Semiconductor lasers (Sls) are very sensitive to external perturbations which may destabilize their steady output. This is particularly striking when the SL is subject to optical feedback, i.e. when part of the light coming out of the laser is reinjected in the cavity after reflection from a distant mirror. For some applications, this is a nuisance that we wish to avoid. But optical feedback may also drive the laser into dynamical regimes which are useful for new applications. In this thesis, we study different problems where an SL is subject to a delayed feedback or to an injected signal. These problems are motivated by recent experiments, technological issues, or particular dynamical phenomena. Specifically, we combine analytical techniques, numerical simulations, and experiments to investigate the bifurcation mechanisms leading to a large variety of oscillatory outputs. The systems that we discuss are an edge-emitting laser with polarization-rotated optical feedback, a two-mode laser with optical injection, a quantum cascade laser with optical feedback, and a semiconductor ring laser with optical feedback. We show that the bifurcations from the steady-states are of primary importance. They not only delimit the stability boundaries of the laser output but they also form the backbone structure of many pulsating waveforms. We investigate these bifurcations in detail in order to find the best operating conditions to observe specific dynamical regimes. Our results highlight laser key parameters that allow their efficient control. / Les lasers à semi-conducteur sont sensibles aux perturbations externes et celles-ci peuvent déstabiliser leur faisceau de sortie d’intensité constante. Ceci est particulièrement marquant quand le laser à semi-conducteur est sujet à un feedback optique, c’est-à-dire quand une partie de la lumière sortant du laser est réinjectée dans sa cavité après réflexion par un miroir distant. Pour certaines applications, cela représente une nuisance que l’on souhaite éviter. Mais le feedback optique peut aussi engendrer des régimes dynamiques utiles pour de nouvelles applications. Dans cette thèse, nous étudions différents problèmes où un laser à semi-conducteur est soumis à un feedback retardé ou à un signal injecté. Nos travaux sont motivés par de récentes expériences, des questions technologiques ou des phénomènes dynamiques particuliers. Nous combinons des techniques analytiques, des simulations numériques ainsi que des expériences afin d’analyser les mécanismes de bifurcation menant à une large variété de régimes oscillants.Nous étudions en premier lieu la dynamique d’un laser à semi-conducteur soumis à un feedback avec rotation de la polarisation. Nous examinons, à la fois théoriquement et expérimentalement, la séquence de bifurcations menant à des oscillations sous forme d’ondes carrées. Nous mettons en évidence une multistabilité entre différentes ondes carrées de périodes spécifiques. Nous introduisons alors un mécanisme de contrôle qui nous permet de sélectionner l’onde carrée désirée. Nous analysons ensuite les frontières de stabilité d’un laser à semi-conducteur à deux polarisations soumis à une injection optique. Nous montrons que si les gains des deux modes de polarisation sont suffisamment proches, un état stationnaire mixte stable peut exister. Nous explorons également les conditions permettant une bistabilité entre un état stationnaire pur et un état stationnaire mixte. Les lasers à cascade quantique sont de nouveaux lasers à semi-conducteur prometteurs qui possèdent une forte tolérance au feedback optique. Nous examinons de façon systématique leur stabilité dans la limite des grands retards. Nous montrons que des instabilités oscillantes sont cependant possibles pour de faibles valeurs du courant de pompe. Le dernier dispositif que nous étudions dans cette thèse est le laser à semi-conducteur en anneau soumis à un feedback optique. Nous identifions le mécanisme de bifurcation, appelé pont de bifurcation, responsable des instabilités oscillantes dans le faisceau de sortie du laser. Ces oscillations sont indésirables pour la plupart des applications impliquant de tels lasers. Nous montrons qu’elles peuvent être évitées en contrôlant la phase du feedback. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ces travaux de thèse portent sur l’étude expérimentale et numérique des réponses vibratoires non linéaires des structures mécaniques. Les études expérimentales menées au CEA/CESTA montrent que la réponse des structures assemblées à des sollicitations vibratoires est souvent très fortement dépendante du niveau d’excitation. Ces résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits en simulation avec la méthode de simulation vibratoire linéaire classique. L’objectif de ces travaux est de proposer et de mettre en place des méthodes expérimentales et numériques pour étudier ces réponses non-linéaires. Cet objectif passe par l’étude de maquettes d’essai sujettes aux mêmes phénomènes vibratoires non-linéaire que les objets d’étude industriels du CEA/CESTA. Au niveau expérimental, les développements se basent sur les installations et logiciels industriels. Au niveau simulation, les méthodes de simulation vibratoire non-linéaires et les techniques numériques avancées développées depuis de nombreuses années dans le monde académique sont utilisées dans le contexte industriel du CEA/CESTA. Le premier objet d’étude est une poutre métallique bi-encastrée. Cette structure présente une réponse vibratoire non-linéaire d’origine géométrique. La structure est modélisée avec des conditions aux limites non-idéales et sa réponse vibratoire est simulée par trois méthodes (développement multi- échelles, méthode de balance harmonique et méthode de tir). Ces résultats de simulation sont comparés entre eux et avec l’expérience. La maquette d’étude au cœur de ces travaux de thèse est un assemblage présentant des interfaces frottantes : la maquette ✭✭Harmonie ✮✮. De nombreux essais vibratoires sont réalisés sur cette maquette afin d’identifier ses modes de résonance et ceux de ses composants, d’étudier l’évolution de la réponse vibratoire de l’assemblage due au frottement et enfin de mesurer le mouvement vibratoire local dans la zone de frottement. Un modèle numérique de cette structure est ensuite réalisé. Ce modèle est réduit par une méthode de sous-structuration puis des relations non-linéaires de frottement sont introduites au niveau des liaisons frottantes. La réponse vibratoire non-linéaire du modèle obtenu est simulée grâce à la méthode de balance harmonique couplée à des algorithmes de condensation et de continuation. Des comparaisons essai-calcul sont présentées pour les réponses globales et pour les mouvements locaux des liaisons. / This PhD work deals with the experimental and numerical study of mechanical structures’ nonlinear vibration response. Experimental studies led at the CEA/CESTA show that jointed structures vibration responses are often strongly dependent on the excitation level. These experimental results cannot be simulated using the classical linear vibration simulation method. This work aims at proposing and implementing experimental and numerical methods to study nonlinear responses. This objective involves the study of test structures subject to the same non-linear vibratory phenomena as CEA/CESTA industrial structures. Experimentally, developments are based on industrial facilities and softwares. Numerically, nonlinear vibration simulation methods and advanced numerical techniques that have been developed for many years in academia are applied in the CEA/CESTA industrial context. The first test structure is a clamped-clamped steel beam. This structure has a geometric nonlinear behavior. The structure is modeled with non-ideal boundary conditions and its frequency response is simulated using three different simulation methods (method of multiple scales, the harmonic balance method and a shooting method). These simulation results are compared one with each other and with experimental results. The test structure at the heart of this work is an assembly with friction joints named “Harmony”. Many vibration tests are carried out to identify its resonance modes and those of its components, to study the evolution of the vibration response due to friction and finally to measure the local vibrational movement in the friction zone. A numerical model is then developed. This model is reduced using a substructuring method and then in the friction zone, linear joints are replaced by nonlinear friction models. The nonlinear vibration response of this reduced model is simulated using the harmonic balance method coupled with condensation and continuation algorithms. Test-simulation comparisons are presented both for global responses and for local joints movements.

In this thesis, we study the transport of charged particles in mesoscopic systems where the long-range electrostatic interaction plays a key role. In particular, we focus on the statistical properties of currents which satisfy the relation known as fluctuation theorem. A stochastic approach is presented in consistency with the laws of electricity, thermodynamics, and microreversibility. In this approach, densities of charged particles are ruled by stochastic partial differential equations and the electric field generated by the charges is determined with the Poisson equation.We start by proposing a coarse-grained model to describe the long-time behavior of particle transport in nonequilibrium systems in contact with several reservoirs. In this model, the particle exchanges between the reservoirs can be determined after a long enough time by the first and second cumulants of the probability distribution of particle transfers, thus enabling the numerical evaluation of the driving forces. It is proved that, close to equilibrium, the coarse-grained model is applicable to any system in nonequilibrium steady state. Moreover, the studies with specific examples show that the range of application of the coarse-grained model can be extended to the regime arbitrarily far from equilibrium if the detailed transition rates have linear dependence on the local particle concentration. In addition, the finite-time fluctuation theorem is established for systems with linear rates.Then, we use our stochastic approach to study charge transport in diodes and transistors. The counting statistics of the carrier current and the measured total current including the contribution of the displacement current are performed. The fluctuation theorem is shown to hold for both currents. The convergence of the finite-time affinities towards their asymptotic values over long-time scales is tested using our proposed coarse-grained model. Accurate agreement between the numerical affinities and the theoretical predictions is found when affinities take moderate values. This brings further numerical support to the fluctuation theorem for the currents in these nonlinear electronic devices. For diodes, the current-voltage characteristics is obtained, which can be well fit by Shockley curve under the extreme condition where the concentration of majority charge carriers is overwhelmingly larger than that of minority charge carriers. For transistors, the signal amplifying effect is realized under their working conditions. Moreover, the Onsager reciprocal relations and their generalizations to nonlinear transport properties deduced from the fluctuation theorem are numerically shown to be satisfied.Finally, we proceed to investigate the charge transport in a system of three tunneling junctions coupled together through a conductive island or quantum dot. The cumulant generating function is obtained by numerically solving the eigenvalue problem regarding the modified evolution operator including the counting parameters. The symmetry relation implied by the fluctuation theorem is verified, and the Onsager reciprocal relations together with their generalizations are again shown to be satisfied. Furthermore, under certain conditions, the current-voltage characteristics shows the staircase pattern due to the Coulomb blockade effect. / Le transport de particules charg´ees est ´etudi´e dans les syst`emes m´esoscopiques o`u l’interaction ´electrostatique`a longue port´ee joue un rˆole central. En particulier, l’´etude porte sur les propri´et´es statistiques des courants quisatisfont la relation appel´ee th´eor`eme de fluctuations. Une approche stochastique est pr´esent´ee en accord avec leslois de l’´electricit´e, la thermodynamique et la micror´eversibilit´e. Dans cette approche, les densit´es des particlescharg´ees sont gouvern´ees par des ´equations stochastiques aux d´eriv´ees partielles et le champ ´electrique est d´etermin´epar l’´equation de Poisson. Tout d’abord, un mod`ele stochastique r´eduit est propos´e pour d´ecrire le transport departicules dans les syst`emes de non-´equilibre en contact avec plusieurs r´eservoirs. Dans ce mod`ele, les ´echanges departicules entre les r´eservoirs sont d´etermin´es aux temps longs en termes des premiers et seconds cumulants de ladistribution de probabilit´e des transferts de particules, ce qui permet l’´evaluation num´erique des forces d’entraˆınement.Il est prouv´e que, pr`es de l’´equilibre, ce mod`ele peut s’appliquer `a tout syst`eme dans un ´etat stationnaire de non-´equilibre. Par ailleurs, l’´etude d’exemples sp´ecifiques montre que le domaine d’application de ce mod`ele s’´etend `a desr´egimes arbitrairement loin de l’´equilibre si les taux de transition ont des d´ependances lin´eaires en la concentrationde particules. En plus, le th´eor`eme de fluctuations `a temps fini est ´etabli pour ces syst`emes avec des taux lin´eaires.Ensuite, l’approche stochastique est utilis´ee pour ´etudier le transport de charges dans les diodes et les transistors.La statistique de comptage est effectu´ee pour le courant des porteurs de charge et le courant total mesur´e incluantla contribution du courant de d´eplacement. Le th´eor`eme de fluctuations est d´emontr´e pour les deux courants. Laconvergence des affinit´es `a temps fini vers leur valeur asymptotique est test´ee en utilisant le mod`ele stochastiquer´eduit. Un accord est observ´e entre les affinit´es obtenues num´eriquement et les pr´edictions th´eoriques si les affinit´esprennent des valeurs mod´er´ees. Tous ces r´esultats apportent des v´erifications num´eriques du th´eor`eme de fluctuationsdes courants dans les circuits ´electroniques non-lin´eaires. Pour les diodes, la courbe caract´eristique courant-tension estobtenue et celle-ci peut ˆetre ajust´ee par la courbe de Shockley si la concentration des porteurs de charge majoritairesest beaucoup plus grande que celle des porteurs minoritaires. Pour les transistors, l’effet d’amplification du signal estmis en ´evidence dans les conditions de fonctionnement normal. De plus, il est montr´e num´eriquement que les relationsde r´eciprocit´e d’Onsager sont satisfaites, ainsi que certaines de leurs g´en´eralisations aux propri´et´es non-lin´eaires detransport d´eduites du th´eor`eme de fluctuations. Finalement, le transport de charges est ´etudi´e dans un syst`eme form´ede trois jonctions `a effet tunnel coupl´ees par un plot conducteur (quantique). La fonction g´en´eratrice des cumulantsest alors obtenue par r´esolution num´erique du probl`eme aux valeurs propres de l’op´erateur d’´evolution modifi´e pourinclure les param`etres de comptage. La relation de sym´etrie d´eduite du th´eor`eme de fluctuations est v´erifi´ee, ainsique les relations de r´eciprocit´e d’Onsager et leurs g´en´eralisations. Par ailleurs, sous certaines conditions, les courbescaract´eristiques courant-tension montrent une structure en marches d’escalier due `a l’effet de blocage coulombien. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'expansion des plasmas joue un rôle très important dans différents phénomènes comme ceux intervenant dans les accélérateurs et les rayons cosmiques. Les dernières observations et exprériences ont montré que la présence des grains de poussière dans le plasmas modéfie considérablement les caractéristique du plasma et donne lieu à des nouveaux effets. Dans se travail il s'agit de modéler l'expansion d'un plasmas en présence de grains de poussière en utilisant le formalisme self similaire. Les résultats obtenus pour différentes situations physiques ont montré d'un part les limites de la solution self similaire, d'autre part ils ont révéle l'exsitence d'un front associe aux ondes acoustique au delàs duquel la condition de quasi neutralité n'est plus valable.

Au cours de cette thèse expérimentale et numérique nous avons étudié le comportement d'un empilement de grains dans deux situations différentes. Dans une première partie, une piste en sable est soumise au passage répété de véhicules, sous certaines conditions un motif régulier de rides apparaît spontanément : c'est l'instabilité de tôle ondulée. Ce phénomène, très répandu sur les routes en terre ou en gravier, est bien sûr très gênant pour les automobilistes mais est aussi très dangereux à cause des pertes d'adhérence qu'il provoque. Nous avons alors reproduit ce phénomène à l'échelle du laboratoire et également dans des simulations numériques de dynamique moléculaire de sphères molles. Grâce à ces outils expérimentaux et numériques nous avons pu mettre en évidence certaines propriétés de l'instabilité. Nous avons notamment mesuré la relation de dispersion des rides et mis en évidence que ce phénomène suit une instabilité de type fourche super-critique. En mesurant les contraintes agissant sur le véhicule nous avons alors pu construire une analyse de stabilité linéaire prédisant quantitativement le seuil de l'instabilité ainsi que la longueur d'onde du motif. Enfin, nous avons étudié des cas plus complexes où différents véhicules circulaient simultanément sur la piste. Nous avons également considéré des cas où la piste était humide et donc cohésive. Dans une seconde partie, nous avons étudié le comportement d'un silo rempli de grains soumis à des variations de température. On observe alors un lent fluage de la colonne que nous avons caractérisé. Deux régimes de fluage sont observés selon l'amplitude des cycles de température et nous avons obtenu une expression de la température critique séparant les deux régimes en fonction des paramètres microscopiques des grains (élasticité et rugosité de surface). Nous avons également étudié le mouvement individuel de chaque grain afin d'interpréter la dynamique macroscopique de l'empilement.

No description available.

Systems chemistry aims at studying and developing "smart" materials displaying reactivity to external stimuli, metabolism, self-repair abilities and self-replication properties. These features constitute the principal characteristics of living systems that smart materials tend to mimic. The synthesis strategies of these materials are still in their infancy, and identifying the mechanisms underlying emergent phenomena could lead to a better control and use of these behaviours in the synthesis of new materials. The complex dynamics of biological systems usually arises from the coupling of compartmentalised units in which nonlinear chemical reactions take place. In this thesis, we are interested in the complex dynamics emerging from such compartmentalisation of a reactive system. First, we analyse the impact of fluctuations of concentration on the dynamics of a chemical oscillatory reaction, namely the Belousov-Zhabotinsky reaction. We show that oscillations are more robust against fluctuations than other behaviours generated by the reaction (birhythmicity, chaos, ) and highlight different mechanisms by which oscillations can arise from fluctuations. Then, we study a model for chemical chaos, the so-called Willamowsky-Rössler model, in which we incorporate fluctuations and crowding effects. Fluctuations have a destructive effect on chaotic dynamics but when the reaction takes place on a surface where the different species can diffuse and react, a synergy develops between fluctuations, crowding effects and the mobility of the particles. This synergy enhances the re-emergence of chaos and the development of new behaviours. Finally, we show throughout different modelling approaches that compartmentalisation effects play a central role in the intracellular calcium dynamics and emphasise how microscopic properties of the system shape the global behaviour of this system. Compartmentalised nonlinear dynamics thus offer a wide range of future prospects for the synthesis of smart materials and fosters the development of nanoreactors based on these properties. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This work deals with the different manifestations of cooperativity in pedopsychiatry in connection with severe disorders in adolescence such as suicide attempts and runaways, and developmental processes in early childhood. Our principal hypothesis is that cooperativity, nonlinearity and the resulting feedback loops underlie the appearance of suicidal peaks, the transitions between different mental states in a population of susceptible, suicidal and runaway individuals, or finally the selfish to egalitarian transition in young children. The principal methodology put forward is mathematical modeling, which allows one to identify the principal mechanisms present, to assess the role of the environmental constraints and to make predictions. This provides in turn insights on possible prevention, managemant and therapy strategies. Using this approach we have shown that suicide contagion can take an explosive form that is dramatically accelerated by the presence of virtual contacts as it happens, in particular, in communication via the Internet. Different scenarios have been explored, inspired by typical cases encountered in clinical practice when taking in charge adolescents in crisis. Regarding the population of susceptible, suicidal and runaways, a model has been developed whose analysis shows that depending on the parameter values and the size of the initial population the system can evolve toward states where the populations of the suicidal and of the runaways are negligible or, on the contrary, reach appreciable values. Finally, we have shown that in absence of interactions between individuals the selfish to egalitarian transition in children occurs gradually, whereas in the presence of cooperativity the transition is more abrupt. Our results suggest that when taking in charge adolescents in a state of risk contagion and transition between mental states must be recognized as additional iatrogenic risks, which can be minimized by privileging small non-mixed groups. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous étudions différentes structures de végétation issues de l’auto-organisation spatiale. Ce phénomène est visible dans des zones (semi-)arides où le potentiel d’évaporotranspiration dépasse sensiblement la moyenne des précipitations annuelles. Ce déficit hydrique freine le développement des plantes individuelles et, au niveau communautaire, stimule des comportements de « clustering » même si la topographie est isotrope. Dans ce contexte, nous adoptons une approche basée sur l’équation F-KPP non-locale permettant de formuler ces hypothèses en termes de propriétés des plantes individuelles.Une partie importante de cette thèse concerne l’étude d’un exemple de structure de végétation localisée bien connu dans la littérature, les cercles de fées. Les cercles de fées ont été découverts dans le désert de Namibie. Cependant, ces dernières années, ils ont aussi été observés en Australie. Plusieurs hypothèses ont été proposées dans la littérature. Nous proposons la compétition non-locale forte entre plantes individuelles (en utilisant un noyau de type Lorentzien) comme ingrédient principal pour expliquer la formation des cercles de fées. Le couplage non-local fort influence l’interaction entre fronts dans le régime bistable (loin de toute forme d’instabilité briseuse de symétrie). Dans le cas d’un couplage non-local faible, par exemple dans un noyau Gaussien, l’interaction entre fronts est toujours attractive. Par conséquent, les structures localisées qui résultent de l’interaction des fronts sont instables. Le couplage non-local fort peut induire la stabilisation de structures localisées que nous interprétons comme étant des cercles de fées. Notre mécanisme permet d’expliquer les principales caractéristiques des cercles de fées, comme la relation entre leur diamètre et la disponibilité des ressources. De plus, nous avons appliqué ces résultats à d’autres modèles de végétation. Nos résultats concordent avec les observations sur le terrain.Nous avons analysé la formation de « spots » de végétation dans la région Andine en Bolivie. Nous avons étudié comment un modèle standard d’interaction-redistribution génère des « spots », de longueur d’onde d'approximativement 1.36m, via une instabilité qui brise la symétrie. En considérant des paramètres réalistes, nos résultats concordent avec les observations sur le terrain.Enfin, nous avons étudié la formation de structure en forme de spirale dans un système qui couple la végétation et les herbivores dans un modèle proie-prédateur. Nous avons trouvé que le mécanisme qui induit la formation de spirales est l’excitabilité. Nos observations sur le terrain et nos résultats numériques du modèle montrent que les spirales de végétation ont une profondeur de quelques centimètres et une longueur de quelques mètres. En ce qui concerne l'échelle de temps, nos estimations donnent une période de rotation de l’ordre de 10 ans. / Option Physique du Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Prédiction théorique des structures localisées à une et à deux dimensions dans des cavité passives soumis à une injection optique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished