La présence croissante de diverses substances dans notre environnement, conséquencedes activités anthropiques de ces dernières décennies, a entraîné un besoingrandissant et urgent de nouveaux matériaux et dispositifs dans la quête de senseurschimiques efficaces et fiables. D'énormes progrès technologiques ont permis de mettreà disposition toute une gamme d'outils techniques pour leur développement, enprenant en compte les exigences à respecter en terme de sélectivité ou de rapidité deréponse, entre autres. Dans ce contexte, les méthodes de chimie quantique permettentune compréhension fondamentale des processus en jeu dans la détection des espèceschimiques, et par extension, l'élaboration de manière rationnelle de nouveauxmatériaux sensibles. Certaines molécules organiques pouvant être largementfonctionnalisées, elles constituent un point de départ idéal en raison des importantesmodulations possibles de leurs propriétés par des modifications structuralesappropriées.Cette étude vise à développer de manière rationnelle des chromoionophores pour lacomplexation de cations par une approche combinant méthodes de chimiecomputationnelles et caractérisation par spectroscopie optique. Deux pointsprincipaux ont été traités à l'aide de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité(DFT) et son extension dépendante du temps (TD-DFT): d'une part les relationsstructure moléculaire-propriétés optiques de chromophores, d'autre part le phénomènede complexation. En particulier, la détection de l'ion Zn2+, démontrée de manièrethéorique et expérimentale, est finalement réalisée après intégration du senseurmoléculaire dans un dispositif à fibre optique.

Ce travail porte sur porte sur le développement de nouveaux matériaux permettant d’améliorer la visibilité des produits de marquage routier en toutes conditions climatiques. Les études se sont tout d’abord dirigées vers une étude théorique des principes optiques régissant le phénomène de rétroréflexion, puis sur la modélisation de ces phénomènes à l’aide d’un logiciel, pour déterminer les systèmes rétroréflecteurs idéaux par temps sec et par temps humide. De nouveaux verres ayant les propriétés optiques et mécaniques adéquates à ce genre d’applications ont ensuite pu être synthétisés. Des traitements de surface ont enfin été appliqués pour améliorer encore ces propriétés, grâce au phénomène d’adaptation d’indice et à l’étude des interférences dues aux dépôts de couches minces. / This work deals with the development of new materials for improving the visibility of road markings in all weather conditions. The studies moved towards a theoretical study of optical properties responsible for retroreflexion, then towards the establishment of a pattern of these phenomenon with the Zemax software in order to determine ideal retroreflective systems for dry and wet weather. New glasses having the ideal optical and mechanical for these applications were synthesized. Surface treatments have been used to improve these properties, by the study of the interference phenomena induced by thin layers deposited on substrates.

Les barrières thermiques avec zircone EB-PVD pour les turbines aéronautiques sont soumises à des conditions extrêmes qui conduisent à l'écaillage du dépôt. La prévention de leur endommagement est donc nécessaire pour assurer l'intégrité des pièces. Afin de comprendre et de reproduire leur évolution dans une turbine, les barrières thermiques actuelles sont soumises à des essais longs de cyclage thermique. L'essai LASAT est un essai d'adhérence rapide à mettre en oeuvre qui se place en complément du cyclage thermique. L'impulsion laser appliquée sur la face nue de l'AM1 génère une onde de choc de compression qui se propage jusqu'à la surface libre de la zircone. La réflexion forme une onde de traction qui effectue le trajet inverse et peut rompre les interfaces qu'elle traverse. Le décohésion génère une tache blanche dans la zircone directement visible à l'oeil. Ce phénomène optique est élucidé en relation avec la microstructure de la zircone et la présence d'une fissure à l'interface. Pour connaitre le potentiel de l'essai, une large gamme d'échantillons avec différentes orientations du superalliage, quatre préparations de sous-couche, cinq microstructures de zircone et deux vieillissements thermiques ont été utilisés.Leur caractérisation a permis de les classer et de comparer leurs évolutions et leurs endommagements par cyclage thermique ou par LASAT. Le dimensionnement des fissures interfaciales par des méthodes non destructives a été réalisé par piézospectroscopie en exploitant les cartographies associées au signal defluorescence, par profilométrie et à partir de la tache blanche. Une approche simple et innovante exploitant et optimisant le comportement optique de la zircone est mise en place. Les tailles des fissures relevées ont mis en évidence le rôle des ondes 2D et permis la réalisation de l'essai LASAT-2D. Ici, ce n'est plus l'apparition de la fissure qui est recherchée, mais sa taille qui peut directement informer de l'adhérence à partir d'un seul choc laser. La modélisation numérique a confirmé le rôle de ces ondes 2D et leur potentield'utilisation par des abaques LASAT-2D. Ces courbes permettent de distinguer différentes préparations de barrières thermiques brutes d'élaboration ou vieillies. Un protocole complet est ainsi fourni pour le contrôle, la mesure et le suivi de la tenue mécanique de barrières thermiques sur des éprouvettes usuelles industrielles. Dans des essais complémentaires, le LASAT-2D a été appliqué en "face avant", avec le choc coté zircone, sur des éprouvettes et des pièces industrielles. Les mêmes tendances que pour le LASAT-2D développé dans cette thèse sont observées. Ceci autorise la perspective de l'application de cet essai et de cette méthodologie sur des formes complexes et fermées, telles les aubes de turbine. / EB-PVD thermal barrier coatings used in aircraft turbines are subjected to extreme conditions that lead to their spallation. To ensure the integrity of the parts, it's necessary to prevent coating damages. In order to understand and reproduce their evolution in a turbine, current thermal barrier coatings are subjected to long thermal cycling. The LASAT is a rapid adhesion test that could complement the thermal cycling. The laser pulse applied to the AM1 face generates a compressive shock wave which propagates towards the free surface of the zirconia. The reflection of this wave generates a tensile shock wave which can damage the interface and create a white spot in zirconia top coat. To determine the potential of the test, a wide range of samples with different superalloy orientations, bondcoat preparations, zirconia microstructures and thermal aging were used. Characterizations were carrying out to classify and compare their evolution and their damage by thermal cycling or LASAT. The size of interfacial cracks by non-destructive tests was achieved by piezospectroscopie maps associated with the fluorescent temporal signal, by profilometry and from the white spot. A simple and innovative approach by optimizing the optical behavior of zirconia is developed. These results highlight the role of 2D waves and allow the realization of the testLASAT-2D. Here, it is not the appearance of the crack that is looking for, but its size, which can directly inform about the mechanical adhesion from a single laser shock. Numerical modeling has confirmed the influence of 2D shock waves and their potential using LASAT-2D charts. These curves are used to distinguishdifferent preparations of thermal barrier coatings as produced and after thermal aging. A complete protocol is thus provided for monitoring, measuring and determine the interface strength of thermal barrier coatingson industrial specimens. On further testing, LASAT-2D was applied directly on the coating of specimens and industrial parts. The same results as for the 2D-LASAT developed in this thesis are observed. This allows the prospect of the application of this test and the methodology on complex and closed shapes, suchas turbine blades.

Résumé : Les propriétés bio-optiques et bio-physiques du golfe et de l'estuaire du Saint-Laurent ont été évaluées au cours de 5 croisières multi-saisonnières menées entre 1997 et 2001. Les propriétés optiques intrinsèques (KM) mesurées comportaient des profils verticaux du coefficient d'absorption et d'atténuation et la fonction de diffusion volumétrique ainsi que te coefficient d'absorption par les particules (total), par les particules non-algales, par le phytoplancton et par la matière organique dissoute (CDOM). Les paramètres optiques apparents (POA) incluaient les profils verticaux de la luminance ascendante et de l'éclairement descendant. L'allure spectrale des principaux PO! comme l'absorption par le phytoplancton, le CDOM et les particules non-alguales comme la rétrodiffusion particulaire ont été paramétrisés en utilisant les modèles conventionnels mais aussi des adaptations de ces modèles. Les statistiques descriptives de chaque variable de cette collecte de données sont décrites. Les variations spatiales et temporelles observées dans les paramètres biophysiques et leurs allures spectrales sont également présentées. Les résultats indiquent que les taux mesurés de POI et de POA varient selon des proportions déjà observées dans des écosystèmes côtiers semblables. Les patrons de variation spatiale et temporelle étaient, en général, conformes aux variations attendues vis-à-vis des considérations théoriques et expérimentales pour cet écosystème particulier. D'ailleurs, les allures spectrales des POI et des POA se sont déclarées conformes avec la variation détectée dans les concentrations (visiblement significatives) des constituants mesurés. Une série complète des sections efficaces des POI a été calculée à partir des données acquises en mer. La variation des sections efficaces à été conforme aux taux de variation déjà décrits dans la littérature. Ces résultats nous permettent de conclure que le jeu de données que nous possédons pourrait être utilisé dans le calcul de la concentration des constituants bio-géochimiques à partir des POI associés. Une étude de concordance des données bio-optiques au niveau de transfert radiatif à été effectuée. Les paramètres optiques simulés correspondaient dans un même ordre de grandeur avec les paramètres optiques mesurés. Ce résultat nous a permis de confirmer la validité de notre jeu de données acquis en mer avec une approche théorique. Nous pouvons avancer le fait que cette campagne de collecte de données a permis de décrire à une large échelle le comportement des régions bio-optiques du Saint-Laurent dans le contexte des objectifs de la télédétection. Cet ensemble de données bio-optiques fournit une base solide pour le développement d'un modèle rigoureux d'inversion de la concentration de Chla à l'aide d'un algorithme satellitaire pour les eaux de type II du système du Saint-Laurent.||Asbract : In-water biogeochemical constituents and bio-optical properties of the St-Lawrence Gulf and Estuary were monitored during 5 cruises conducted between 1997-2001 accross different seasons. Measured inherent optical properties (IOPs) included vertical profiles of the absorption and attenuation coefficients and the volume scattering function as well as absorption by particles, non-algal particles, phytoplankton and coloured dissolved organic matter (CDOM). Apparent Optical parameters (AOPs) included vertical profiles of the upwelling radiance and downwelling irradiance. The spectral shape of the major IOPs like absorption by phytoplankton, CDOM and non-algal particles as well as the particulate backscattering were parameterized using conventional models and adaptations of conventional models. Descriptive statistics of each variable in the collected dataset were analysed and compared with previous findings in the literature. The optical coherence of the measurements was verified using a radiative transfer closure approach. A complete set of 10P cross-sections for optically significant biogeochemical variables were generated. The magnitude and the spatial, temporal and spectral variation exhibited by the optically significant inwater biogeochemical constituents as well as the bio-optical parameters was consistent with our current knowledge of the ecosystem. The variation of the bio-optical parameters throughout the seasons was also coherent with our expectations. All the measured and derived parameters were found to vary within the ranges reported in the literature. Evidence was presented wherein the Gulf waters, which are usually considered as case I waters could also behave like case II waters. Moreover, spectral signatures exhibited by the IOPs and AOPs were coherent with the variation detected in the concentrations of the measured (optically significant) constituents. The extracted 10P crosssections were consistent with the results of similar studies previously performed and could eventually be used in the estimation of the biogeochemical constituent concentrations given the related component IOPs. First-order radiative transfer closure was achieved; this underscored the validity of our experimental dataset based on considerations of higher level, integrative, physics. We argue that the current data collection campaign succeeded as a comprehensive framework for describing the behavior of the St-Lawrence bio-optical provinces within the context of remote sensing objectives. This bio-optical dataset should provide the basis for the development of a rigorous, satellite-based, remote sensing algorithm for the retrieval of near surface chlorophyll, fine-tuned to the local characteristics of the St-Lawrence system.

La conception et la réalisation d’architectures moléculaires de type [Mx(μ-L)yL’z]n, où μ-L est un ligand pontant, L’ un ligand terminal, n la charge et M un ion métallique de transition, sont attrayantes de part leurs richesses dans le domaine de la chimie de coordination mais aussi pour leurs applications potentielles dans des domaines tels que le magnétisme, l’optique ou encore la catalyse. Le ligand terminal qui a été choisi pour ce travail est un macrocycle, appelé p-tert-butylsulfonylcalix[4]arène, formé d’unités phénoliques reliées entre elles par des groupements sulfonyle. Dans un premier temps, une famille de complexes tétranucléaires de Mn2+ a été obtenue et caractérisée. Ces agrégats ont présenté des propriétés optiques de luminescence originales, à l’état solide et en solution. La photo-réaction, en solution de ces clusters, a permis de mettre en évidence le premier complexe stable mononucléaire de Mn3+/p-tert-butylsulfonylcalix[4]arène. La photo-réactivité de ces complexes, a révélé pour la première fois, la dynamique moléculaire que ce ligand pouvait avoir sous une excitation lumineuse. Puis, les réactions faites avec l’ion Mn2+ ont été transposées sur l’ion Co2+. La réactivité différente de cet ion, a permis d’isoler différents agrégats de structures moléculaires originales. Certains ont présenté des propriétés de « single ion magnet » (SIM). Enfin, des études sur la modification du p-tert-buytlthiacalix[4]arène ont débouché sur la mise au point de la première méthode générale de mono-O-alkylation de ce type de macrocycle. / The realization of molecular architectures type [Mx(μ-L)yL’z]n; (with μ-L a chelating ligand, L’ a terminal ligand, n a charge and M a metallic transition ion) are attractive because of their potential applications in many domains such as magnetism, optics and catalysis.The terminal ligand which was chosen for this work is a macrocycle, called p-tert-butylsulfonylcalix[4]arene formed by phenolic units connected between them by sulfonyle groups.Firstly, a family of tetranuclear manganese (II) complexes was obtained and characterized. These clusters presented original optical properties of luminescence, in solid state and in solution.In solution, the photo-reaction of these clusters allowed to obtain the first stable ever mononuclear complex Mn3+/p-tert-butylsulfonylcalix[4]arene. Photo-reactivity of these complexes revealed that this ligand could have a molecular dynamics under a light irradiationThen the reactions made with ions Mn2+ were transposed for ions Co2+. Reactivity of Co2+ allowed to isolate various clusters with original molecular structures. Some presented properties of “Singles Ions Magnets”Finally, studies on the modification of p-tert-butylthiacalix[4]arene enabled us to design the first general method of mono-O-alkylation of this macrocycle type.

Les cristaux photoniques (CP) 3D sont des matériaux périodiques dont l’indice de réfraction varie périodiquement à l’échelle de la longueur d’onde. Cette propriété optique permet d’élaborer des composants optiques spécifiques comme des miroirs pour les lasers de puissance. Ces structures doivent présenter une meilleure tenue au flux laser (TFL) en régime sub-nanoseconde, comparés aux revêtements miroirs multidiélectriques actuels. Cette propriété est attendue car un unique matériau présentant une bonne TFL est utilisé pour leur élaboration, la silice. Cette étude présente donc le développement de cristaux photoniques colloïdaux 3D en utilisant la technique de Langmuir-Blodgett. Ces CP sont constitués de particules de silice avec une distribution en taille étroite, synthétisées par voie sol-gel. Différentes synthèses ont donc été développées et comparées afin d’obtenir les meilleures propriétés réfléchissantes. Une modélisation a aussi été effectuée en incluant des défauts dans une structure parfaite pour just ifier certains résultats expérimentaux. / Three-dimensional photonic crystals (PCs) are periodic materials with a modulated refractive index on a length scale close to the light wavelength. This optical property allows the preparation of specific optical components like highly reflective mirrors. Moreover, these structured materials might have a high laser-induced damage threshold (LIDT) in the sub-nanosecond range compared to multi-layered dielectric mirrors. This property is obtained because only one high LIDT material (silica) is used. In this work, we present the development of 3D PCs with narrow-sized colloidal silica particles, prepared by sol-gel process and deposited with Langmuir- Blodgett technique. Different syntheses routes have been investigated and compared regarding the optical properties of the PCs. A numerical model based on an ideal opal network including defect influence is used to explain these experimental results.

L'objectif général était de faire progresser notre compréhension des caractéristiques du rayonnement solaire dans une gamme optiquement diversifiée des eaux continentales et en particulier pour le rayonnement photosynthétiquement actif (PAR, 400-700 nm). Les mesures sur le terrain et en laboratoire des propriétés optiques apparentes et inhérentes (les AOP et les IOP, respectivement) ont été réalisées en utilisant des instruments d'optique de pointe. Ces instruments et méthodes avaient jusqu'à ce jour été utilisés surtout aux eaux claires de l'océan au large des zones côtières. J'ai tout d'abord examiné les mécanismes contrôlant les différences de couleur entre les mares thermokarstiques dans le Québec subarctique. Les résultats ont montré que les variations quantitatives du carbone organique dissous et des particules en suspension non algales étaient les facteurs principaux. L'analyse d'une image satellite suggère que ces composantes peuvent être estimées à distance. Les résultats indiquent que la télédétection par satellite pourrait permettre la mise à l'échelle de certains processus biogéochimiques. J'ai par la suite quantifié les processus d'atténuation du PAR dans un réservoir d'eau potable. Les résultats d'analyse du budget de photons ont également révélé les changements spectraux du PAR en fonction de la profondeur affectant l'estimation des coefficients d'absorption moyen du PAR in situ pour la zone euphotique; par exemple, le coefficient de l'eau pure était dix fois plus élevé que celui mesuré dans l'océan. Dans la dernière partie de cette étude, j'ai entrepris une analyse de la «fermeture optique» afin d'évaluer la relation entre les AOP et les IOP pour un lac hypereutrophe urbain. Une similarité a été observée entre la luminance spectrale mesurée par télédétection avec un système de profilage dans l'eau et les valeurs obtenues grâce à un modèle de transfert radiatif (HydroLight). En conclusion, ces études réalisées à trois sites contrastés ont permis d'étendre la gamme de mesures et de modélisation optiques pour les écosystèmes lacustres, et de faire progresser notre compréhension des processus qui influencent l'éclairement spectral dans les eaux douces. Ces résultats soulignent la valeur mais aussi les sources d'incertitude associées à l'application de l'optique hydrologique dans les eaux continentales optiquement complexes.

Depuis son entrée dans le monde de l'imagerie médicale, l'imagerie optique a connu un grand développement. Beaucoup d'intérêt lui est porté car cette modalité est non invasive et permettrait éventuellement de faire de l'imagerie moléculaire. Toutefois, elle doit relever un défi de taille, celui de la reconstruction de l'image. Cette étape est très ardue, car elle fait intervenir des modèles de propagation de la lumière dans les tissus biologiques complexes, qui se traduisent par des équations intégro-différentielles dont il est difficile de dériver des solutions analytiques. Ainsi, une étape essentielle au développement d'appareil d'imagerie, la calibration, devient cruciale. Les fantômes optiques, l'objet de ce travail de recherche, sont les standards de calibration qui servent à la réalisation de cette étape. Ces derniers interviennent pour valider les performances et les algorithmes de recontructions des appareils. Ce sujet de recherche s'inscrit dans le cadre du projet TomOptUS qui développe un appareil de tomographie optique diffuse pour petits animaux. Ce travail a deux objectifs principaux : la fabrication de fantômes aux propriétés optiques contrôlables et pouvant simuler celles des tissus biologiques et le développement de méthodes de caractérisation des milieux utilisés pour ces fantômes. La réalisation du volet fabrication a permis de doter le laboratoire d'un protocole robuste pour la fabrication de fantômes solides (par opposition à liquides). Ce protocole contourne une problématique majeure rencontrée souvent lors de la réalisation de fantômes solides, qui est la formation de bulles indésirables à l'intérieur des milieux fabriqués. Aussi, ce protocole permet la fabrication de fantômes de formes complexes tels que des fantômes de souris. Quant à la caractérisation, le laboratoire a vu l'implantation de deux méthodes de caractérisation qui permettent l'obtention des propriétées optiques de milieux absorbants et/ou diffusants. Ces méthodes s'inscrivent également à l'intérieur d'un protocole de caractérisation adapté aux besoins du laboratoire. L'étude approfondie des méthodes de caractériation a amené le développement d'une expertise qui pourrait être exploitée pour étendre l'utilisation de ces techniques de caractérisation sur des tissus biologiques, une voie d'avenir pour l'imagerie médicale.

Cette thèse s'inscrit dans les projets de validation des satellites CALIPSO et CloudSat de L'A-Train dédiés à l'étude des nuages, afin d'améliorer leur représentation dans les modèles de prévision du climat. La validation a consisté à mesurer les paramètres microphysiques et optiques des nuages au moyen d'instruments in situ aéroportés (PMS, Néphélomètre Polaire,CPI). Plusieurs campagnes ont été réalisées en région Arctique (ASTAR 2007 et POLARCAt) et en cirrus aux latitudes moyennes CIRCLE-2) au cours desquelles les observations in situ ont été colocalisées avec celles des satellites. La méthode de traitement du CPI a été améliorée pour la restitution des paramètres microphysiques et du facteur de réflectivité radar (Z). Concernant la validation de CLIPSO, deux situations en cirrus montrent un bon accord entre les coefficients d'extinction (sigma) in situ et restitués, validant ainsi les hypothèses dans l'inversion du lidar. Pour une autre situation, l'effet d'orientation de cristaux de forme plane et hexagonale conduit à des réflexions spéculaire du faisceau lidar et à une surestimation de sigma restitué. A l'opposé des valeurs in situ de sigma plus élevées que CALIOP sont observées lors d'une situation de cirrus avec des cristaux de grande dimension. Les effets de fragmentation de ces cristaux peuvent se traduire par la génération de petites particules avec pour conséquence une surestimation de sigma mesurée. Quant à la validation de CloudSat les résultats montrent un bon accord entre Z CloudSat at ZCPI. En revanche, les parammètres nuageux restitués sont largement surestimés en particulier dans les nuages mixtes où le schéma d'inversion basé sur la température est mal adapté

La connaissance de l'impact des aérosols sur le climat, au cours de leur cycle de vie, est aujourd'hui un enjeu majeur de la communauté scientifique. En particulier, les aérosols organiques secondaires (AOS) constituent une part importante de la fraction fine des aérosols et pourtant leurs propriétés optiques et hygroscopiques présentent encore des fortes incertitudes. Cette étude avait pour objectif de comprendre et d'évaluer l'évolution des propriétés optiques et hygroscopiques de l'AOS produit dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM à partir de l'ozonolyse de l'α-pinène au cours de sa formation et de son vieillissement dans l'atmosphère. Afin de mener à bien ce projet, un HTDMA a été développé et validé. Cette approche a été complétée en mesurant les propriétés hygroscopiques de l'ensemble de la population polydispersé d'aérosols par humidification au sein de la chambre de simulation. Afin de mettre en évidence des modifications de propriétés optiques, l'évolution temporelle de l'indice complexe de réfraction a été déterminée. La méthodologie a été validée et l'effet du temps de contact des particules avec la vapeur d'eau a été investigué. Cette méthodologie a ensuite été appliquée à l'étude des propriétés optiques et hygroscopiques de l'AOS généré par ozonolyse de l'α-pinène au cours de sa formation et du vieillissement par différents processus: dans le noir, en présence d'un excès d'ozone et par photolyse. Les liens avec des modifications possibles de la composition chimique ont été investigués par des observations et par modélisation / The impact of aerosols on climate represents a major challenge in atmospheric science. This is particularly true for secondary organic aerosols, representing a major fraction of the fine aerosols. However, their optical and hygroscopic properties are poorly understood. The present work investigates the optical and hygroscopic properties of SOA generated from the ozonolysis of α-pinene at first and after having undergone atmospheric ageing reactions using the laboratory smog chamber CESAM. For that purpose, an HTDMA has been built and a new approach has been developed to measure hygroscopic properties of polydispersed aerosols by humidifying them directly in the smog chamber. The refractive index has been calculated to investigate the optical properties changes. The methodology has been validated and the residence time of particles with water vapor has been investigated. Then, it has been applied to study the optical and hygroscopic properties of α-pinene SOA during its formation and during ageing by various processes: reaction in the dark, with ozone, and photolysis. The link with changes in the composition has been investigated by measurements and modeling