The topic of this thesis is about experimental study of phenomena which are associated with light propagation in nonlinear dielectric media. In the first part of this work, we study experimentally the snake instability of the bright soliton stripe of the (2+1)-dimensional hyperbolic nonlinear Schrödinger equation. The instability is observed, through spectral measurements, on spatially extended femtosecond pulses propagating in a normally dispersive self-defocusing semiconductor planar waveguide. The second part of this thesis is about light propagation in nonlinear periodic media. We experimentally observe a stationary spatial gap (or Bragg) soliton in a periodic semiconductor planar waveguide. Based on the interference pattern of the soliton beam, we measure the power parameter of the soliton which is related to the position of the spatial spectrum in the linear band gap. <p><p><p>Cette thèse de doctorat a pour sujet l’étude expérimentale de phénomènes associés à la propagation de la lumière dans les milieux diélectriques non linéaires. La première partie porte sur la démonstration expérimentale de l’instabilité serpentine d’une bande solitonique dans un système décrit par une équation de Schrödinger non linéaire à (2+1)-dimensions. L’instabilité est observée sur base de mesures du spectre spatial ainsi que du profil spatio-fréquentiel d’une impulsion femtoseconde après propagation dans un guide plan semi-conducteur qui présente une dispersion normale et une non-linéarité défocalisante. Le second thème abordé concerne la propagation de la lumière dans les milieux non linéaires périodiques. Les expériences réalisées ont montré l’existence du soliton de Bragg spatial stationnaire sous forme de faisceaux se propageant dans des guides plans semi-conducteurs périodiquement gravés. Sur base du profil de la distribution modale en intensité du faisceau soliton, il a été possible de mesurer le paramètre de puissance du soliton de Bragg qui détermine la position du spectre spatial dans la bande interdite linéaire. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

We investigate classically (iso)spinning topological soliton solutions in (2+1)- and (3+1)-dimensional models; more explicitly isospinning lump solutions in (2+1) dimensions, Skyrme solitons in (2+1) and (3+1) dimensions and Hopf soliton solutions in (3 +1) dimensions. For example, such soliton types can be used to describe quasiparticle excitations in ferromagnetic quantum Hall systems, can model spin and isospin states of nuclei and may be candidates to model glueball configurations in QCD.Unlike previous work, we do not impose any spatial symmetries on the isospinning soliton configurations and we explicitly allow the isospinning solitons to deform and break the symmetries of the static configurations. It turns out that soliton deformations clearly cannot be ignored. Depending on the topological model under investigation they can give rise to new types of instabilities, can result in new solution types which are unstable for vanishing isospin, can rearrange the spectrum of minimal energy solutions and can allow for transitions between different minimal-energy solutions in a given topological sector. Evidently, our numerical results on classically isospinning, arbitrarily deforming solitons are relevant for the quantization of classical soliton solutions.

Cette thèse est consacrée la contrôlabilité lagrangienne, l'étude du champ de vitesse de l'Équation de Korteweg-de Vries, le problème de stabilisation rapide d'une équation aux dérivées partielles linéaires et aux méthodes numériques permettant d'obtenir la convergence des contrôles numériques vers les contrôles optimaux. Dans la première partie, on montre, l'aide de la solution de N-solitons de l'équation de Korteweg-de Vries, qu'il est possible de faire sortir des particules du fluide l’extérieur d'un domaine déterminé en temps arbitrairement petit. Une meilleure approximation du champ de vitesse associée la solution de N-solitons est également présentée, permettant de retrouver en particulier une propriété typique des trajectoires des particules soumises des ondes solitaires : les particules situées plus haut dans le fluide ont un plus grand déplacement. Dans la deuxième partie, la stabilisation rapide d'une équation de Schrödinger est obtenue grâce une méthode inspirée du backstepping en dimension infinie. Une équation de Schrödinger stable est considérée comme l'image d'une transformation ayant comme domaine de définition les solutions de l'équation de Schrödinger stabilisé. La stabilisation de l'équation de Schrödinger est obtenue en montrant l'inversibilité de la transformation. La nouveauté du travail présentée est l'introduction d'une condition d’unicité sur la transformation. Finalement, un filtre spectral, une formulation mixte et une formulation de Nitsche sont proposées comme technique afin d'obtenir numériquement l’observabilité uniforme de l'équation des ondes semi-discrétisée avec une méthode spectrale de Legendre-Galerkin. Une étude numérique de la convergence des contrôles numériques sans l’admissibilité uniforme de l’opérateur de contrôle est également présentée. / This thesis is devoted to the Lagrangian controllability and the analysis of the particle trajectories for the Korteweg-de Vries equation, to the rapid stabilization problem of the bilinear Schrödinger equation and to the convergence of the numerical controls of the wave equation. In the first part, we prove that the N-solitons solution of the Korteweg-de Vries equation allows one to move the particles outside an arbitrarily long domain in an arbitrarily small time. A higher approximation of the velocity field associated to the N-soliton is also presented, allowing to recover a typical property of solitary waves: the higher the particle is located in the fluid, the greater its displacement. These results are of a nonlinear nature since there exists no linear approximation of solitons. In the second part, inspired by the backstepping method, the rapid stabilization of a linearized Schrödinger equation is obtained. The proof consists to prove the invertibility of a transformation mapping the equation to stabilize to a stable linearized Schrödinger equation. The key ingredient of this proof is the introduction of a uniqueness condition. In the last part, a spectral filter, a mixed method and the Nitsche's method are proposed as a remedy to the lack of uniformness of the discrete observability constant for the Legendre-Galerkin semi-discretization of the wave equation. A numerical study of the convergence of the numerical controls is also presented.

Cette thèse propose une nouvelle théorie de l’effet Blazhko. Elle apporte également une justification théorique à certaines observations encore inexpliquées : la décroissance des harmoniques de la courbe de lumière ; l’asymétrie des enveloppes et des lobes ainsi que la variation des temps de montée et de descente dans le cas de l’effet Blazhko ; la synchronisation des couches et l’existence des trois types d’étoiles RR Lyrae : RRab, RRc et RRd. La première partie présente une étude extensive d’une étoile RR Lyrae avec effet Blazhko : S Arae. Nous débutons par une définition rigoureuse de l’analyse harmonique des courbes de lumière. Cette démarche, encore jamais entreprise en astéroséismologie, permet une meilleure interprétation des habituels résultats des études photométriques. Nous poursuivons avec une présentation du programme d’analyse fréquentielle que nous avons développé : PDM13. Nous établissons ensuite le spectre fréquentiel de la courbe de lumière de S Arae et, à la présentation des résultats de cette étude, nous apportons une démonstration mathématique à deux observations communément effectuées : la décroissance des harmoniques et l’asymétrie de modulation. Dans la deuxième partie, après un rappel des mécanismes d’oscillation, nous présentons une nouvelle modélisation discrète, et non linéaire, des équations de pulsations. Celle-ci nous permettra d’expliquer les phénomènes de synchronisation, mais surtout, conduira à une nouvelle théorie du phénomène Blazhko fondée sur l’existence de solitons, que nous étayerons par des premiers résultats, obtenus grâce à l’utilisation d’un nouvel outil : la transformée en ondelettes / In this thesis we develop a new theory of the Blazhko effect. We also provide a theoretical justification to the following commonly observed facts: the light curve harmonics decrease; the asymetry of envelopes and sidelobes ; the synchronization of layers and the mode selection. The first part of this thesis is dedicated to the extensive study of a RR Lyrae star presenting the Blazhko effect: S Arae. Firstly, a rigorous definition of harmonic analysis applied to light curves is given. This work, which has never been undertaken in the asteroseismology field, up to now, allows a better interpretation of the usual results of photometric studies. We carry on with the presentation of a software that we have developed, dedicated to frequency analysis: PDM13. After that, we perform the usual analysis of the frequency spectrum of the light curve, which we complete we two rigorous demonstrations of commonly observed facts: the harmonics decrease and the asymmetry induced by modulation. We complete it with a study of the parameters which vary during a Blazhko cycle, on which we will capitalize to understand this modulation effect. The second part begins with a reminder of the basic perturbed and linearized equations of stellar pulsation together with the oscillation mechanisms. We pursue this presentation with a non linear and discrete formalism that we have developed for these equations. This formalism will allow us to underline the importance of synchronization in those stars, but, most of all, it will lead us to a new theory of the Blazhko effect, based on solitons, which will be supported by a new results obtained with the wavelet transform method

Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnés. / Extreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given.

We investigate whether quantum spin rings with nearest-neighbor Heisenberg or Ising exchange interactions can host solitary states. Using complete diagonalization techniques the system is described without classical or semiclassical approximation. In this case definitions used in connection with classical solitons are not applicable, one needs to redefine what solitary objects on a quantum spin system with translational symmetry ought to be. Thus, we start our contribution by defining which quantum states possess solitary character. In addition we discuss useful observables in order to visualize solitary quantum states. Then we demonstrate for various quantum spin rings that solitary quantum states indeed exist, and that they are moving around the spin ring without changing their shape in the course of time.

Cette thèse est consacrée à l’étude des propriétés dynamiques des solutions de type soliton d'équations aux dérivées partielles (EDP) dispersives non linéaires. `A travers des exemples-type de telles équations, l'équation de Schrödinger non-linéaire (NLS), l'équation de Korteweg-de Vries généralisée (gKdV) et le système de Schrödinger, on traite du comportement des solutions convergeant en temps grand vers des sommes de solitons (multi-solitons). Dans un premier temps, nous montrons que dans une configuration symétrique, avec des interactions fortes, le comportement de séparation des solitons logarithmique en temps est universel à la fois dans le cas sous-critique et sur-critique pour (NLS). Ensuite, en adaptant les techniques précédentes à l'équation (gKdV), nous prouvons un résultat similaire de l'existence de multi-solitons avec distance relative logarithmique; pour (gKdV), les solitons sont répulsifs dans le cas sous-critique et attractifs dans le cas sur-critique. Finalement, nous identifions un nouveau régime de distance logarithmique où les solitons sont non-symétriques pour le système de Schrödinger non-intégrable; une telle solution n'existe pas dans le cas intégrable pour le système et pour (NLS). / This thesis deals with long time dynamics of soliton solutions for nonlinear dispersive partial differential equation (PDE). Through typical examples of such equations, the nonlinear Schrödinger equation (NLS), the generalized Korteweg-de Vries equation (gKdV) and the coupled system of Schrödinger, we study the behavior of solutions, when time goes to infinity, towards sums of solitons (multi-solitons). First, we show that in the symmetric setting, with strong interactions, the behavior of logarithmic separation in time between solitons is universal in both subcritical and supercritical case. Next, adapting previous techniques to (gKdV) equation, we prove a similar result of existence of multi-solitons with logarithmic relative distance; for (gKdV), the solitons are repulsive in the subcritical case and attractive in the supercritical case. Finally, we identify a new logarithmic regime where the solitons are non-symmetric for the non-integrable coupled system of Schrödinger; such solution does not exist in the integrable case for the system and for (NLS).

Doctor of Philosophy / Department of Mathematics / Louis Crane / We exhibit a static, cylindrically symmetric, exact solution to the Euler-Heisenberg field equations (EHFE) and prove that its effective geometry contains (optical) black holes. It is conjectured that there are also soliton solutions to the EHFE which contain black hole geometries.

In this thesis, we study the Ricci flow and Ricci soliton equations on Riemannian manifolds which admit a certain degree of symmetry. More precisely, we investigate the Ricci soliton equation on connected Riemannian manifolds, which carry a cohomogeneity one action by a compact Lie group of isometries, and the Ricci flow equation for invariant metrics on a certain class of compact and connected homogeneous spaces. In the first case, we prove that the initial value problem for a cohomogeneity one gradient Ricci soliton around a singular orbit of the group action always has a solution, under a technical assumption. However, this solution is in general not unique. This is a generalisation of the analogous result for the Einstein equation, which was proved by Eschenburg and Wang in their paper "Initial value problem for cohomogeneity one Einstein metrics". In the second case, by studying the corresponding system of nonlinear ODEs, we identify a class of singular behaviours for the homogeneous Ricci flow on these spaces. The singular behaviours that we find all correspond to type I singularities, which are modelled on rigid shrinking solitons. In the case where the isotropy representation decomposes into two invariant irreducible inequivalent summands, we also investigate the existence of ancient solutions and relate this to the existence and non existence of invariant Einstein metrics. Furthermore, in this special case, we also allow the initial metric to be pseudo- Riemannian and we investigate the existence of immortal solutions. Finally, we study the behaviour of the scalar curvature for this more general situation and show that in the Riemannian case it always has to turn positive in finite time, if it was negative initially. By contrast, in the pseudo-Riemannian case, there are certain initial conditions which preserve negativity of the scalar curvature.

In this research we looked at how fluxons propagate in an annular Josephson junction containing a microshort. We studied this from a theoretical stance and looked at how a single fluxon based on the sine-Grodon soliton equation propagates in this type of junction. It has been seen from a variety of studies that fluxons have many applications through the use of Josephson junctions. The aim of this thesis was to see whether a fluxon will show new properties whilst coming into contact with a microshort located in the junction. We also explored the different geometries a Josephson junction can have and whether that would show the fluxon to present new phenomena. We will also examine point particle systems. With this in mind we took a keen interest in how the interaction between two of these particles in a double well potential would present itself and whether a relationship would become apparent. Alongside the point particle system we modelled fluxons in a double well potential and comment on the similarities with the point particle system. With the aid of the computer programmes Mathematica and COMSOL Multiphysics we were able to compute these different theoretical models and present the work in a logical order with a progression from a single point particle in a double well potential to a fluxon in a heart-shaped Josephson junction. We have looked at current theories and ideas present in this area of condensed matter physics and have explained these in the subsequent thesis.