Ce travail de thèse porte sur l’estimation de la possibilité d’atteindre le seuil laser dans un matériau organique par pompage électrique. Dans le but ultime de réaliser le laser organique à pompage électrique, un prérequis est d’injecter une haute densité de courant dans un dispositif électroluminescent fonctionnel. Dans un premier temps, le comportement de l’OLED soumise à haute densité de courant est simulé et un modèle d’estimation de seuil laser basé sur la matrice de transfert est proposé. Ces études théoriques indiquent l’existence d’une densité de population maximale d’excitons radiatives au début d’injection de courant et estime la nécessité de 8.7×1016 cm-3 au seuil laser. Ensuite, la caractéristique résolue en temps des μ-OLED à base d’Alq3 : DCM excitées par des impulsions électriques de courtes durées (< 100 ns) et à faible taux de répétition (10 Hz) sont étudiées à l’aide d’un système de microscope confocal calibré. Les caractéristiques de l’OLED sont en bon accord avec les simulations théoriques. Une densité de courant de 3.6 kA/cm² et un pic de luminance de 8.4×106 cd/m² ont été obtenus en injectant des impulsions de 30 ns. Le pic de luminance correspond à une densité de population de 3.6×1017 cm-3, soit supérieure au plus petit seuil laser en littérature. Il est donc possible de réaliser le laser dans cette fenêtre de temps de quelques nanosecondes. / This thesis focus on the estimation of the possibility to achieve the laser threshold in an organic material with electrical pumping. As the ultimate goal is to demonstrate an electrically pumped organic laser, attaining high current density in a working electroluminescent device is pre-required. At first, the response of OLED at high current injection condition is simulated with a theoretical model. And the laser threshold estimation is performed by transfer matrix method. These theoretical studies show that a peak of emissive exciton (singlet) population density should exist at pulse onset, while a population density of 8.7×1016 cm-3 is necessary for lasing. Next, the time-resolved characteristics of μ-OLED based on Alq3 : DCM excited by short (< 100 ns) electrical pulses with low repetition rate (10 Hz) have been studied on the calibrated confocal microscope. The response of μ-OLED is in good agreement with the theoretical simulations. A current density of 3.6 kA/cm² and a luminance peak of 8.4×106 cd/m² have been achieved with 30-ns pulses. This luminance peak corresponds to singlet population density of 3.6×1017 cm-3, which is higher than the smallest laser threshold in literature. We suggest that it is possible to achieve laser effect in the time window of several nanoseconds at pulse onset.

Thèse de doctorat : Sciences. Physique : Ecole polytechnique Palaiseau : 2005. / Résumés en français et en anglais. Références bibliographiques.

Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une convention Cifre entre Snecma et le LMFA. L’objectif de ce travail est de développer une méthodologie permettant un calcul Navier Stokes 3D instationnaire du champ aérodynamique dans le compresseur au cours du pompage profond, tout en ayant un temps raisonnable de restitution des résultats. A l’aide de ce champ 3D, une réponse vibratoire des aubes pendant le cycle de pompage pourra être calculée. Le pompage est une instabilité aérodynamique qui s’initie dans le compresseur mais qui est influencé, à travers les pertes induites, par tout le système dans lequel le compresseur est intégré. La méthodologie développée pendant cette thèse permet de modéliser l’intégralité du système (banc d’essai ou moteur). Pour cela, l’écoulement dans le compresseur est calculé en 3D alors que le reste du système est calculé en 1D. Un couplage 1D/3D a donc été mis en place, puis testé sur un cas test académique. La méthode de couplage est ensuite appliquée au calcul du pompage d’un compresseur axial. Le cas d’application turbomachine choisi se base sur le banc d’essai CREATE installé au LMFA et contenant un compresseur haute vitesse de 3.5 étages. Dans un premier temps, la méthode est appliquée sur le dernier étage de CREATE seul. Le pompage profond obtenu sur ce compresseur mono-étage fait l’objet d’une analyse globale puis locale. Il ressort de cette analyse que le cycle de pompage est guidé par la dynamique du volume situé à l’aval du compresseur. Le volume de tranquilisation à l’amont du compresseur induit sur le compresseur une oscillation de pression et de débit à une fréquence environ dix fois plus élevée que la fréquence propre du pompage. L’analyse locale montre que le pompage se déclenche par une progression de l’écoulement de jeu vers les bords d’attaque du rotor. A l’aide du champ de pression statique sur les aubages pendant le pompage, un calcul de structure est mené sur le rotor et le stator. Une réponse vibratoire visible est obtenue après la chute de débit seulement si la fréquence propre du premier mode de vibration est suffisamment basse. Dans une seconde étape, la méthode de couplage est appliquée au pompage des 3.5 étages du compresseur CREATE et son banc d’essai. Le cycle obtenu est comparé aux résultats expérimentaux et à un autre calcul de pompage qui modélise l’intégralité du banc d’essai par les équations de Navier-Stokes 3D. La physique du cycle obtenu est cohérente avec les résultats expérimentaux et numériques pour les phases d’entrée en pompage, d’inversion et de rétablissement du débit. La dernière phase de repressurisation du système est beaucoup plus courte, ce qui en tenant compte des conclusions tirées de la première étape, indique que les cycles comparés correspondent probablement à des positions (angle de fermeture) de vanne aval différentes. / This work is a result of collaboration between Snecma and the LMFA. The purpose of this work is to develop a model able to simulate surge occurrence and development in compressors. This model must provide an unsteady 3D aerodynamic field inside the compressor and must have reasonable computation costs. With this 3D field, it will be possible to compute a vibratory response of blades during surge cycle. Surge is influenced by all the system around the compressor due to pressure losses in the system. With the methodology developed in this study, the whole system may be computed (test bench or engine). For that, flow in the compressor is computed in 3D, while the rest of system is computed with 1D model. A 1D/3D coupling strategy has been set up and validated on an academic test case. Coupling method is then applied for surge modeling of an axial compressor. The turbomachiny case is based on CREATE test bench, installed at LMFA. This bench contains a high speed, compressor of 3.5 stages. In a first step, method is applied only to the last stage of CREATE. A global and local analysis focuses on the deep surge obtained on this one stage compressor. Surge cycle is driven by downstream plenum aerodynamic. Pressure and mass flow oscillation with a frequency ten times higher than surge frequency is due to upstream plenum. Local analysis shows that surge occurence is due to progression of tip clearance flow toward rotor leading edges. With the help of static pressure field on blades during surge, structural computations are done on rotor and stator. A significant vibratory response is obtained after mass flow drop only if the first vibratory mode has a frequency low enough. In a second step, 1D/3D coupling is applied to surge modeling of 3.5 stages of compressor CREATE. Surge cycle obtained is compared to experimental data and to another computation which model the whole test bench with 3D Navier-Stokes equations. Physics of our surge cycle is coherent with these results but our cycle is faster and deeper.

La rhéologie du béton est un facteur d'influence direct sur la relation entre la pression de pompage et le débit. La rhéologie appliquée au béton est souvent caractérisée par une loi rhéologique à l'état stationnaire (indépendant du temps). Il s'agit d'un domaine assez pointu concernant principalement l'évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement. Cette évolution du béton traditionnel est souvent caractérisée par le modèle de Bingham alors que pour un béton auto plaçant dont le rapport E/L est faible, l'évolution peut devenir non linéaire et peut suivre le modèle de Bingham modifié ou Herschel-Bulkley pour un fluide rhéo-épaississant. Pour ces modèles, on parle souvent d'un seuil de cisaillement au-delà duquel le béton commence à s'écouler, d'un indice de consistance (et un indice de puissance pour le cas d'une relation non linéaire) qui décrit l'intensité de l'évolution. En conséquence, la relation entre la pression et le débit peut être linéaire ou non linéaire en fonction du type du béton pompé. Comme les paramètres rhéologiques d'un béton participent directement à la prédiction de la pression de pompage, la mesure de ces paramètres fait l'objet un travail très exigeant au niveau de la précision.Comme les paramètres rhéologiques d'un béton ne sont pas des grandeurs physiques directement mesurables, les rhéomètres développés pour le béton frais ne sont capables de délivrer ces paramètres qu'à travers des mesures des autres grandeurs physiques de base comme la vitesse, le couple, la pression. Ensuite, plusieurs méthodes peuvent être appliquées pour reconvertir les grandeurs mesurées. Ces méthodes sont appelées la résolution du problème inverse. La méthode la plus efficace pour résoudre (ou confirmer la résolution du) le problème inverse concerne la calibration du rhéomètre avec des matériaux dont les propriétés rhéologiques sont connues. Plus le nombre de matériau utilisé pour la calibration est grand, plus la précision est meilleure. Cependant, pour les matériaux cimentaire, le nombre de matériau nécessaire pour bien couvrir les plages de valeurs des paramètres rhéologique est de l'ordre de quelques centaines de matériau. Cela demande un travail expérimental énorme et non rentable. Cependant, à la place de réaliser cette calibration expérimentalement, il est tout à fait possible de la réaliser en faisant des simulations numériques. Ces travaux numériques font partie du deuxième chapitre de la thèse.En complément de la rhéologie, la tribologie du béton est aussi un facteur déterminant du pompage. La tribologie permet de caractériser le comportement du béton à l'interface avec la paroi de la tuyauterie. Pour le cas de béton traditionnel dont le seuil de cisaillement est très important, l'écoulement du béton est dominé par l'effet de glissement du bloc de béton sur une couche limite de comportement lubrifiant. La couche limite est uniquement créée quand il y a une contrainte de cisaillement entre le béton et la paroi. Ce phénomène est présumé être la conséquence de la combinaison des trois phénomènes: l'effet géométrique de la paroi, la rupture structurelle interne et la ségrégation dynamique. Tous ces effets entrainent une diminution de la viscosité du matériau pompé sur une distance de quelques millimètres à la paroi. En conséquence, un écoulement non homogène est formé. Une vitesse de glissement à la paroi s'additionne à la vitesse engendrée par le cisaillement.Afin de caractériser le comportement du béton à la paroi, la tribométrie du béton voit le jour. Cela s'effectue avec les tribomètres qui simulent le mouvement relatif entre le béton et la paroi. Grace au mouvement, pour les bétons traditionnels dont le seuil de cisaillement est élevé, uniquement la couche limite est cisaillée mais pas le béton. Les paramètres délivrés sont un seuil d'interface, une constante visqueuse. Ces deux grandeurs permettent d'établir une relation linéaire entre la contrainte de cisaillement à l'interf / The rheological properties of concrete are significantly influencing the relation between pumping pressure and discharge rate. The concrete rheology is often characterized by a rheological law in stationary conditions (time independent), giving the evolution of shear stresses as a function of shear rate. In case of traditional concrete, this evolution is typically described by a Bingham model, while for a self-compacting concrete with low water/powder ratio, the evolution often becomes non-linear and can be described by a modified Bingham or Herschel-Bulkley model, considering shear-thickening. In these models, a critical shear stress is typically considered above which the concrete starts to flow. Furthermore, a consistency parameter is considered (and in case of non-linear behavior also an index) to describe the intensity of the evolution. As a consequence, the relation between pressure and discharge rate can be linear or non-linear, depending on the concrete pumped. As the rheological parameters of the concrete are directly relevant for the prediction of the pumping pressure, the accurate measurement of these parameters is a challenging task.As the rheological properties of concrete cannot be directly measured as a physical quantity, concrete rheometers can only be used to determine the rheological parameters in an indirect way, by measuring other physical values like speed, couple or pressure. Different methods can be applied in order to convert the measured physical values to obtain the rheological properties. The most direct method consist of calibrating the rheometers by testing materials with known rheological parameters. A higher precision in this approach can be obtained by testing a higher number of known materials. However, in order to cover the whole range of rheological properties of concrete, a very high number of known materials would have to be tested, which would thus become very cumbersome. Instead of performing this calibration in an experimental way, it can be done in a numerical way. This kind of numerical calibration is the topic of chapter 2 of the doctoral thesis.Besides the rheology of the concrete, tribology is also an important factor determining the pumping characteristics. Tribology enables to characterize the behavior of concrete in the interface with the surface of the pumping pipe. For traditional concrete with high yield stress, the flow of concrete in the pumping pipe is dominated by the slip layer or lubrication layer near the surface, while the bulk of the concrete is flowing as a plug. This slip layer can only be formed due to shear stresses in this area, and is considered to be the consequence of three phenomenons: geometrical wall effect, structural breakdown, and dynamic segregation. These phenomenons induce a reduction of the viscosity of the concrete within a layer of a few millimeter near the surface of the pumping pipe. As a result, a non-homogeneous flow is induced. Due to the occurrence of the slip layer, an additional speed component is added to the speed profile already induced by shear of the concrete.In order to characterize the concrete behavior near the surface, tribometers are being used, simulating the relative movement between concrete and the surface. In case of traditional concrete, with high yield stress, due to the relative movement only the slip layer is sheared, while the bulk concrete is not sheared. In this case, the use of tribometers results in a yield stress and a viscous constant of the slip layer. These two parameters enable to define a linear relation between shear stress and shear rate in the interface. Meanwhile, in case of self-compacting concrete, the concrete is also sheared, leading to very complicated tribology measurements. For this reason, it is very difficult to characterize the behavior of self-compacting concrete near the interface by means of a tribometer. This situations complicates the prediction of the relation between pumping pressure

In order to generate high harmonics (multi-keV regime) from which a coherent X-ray source can be made, ultrashort mid-infrared laser pulses are necessary. This document presents the basics of the generation of IR pulses using Nd:YAG and Ti:Sapphire systems currently in use in Prof. Bernd Witzel’s laboratory. A first section explains the process by which the original pump laser (Nd:YAG, 1064 nm, 10 ns) is converted into a secondary pump at 2 µm, which is a mandatory step in order to interact with the amplifying medium due to the molecular structure of CO2. This conversion is realized by using an optical parametric oscillator (OPO) and an optical parametric amplifier (OPA). More precisely, the selection of the non-linear medium to use for the OPO and OPA (KTP) is explained. In addition, which mirrors are best-suited for the OPO and the relevant non-linear physical equations (amplitude-coupled equations) are described. Next, a second section aims to expose the theory that makes it possible to use a 2 µm nanosecond pump to amplify the 10 µm, femtosecond radiation derived from a femtosecond Ti:Sapphire laser. The limits and conditions for this process are explained; in short, we find that the CO2 gas pressure must reach 40 atm. In order to do so, an aluminum gas cell with two thick ZnSe windows must be used. Finally, the last part of this thesis describes and explains the design of the aforementioned CO2 cell necessary to the amplifying process. The optimal length of the cell, its geometry and its windows (made from ZnSe, with a 5.1 mm thickness) are the subject of a detailed analysis

Le coulis de glace est un fluide composé d'une phase solide, la glace, et une phase liquide, une solution aqueuse. Dû à la chaleur latente de la fonte de la glace, le coulis peut extraire une plus grande quantité d'énergie que le fait un fluide monophasique. Dans un premier temps, les corrélations permettant de calculer les propriétés thermophysiques des solutions aqueuses, soient la concentration de glace, la densité, la viscosité, la conductivité thermique et l'enthalpie, sont établies.Le coulis à base de propylène glycol est pris comme exemple afin de présenter la démarche suivie. Pour les trois autres additifs, l'éthylène glycol, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium, seuls les coefficients des corrélations sont présentés. Dans un deuxième temps, une série d'expérimentations a été réalisée sur un échangeur de chaleur tubes et calandre afin d'évaluer les pertes de pression et le transfert de chaleur du coulis fait à base d'éthylène glycol. La perte de pression dans les tubes, ainsi que la température à l'entrée et à la sortie et le débit massique de chaque fluide ont été mesurés. Les mesures ont démontré que la concentration de glace a un impact plus grand sur le transfert de chaleur quand le débit de coulis est faible. De plus, le débit de coulis a un impact plus grand sur les pertes de pression que la concentration de glace. Dans un troisième temps, le transfert de chaleur en régime transitoire entre la patinoire, les fondations du bâtiment et le sol extérieur a été calculé par un modèle numérique d'aréna. Deux réfrigérants secondaires, la saumure et le coulis, servant à refroidir la glace sont comparés. La simulation montre que la température de la glace est plus uniforme avec le coulis qu'avec la saumure. Une analyse paramétrique est menée afin d'évaluer l'effet de la diminution du débit de réfrigérant secondaire sur la température de la surface de la glace et sur la puissance de pompage.

Nous avons effectué dans ce mémoire des études de magnéto-luminescence sur des boîtes quantiques individuelles de GaAs insérées dans une matrice de GaAlAs, boîtes qui se distinguent de la plupart des systèmes étudiés par l’absence des contraintes. Nous avons pu mesurer l’impact de l’orientation cristalline du substrat sur lequel s’effectue la croissance de ces boîtes sur les propriétés magnéto-optiques.Nous avons pu présenter les premières expériences pratiquées sur des structures à boîtes quantique GaAs « gouttelettes » à charge ajustable, élaborées sur substrat orienté (001). La structure fine des excitons a été étudiée en détail et analysée au moyen d’un modèle analytique y compris en champ transverse permettant d’établir les états et énergies propres. Nous avons observé la polarisation dynamique des noyaux à champ nul dans les boîtes quantiques sans contraintes élaborées sur substrat (111)A. Les décalages Overhauser mesurés s’élèvent à 15 – 16 μeV, correspondant à un champ nucléaire de 0.25 T environ. En champ magnétique transverse, nous avons observé des déviations significatives par rapport àl’effet Hanle normal dans le domaine des faibles champs / In this thesis the magneto-optical properties of single GaAs semiconductor quantum dots in AlGaAs barriers are presented. The strain free dots are grown by original Volmer-Weber ("droplet") epitaxy techniques in a molecular beam epitaxy system at the National Institute for Material Science NIMS, Tsukuba, Japan. We showed the first optical investigation of symmetric GaAs quantum dots grown on (111)A substrates. The inherently small neutral exciton fine structure splitting makes this a promising systemfor the generation of polarisation entangled photons via the exciton-biexciton radiative cascade. In photoluminescence spectra in longitudinal magnetic fields applied along the growth axis, we observe in addition to the expected bright states also nominally dark transitions for both charged and neutral excitons. We uncover a strongly non monotonic, sign-changing field dependence of the bright neutral exciton splitting resulting from the interplay between exchange and Zeeman effects. We present a microscopic theory developed in close collaboration with the A. F. Ioffe Institute (St. Petersburg,Russia) of the magnetic field induced mixing of heavy-hole states with angular momentum projections 3/2 in GaAs droplet dots grown on (111)A substrates.Chapter 4 of this thesis is focused on the charge tuneable structures grown on n+-(100) GaAs substrate. In non-intentionally doped samples, due to charge fluctuations, the neutral X0 exciton and the positively (negatively) charged exciton X+(X-) are observed simultaneously in time integrated spectra. We present here deterministic charging of droplet dots with single electrons. Detailed studies in transverse magnetic fields allowed unambiguously identifying the charge states and determining the exciton fine structure. The neutral exciton fine structure was tuned to zero in finite transverse fields, a crucial property for achieving efficient polarization entangled two photon sources. In chapter 5, we focus on the nuclear spin effects in [111] grown quantum dots under optical pumping conditions. An optically oriented electron spin can transfer its polarization to a nucleus (Overhauser effect). In the well-studied strained InGaAs dots in GaAs, dynamic nuclear polarization (DNP) at zero applied magnetic field is possible due to screening of the nuclear dipole-dipole interaction by strong nuclear quadrupole effects. Here we present the first observation of DNP in strain free dots, i.e. in theabsence of nuclear quadrupole effects. We investigated in detail the role of the strong effective magnetic field acting on the nuclei due to the presence of a well-oriented electron spin (Knight field). This Knight field in the order of 15 mT for most dots is an important ingredient for the observed DNP at zero field. The intricate interplay between the Knight field and the Overhauser field is studied in a transverse magnetic field. These Hanle measurements performed on single dots allow us to determine the sign of the confined electron g-factor and spin relaxation time

Le domaine de recherche de la spintronique vise a concevoir des dispositifs électroniques misant sur le degré de libre de spin pour transporter de l'information. An d'intégrer ces courants de spin dans des dispositifs électroniques, il est particulièrement intéressant d'étudier l'inter-conversion d'un pur courant de spin en un courant de charge par l'effet Hall de spin, ainsi que le transfert de moment angulaire entre les électrons de conduction d'un métal normal (NM) et l'aimantation d'un ferromagnétique (FM) (couple de transfert de spin / pompage de spin). An de mieux comprendre ces différentes interaction, cette thèse se concentre sur l'étude du système hybride constitué de la juxtaposition d'un ferrimagnétique isolant, le grenat d'yttrium fer (YIG), et d'un métal normal _a fort couplage spin-orbite (Pt ou Ta), nécessaire pour bénéficier de la polarisation en spin de l'interface par un courant électrique dans le plan. Nous avons étudié le pompage de spin et la magnétorésistance produite par l'effet Hall de spin a l'interface entre des bicouches de YIG j Pt et YIG j Ta, et ceci sur des lms étendus de YIG de 200 nm d'épaisseur, produits par épitaxie en phase liquide. Nous observons que la tension électrique, produite par l'effet Hall de spin inverse, change de signe entre du Pt et du Ta confirmant ainsi l'inversion des signes de l'angle de Hall entre ces deux matériaux. En outre, en mesurant la variation de la tension de Hall inverse en fonction de l'épaisseur de la couche de Ta, nous avons réussi à borner la longueur de diffusion de spin dans le Ta. Tant le YIG j Pt et le YIG j Ta affiche une variation semblable de la magnétorésistance a effet Hall de spin en fonction de l'orientation du champ magnétique. Pour étudier l'inuence interfaciale du pompage de spin… / Spintronics aims at designing electronic devices which capitalize on the spin degree of freedom to transport information using spin currents. In order to incorporate spin currents intoelectronic devices, it is particularly interesting to study the interconversion from a spin current, the motion of spin angular momentum, to a charge current (Spin Hall Effect) as well as the transfer of spin angular momentum between the conduction electrons of a normal metal (NM) and the magnetization of a ferromagnet (FM) (Spin Transfer Torque/Spin Pumping). To investigate the interplay of those effects this thesis studies hybrid systems of the ferromagnetic insulator Yttrium Iron Garnet and normal metals with large spin-orbit coupling, a prerequisite for spin Hall e_ect. We study spin pumping and spin hall magnetoresistance in YIGjPt and YIGjTa bi-layers using extended _lms of 200 nm thick YIG, grown by liquid phase epitaxy. The inverse spin Hall voltages in Pt and Ta confirm the opposite signs of spin Hall angles in these two materials. Moreover, from the dependence of the inverse spin Hall voltage on the Ta thickness, we constrain the spin di_usion length in Ta. Both the YIGjPt and YIGjTa systems display a similar variation of resistance upon magnetic eld orientation, the spin Hall magnetoresistance. To study the inuence of interfacial spin pumping and a possible reverse e_ect, it is desirable to work with thin _lm thicknesses. A high quality 20 nm thick YIG _lm was grown by pulsed laser deposition, showing a damping similar to that of bulk YIG. We use nano-lithography to pattern series of YIG(20nm) and YIG(20nm)jPt(13nm) discs with diameters between 300 and 700 nm. The ferromagnetic resonance (FMR) spectra of the individual sub-micron sized samples are recorded through magnetic resonance force microscopy. . Passing dc-current through micron sized YIGjPt disks reveal a variation of the FMR linewidth consistent with the geometry and amplitude of the expected SHE transfer torque. In the absence of exciting microwave _elds, a variation in the magnetization is detected when the dc-current reaches the expected threshold for auto oscillations.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Innov'hydro, qui regroupe cinq laboratoires de Grenoble INP conjoints avec le CNRS et l'Université Grenoble Alpes et vise à mener une étude sur l'ensemble constitué par la turbine et le générateur électrique. Dans ce cadre, cette thèse menée dans G2Elab est dédiée aux techniques de contrôle avancées pour convertir de manière efficace l’énergie hydraulique en énergie électrique.Lorsque la centrale hydroélectrique est connectée aux réseaux comme fournisseur, à savoir le «mode PQ», elle délivre la quantité exacte de puissance active et réactive en fonction de la demande réelle ou permet d'exploiter au maximum la ressource primaire disponible. Cette thèse se focalise sur le dernier cas: le convertisseur côté machine confirme la vitesse de rotation optimale pour atteindre la puissance maximale; le convertisseur côté réseau assure la tension constante du circuit intermédiaire et envoie une alimentation de bonne qualité au réseau. Une topologie conventionnelle basée sur un générateur synchrone à aimant permanent (PMSG) est implémentée. Elle est composée d'une turbine hydraulique, de PMSG, de convertisseurs de source de tension dos à dos avec PWM en interaction avec le réseau.Une centrale hydroélectrique à vitesse variable (VS-HEP) est un système non linéaire variant dans le temps, perturbé par diverses incertitudes. Ainsi, cette thèse est dédiée à l’amélioration de la robustesse du contrôle et de la capacité de rejet des perturbations. Les contributions de cette thèse sont les suivantes:1. Modèle hydraulique et application de PHIL• Un modèle hydraulique tridimensionnel à échelle réduite est établi de manière flexible pour diverses conditions de fonctionnement en laboratoire.• Le modèle dynamique de l'actionneur à aubes directrices est introduit afin de prendre en compte les effets de la dynamique induite sur l'ensemble des performances électriques.• Sur la base du benchmark PHIL en temps réel flexible du G2Elab, un banc d'essai hydraulique à vitesse variable est construit, en cours d'adaptation pour le modèle à échelle réduite proposé.2. Contrôle avancé de la robustesse élevée et de la capacité de rejet de perturbations• Un contrôleur de vitesse basé sur ADRC est proposé pour améliorer les performances de suivi de vitesse, permettant ainsi un fonctionnement MPPT efficace. Un observateur de couple est intégré pour atténuer les effets des variations de couple hydraulique.• Un contrôleur ESO est implémenté dans la boucle de contrôle DC-Link. Il atteint une plus grande robustesse et améliore la dynamique de contrôle. Et il est simple à concevoir et à employer pour des ingénieurs.3. Technique de synchronisation basée sur ESO• Un ESO-PLL amélioré est proposé. Les incertitudes internes et les perturbations externes dans le système PLL sont estimées via ESO et activement compensées par une dynamique en boucle fermée en temps réel, ce qui permet une grande robustesse dans la gestion des perturbations.• Un intégrateur généralisé (GI)-ESO est proposé pour les systèmes présentant des perturbations sinusoïdales à haute fréquence. Un intégrateur généralisé est introduit pour estimer la perturbation haute fréquence dans la conception.• Une PLL basée sur GI-ESO est proposée pour les utilitaires distordus. Les erreurs haute fréquence apparaissant dans la phase estimée peuvent être éliminées en utilisant le GI-ESO.4. Gestion optimale des centrales hydroélectriques à stockage pompé• Une approche de programme dynamique est utilisée pour gérer de manière optimale le temps de pompage et de génération d'un système hydroélectrique hybride à stockage par pompage.• Les bénéfices de tous les régimes de fonctionnement à vitesse variable et à vitesse fixe sont comparés.• Les bénéfices quotidiens augmentent par rapport au mode de fonctionnement normal. Parallèlement, les restrictions hydrauliques et la consommation d’eau peuvent être respectées. / This PhD thesis is in the frame of project Innov'hydro, which involves five joint Grenoble INP laboratories with the CNRS and Grenoble Alpes and aims to review the assembly composed by the turbine and the electric generator. Within this frame, this thesis carried out in G2Elab, is dedicated to advanced control techniques for efficiently converting the hydraulic energy into electric power.When the hydro-electric plant is connected with the grids as a supplier, namely `PQ mode', it either delivers the exact amount of active and reactive power according to the actual demand or allows to exploit the maximum of the available primary resource. This thesis is targeting on the latter case: The machine-side converter confirms the optimal rotational speed to achieve the maximum power; the grid-side converter ensures the constant DC-link voltage, and to send the good quality power to the grid. A conventional variable-speed direct drive Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)-based topology is implemented, it is composed of a hydraulic turbine, a PMSG, back-to-back voltage source converters with PWM interacting with the three-phase grid.A Variable-Speed Hydro-Electric Plant (VS-HEP) is a nonlinear time-varying system disturbed by various uncertainties. Thus, this thesis devotes more efforts to improving the control robustness and disturbance rejection ability. The contributions of this thesis are as follows:1. Hydraulic model and PHIL implementation• A reduced-scale hydraulic model is flexibly established for various laboratory operation conditions.• The dynamic model of guide vane actuator is introduced in order to take into account the effects of the induced dynamics on the whole electric performance.• Based on the flexible real-time PHIL benchmark in G2Elab, a variable speed hydraulic test rig is built, being adapted to the proposed reduced-scale model.2. Advanced control of high robustness and disturbance rejection ability• An ADRC-based speed controller is proposed to improve the speed tracking performance, thus enabling efficient MPPT operation. Besides, a torque observer is incorporated to mitigate the effects caused by hydraulic torque variations. Experimental results prove its advantages for VS-HEP application.• An enhanced ESO-based controller is implemented into DC-link control loop. It achieves higher robustness and improve control dynamics. And it is simple to design and employ for practical engineers.3. ESO-based synchronization technique• An enhanced ESO-PLL is proposed. The internal uncertainties and external disturbances in PLL system are estimated via ESO and actively compensated into closed-loop dynamics in real-time, which can achieve high robustness in dealing with disturbances.• A Generalized Integrator (GI)-ESO is proposed for system with high-frequency sinusoidal disturbances. A generalized integrator is introduced to estimate the high-frequency disturbance in the design.• A GI-ESO-based PLL is proposed for under power quality degradation issues (unbalanced voltage, harmonics, and voltage offset). The high-frequency errors appearing in the estimated phase can be eliminated by employing the GI-ESO.4. Optimal management of pumped-storage hydro-electric plant• A forward dynamic program approach is used to optimally manage the pumping and generating operation time for a hybrid pumped-storage hydro-electric system.• The profits for all operation regimes of variable speed operation and fixed speed are compared.• The daily profits increase compared with the normal operation mode, meanwhile, it can maintain the hydraulic restrictions and water consumption to local residents.

Les OP-VECSELs (Optically Pumped Vertical External Cavity Semiconductor Lasers) sont des sources permettant d'obtenir des faisceaux circulaires de bonne qualité et de puissance élevée. De plus, la cavité externe permet d'envisager la réalisation de sources impulsionnelles par l'insertion d'un miroir à absorbant saturable (SESAM) dans la cavité et la mise en place d'un régime de blocage de modes passif. Ce travail de thèse a porté sur la réalisation et l'étude des OP-VECSEL, des SESAMs et des cavités optiques adaptés à la réalisation d'une source impulsionnelle à 1,55 µm. <br />Le cœur de ce travail de thèse a consisté en la conception, la caractérisation, et l'obtention du fonctionnement laser en continu d'OP-VECSELs réalisés monolithiquement sur InP. La principale difficulté pour l'obtention de l'effet laser en continu a été la gestion de l'échauffement, particulièrement important lors du pompage optique des matériaux à l'accord de maille sur InP. L'effet laser à 1,55 µm en pompage continu à température ambiante a cependant été obtenu, avec un seuil de 6 kW/cm², et une puissance de sortie de 4 mW à 0°C. Ce résultat est une première pour une structure OP-VECSEL monolithique sur InP émettant à 1,55 µm. La réalisation d'une source impulsionnelle nécessite l'amélioration des propriétés thermiques des OP-VECSELs, et nous proposons de nouvelles structures satisfaisant à cette contrainte.<br />La génération d'impulsions brèves à haut débit nécessite l'accélération de la dynamique de fonctionnement des SESAMs. Pour ce faire, nous proposons une méthode originale, consistant à placer le puits quantique jouant le rôle d'absorbant saturable très près de la surface du composant, pour bénéficier des recombinaisons rapides des porteurs sur les états de surface. Nous proposons également des configurations de cavités optiques compactes adaptées à l'obtention d'impulsions à un débit supérieur à 2 GHz.