine biologique présentent un intérêt majeur dans les opérations de diagnostic et dans les opérations thérapeutiques. Les travaux de cette thèse abordent le vaste domaine des applications biomédicales, des interactions micro-ondes/radiofréquences et de la matière. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’univers émergeant de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) à Ultra-Haut Champ. Le premier objectif est de développer un fantôme anthropomorphique de tête humaine ou il faut prendre en compte les propriétés électromagnétiques et les temps de relaxation caractéristiques de chaque tissu. Cela permet d’obtenir une estimation précise des niveaux de DAS pour l’être humain et une notion des formations de hotspots lors d’un examen IRM haut-champ.Le deuxième objectif dans le domaine des IRM à très haut champ est l’étude et la fabrication des dispositifs d’homogénéisation de champ permettant ainsi d’éclaircir les zones d’ombres. Ce processus, dénommé Dielectric Shimming, est basé entre autre sur l’utilisation d’éléments discrets à hautes permittivités appelés pads. Ces pads sont composés de matériaux diélectriques à fortes permittivités, comme des solutions aqueuses de Titanate de Baryum, afin de focaliser le champ dans les zones initialement sombres de l’image de l’IRM (dans cas du cerveau : le cervelet et les lobes temporaux). / The penetration capacity of the electromagnetic (EM) waves in matter or biological tissues allows exploring media non-destructively. Concerning the public health sector, improving the quality of life has become one of the greatest concerns of nowadays society. EM wave research on different media and biological tissues shows a great potential for diagnostic applications and eventually for therapeutically applications. In this doctoral thesis, we focus on the vast domain of the biomedical applications of wave-matter interactions, based on the knowledge of the electromagnetic properties of matter, the complex permittivity and the conductivity. On a first instance, we address the emerging domain of ultra-high field MRI (Magnetic Resonance Imaging), which nowadays puts effort into the clinical implementation of 7T devices. Firstly our purpose is to produce an anthropomorphic head model, composed of the brain’s different layers, and taking into account the electromagnetic properties and the proton relaxation times inherent to each tissue. These realistic head models allow to evaluate the newly developed protocols for these ultra-high field devices. Secondly, we have studied and developed field homogenization devices, which allow brightening the shadow areas displayed in some MRI images, such as the cerebellum and the temporal lobes in brain imaging at 7T. This procedure, named Passive Shimming, is based on the use of high permittivity dielectric pads composed of Barium Titanate, which focalize the field to the areas where normally the wavelength in insufficient to generate a homogeneous signal distribution.

L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

L'arrivée au début du millénaire des métasurfaces offre une approche novatrice à la manipulation des ondes électromagnétiques. De l'interaction du front d'onde incident et des méta-atomes, structures fondamentales de la métasurface, émerge des propriétés optiques exotiques que l'on ne retrouve pas chez des matériaux ordinaires. Bien que cette technologie promette de s'affranchir des limitations de l'optique classique, l'intégration de métasurfaces à des systèmes optiques déjà existants demeure une avenue peu explorée. Toutefois, de récents développements dans la modélisation de métasurfaces auraient le potentiel de promouvoir cette intégration. En effet, par la conjonction de modèles et d'outils de conception optique traditionnelle, il serait possible d'extraire efficacement les propriétés optiques de métasurfaces au cœur d'un système optique complexe. Ce projet propose donc une méthode d'intégration des métasurfaces en conception optique grâce à des modèles semi-analytiques permettant de caractériser des structures rectangulaires et cylindriques agissant comme méta-atomes. De cette façon, les propriétés des méta-atomes utiles à la conception optique ont pu être étudiées. En plus de pouvoir obtenir les dimensions de structures permettant à la métasurface d'opérer adéquatement, les comportements de ces structures sous différentes conditions d'illumination ont été établis. Des analyses subséquentes sur la performance et la dispersion chromatique de métalentilles ont révélé des particularités fondamentalement distinctes de l'optique classique. Pour conclure, une démonstration de systèmes combinant métasurfaces avec éléments réfractifs a servi de preuve de concept pour la méthode proposée de conception optique exploitant les métasurfaces de manière avantageuse. / The arrival at the beginning of the millennium of metasurfaces offers an innovative approach to the manipulation of electromagnetic waves. From the interaction of the incident wavefront and the meta-atoms, fundamental structures of the metasurface, emerge exotic optical properties not found in ordinary materials. Although this technology promises to overcome the limitations of conventional optics, the integration of metasurfaces into existing optical systems remains an unexplored avenue. However, recent developments in metasurface modelling have the potential to promote this integration. Indeed, by combining models and traditional optical design tools, it would be possible to efficiently extract the optical properties of metasurfaces within a complex optical system. This project proposes a method for integrating metasurfaces in optical design using semi-analytical models to characterize rectangular and cylindrical structures acting as meta-atoms. In this way, the properties of meta-atoms useful for optical design could be studied. In addition to being able to obtain the dimensions of structures allowing the metasurface to operate adequately, the behavior of these structures under different illumination conditions has been established. Subsequent analyzes of the performance and chromatic dispersion of metalenses have revealed features fundamentally distinct from conventional optics. To conclude, demonstrations of systems combining metasurfaces with refractive elements served as proof of concept for the proposed method of optical design exploiting metasurfaces in an advantageous way.

Ce travail de thèse peut être divisé en deux parties. Dans la première partie on présente une étude de la filamentation d'impulsions laser femtoseconde dans les milieux Kerr transparents passifs et amplificateurs; les résultats principaux de cette partie sont les suivants: mise en place d'une nouvelle technique (P-scan) pour l'étude des différents régimes de propagation non linéaire d'une impulsion femtoseconde dans les gaz (chapitre III), et mise en évidence de la possibilité d'augmenter l'énergie et la puissance transportées par un seul filament, bien au dessus du seuil d'apparition de multi-filaments (chapitres IV et V). Dans la deuxième partie, on étudie le plasma généré par filamentation en tant que source de radiation électromagnétique secondaire, dans les bandes Ter! ahertz et Radiofréquences. L'étude du filament comme source de radiation Terahertz est décrit dans les chapitres VI, VII et VIII ; elle a amené à la découverte d'un nouveau mécanisme d'émission radiale en présence d'un champ électrique statique longitudinal le long de l'axe du filament. Nous avons aussi découvert un nouveau mécanisme d'émission Terahertz en l'absence de champ appliqué; cette fois la radiation est émise vers l'avant dans un cône fermé autour de l'axe de propagation du filament. Le mécanisme d'émission, modélisé en collaboration avec le Prof. Tikhonchuk de l'Université de Bordeaux 1, s'est révélé être en très bon accord avec les observations expérimentales. Enfin, nous avons mis en évidence la possibilité de transformer un canal de plasma produit par la! ser en une antenne dipolaire, qui peut émettre des radiof! réq uences. Ce sujet est décrit dans le chapitre IX.

L’origine de ce travail est principalement les effets biologiques potentiels des ondes électromagnétiques de la gamme non ionisante rencontrés dans la littérature et quelques faits observés par des clients de la technologie commercialisée par la société Planet Horizon SA. Les essais de couplage du traitement aux ondes électromagnétiques et les procédés de traitements des eaux usées par boues actives sont réalisés à niveau industriel au sein de la STEP de Penthaz (Suisse) compose de 2 lignes parallèles et sur des pilotes de laboratoire en mode SBR. Le traitement électromagnétique de très basse fréquence (Antennes émettant deux fréquences harmoniques F1 et F2 < 10 kHz) est appliqué via 5 antennes dans le bassin d’aération ou une antenne sans le SBR directement. Dans une autre expérience , des tubes, émettant les mêmes fréquences, sont utilisés pour le recyclage de la liqueur mixte avec toujours une ligne de référence. Au niveau de la STEP, dans le bassin d’aération le traitement électromagnétique a permis une réduction de la quantité de biomasse produite au niveau de l’essai de l’ordre de 42,5% par rapport à ligne témoin. De plus, ce traitement électromagnétique n’affecte pas la qualité de l’eau épurée puisque la quantité de DCO résiduelle est la même à la sortie des deux ligne (REF et EM) et le rendement d’abattement de la matière organique est de l’ordre de 94% pour les deux lignes. Par contre à l’échelle du laboratoire, les résultats obtenus après le couplage du traitement électromagnétique n’ont aucun effet sur la quantité de biomasse produite dans les différents essais avec antenne ou bobine comme étant des émetteurs d’ondes EM. De même, on ne remarque aucun effet significatif sur les rendements de dépollution. La deuxième partie concerne l’application de ces mêmes ondes sur la formation de biofilm microbien. Les champs électromagnétiques visés sont des faibles champs de quelques dizaines de milli-teslas au niveau du générateur (tension de l’ordre de la dizaine de volts et intensité de l’ordre d’un ampère) avec des fréquences comprises entre 0 et 10 kHz; deux ondes de fréquences harmoniques sont imposées simultanément. Le biofilm est quantifié au cours du temps grâce à la mesure de différents paramètres (densité optique, DCO, protéines, ATP, exopolysaccharides). Les résultats expérimentaux démontrent que l’onde électromagnétique limite la formation du biofilm si la continuité hydraulique est assurée entre la bobine électromagnétique et les supports de biofilm ; la quantité de biofilm mesurée est alors deux fois plus faible environ. Cependant, l’effet semble bactériostatique et non bactéricide : l’application de l’onde ne détruit pas le biofilm mais réduit sa formation car dès l’arrêt de l’onde, la vitesse augmente. Des signaux électriques de quelques millivolts et dans le domaine des très basses fréquences ont été détectés seulement dans la cuve en continuité hydraulique avec le générateur d’ondes et située à une distance de 1m environ. Des mesures de champs électromagnétiques dans l’air donnent des intensités de champs très faibles ne pouvant expliquer un effet thermique ou ionisant sur le biofilm. / The first part of this work concerns the coupling of VLF electromagnetic waves treatment and the processes of wastewater treatment by activated sludge in order to reduce excess sludge. Experiments are made at real -scale ( Penthaz , Switzerland),containing two parallel lines and at lab-scale with SBR pilots. The electromagnetic treatment of very low frequency ( antennaemitting harmonic frequencies F1 and F2 <10 kHz) is applied via 5 (2,3x1m) antennas in the aeration basin of the real plant. Other type of antenna (30x 5 cm) was configurated for one of the labscale assays. In the other lab-scale experiment, tubes emitting the same frequency are used for recycling the mixed liquor. With the WWTP, the amount of excess sludge produced in the treated line is reduced by about 42.5%, compared to the control line. In addition, the electromagnetic treatment does not affect the quality of treated water. In this case, outlet COD concentration was similar for the the two lines (REF and EM) and the reduction of or ganic matter yield was about 94% for the two lines. Electromagnetic treatment had no effect on the amount of excess biomass produced in all tests conducted at lab-scale. No significant effect has been noticed regarding depollution yields. The second part aims to better understand the interaction between an electromagnetic wave of very low frequency and biological material and, in particular, the effects on the development of microbial biofilms. Electromagnetic fields are covered weak fields a few milli-Tesla (voltage of the order of tens of volts and intensity of the order of one ampere) with frequencies between 0 and 10 kHz, two waves of harmonic frequencies are transmitted simultaneously. The biofilm was quantified over time by measuring different parameters (optical density, COD, protein, ATP, exopolysaccharides). The experimental results how that the electromagnetic wave limit biofilm formation ( close to 50% of untreated biofilm) if the hydraulic continuity is ensured between the electromagnetic coil. However, the effect appears bacteriostatic and no antibacterial : the application of the wave does not destroy the biofilm but reduced its establishment and upon discontinuation of the wave, the growth increases. Measurements and modeling of electromagnetic fields in the air give intensities of very weak fields that can explain a thermal or ionizing effect on the biofilm.

Ce travail est dévolu à l'étude de la diffraction d'ondes électromagnétiques par un corps diélectrique. Des équations de Maxwell, nous dérivons deux équations intégrales. L'une est une équation intégrale volumique à noyau fortement singulier et l'autre, une équation intégrale couplée surface-volume à noyau faiblement singulier. Ces deux formulations sont analysées, à l'aide des résultats standard de Fredholm, en considérant une permittivité électrique discontinue à travers le bord du diélectrique. Cette hypothèse est réaliste et permet de prendre en compte des matériaux composés de différentes couches diélectriques. L'équation intégrale volumique est ensuite résolue numériquement. A cette fin, nous avons développé une méthode pour traiter les singularités de l'opérateur intégral volumique. Cette méthode de traitement des singularités est une méthode de changements de variables faisant appel aux transformations de Duffy et elle peut s'appliquer à une classe plus grande d'opérateurs intégraux. La méthode et l'équation intégrale volumique sont implémentées dans le code Mélina++ qui est une librairie d'éléments fins développée au sein de l'Institut de Recherche Mathématique de Rennes. Quelques résultats de tests numériques viennent, enfin, compléter le travail.

L'accès direct à l'ionosphère que les cornets polaires permettent au plasma du vent solaire font de ceux-ci une région-clef pour l'étude de l'interface entre le vent solaire et la magnétosphère. Il a été choisi d'étudier la nature des ondes UBF et de leur interaction avec le plasma dans la partie la plus distante des cornets polaires avec les données Cluster.<br />Une étude de cas détaillée montre que les injections de plasma du vent solaire s'accompagnent d'une forte activité électromagnétique. L'analyse des ondes, met en valeur la nature alfvénique dominante de ces fluctuations, ainsi que le mélange des modes dans une même bouffée, résultat obtenu par une analyse pluri-satellitaire, ici le filtrage-en-k. Les ondes d'Alfvén sont identifiées dans le domaine cinétique. Les interactions possibles avec le plasma sont recherchées. Ces résultats sont pour partie généralisés, montrant l'importance des ondes UBF dans la pénétration du plasma du vent solaire dans la magnétosphère terrestre.

Cette thèse présente des résultats basés sur les mesures d'ondes réalisées par le satellite DEMETER. Ce satellite français a été exploité entre les années 2004 et 2010 à l'altitude de ~660 km. Nous nous sommes concentrés sur les mesures des ondes électromagnétiques et de la densité du plasma au voisinage des tremblements de terre imminents .Dans la première partie, nous présentons une étude des variations de la densité du plasma dans le voisinage d'un tremblement de terre très puissant au Chili ( Mω 8.8) qui a eu lieu le 27 Février 2010. Les données enregistrées avant le choc principal le long des orbites proches de l'épicentre ont montré des augmentations de densité du plasma. Dans une deuxième étape, une analyse statistique a été effectuée en utilisant 4 ans de données pour suivre les variations saisonnières de densité. Cette étude montre qu'une augmentation forte de la densité du plasma est très rare dans cette région à l'époque du séisme. Dans la deuxième partie, une étude statistique (~6,5 ans) des variations de l'intensité des ondes TBF est montrée. Nous avons analysé toutes les données mesurées disponibles à proximité (en temps et en distance) de grands séismes (M> ou = 5). Les données relatives à plus de 12000 tremblements de terre ont été comparées avec une distribution de référence non perturbée. Nous confirmons les résultats déjà rapportés de la diminution statistiquement significative de l'intensité des ondes à des fréquences de l'ordre de ~1,7 kHz. Cet effet semble être lié à une diminution de la limite inférieure de l'ionosphére qui affecte les ondes TBF qui se propagent dans le guide Terre-ionosphère. / This thesis presents results based on wave measurements performed by the DEMETER spacecraft. This French spacecraft was operating between 2004 and 2010 at the altitude of ~660 km. We focus on measurements of the electromagnetic waves and plasma density in the vicinity of imminent earthquakes. In a first part, we present a study of plasma density variations in the vicinity of a very powerful earthquake in Chile ( Mω 8.8) which occurred on February 27, 2010. Data recorded before the main shock along orbits close to the future epicenter showed increasing plasma densities. In a second step, a statistical analysis using 4 years of data to monitor density variations under similar conditions has been performed. This study shows that a large increase of the plasma density is very uncommon at this location and at this time. In a second part, a statistical study (~6.5 years) of variations of VLF wave intensity is shown. We have analyzed all available data measured close (in time and in distance) to large earthquakes (M> ou = 5). Data related to more than 12000 earthquakes have been compared with an unperturbed background distribution. We confirm the previously reported results of a statistically significant decrease of the wave intensity at frequencies of about ~1.7kHz. This effect seems to be related to a decrease of the lower ionospheric boundary which affects the VLF waves propagating in the Earth-ionosphere waveguide.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / L’étude de l’interférence entre un plasmon polariton de surface (SPP) avec le faisceau plan lumineux incident sur une nano-fente métallique de dimension sous-longueur d’onde est devenue récemment un sujet fondamental de recherche dans le domaine de la plasmonique afin de mieux comprendre le mécanisme du rehaussement de la transmission optique de la nano-fente. Par la méthode de différences-finies dans le domaine de temps (FDTD), nous avons étudié le mécanisme de couplage du SPP dans la fente nanométrique. L’objectif de ce projet consiste dans un premier temps à la conception et l’implémentation d’un algorithme FDTD flexible et robuste, capable de simuler l’interaction de sources électromagnétiques avec des nanostructures de métal. L’algorithme développé sur la plate-forme Matlab permet de modéliser dans un espace bi-dimensionel des structures diélectriques dispersives. Dans un deuxième temps, nous avons employé ce simulateur FDTD pour étudier les mécanismes de couplage entre un SPP et une fente nanométrique percée dans une mince couche d’argent. Notre analyse démontre que le SPP incident à la fente est diffusé par le rebord de la fente et que les charges électriques induites sur les rebords ré-irradient l’énergie électromagnétique à l’intérieur de la fente. De plus, ces charges électriques génèrent des nouveaux SPPs sur les parois de la fente, qui contribuent à la formation de modes Fabry-Pérot le long de l’axe central de la fente. Nous démontrons aussi la formation de modes Fabry-Pérot créés par la multi-réflexion des ondes diffusées entre les parois de la fente. La combinaison de ces deux modes Fabry-Pérot produit une distribution de champ asymétrique dans la fente. Nous démontrons que la phase du SPP, relativement au faisceau incident normal, détermine les conditions d’interférence constructive et destructive correspondant respectivement au rehaussement et à la diminution de la transmission à travers la nano-fente. Finalement, nous avons confirmé la théorie d’interférence entre les champs induits par le SPP incident et le faisceau incident normal par l’addition de leurs amplitudes instantanées. / The study of the interference of the surface plasmon polariton (SPP) with the incident plane wave on a subwavelength metallic slit has become recently a fundamental subject of research in the domain of plasmonics. One of the objectives is to better understand the phenomenon of enhanced optical transmission through the nano-slit. Using the numerical method of finite-difference time-domain (FDTD), we have investigated the coupling mechanisms of the SPP inside the nano-slit. The objective of this project first consists in the conception and implementation of a flexible and robust FDTD algorithm capable of simulating the interaction between electromagnetic sources and metallic nanostructures. The algorithm that we have developed on the Matlab platform is able to model two-dimensional dispersive dielectric structures. The second and main objective is to use this FDTD simulator to investigate the coupling mechanisms between the SPP and a nano-slit pierced into a thin silver film. Our analysis demonstrates that the incident SPP is scattered by the inner edge of the slit and that the scattered waves induce oscillating electric charges on the slit edges which reradiate electromagnetic energy inside the slit. Moreover, these electric charges generate new SPPs on the slit walls which contribute to the formation of Fabry-Pérot modes along the central slit axis. We also show the formation of Fabry-Pérot modes set up by the multi-reflections of scattered waves between the slit walls. The combination of these two Fabry-Pérot modes produces an asymmetric field distribution inside the slit. We demonstrate that the phase of the SPP relatively to the normal incident beam determine the conditions of constructive and destructive interference which correspond, respectively, to the enhancement and suppression of the optical transmission through the nano-slit. Finally, we have confirmed the theory of interference between the induced fields by the SPP and incident normal beam via the superposition of their instantaneous fields.

Le présent projet présente une étude théorique du phénomène de génération d'une onde électromagnétique, à une interface métallo-diélectrique, par excitation d'une structure simple (sillon) sous longueur d'onde gravée dans un substrat métallique. La structure illuminée par un champ transverse incident est considérée comme un système radiatif TM via une ligne infinie et ponctuelle de courant magnétique équivalent. Utilisant les équations de Maxwell, le calcul du champ magnétique irradié par cette source à l' interface mène à une solution sous forme intégrale. L'intégration de contour est utilisée pour trouver la solution sous forme analytique fermée. La solution se compose de deux termes distincts, le premier étant un mode plasmonique (plasmon polariton de surface) et le second étant un plasmon polariton de surface transitoire. Cette deuxième onde est interprétée physiquement comme étant l'onde provenant de la radiation de la source TM. À partir d'une distance d'un dixième de la longueur d'onde, la décroissance du champ irradié diverge de celle d'une, onde cylindrique typique (l/VX) en raison de la dissipation d'énergie dans le métal via l'oscillation de la couche d'électrons libres du métal et ce, jusqu'à une distance d'une longueur d'onde. Ainsi, le champ résiduel au-delà de cette zone est un champ de décroissance plus rapide de li x qui devient très vite négligeable par rapport au mode plasmonique excité. Ce résultat analytique est en bon accord avec des études expérimentales et numériques existant dans la littérature et représente un avancement important sur le plan de la compréhension physique des phénomènes optiques à l'échelle sous longueur d'onde.