Laboratory experiments were conducted to investigate the propagation of internal solitary waves on a uniform slope in a two-layered free surface fluid system. The laboratory facilities employed in this study is the first in Taiwan, which include a stainless steel wave flume (dimensions: 12 meters long with cross-section 0.5 m wide and 0.7m deep) and experimental apparatus for generating and measuring internal waves. The flume incorporates a movable vertical gate at one end for generating internal solitary waves, and a uniform slope (either £c = 30o, 50o, 60o, 90o, 120o or 130o) at the other end. The upper layer had fresh water with density £l1 (999kg/m3), to a depth H1; the lower layer was saline brine density £l2 (1030 kg/m3), which was slowly filled into the flume to a depth of H2 by gravity through several openings at the bottom of the flume, Boussinesq parameter . A mini pump was used to remove a small quantity of fresh water from one side of the vertical gate to another side. By creating a prescribed difference £bo in the interface levels on either side of the gate beforehand, internal solitary wave was generated by the mechanism of overturning the brine and fresh water behind the movable gate. Five ultrasonic probes at equidistant distance recorded the interface fluctuations, one density probe measured the change of density at the interface, while two electrical capacitance gauges for the free surface displacements likely to occur. Digital cameras were also used to record the motions of internal wave in the flume and on the slope for further analysis. Laboratory test on internal solitary wave were arranged from one of the combinations using different layer thickness ratios H1/H2, interface differences £bo, density ratios £l1/£l2, and bottom slopes £c. In addition to internal solitary wave reflection from a uniform slope, laboratory investigations included internal wave propagation on a rigid impermeable bottom and evolution on a uniform slope. Keeping the total water depth in the flume at H = 40cm, an increase in the depth parameter |H2-H1|/H produced large internal wave amplitude, reduced phase velocity, and enhanced soliton feature. From the experimental result analyzed, it suggests that the Korteweg-de Vries (KdV) theory fits solitary waves of small amplitude, and the modified KdV is suitable for large amplituded waves. Considering wave motion in an inviscid fluid, the dissipation of internal solitary waves propagating in a flume may occur through bottom friction and wave breaking. Subjected to bottom friction alone, the amplitude of most internal solitary waves in the experiments decayed approximate by 10% over a journey of 6 meters. Two types of wave breaking mechanism were found to produce strong mixing and local vortex in the fluid, causing significant energy losses. For internal solitary waves of large amplitudes, reflection coefficient for wave amplitude or energy decreased, as amplitude or energy increased. Under this condition, however, the reflection coefficient due to bottom friction may be assumed as constant. Using the experimental results obtained, empirical equation is now proposed to account for wave dissipation due to for non-breaking internal waves. The equation indicates that decrease in reflection coefficient as wave amplitude or energy increases may be expressed using a second order polynomial. Overall, experimental results suggest that good agreement can be found between experimental data and the empirical equation so derived. Upon assuming the wave reflection coefficient is solely dependent on the incoming wave amplitude or energy, prediction for reflection coefficient can be calculated in a straight forward manner. Either large-scale, high-frequency internal wave motion or internal solitary waves have been observed in natural lakes. The observed rapid decay of internal wave energy after severe breaking events seemed to be mostly due to dissipation on various sloping boundaries in a lake. From the basic laboratory experiments on internal wave reflection from various single slopes, the results many benefit provide researchers to promote further research on practical applications related to limnology.

Many phenomena associated with nonlinear optics are produced by the light-matter interaction in liquid crystals. Nematic liquid crystals possess the properties of the birefringence and that refractive indexes of nematic liquid crystal vary with temperature. As a light beam propagates in liquid crystals, the light beam experiences changes of refractive indexes because the optical field reorientates molecules or the optical intensity changes the temperature of liquid crystal. Then, some interesting phenomena of optical nonlinearity produce in liquid crystals. This study investigates mainly the nonlinear behaviors in nematic liquid crystals. By etching ITO glasses to control distribution of electric field, we discuss applications in photo-electric field. These works are described as follows: First, a low voltage was applied to a planar nematic liquid crystal cell; the director field can be reoriented using a low intensity. Then, the self-focusing effect produces due to a variation of refractive indexes. The light beam in nematic liquid crystal forms a spatial soliton by producing the effect of the self-focusing to balance the diffraction. Additionally, we study the interaction between solitons. One soliton creates a potential well of refractive index, anther one will be attracted in the potential well. As the separated distance between two solitons and the pumping angle are appropriate, two solitons propagate in the form of spiral. Second, we study the behavior of light in a periodic refractive index medium. The director field of the nematic liquid crystal (NLC) is reorientated in a grating¡Vlike indium-tin-oxide electrode cell by applying a controllable-voltage. The variation of refractive index with voltage varied 0v to 10v was observed by a conoscopic method. Numerical simulations have reproduced the main features of the gradient distribution of refractive index in the waveguide. Several phenomena of a polarized laser beam that propagated in the waveguide with different incident angles and positions have observed by a CCD camera, including solitons, undulate beam, the total internal reflection and beam coupling. Third, at the temperature close to nematic-isotropic phase transition temperature, the variation of refractive index in the liquid crystal becomes obvious to the change of temperature. And, a laser beam can easily reorientate molecules. We changed beam intensity in liquid crystal cell, different nonlinear phenomena were observed. Besides, A combined microscopic and conoscopic technique was used in experiments as a convenient way to analyze the optical nonlinearity that is associated with the molecular configuration of nematic liquid crystal.

Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1997.

Techn. Universiẗat, Diss., 2007--Darmstadt.

Konstanz, Univ., Diplomarb., 2002.

Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis. / Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we highlight remarkable effects of Raman scattering on hysteresis phenomena.

This thesis studies Ricci solitons of cohomogeneity one and uniform Poincaré inequalities for differentials on Riemann surfaces. In the two summands case, which assumes that the isotropy representation of the principal orbit consists of two inequivalent Ad-invariant irreducible summands, complete steady and expanding Ricci solitons have been detected numerically by Buzano-Dancer-Gallaugher-Wang. This work provides a rigorous construction thereof. A Lyapunov function is introduced to prove that the Ricci soliton metrics lie in a bounded region of an associated phase space. This also gives an alternative construction of non-compact Einstein metrics of non-positive scalar curvature due to Böhm. It is explained how the asymptotics of the Ricci flat trajectories induce Böhm's Einstein metrics on spheres and other low dimensional spaces. A numerical study suggests that all other Einstein metrics of positive scalar curvature which are induced by the generalised Hopf fibrations occur in an entirely non-linear regime of the Einstein equations. Extending the theory of cohomogeneity one steady and expanding Ricci solitons, an estimate which allows to prescribe the growth rate of the soliton potential at any given time is shown. As an application, continuous families of Ricci solitons on complex line bundles over products of Fano Kähler Einstein manifolds are constructed. This generalises work of Appleton and Stolarski. The method also applies to the Lü-Page-Pope set-up and allows to cover an optimal parameter range in the two summands case. The Ricci soliton equation on manifolds foliated by torus bundles over products of Fano Kähler Einstein manifolds is discussed. A rigidity theorem is obtained and a preserved curvature condition is discovered. The cohomogeneity one initial value problem is solved for m-quasi-Einstein metrics and complete metrics are described. L^p-Poincaré inequalities for k-differentials on closed Riemann surfaces are shown. The estimates are uniform in the sense that the Poincaré constant only depends on p ≥1, k ≥ 2 and the genus γ ≥ 2 of the surface but not on its complex structure. Examples show that the analogous estimate for 1-differentials cannot be uniform. This part is based on joint work with Melanie Rupflin.

Le but de cette thèse est d’étudier profondément le repliement des protéines, au moyendes concepts d’invariance de jauge et d’universalité. La structure de jauge émerge del’équation de Frenet qui est utilisée pour décrire la forme de la chaîne principale de laprotéine. Le principe d’invariance de jauge conduit à une fonctionnelle d’énergieeffective pour une protéine, développée dans le but d’extraire les propriétésuniverselles des protéines repliées durant la phase d’effondrement, et qui estcaractérisée par la loi d’échelle du rayon de giration au niveau tertiaire de la structureprotéique. Dans cette thèse, on étudie l’existence d’une large universalité au niveausecondaire de la structure protéique. La fonctionnelle d’énergie invariante de jaugealliée à l’équation de Frenet discrète conduit à une solution solitonique, identifiéecomme un motif hélice-boucle-hélice dans la protéine. / The purpose of this thesis is to investigate protein folding, by means of the general concepts of gauge invariance and universality. The gauge structure emerges in the Frenet equation which is utilized to describe the shape of protein backbone. The gauge invariance principle leads us an effective energy functional for a protein, which bas been found to catch the universal properties of folded proteins in their collapse phase,characterized by the scaling law of gyration radius on the tertiary level of proteinstructure. In this thesis, the existence of wide universality on the secondary level of protein structure is investigated. The synthesis of the gauge-invariant energy functional with the discrete Frenet equation leads to a soliton solution, which is identified as the helix-loop-helix motif in protein.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des télécommunications par fibres optiques où l'information transite sous la forme d'impulsions lumineuses dans le guide d'onde que constitue la fibre. Face à la demande sans cesse croissante en matière de débit d'information transmise dans une fibre, les trains d'impulsions qui véhiculent cette information sont rendus plus denses :les impulsions sont plus brèves et la distance qui les sépare diminue. Cette évolution est freinée par deux aspects qui sont de natures très différentes. Le premier naît du besoin de diriger l'information dans un réseau, ce qui nécessite d'effectuer des opérations logiques et de passer par des dispositifs électroniques qui sont lents à l'échelle de l'optique. Le deuxième aspect consiste en la dispersion de la vitesse de groupe présente dans la fibre. Sous son infiuence, les impulsions ont tendance à s'étaler et peuvent se recouvrir au sein du train, ce qui détruit l'information.<br><p>La dispersion peut être contrée par la non-linéarité de la fibre optique. Celle-ci provoque l'effet inverse de la dispersion :une contraction de l'impulsion. Si l'on choisit judicieusement le profil des impulsions, elles peuvent se propager sans déformation grâce à la compensation des deux effets antagonistes que sont la dispersion et la non-linéarité. De telles impulsions sont appelées « solitons ». Ils sont stables et permettent de véhiculer l'information sans la détruire. Malheureusement, la nature non linéaire de leur régime de propagation implique qu'ils modifient le milieu supportant leur propagation au point d'interagir avec leurs voisins et de modifier leur instant d'arrivée en fin de fibre. Cet effet détériore l'information et oblige à espacer les impulsions qui transitent dans la fibre, ce qui limite le débit d'information véhiculée.<br><p>Jusqu'à présent, les effets non linéaires dans les fibres optiques ont principalement été étudiés dans une approximation scalaire de la réalité, ce qui ne permet pas de prédire un certain nombre de phénomènes qui font intervenir la polarisation du champ électrique associé à l'impulsion. Un modèle vectoriel permet, entre autres, de décrire les « solitons elliptiques fondamentaux », les « solitons de parois de domaines de polarisation » et les « états liés de solitons vectoriels ».<br><p>C'est à ces êtres optiques que nous nous sommes intéressés dans notre travail qui comprend trois grands axes.<br><p>Le premier consiste en une étude théorique des états liés de solitons vectoriels. Préalablement à notre étude, ceux-ci se sont révélés instables dans des simulations numériques. Nous avons abordé le problème de manière analytique et montré l'existence d'états liés de solitons vectoriels. Ensuite, nous avons étudié leur dynamique et montré qu'ils sont instables par brisure de symétrie dans les fibres optiques isotropes. Suite à cela, nous avons analysé leur propagation en fibres à biréfringence aléatoire et montré qu'ils y sont stables, ce qui a permis d'expliquer la réussite d'expériences de multiplexage en polarisation dans lesquelles deux impulsions successives du train peuvent être vues comme des états liés.<br><p>La formulation mathématique des états liés que nous avons étudiés dans les fibres optiques est analogue à celle des états liés spatiaux qui apparaissent dans les milieux de type Kerr. Cette analogie nous a permis de proposer un principe de commutation, basé sur l'instabilité des états liés par brisure de symétrie, qui présente les avantages de nécessiter une très faible puissance de contrôle et de travailler beaucoup plus rapidement que l'électronique.<br><p>Les deux autres axes de notre travail sont liés à l'observation expérimentale des solitons elliptiques parmi lesquels les « solitons de parois de domaines de polarisation » constituent de bons porteurs d'information dans les fibres optiques car, selon les simulations numériques, ils ne souffriraient pas des interactions entre solitons voisins d'un train telles que nous les avons décrites ci-dessus pour les solitons scalaires. Afin d'observer les solitons elliptiques, trois étapes sont nécessaires. D'un point de vue pratique, elles s'agencent comme suit :il faut vérifier qu'il existe des fibres dont l'isotropie soit suffisante pour soutenir leur propagation, puis il faut disposer des instruments qui permettent de les observer et, enfin, il faut les générer. Cette dernière étape mérite une étude complète à elle seule, et nous ne l'avons pas abordée.<br><p>Nous avons par contre vérifié la possibilité d'observer des phénomènes qui ne peuvent se produire qu'en fibres isotropes et qui trouvent leur origine dans le même phénomène physique, à savoir, l'interaction entre la dispersion et la non-linéarité vectorielle. En l'occurrence, nous avons effectué la première observation d'une prédiction effectuée il y a trente ans, mais jamais observée jusqu'alors :l'existence de l'« instabilité modulationnelle de polarisation » en fibre optique isotrope. La vérification de toutes les prédictions associées à cette instabilité nous a permis de conclure que le choix d'une fibre de type « spun » associé à des précautions d'utilisation permettra de propager des solitons elliptiques.<br><p>Suite à ce succès, nous avons abordé l'étude du dispositif de détection des solitons elliptiques. Pour comprendre sa spécificité, il faut savoir que l'observation des solitons elliptiques nécessite de travailler à des puissances de crête très élevées pour faire ressortir la non-linéarité de la fibre optique. Ces puissances sont atteintes en concentrant une faible énergie sur un temps ultracourt, de l'ordre d'une centaine de femtosecondes. Nous avons développé deux méthodes de mesure basées sur la reconstruction de la phase spectrale de l'impulsion au départ de signaux de battement entre fréquences voisines du spectre. Ces méthodes présentent l'avantage d'être purement linéaires, ce qui leur confère une très grande sensibilité ;et de permettre le calcul simple et sans ambiguïté de la phase spectrale. La première des techniques que nous avons développées est adaptée aux trains ultrarapides d'impulsions courtes et répond à un besoin dans le domaine des télécommunications, tandis que la seconde peut s'appliquer aux bas taux de répétitions et aux impulsions courtes ou ultracourtes. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire porte sur le comportement des solitons affectés, lors de leur entrée dans un guide d'onde à fibre optique, d'une légère distorsion de profil par rapport au profil stationnaire dans le guide. Notre modèle théorique combine l'équation de propagation du champ électrique (Equation de Schrödinger Non Linéaire) et le système d'équations d'évolution des paramètres physiques de l'impulsion (issu de la théorie des coordonnées collectives). Nous dressons une cartographie générale qui dévoile une diversité insoupçonnée de comportements dynamiques au voisinage de l'état stationnaire de l'impulsion, liée à la perturbation initiale du profil de l'impulsion. Cette cartographie établit une classification des solitons en deux grandes familles, correspondant respectivement aux impulsions lumineuses qui génèrent un rayonnement au cours de leur propagation et aux impulsions non rayonnantes. Au sein de chacune de ces deux grandes familles d'impulsions, nous démontrons l'existence de comportements atypiques, que nous qualifions de solitons hyperthermiques (solitons chauds), solitons hypothermiques (solitons froids), et solitons isothermiques, qui correspondent respectivement à des impulsions qui se propagent de manière hautement stable avec un niveau d'énergie supérieur, inférieur, et égal à l'énergie de l'état stationnaire. Aux frontières des domaines d'existence de ces différents types de soliton, nous trouvons des comportements hybrides, correspondant à des solitons qui se refroidissent en cours de propagation suite à une perte significative d'énergie provoquée par un rayonnement intense, et qui changent d'état (de l'hyperthermie à l'hypothermie, ou de l'isothermie à l'hypothermie). Enfin, l'onde de rayonnement émise par une impulsion lumineuse n'est pas identifiée comme étant un processus continuel, mais plutôt comme une bouffée d'énergie émise en début de propagation, et sa suppression dans le guide d'onde est considérée comme réalisable / This thesis examines the dynamical behaviour of solitons which are affected, when entering a fiber-optic waveguide, by a slight distortion of profile as compared to the stationary profile in the guide. Our theoretical model combines the propagation equation of the electric field (Non-Linear Schrödinger Equation) and the system of equations of evolution of the physical parameters of the pulse (derived from the collective coordinates theory). We establish a general mapping which reveals an unsuspected diversity of dynamic behaviour around the stationary state of the pulse, in relation with the initial perturbation of the pulse's profile. This mapping establishes a classification of solitons in two broad categories, which correspond to light pulses that generate radiation during their propagation and to non-radiating pulses, respectively. Within each of these two broad classes of pulses, we demonstrate the existence of different kinds of atypical behaviour, which we qualify as hyperthermic solitons (hot solitons), hypothermic solitons (cold solitons) and isothermic solitons, which correspond respectively to pulses that propagate in a highly stable manner with an energy level higher than, lower than, and equal to the energy of the stationary state. On the borders of the domains of existence of these various types of solitons, we find hybrid behaviours, corresponding to solitons that cool during propagation, due to a significant loss of energy caused by an intense radiation, and which change state (from hyperthermia to hypothermia, or from isothermal to hypothermia). Finally, the radiation emitted by a light pulse is not identified as being a continual process, but rather as a ball of energy emitted in the beginning of propagation, and its suppression in the waveguide is considered as practicable