Le modèle de Skyrme, proposé il y a près de cinquante ans par T.H.R. Skyrme [1, 2, 3, 4], est d'abord passé presque inaperçu, à cette époque où la compréhension du zoo de particules créées par les accélérateurs se faisait plus pressante et retenait plus l'attention. Quelques vingt ans plus tard, avec l'acquisition d'une connaissance plus complète de la force nucléaire et des particules hadroniques, les physiciens tentèrent de répliquer les succès de l'électrodynamique quantique (EDQ) à la chromo dynamique quantique (CDQ), la théorie de champs relativiste de l'interaction forte. Dans ce nouveau contexte de recherche, Edward Witten montra que dans la limite Nc --> infini [15] (où Nc est le nombre de charge couleur) le lagrangien de la CDQ possède les mêmes symétries que le modèle de Skyrme. Ce fut une trouvaille importante en raison de la nécessité d 'avoir une théorie efficace de la CDQ à basse énergie et elle engendra la renaissance du modèle dans le milieu de la physique théorique. Aujourd'hui, le modèle peut prétendre à un succès relatif dans la prédiction de plusieurs propriétés physiques des nucléons (proton, neutron, Delta, etc ... ), c'est-à-dire à 30% des valeurs expérimentales ou mieux[5]. Toutefois, le modèle a ses lacunes. Plus le nombre baryonique (B) augmente, plus le modèle perd ses qualités de bien représenter la géométrie des noyaux atomiques. L'exemple classique est celui pour B = 2. La solution d'énergie minimale a la forme d'un tore, ce qui est loin de la forme attendu, soit de deux sphères légèrement liées ensemble (la forme présumée du deutéron). Cette hypothèse est motivée par l'observation que les nucléons semble conserver leurs individualités dans les noyaux. En plus, le modèle prédit une énergie de liaison d'environ 80 MeV pour le tore, ce qui est beaucoup trop élevée par rapport à celle du deutéron qui n'est que de 2.224 MeV. Qualitativement, il semble donc que la matière baryonique soit plus rigide que ce que le modèle de Skyrme sous-entend. Ces caractéristiques plutôt indésirables du modèle ont poussé les chercheurs à proposer des variations au modèle dans l'espoir de remédier à cette lacune. Dans le présent mémoire, nous allons justement tenter de déterminer à l'aide de l'étude des énergies vibratoires, comment un terme de masse proposé récemment par v. B. Kopeliovich, B. Piette, et W. J. Zakrzewski [8, 9] réussira à améliorer le modèle à l'égard des propriétés mentionnées ci-haut. Les énergies de vibration sont en quelque sorte une mesure de la rigidité des solitons solitoniques et leur comportement pourrait suggérer une approche visant à obtenir des noyaux où les nucléons préservent leurs identités.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Au cours de nos recherches, nous avons travaillé sur deux types de lasers à fibre : le laser à solitons ainsi que le laser à impulsions étirées. Les impulsions (ou solitons) produites par de tels lasers possèdent une durée de l'ordre de cent femtosecondes. Il est connu qu'une augmentation de la puissance pompe dans de telles cavités favorise la formation d'impulsions multiples. Ces impulsions interagissent entre elles en raison de la non-linéarité inhérente aux fibres optiques formant la cavité. Nos travaux portaient donc sur l'étude de ces interactions de solitons aux niveaux expérimental et théorique. Dans le cas du laser à solitons, nous montrons que deux types d'interaction existent entre les solitons. Le premier est une interaction par recouvrement direct basée sur la modulation croisée de phase et d'amplitude qui permet la formation d'un état lié ultra-rapproché (500 fs) de solitons. Le deuxième est une interaction par l'entremise des ondes dispersives émises par les solitons qui mène à la formation de plusieurs états liés de solitons avec des séparations de l'ordre de quelques picosecondes. Nous montrons que le gain détermine quel type d'interaction forme les états liés dans une cavité laser donnée. Nous étudions ensuite l'effet de la dispersion d'ordre trois sur ces deux types d'interaction et montrons, qu'en raison de l'asymétrie des résonances spectrales de Kelly, une seule résonance dominante gère l'interaction par les ondes dispersives. Dans le cas du laser à impulsions étirées, nous obtenons un seul état lié. Nous montrons que cet état lié est attribuable à une interaction non cohérente qui vient en fixer la séparation. Cette interaction se produit par l'entremise de la modulation de phase et d'amplitude croisée au moment où les deux solitons se recouvrent en leur point d'étirement maximal dans la cavité. Lorsque plus de deux solitons sont présents dans la cavité, nous obtenons des cas dynamiques pour lesquels un groupe de deux solitons et un soliton unique entrent en collision. Nous sommes en mesure d'expliquer ces comportements à l'aide de deux mécanismes : l'autodérive de fréquence et la dérive croisée de fréquence, induites toutes deux par l'effet Raman.

Uma generalização dos modelos de Toda bidimensionais pela inclusão de campos de Dirac é estudada através de métodos algébricos que possibilitam a construção de cargas e soluções para o modelo. Após desenvolver o formalismo matemático necessário, as cargas conservadas do modelo em questão são determinadas para soluções sóliton, a partir da órbita do vácuo. Uma comparação direta com o modelo de sine-Gordon revela que o mesmo processo de interação entre os sólitons ocorre em ambas as teorias, indicando a possibilidade deste modelo ser utilizado para analisar a equivalência entre esse modelo e os de sine-Gordon e Thirring. / A generalization of two dimensional Toda models by the inclusion of Dirac fields is studied through algebraic methods that allow the construction of charges and solutions. After developing the necessary mathematical formalism, the conserved charges of such model are determined forsoliton solutions belonging to the orbits of the vacuum. A direct comparison between Toda model coupled to matter fields and sine-Gordon model shows that the same interaction process among solitons occurs in both theories, indicating the possibility of this model to be used to analyze the equivalence between sine-Gordon and Thirring models.

Os modelos de Toda admitem uma representação de suas equações de movimento em termos da curvatura nula, isto é, existem potenciais que são funcionais dos campos da teoria e pertencem a uma álgebra de Kac-Moody tal que a condição de curvatura nula seja equivalente às equações de movimento. Para a construção das soluções solitônicas e cargas conservadas são necessários a gradação inteira da álgebra de Kac-Moody e a existência de soluções de vácuo, de forma que os potenciais assumam valores em uma subálgebra abeliana quando calculados nestas soluções de vácuo. A gradação da álgebra é de extrema importância pois garante que o potencial transformado tenha a mesma estrutura que o potencial de vácuo. As cargas conservadas são então construídas partindo de soluções da órbita do vácuo por meio de transformações de dressing, que consistem na aplicação da decomposição de Gauss para a produção de um potencial transformado a partir de duas transformações de Gauge. Nesta dissertação calculamos as infinitas cargas conservadas dos modelos de Toda sl(3) e também sl(N), avaliadas nas soluções pertencentes à órbita do vácuo sob transformações de dressing. As soluções de interesse físico, como sólitons e breathers pertencem a esta órbita, e as cargas conservadas para tais soluções são escritas como uma soma sobre os sólitons. Mostramos que a energia e o momento proveem de termos de superfície. / The Toda models admit a zero curvature representation of their equations of motion, i.e. there exist potentials, (A), wich are functionals of the fields of the theory and which belong to a Kac-Moody algebra G such that the zero curvature condition is equivalent to the equations of motion. For the construction of the solitons solutions and conserved charges is required an integer gradation of the Kac-Moody algebra and a ``vacuum solution\'\', such that the potentials evaluated on it belong to an abelian subalgebra. The gradation of the algebra is of extreme importance since it guarantees that the transformed potential have the same structure as the vacuum potential. The conserved charges are then constructed using the dressing method, that through the Gauss decomposition, leads to the transformed potentials by two gauge transformations. In this dissertation we calculate the infinite conserved charges of models Toda sl (3) and also sl (N) evaluated on the solutions belonging to the orbit of the vacuum under dressing transformations. The solutions of physical interest, like solitons and breathers belong to this orbit and the conserved charges for such solutions are written as a sum over the number the solitons. We show that the energy and momentum are boundary terms.

Cette thèse est une contribution au domaine de recherche de la plasmonique nonlinéaire, domaine émergent de l'optique. L'objectif principal est de démontrer expérimentalement l'autofocalisation d'une onde plasmonique.L'étude débute avec la fabrication et la caractérisation de guides plans en verre de chalcogénure de composition Ge-Sb-Se. Une technique basée sur la formation de solitons spatiaux est développée afin d’estimer leurs non-linéarités Kerr. Les propriétés optiques linéaires et non linéaires de ces guides sont étudiées aux longueurs d’onde de 1200 nm et 1550 nm.Des structures plasmoniques sont ensuite conçues pour propager des ondes hybrides plasmon-solitons avec des pertes de propagation modérées. Elles sont constituées des guides précédents recouverts de nanocouches de silice et d'or.Les caractérisations optiques par couplage plasmon-soliton révèlent une forte autofocalisation subie par l’onde qui se propage à l'intérieur de la structure plasmonique. Comme prévu par la théorie, le comportement est présent uniquement pour une lumière polarisée TM. Des résultats expérimentaux détaillés de cette autofocalisation exaltée par effet plasmonique sont présentés pour différentes configurations. Des simulations confirment les résultats expérimentaux obtenus.Cette démonstration fondamentale vient confirmer le concept d’autofocalisation assistée par plasmon tout en révélant un effet nonlinéaire très efficace. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs photoniques non linéaires intégrés ainsi que de nouveaux phénomènes physiques. / This dissertation contributes to the research area of nonlinear plasmonics an emerging field of optics. The main goal is to demonstrate experimentally the spatial self-trapping of a plasmonic wave.The study begins with the fabrication and the characterization of slab Ge-Sb-Se chalcogenide waveguides. A technique based on the formation of spatial solitons is developed to estimate their Kerr nonlinearities. Linear and nonlinear optical properties of the waveguides are studied at the wavelengths of 1200 nm and 1550 nm.Plasmonic structures are then designed to propagate hybrid plasmon-soliton waves with moderate propagation losses. They are constituted of the previous waveguides covered with nanolayers of silica and gold.Optical characterizations reveal a giant self-focusing undergone by the wave that propagates inside the plasmonic structure. The behavior is present only for TM polarized light as expected from theory. Detailed experimental results of this plasmon enhanced nonlinear self-trapping corresponding to different configurations are presented. Simulations confirm the obtained experimental results.This fundamental demonstration confirms the concept of plasmon-assisted self-focusing while revealing a very efficient nonlinear effect. This opens new perspectives for the development of integrated nonlinear photonic devices as well as new physical phenomena.

Nous avons consacré cette thèse à l'étude des différents processus non-linéaires de l'interaction rayonnement-matière et en particulier à la génération des solitons de gap dans les milieux non-linéaires à bandes interdites. Dans la première partie nous avons utilisé un modèle semi-classique de Maxwell-Bloch pour décrire l'interaction d'un milieu à deux niveaux quantiques avec charges avec un champ électromagnétique classique à travers la densité de population, qui est à l'origine même de la non-linéarité. Le couplage non-linéaire qui en résulte génère des phénomènes particulièrement intéressants (génération et diffusion des solitons de gap) à la résonance, quand la pulsation du champ appliqué est proche de la fréquence de transition du milieu à deux niveaux. La dynamique non-linéaire observée numériquement est expliquée à l'aide d'un modèle de Schrödinger non-linéaire dans un potentiel lié aux charges du milieu. La deuxième partie concerne l'étude théorique de la dynamique des solitons quadratiques dans les amplificateurs paramétriques optiques (OPA). Les équations décrivant l'interaction à trois ondes dégénérée dans un cristal biréfringent non-linéaire ont été établies en prenant en compte la diffraction transverse et le walk-off spatial. Nous avons proposé une méthode pour résoudre le problème ardu de la détermination du seuil de supratransmission non-linéaire dans les OPA et nous avons généralisé les résultats obtenus à une grande classe de systèmes non-linéaires non-intégrables à composantes multiples.

A major area of research recently has been the study of nonlinear waves in liquid crystals. The availability of commercial liquid crystals and the formation of solitons at mWpower levels has meant that experimental research and the need to understand how the solitons are formed and interact has been boosted. The first part of the thesis looks at how two laser beams in a nematic liquid crystal interact. Specifically research has centred on the problem of directing a signal beam to a target area by varying the input angle of the control beam. Different approximate models are developed to describe this phenomena, with the results from these models compared to a full numerical analysis. The first model developed is called the particle model and is based on the unmodified modulation equations. The results from this model were acceptable when compared with the results obtained from a full numerical analysis. This comparison is indicative that the underlying assumptions of the model did not capture an essential part of interaction between the two laser beams. The second model used to describe the interaction between the two laser beams was based on the law of conservation of momentum in the laser beams. Here the potential between the laser beams was modified to take into account the profile of the beams. The results from this model were in excellent agreement with results from the full numerical analysis, showing the key role potential between the beams plays in the trajectories of the beams. The interaction between dark solitons was also studied. The model used in this case was based on the modulation equations with a suitable trial function for dark solitons. The results from this model were in excellent agreement with the results from the full numerical analysis. The behaviour of the dark solitons shown by the approximate model and the full numerical analysis showing similar key features. This thesis sets out the equations describing the interaction of laser beams in liquid crystals. These are the equations used to carry out a full numerical analysis. This analysis is valuable in its own right and is the standard to compare the results obtained from other models but to achieve a deeper understanding of how laser beams interact in liquid crystals approximate models are developed so that the important parameters in each model can be identified. The Lagrangian describing the interaction of laser beams in liquid crystals is used in all the approximate models. The approximate models can then be developed through the use of suitable trial functions that adequately describe how the laser beams interact. The derivation of the equations and how these equations are solved is described for each model. The results from each model are compared to a full numerical analysis with a discussion of how the results compare.

Dans cette thèse, nous étudions principalement les applications semi-conformes et leur influence sur la résolution de certaines équations géométriques importantes comme celle d’un soliton de Ricci et celle d’une application biharmonique. Dans la première partie, nous appliquons un ansatz qui permet de construire des applications semi-conformes à partir d’une équation différentielle en une fonction de deux variables. Nous caractérisons les solutions réelles-analytiques. Parmi les solutions explicites obtenues, nous trouvons le premier exemple d’une application semi-conforme non-harmonique définie entièrement sur R3 à valeurs dans le plan complexe. Dans la deuxième partie, nous étudions les solitons de Ricci. Nous nous intéressons aux solitons de dimension 3, où ils peuvent être décrits, au moins localement, en terme d’une application semi-conforme. Nous développons une nouvelle méthode de construction de ces solitons à partir des transformations biconformes, particulièrement adaptées à l’étude de l’unicité de la structure. Finalement, nous introduisons une nouvelle notion de morphisme harmonique généralisé qui, comme son nom l’indique, contient les morphismes harmoniques comme un cas particulier. Cette classe d’applications a une importance dans la théorie d’applications biharmoniques. Les morphismes harmoniques généralisés ont une caractérisation nette qui permet de donner plusieurs exemples et méthodes de construction d’applications biharmoniques non-harmonique. / In this work, we primarily study semiconformal mappings and their influence in the resolution of important geometric equations, such as those for a Ricci soliton and those for a biharmonic maps. In the first part of this thesis, we exploit an ansatz for the construction of semi-conformal mappings from a differential equation in a function of two variables. We characterize real-analytic solutions.Among the resulting explicit solutions, we find the first known example of an entire semi-conformal mapping into the plane which is not harmonic. In the second part, we study Ricci solitons.We are particularly interested in 3-dimensional Ricci solitons, as they can be described at least locally, in terms of a semi-conformal map. We develop a construction method of solitons from biconformal deformations, particularly adapted to the study of the structure unicity. Finally, we introduce a new notion of generalized harmonic morphism, which, as the name suggests, contain the harmonic morphisms as a special case. These mappings have an elegant characterization which enables the construction of explicit examples, as well as impacting on the theory of biharmonic mappings.

Os modelos de Toda admitem uma representação de suas equações de movimento em termos da curvatura nula, isto é, existem potenciais que são funcionais dos campos da teoria e pertencem a uma álgebra de Kac-Moody tal que a condição de curvatura nula seja equivalente às equações de movimento. Para a construção das soluções solitônicas e cargas conservadas são necessários a gradação inteira da álgebra de Kac-Moody e a existência de soluções de vácuo, de forma que os potenciais assumam valores em uma subálgebra abeliana quando calculados nestas soluções de vácuo. A gradação da álgebra é de extrema importância pois garante que o potencial transformado tenha a mesma estrutura que o potencial de vácuo. As cargas conservadas são então construídas partindo de soluções da órbita do vácuo por meio de transformações de dressing, que consistem na aplicação da decomposição de Gauss para a produção de um potencial transformado a partir de duas transformações de Gauge. Nesta dissertação calculamos as infinitas cargas conservadas dos modelos de Toda sl(3) e também sl(N), avaliadas nas soluções pertencentes à órbita do vácuo sob transformações de dressing. As soluções de interesse físico, como sólitons e breathers pertencem a esta órbita, e as cargas conservadas para tais soluções são escritas como uma soma sobre os sólitons. Mostramos que a energia e o momento proveem de termos de superfície. / The Toda models admit a zero curvature representation of their equations of motion, i.e. there exist potentials, (A), wich are functionals of the fields of the theory and which belong to a Kac-Moody algebra G such that the zero curvature condition is equivalent to the equations of motion. For the construction of the solitons solutions and conserved charges is required an integer gradation of the Kac-Moody algebra and a ``vacuum solution\'\', such that the potentials evaluated on it belong to an abelian subalgebra. The gradation of the algebra is of extreme importance since it guarantees that the transformed potential have the same structure as the vacuum potential. The conserved charges are then constructed using the dressing method, that through the Gauss decomposition, leads to the transformed potentials by two gauge transformations. In this dissertation we calculate the infinite conserved charges of models Toda sl (3) and also sl (N) evaluated on the solutions belonging to the orbit of the vacuum under dressing transformations. The solutions of physical interest, like solitons and breathers belong to this orbit and the conserved charges for such solutions are written as a sum over the number the solitons. We show that the energy and momentum are boundary terms.

Uma generalização dos modelos de Toda bidimensionais pela inclusão de campos de Dirac é estudada através de métodos algébricos que possibilitam a construção de cargas e soluções para o modelo. Após desenvolver o formalismo matemático necessário, as cargas conservadas do modelo em questão são determinadas para soluções sóliton, a partir da órbita do vácuo. Uma comparação direta com o modelo de sine-Gordon revela que o mesmo processo de interação entre os sólitons ocorre em ambas as teorias, indicando a possibilidade deste modelo ser utilizado para analisar a equivalência entre esse modelo e os de sine-Gordon e Thirring. / A generalization of two dimensional Toda models by the inclusion of Dirac fields is studied through algebraic methods that allow the construction of charges and solutions. After developing the necessary mathematical formalism, the conserved charges of such model are determined forsoliton solutions belonging to the orbits of the vacuum. A direct comparison between Toda model coupled to matter fields and sine-Gordon model shows that the same interaction process among solitons occurs in both theories, indicating the possibility of this model to be used to analyze the equivalence between sine-Gordon and Thirring models.