Th. doct.--Electronique et communications--Paris--ENST, 1995. / Contient des textes en anglais. Notes bibliogr. Résumé en anglais et en français.

Th.--Sci., autom.--Rennes 1, 1982. N°: 358.

Les carbures de métaux de transition (MC) sont des matériaux réfractaires et présentant une sélectivité optique intrinsèque qui se caractérise par une grande absorbance dans l’uv-visible tout en ayant une faible émittance dans l’infrarouge. Cette particularité leur vaut de faire l’objet de nombreuses études où ils sont envisagés comme matériau absorbeur dans les centrales solaires à concentration (CSP). Cependant, compte tenu des températures de fonctionnement de ces dispositifs (au-delà de 1000°C), les carbures de métaux de transition présentent une limitation majeure liée à leur relative tenue à l’oxydation. L’idée de la présente étude est donc d’associer ce type de matériau au carbure de silicium (SiC) qui à l’heure actuelle est utilisé comme absorbeur de ces technologies notamment du faite de sa grande réfractarité et de sa tenue à l’oxydation (jusqu’à 1400°C). La première partie de la démarche expérimentale a donc consisté en l’identification parmi une série de carbures (HfC, ZrC et TiC) celui présentant les meilleures caractéristiques en terme de sélectivité optique. Puis dans une deuxième partie, différentes voies de synthèse (colloïdale, moléculaire) mettant en œuvre des précurseurs métalliques (alcooxydes, colloïdes) et des sucres, ont été étudiées pour synthétiser des composites de type SiC-MC. L’influence des paramètres expérimentaux ainsi que de la composition ont été étudiées sur d’une part l’aptitude de chaque méthode à conduire aux phases recherchées et d’autre part sur la microstructure ainsi que leurs propriétés optiques. L’analyse de ces dernières a été effectuée d’abord sur des poudres afin de discriminer les échantillons sur la base de leur composition puis sur des pastilles qui ont été obtenues par deux procédés de frittage (HP et SPS) dont l’analyse des résultats constitue la dernière partie de l’étude.Ce travail de recherche a permis de conclure que l’association d’un carbure de métal de transition au carbure de silicium permettait d’aboutir à un composite SiC-MC présentant une certaine sélectivité spectrale et donc susceptible de jouer le rôle d’absorbeur dans les CSP. / Transition metal carbides (MC) belong to the category refractory materials. They have an intrinsic optical selectivity, which is characterized by a high absorbance in the UV-visible region and a low emittance in the infrared range. This feature is at the origin of many studies on these materials where they were expected to play the role of absorber in an Concentrating Solar Power plant (CSP). However, given the operating temperatures of such devices (beyond 1000 ° C), the transition metal carbides have a major limitation related to their relatively low resistance to oxidation. The idea of this study is to associate such material to the silicon carbide (SiC), which currently is used as absorber in CSP systems due to its good thermomechanical properties and resistance to oxidation (up to 1400 ° C).Therefore, the first part of the experimental approach consisted in the identification among a series of carbides (HfC, ZrC and TiC) the one presenting the best characteristics in terms of optical selectivity. Then, in the second part of the study, many synthesis routes (molecular, semi-molecular and colloidal) implementing different metal precursors (alcooxydes and colloidal solution) and a carbon source (sugar) were studied according to their ability to conduct to SiC-MC type composites. The influence of the experimental parameters as well as the one of the chemical composition has been investigated. The aim was first to evaluate the ability of each synthesis routes to conduct to the expected phases and also their impact on the microstructure and the optical properties. These latter have been first studied on powders in order to discriminate the samples on the base of their compositions and then the analysis have been made on densified materials by HP or SPS.This research has permitted to conclude that the combination of a transition metal carbide with silicon carbide conduct to a composite MC-SiC presenting a certain spectral selectivity and that such a material could play the role of absorber in CSP system.

La micro-structuration périodique d’un milieu influence fortement la propagation des ondes élastiques. Ces structures, nommées cristaux phononiques, permettent de manipuler les ondes en les ralentissant, voire en interdisant leurs propagations pour certaines gammes de fréquences appelées bandes interdites. Au cours de la thèse, la dispersion des ondes élastiques dans des structures composées de piliers résonants périodiquement attachés à des poutre structurées a été numériquement et expérimentalement étudiée. Basées sur la combinaison de résonances locales avec des réflexions multiples de Bragg, des poutres phononiques avec de larges bandes interdites ont été obtenues. En particulier, une poutre phononique avec une bande interdite présentant une largeur relative de 94% autour du mégahertz a été fabriquée et caractérisée.Les poutres phononiques ont été utilisées pour améliorer les facteurs de qualité des résonances de défauts insérés en fin, ou entre les poutres. Une amélioration d’un facteur 8 d’une résonance d’un défaut encastrée-libre accroché à une poutre phononique a été démontrée. Cette amélioration est attribuée au confinement de l’énergie mécanique par la poutre phononique dont la bande interdite recouvre la fréquence de résonance du défaut. En parallèle de ces activités, une plateforme pompe sonde hétérodyne femtoseconde a été utilisée pour caractériser la propagation des ondes élastiques à la surface de films minces microstructurés. Une forte anisotropie ainsi qu’une réduction des vitesses des ondes a été mis en évidence. Ces observations ont été reliées aux micro-structurations particulières des films, avec des simulations en éléments finis. / Periodic microstructures in media strongly influences the propagation of elastic waves. These structures, known as phononic crystals, allow the manipulation of waves such as their slowdown, or their prohibition for frequency ranges called band gaps.During the thesis, the dispersion of elastic waves propagating through structures composed of resonant pillars periodically attached to tailored strips was studied. Based on the combination of Bragg scattering and local resonances, phononic strips with large band gaps were achieved. Notably, a phononic strip with a band gap displaying a relative width of 94% in the megahertz range was demonstrated.Phononic strips were then used to ameliorate the resonances’ quality factors for defects inserted at the end, or within the strips. An improvement by a factor of 8 of the resonance quality factor of a beam clamped to a phononic strip was achieved. This improvement was assigned to the mechanical energy confinement linked with the phononic strip, as its band gap overlaps the resonance frequency of the defect.In parrallel to these studies, a femtosecond heterodyne pump probe setup was used to characterize the waves propagation on the surface of microstructured thin films. A strong anisotropy as well as a speed reduction were observed. These observations were linked to the particular microstructures of the films, using numerical simulations performed with the Finite Element Method.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MAde l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements. / This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, especially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been developed at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and improved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements.Moreover, 3DBOS and stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation. This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the technique potential for flows physical investigation.

Les arcs impulsionnels sont des arcs électriques établis d'une façon générale lors de la séparation entre deux contacts électriques. Ces arcs indésirables mais inévitables peuvent causer des dégâts en raison d'un important transfert d'énergie vers les électrodes. Lors de l'interaction entre l'arc et l'électrode, cette dernière s'érode entraînant une contamination plus ou moins importante du plasma par les vapeurs des éléments issues de cette érosion et pouvant conduire à une modification notable de ses propriétés. Le travail présenté dans ce mémoire consiste à étudier par une approche expérimentale une configuration d'arc impulsionnel. La première étape indispensable à cette étude est la conception et la réalisation d'un dispositif spécifique permettant de simuler et de caractériser ce type d'arc. Des techniques de diagnostic adaptées au dispositif utilisé ont été développées dans ce travail. Les caractéristiques physiques du plasma (température, densité électronique...) déterminées par spectroscopie optique d'émission associées aux caractéristiques électriques de l'arc ont été corrélées avec les résultats de la visualisation effectuée par imagerie rapide de l'érosion de l'électrode et de la géométrie de l'arc durant son extinction. Des travaux spécifiques sur l'évolution de la tension totale d'arc en régime transitoire ont été réalisés en détaillant les chutes de tension aux électrodes et à la colonne. Par ailleurs des mesures spectroscopiques ont montré l'influence de divers paramètres (nature de l'anode, amplitude et forme de l'onde de courant) sur la température du plasma. Nous avons ainsi mis en évidence que les propriétés du plasma pour une configuration donnée, ne dépendent pas uniquement de la valeur instantanée du courant mais sont également fonctions de l'état antérieur de l'arc / The impulse arcs are electric arcs established generally during the separation between electrical contacts. These undesirable and unavoidable arcs can cause damage because of an important energy transfer to the electrodes. During the arc-electrodes interaction, electrodes erosion may involve an important contamination of the plasma by the vapors of the materials resulting from this erosion and may lead to a notable modification of its properties. The work presented in this thesis is an experimental approach of impulse arc configuration. The first essential stage to this study is the design and the realization of a specific device to simulate and characterize this kind of arc. Techniques of diagnostic adapted to the device were developed in this work. The plasma characteristics (temperature, electron number density...) determined by optical emission spectroscopy associated with the electrical characteristics of the arc were correlated with the results of the fast imaging visualization of the electrode erosion and of the arc geometry during its extinction. A specific study was developed to precisely determine the evolution of the arc voltage in transient state, separating the electrode voltage drop from the plasma column voltage. Spectroscopic measurement showed the influence of various parameters (nature of the anode, current pulse) on the plasma properties. In particular we put in evidence that these properties are not only dependent on the instantaneous value of the current, but depend also on the previous arc story

En atmosphère naturelle, l’eau est l’un des facteurs contribuant fortement à la masse des particules d’aérosol. Ceci va fortement modifier les propriétés optiques et radiatives des aérosols. Cet impact a été calculé à partir de plus de 2 ans de mesures sur le site ACTRIS/GAW du Puy de Dôme (PdD, 1565m). La distribution en taille, l’extinction et l’hygroscopicité mesurées au PdD ont été combinées pour calculer les propriétés optiques et radiatives, sèches ou humides. Pour chaque propriété, le facteur d’accroissement hygroscopique (f) a été estimé à l’aide d’un code de Mie. La longue série temporelle a permis de paramétrer l’évolution en fonction de l’humidité des propriétés optiques de différents types d’aérosols. Pour un aérosol d’origine océanique qui s’est mélangé avec des aérosols anthropiques, le coefficient de diffusion augmente plus de 4.4 fois si il est placé à 90% d’humidité. Le forçage radiatif va évoluer en conséquence et sera 2.8 fois plus élevé à 90% d’humidité que pour une atmosphère sèche (1.8 à humidité ambiante). Cette longue série de mesures a également permis de montrer, pour la première fois à notre connaissance, la forte variation saisonnière de ce paramètre. Ce manuscrit présente également une méthode originale pour calculer la masse d’aérosols volcaniques à partir de mesures LIDAR et in situ. Lors de l’éruption du volcan Islandais Eyjafjalla en Mai 2010, la masse d’aérosols volcaniques au dessus de Clermont a été estimée de 655±23μg.m-3. / Water contributes significantly to the aerosol mass under ambient conditions of relative humidities, and thus may significantly impact their optical and radiative properties and direct effect. In the present work, the impact of the aerosol hygroscopicity on its optical properties is evaluated from a set of instrumentation located at the ACTRIS/GAW Puy de Dôme station (PdD, 1465m) over two years of measurements in 2010 and 2011. In situ size distributions, extinction and hygroscopicity measurements are combined to retrieve the aerosol refractive index, both dry and wet. For each optical property the enhancement factor (f) due to hygroscopicity can be computed using Mie calculations. The long data set available enables us to generate parameterisations of optical properties enhancement as a function of relative humidities for different aerosol types. At 90% humidity, fσsca is more than 4.4 for marine aerosol that have mixed with a pollution plume. Consequently, the aerosol radiative forcing is estimated to be 2.80 times higher at RH=90% and 1.75 times higher at ambient RH when hygroscopic growth of the aerosol is considered. For the first time this study highlight the high seasonal variability of this impact. The manuscript also presents an original method of mass inversion for volcanic aerosols with the synergy of in situ and LIDAR measurements. The calculated mass of volcanic particle transported over Clermont during the eruption of Eyjafjalla in May 2010 was up to 655±23μg.m-3.

La tomographie de fluorescence est une méthode d'imagerie préclinique et clinique permettant de localiser des traceurs fluorescents préalablement injectés ou naturellement présents dans un organisme vivant. Ce travail de thèse à consisté, dans un premier temps, à définir l'architecture et les conditions d'utilisation optimales d'un tomographe de fluorescence continu appliqué à l'observation de tissus de faible épaisseur. On s'est en particulier attaché à traiter le problème de l'observation de tissus hétérogènes et d'organes fortement absorbants. Dans un deuxième temps, pour observer des tissus de plus grande épaisseur, nous avons montré l'apport de la mesure du temps de vol moyen des photons pour améliorer la localisation d'inclusions fluorescentes. Les performances de deux types de systèmes capables de réaliser ce type de mesure ont été comparées et nous avons proposé un protocole permettant d'en optimiser les principaux paramètres. Notre procédé a été appliqué à la problématique du guidage de biopsies prostatiques. Il pourra aussi être utilisé pour visualiser d'autres pathologies moyennant une simple adaptation. / Fluorescence tomography is a preclinical and clinical imaging method which aims to localize fluorescent probes injected into a living organism. In this thesis work, we defined the optimal design and parameters of a continuous wave fluorescent tomograph applied to thin tissue observation. We handled the problem of observing heterogeneous and highly absorbing organs. Secondly, we showed the advantage of time of flight measurement for inclusion detection through thicker tissues. The detection performances of two types of system capable of these measurements were compared and we proposed a protocol to optimize their main parameters. This process was applied to the problematic of prostatic biopsy guiding. It would also be used to detect and localize other pathologies by means of a simple adaptation.

Fondées sur des concepts théoriques plus complexes que les fibres optiques conventionnelles et d’une fabrication plus difficile, les fibres de Bragg en sont, plus de quarante ans après leur première proposition théorique, encore à leurs débuts. Le potentiel que leur confère leur mécanisme de guidage (dit « par bandes interdites photoniques ») reste, en grande partie, inexploré.Cette étude porte sur l’examen des performances des fibres de Bragg destinées au transport de fortes puissances. Pour cette application, la problématique est de concevoir une fibre permettant d’atteindre la plus grande Aire Effective possible pour son mode fondamental, tout en assurant une composition unimodale du faisceau de sortie. L’étude a été réalisée aussi bien d’un point de vue théorique, analytique, numérique qu’expérimental. Un modèle analytique permettant la modélisation des fibres de Bragg à grande Aire Effective et faibles contrastes d’indice lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation a tout d’abord été mis au point. Puis, le cas de l’application de macro-courbures sur les fibres de Bragg a été numériquement étudié. Enfin, le comportement des fibres de Bragg en la présence de micro-courbures a été expérimentalement analysé. Les performances des fibres de Bragg sont comparées à celles du profil de fibre le plus simple qui puisse exister : le profil saut d’indice. Les résultats numériques indiquent de meilleures performances pour les fibres de Bragg par rapport à cette solution lorsqu’elles sont exemptes de toute perturbation ou sujettes à des macro-courbures. Les premiers résultats indiquent que les sensibilités aux micro-courbures des deux types de fibre sont comparables. / Forty years after their first theoretical proposal, Bragg fibers are still in their infancy. Indeed, Bragg fibers are based on more complex theoretical concepts than conventional optical fibers and are more difficult to realize. Their potential due to their particular guiding mechanism (known as photonic bandgap) remains still largely unexplored. This study analyzes the performances of Bragg fibers for high-power delivery. For this application, the target is to design a fiber that reaches the largest possible Effective Area for the fundamental core-mode, while ensuring a single-moded output beam. The study was performed theoretically, analytically, numerically as well as experimentally. An analytical model for predicting the properties of Bragg fibers with large Effective Area and low-index contrast when they are no subjected to any perturbations has been first developed. Then, the case of the application of macro-bendings on the Bragg fiber has been studied numerically. Finally, the behavior of Bragg fiber in the presence of micro-bending has been experimentally investigated. Bragg fibers are compared to the simplest fiber profile that may exist: step index profile. The numerical results show better performances in the case of Bragg fibers when they are free from any perturbations or subjected to macro-bending. First results indicate that the sensitivities to micro-bending of the two types of fiber are comparable.

-Utilisation de l’interaction non-linéaire entre des impulsions laser (proche infrarouge) ultracourtes et le silicium, en mode d’absorption multiphotonique ou de génération d’harmoniques optiques, pour la stimulation et le test photo-électrique. - Développement des méthodes d’imagerie statique et dynamique pour l’analyse de défaillance en appliquant les techniques d’optique femtoseconde sur circuits intégrés. - Modélisation de l’interaction laser-silicium avec la méthode FDTD (Rsoft). / Using the nonlinear interaction between ultra-short laser pulses (λ ~ 0.8μm to1.3μm) and silicon, with multi-photon absorption or optical harmonic generation, to achieve photoelectric stimulation and testing. Development of imaging methods for static and dynamic failure analysis techniques using femtosecond laser (TOBIC, 2pLADA) on integrated circuits.