«Thèse en cotutelle, Doctorat en physique, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France» / L’infrarouge moyen présente un grand intérêt pour de nombreuses applications dans des domaines variés comme la médecine, la biologie, l’environnement ou encore l’astronomie. Il y a donc un besoin de sources et de dispositifs fonctionnant dans cette bande de longueur d’onde s’étendant approximativement de 2 à 20 µm. L’élaboration de ces dispositifs passe par le développement de matériaux transparents dans l’infrarouge moyen puis par la fonctionnalisation optique de ces matériaux. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous nous proposons d’étudier la fabrication de composants dans un verre d’oxyde de métaux lourds (baryum, gallium, germanium : BGG), dont l’intérêt est la combinaison d’une bonne transmission jusque dans l’IR moyen (de ~350 nm à ~5 µm) et de bonnes résistances mécanique et chimique. La technique utilisée pour la fonctionnalisation optique de ce verre est l’inscription directe par impulsions ultra courtes. Cette dernière permet de modifier localement – et de manière permanente – un matériau par la focalisation d’impulsions d’une durée de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de femto secondes, générant des intensités lumineuses très importantes et permettant l’absorption non-linéaire d’une partie de l’énergie du faisceau laser. Le caractère non linéaire de l’interaction permet l’inscription de structures tridimensionnelles dans le volume du matériau. Grâce à cette technique, on peut notamment fabriquer des guides d’onde, des canaux de microfluidique et des motifs fluorescents pour ne citer que quelques exemples. Nous rapportons dans cette thèse une étude détaillée de l’inscription par laser femtoseconde dans différents types de verres BGG. Nous montrons qu’il est possible d’avoir un changement d’indice positif élevé, permettant la formation de composants à base de guides d’onde pour l’IR moyen. En particulier, nous présentons des résultats de mesures sur des guides d’onde et des coupleurs dans l’IR moyen, inscrits dans un verre BGG et dans la silice. Un autre type verre, dérivé des BGG et dopé en ions argents, est également étudié dans le cadre de l’inscription par laser femtoseconde. Comme il a été observé dans d’autres types de verres d’oxydes, les ions argent modifient l’interaction laser matière et apportent des propriétés spécifiques à l’argent : fluorescence, génération de seconde harmonique et résonance de plasmons de surface. / The mid-infrared region is of great interest for many applications in various fields such as medicine, biology, environment and astronomy. Therefore, there is a need for developing sources and devices operating in this wavelength region, spanning approximately from 2 to20 µm. The development of these devices involves the development of mid-IR transparent materials and then the optical functionalization of these materials. In the framework of this PhD thesis, we propose to study the fabrication of components in glass of heavy metaloxides (barium, gallium, germanium: BGG), whose interest is the combination of a good transmission (from ~350 nm to ~5 µm) and good mechanical and chemical resistances. The technique used for the optical functionalization of this glass is direct inscription by ultra-short pulses. This technique allows a local and permanent modification of a material by focusing pulses of a duration of a few tens or hundreds of femtoseconds, generating very high light intensities and allowing the non-linear absorption of the laser beam energy. The non-linear nature of the interaction allows the inscription of three-dimensional structures in the bulk. Thanks to this technique, we can produce waveguides, microfluidic channels and fluorescent patterns, to name but a few examples. In this thesis, we report a detailed study of femtosecond laser inscription in different types of BGG glasses. We show that it is possible to have a high positive index change, allowing the formation of waveguide-based components for mid-IR. In particular, we present measurements results on waveguides and couplers in the mid-IR, embedded in BGG glass and fused silica. Another type of glass derived from BGG and doped with silver ions is also studied with the femtosecond laser inscription. As observed in other types of oxide glasses, silver ions modify the laser-matter interaction and provide silver-specific properties such as fluorescence, second harmonic generation and surface plasmons resonance.

Après une étude théorique, puis modélisée, de l'analyse d'une image dans le plan focal d'un télescope par un détecteur à deux dimensions (chapitre 1) et un bref rappel de physique du solide (chapitre 2) on étudie un détecteur infrarouge bidimensionnel de 32x32 l'IRCCD. La description d'une caméra astronomique basée sur ce détecteur, et des choix effectués dans sa réalisation est donnée (chapitre 3). L'attention est portée sur les problèmes de l'observation sous fort flux de photons du fond. Un chapitre entier est consacré à une étude détaillée de l'IRCCD et de ses caractérisriques (chapitre 4). On décrit ensuite l'ensemble du système monté sur télescope, ainsi que les procédures d'observation adoptées (chapitre 5). Quelques résultats de mesure et de calibration sur télescope sont proposés. Le dernier chapitre est consacré à la présentation de résultats astrophysiques préliminaires.

Cette étude révèle le comportement d'une matrice de détection infrarouge portée à la température de l'hélium liquide (4.2K). La Société Anonyme de Télécommunications (France) réalise la matrice de détection 32x32 éléments senseurs, à lecture CID (Charge Injected Devices) sur susbtrat InSb (antimoniure d'indium). Son utilisation à la température de l'hélium liquide est différente de celle prévue par son fabricant (77 K). En particulier, le comportement du courant d'obscurité varie fortement entre ces deux valeurs de T. Seul le courant tunnel est encore actif à la température de l'hélium liquide (les courants d'origine thermique s'annulent). Sensible au potentiel de surface du semiconducteur, le courant tunnel de la structure MIS-InSb ne sature pas les puits de potentiel de la matrice InSbCID. La recherche du temps d'intégration maximum, la contrainte liée à la linéarité de la réponse photonique (spécialement sous faible flux de photons), l'optimisation du rendement quantique et la réduction du bruit de lecture constituent les points fondamentaux de cette étude. Cependant, les mesures expérimentales de la caméra ont révélé des effets secondaires liés au détecteur (dérive, réponse inertielle) ou au cablage électrique (diaphonie). Un chapitre spécial est réservé au comportement des matrices CID SAT en envîronement y. Le résultat de cette phase d'études est la réalisation de la caméra infrarouge CIRCUS (Caméra Infra-Rouge Courte longueur d'onde pour Utilisation au Sol).

Dans ce travail, les propriétés thermiques effectives du milieu fibreux sont déterminées en tenant compte du couplage conduction et rayonnement. Un échantillon numérique fibreux statistiquement homogène composé de deux phases a été généré en empilant des cylindres finis absorbant dans le vide. Ces cylindres sont dispersés selon des fonctions de distribution de la position de leur centre et de leur orientation. L'interpénétration des cylindres est permis. L'extinction, l'absorption et la diffusion sont caractérisées par des fonctions statistiques radiatives qui permettent de savoir si le milieu est Beerien (ou non). Elles sont déterminées précisément à l'aide d'une méthode de Monte Carlo. On montre que la phase gazeuse a un comportement Beerien et que le phase fibreuse a un comportement fortement non Beerien. Le champ de puissance radiative déposée dans le milieu fibreux est calculé en résolvant un modèle qui couple une Équation du Transfert Radiatif Généralisée (ETRG) et une Équation du Transfert radiatif Classique (ETR). Le modèle de conduction thermique est basé sur une méthode de marche aléatoire ne nécessitant aucun maillage. La simulation du mouvement Brownien de marcheurs dans les fibres permet de résoudre l'équation de l'énergie. L'idée de la méthode est de caractériser la température d'un volume élémentaire par une densité de marcheurs, qui peuvent parcourir le milieu. Le problème est gouverné par les conditions aux limites ; Une concentration constante de marcheurs (ou un flux constant) est associée à une température imposée (ou un flux). / In the present work, the effective heat transfer properties of fibrous medium are determined by taking into account a coupling of heat conduction and radiation. A virtual, statistically homogeneous, two-phase fibrous sample has been built by stacking finite absorbing cylinders in vaccum. These cylinders are dispersed according to prescribed distribution functions defining the cylinder positions and orientations. Cylinder overlappings are allowed. Extinction, absorption and scattering are characterised by radiative statistical functions which allow the Beerian behaviour of a medium to be assessed (or not). They are accurately determined with a Monte Carlo method. Whereas the gaseous phase exhibits a Beerian behaviour, the fibre phase is strongly non Beerian. The radiative power field deposited within the fibrous material is calculated by resolving a model which couples a Generalized Radiative Transfer Equation (GRTE) and a classic Radiative Transfer Equation (RTE). The model of conduction transfer is based on a random walk method without meshing. The simulation of Brownian motion of walkers in fibres allows the energy equation to be solved. The idea of the method is to characterize the temperature in an elementary volume by the density of walkers, which roam the medium. The problem is governed by boundary conditions ; A constant concentration of walkers (or a constant flux) is associated with a fixed temperature (or flux).

Cette thèse a été consacrée à l’étude en laboratoire plusieurs molécules d’intérêt astrophysique par spectroscopie par transformation de Fourier dans l’infrarouge lointain afin de montrer les possibilités offertes par cette gamme spectrale en matière de spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle, notamment grâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Nous nous sommes intéressés à des molécules relativement lourdes, dérivées du naphtalène, pour lesquelles nous avons pu observer les bandes de vibrations de plus basses fréquences. Nous avons également développé différents dispositifs de décharge permettant d’étudier la spectroscopie rotationnelle de molécules instables : molécules légères à haute température et radicaux de petite taille. / This thesis has been dedicated to the laboratory far-infrared Fourier transform spectroscopy of several molecules of astrophysical interest in order to demonstrate the interest of this spectral region for vibrational and rotational spectroscopy, in particular using synchrotron radiation. Low frequency vibrational spectra of nine naphthalene derivatives, relatively heavy molecules, have been studied. Several discharge set-ups have also been developed in order to study rotational spectroscopy of transient species: high temperature light molecules and small radicals.

Dans les tokamaks, Sous l'application champ de électrique, les électrons sont accélérés et en même temps, ils subissent une force de friction due aux collisions avec les autres particules du plasma. Cependant, une fraction de la population totale d'électrons peuvent surmonter la force de friction et atteindre une vitesse proche de la vitesse lumière. Ces électrons relativistes sont découplés du plasma et sont appelés électrons runaway (ER). Ils peuvent apparaître lors des différentes phases d'une décharge de plasma. Par exemple, dans la phase de démarrage ou alors pendant les disruptions, au cours desquelles une fraction importante du courant plasma peut être convertie en ER ayant une énergie pouvant atteindre quelques dizaines de MeV. Les ER créés pendant la phase de perturbation peuvent causer des dommages aux premiers composants murs si un dépôt localisé de forte puissance se produit. ITER étant un tokamak de grande taille et un projet coûteux, la génération d'ER n'est pas souhaitable. La viabilité de la machine nécessite que les ER soient détectés en temps réel. La thèse fournit une étude détaillée dans cette direction pour le développement des deux principaux diagnostics sur ITER impliqués dans les mesures de paramètres pour les ER, à savoir, le moniteur de rayons X durs qui détecte le rayonnement de bremsstrahlung et les caméras visibles et infrarouges qui détectent le rayonnement synchrotron. Une solution de conception unique a été proposée pour le moniteur HXRM et est développée ici et optimisée. Pour les caméras, une modélisation des signaux est effectuée pour la première fois. Pour ce faire, un code de calcul a été développé et validé sur différents tokamaks. / In tokamaks, under the application of the electric field, a small fraction of the total electrons population can overcome collisional drag force and attain high velocity close to the speed of light. These relativistic electrons are called Runaway-Electrons (REs). The REs can occur during different phases of a plasma discharge. REs created during the disruptions phase can form a high energetic RE-beam that poses a risk to damage the first wall components if localized high power deposition takes place. ITER being a large size tokamak and an expensive project, generation of REs is not desirable during any phases of a plasma discharge. Detection of these REs and measurements of its parameters are important for the tokamak operation. Hence, RE diagnostics have to be in place to aid the commissioning of the disruption mitigation system and also for the post-event analysis to improve the reliability of RE avoidance. The present thesis gives a detailed study in this direction for the development of the two principal ITER Diagnostics involved in RE parameter measurements, namely the Hard X-Ray Monitor (HXRM) that detects bremsstrahlung radiation and the Visible and Infrared Cameras that detect synchrotron radiation. A unique design solution has been given for the HXRM and is developed, R&D tests were performed and optimized in line with this understanding. For the cameras, it is predicted for the first time which images and signal intensity can be expected. To achieve this, a simple but comprehensive code has been developed and validated on tokamaks that can predict RE parameters and corresponding diagnostic signals which may have further uses also in the context of RE avoidance.

Propagation d'une onde cohérente dans les profils monocouches et multicouches: comportement interférentiel simplifie. Couches, substrats et ondes réelles. Interférences et couches minces en cohérence partielle: source spatialement incohérente, interférence a deux ondes, mesure visuelle sur l'axe de la source ; source rectangulaire, spatialement incohérente ; source spectralement et spatialement incohérente

Dans le cadre d'une recherche de cristaux scintillateurs détecteurs de rayonnements X ou une étude de la luminescence du cérium et du praséodyme dans des composés fluorés denses à été effectuée. L'émission de Ce3+ dans les fluorures BaThF6 et Ba4y3F1-7 présenté pour une excitation directe dans ses niveaux 5d une probabilité radiative élevée, même à forte concentration. L'utilisation du rayonnement synchrotron a permis de déterminer les différents mécanismes d'excitation de l'ion Ce3+. Ce dernier peut-être en particulier excité par une émission intrinsèque au réseau de type cross-luminescence à déclin ultra-rapide (1 ns) mise en évidence dans les deux réseaux. La croissance cristalline de BaThF6:Ce et la caractérisation des propriétés de scintillation ont été entreprises. Une luminescence de l'ion CeS3+ jusqu'à température ambiante a été observée pour la première fois dans des composés fluorés à base d'ion à doublet 6S2. Le rendement est cependant affecté par une forte extinction thermique, conséquence de la proximité des niveaux émetteurs 5D et de la bande de conduction. Dans certains fluorés à champ cristallin fort (elpasolites et Ba4Y3F1-7), la luminescence à déclin rapide 5d 4F de Pr3+ a été mise en évidence. Les mécanismes de scintillation de cet ion dans les elpasolites ont été étudiés.

Le développement rapide des sources lumineuses intenses, accordables en longueur d'onde, représente une menace croissante pour les différents détecteurs existant, et tout particulièrement l'il. Une méthode de protection envisageable est l'utilisation de composes organiques presentant un comportement d'absorption saturable inverse: leur absorption augmente lorsqu'ils sont eclaires par des faisceaux lumineux tres intenses. En utilisant le procede sol-gel, nous avons pu élaborer des materiaux solides compacts dopes avec des molecules de la famille des phtalocyanines. A la longueur d'onde de 532 nanometres, des echantillons de transmission initiale 0,7, ont permis d'induire une densite optique de 1 sous l'effet d'impulsions de forte densite. Avec des echantillons de transmission lineaire 0,4, la densité optique induite est egale a 1,6. Afin de mieux comprendre le processus de saturation de la transmission, nous avons écrit des programmes informatiques permettant de simuler le comportement observe. Ils se sont averes etre d'excellents outils pour mieux cerner les phenomenes mis en jeu. Pour améliorer les performances obtenues, differents types de synthèses ont ete entrepris, et differentes molecules organiques ont ete introduites dans des matrices sol-gel: des tetrabenzoporphyrines, des molécules de fullerènes et de hitci. Pour déterminer les plages spectrales d'efficacité de ces echantillons, des sources impulsionnelles accordables en longueur d'onde ont ete installees. Apres la synthèse de premiers échantillons efficaces dans la partie bleue du spectre visible, il a ete possible d'en elaborer d'autres efficaces dans la partie rouge du spectre. Disposant de materiaux actifs a la longueur d'onde de 620 nanomètres, nous avons alors pu montrer a cette longueur d'onde qu'il s'agit d'un processus ultrarapide qui intervient en moins de cent femtosecondes. Enfin, en utilisant les programmes de simulation developpes, nous avons étudie les performances que nous sommes en droit d'esperer de composes absorbants saturables inverses qui seraient inseres dans un systeme limiteur optique.

La simulation de scenarios d’incendie nécessite de modéliser de nombreux processus complexe, particulièrement la combustion gazeuse d’hydrocarbure incluant la production de suie et les transferts radiatifs dans un écoulement turbulent. La nature turbulente de l’écoulement fait apparaitre des interactions qui doivent être prises en compte entre ces processus. L’objectif de cette thèse est d’implémenter une méthode de transport de la fonction de densité de probabilité afin de modéliser ces interactions de manière précise. En conjonction avec un modèle de flammelettes, le modèle de Lindstedt et un modèle à large-bande k-corrélé, l’équation de transport de la PDF jointe de composition est résolue avec la méthode des Champs Eulérien Stochastiques. Le modèle est validé en simulant 12 flammes turbulentes recouvrant une large gamme de nombre de Reynolds et de propension à former de la suie par les combustibles. Dans un second temps, les effets des interactions rayonnement-turbulence (TRI) sur l’émission de la suie sont étudiés en détails, montrant que la TRI tend à augmenter l’émission radiative de la suie à cause des fluctuations de température, mais que cette augmentation est plus faible pour des nombres de Reynolds élevés ou des quantités de suie plus élevées. Ceci est dû à la corrélation négative entre le coefficient d’absorption des suies et la fonction de Planck. Finalement, l’influence de la corrélation entre la fraction de mélange et le paramètre de non-adiabaticité est étudiée sur une flamme d’éthylène, montrant qu’elle a peu d’effet sur la structure moyenne de flamme mais tend à limiter les fluctuations de température et les pertes radiatives. / The simulation of fire scenarios requires the numerical modeling of various complex process, particularly the gaseous combustion of hydrocarbons including soot production and radiative transfers in a turbulent. The turbulent nature of the flow induces interactions between these processes that need to be taken accurately into account. The purpose of this thesis is to implement a transported Probability Density function method to model these interactions precisely. In conjunction with the flamelet model, the Lindstedt model, and a wide-band correlated-k model, the composition joint-PDF transport equation is solved using the Stochastic Eulerian Fields method. The model is validated by simulating 12 turbulent jet flames covering a large range of Reynolds numbers and fuel sooting propensity. Model prediction are found to be in reasonable agreement with experimental data. Second, the effects of turbulence-radiation interactions (TRI) on soot emission are studied in details, showing that TRI tends to increase soot radiative emission due to temperature fluctuations, but that this increase is smaller for higher Reynolds numbers and higher soot loads. This is due to the negative correlation between soot absorption coefficient and the Planck function. Finally, the effects of taking into account the correlation between mixture fraction and enthalpy defect on flame structure and radiative characteristics are also studied on an ethylene flame, showing that it has weak effect on the mean flame structure but tends to inhibit both temperature fluctuations and radiative loss.