<p dir="ltr">Optical frequency combs have revolutionized metrology and advanced other fields such as RF photonics and astronomy. While powerful, they can be bulky, expensive, and difficult to manufacture. This tends to limit uses in real-world scenarios. Within the last decade or so, coherent frequency combs have begun to be generated in millimeter-scale, CMOS fabrication-compatible nonlinear crystals. These so-called “microcombs” have led to hopes of overcoming deployability constraints of more traditional bulk combs.</p><p dir="ltr">One of the first applications for \textit{bulk} frequency combs after their explosion in 2000 was the optical atomic clock. It promised extreme long-term time stability better than that of the Cesium clock that currently defines the SI second. More recently, interest in a fully portable optical atomic clock has grown. Such a device could reliably keep time even without the aid of GPS references, and potentially with greater accuracy than current GPS synchronization can provide.</p><p dir="ltr">Frequency combs have also been used to sample electrical signals more rapidly than traditional electronics can accomplish. This has been used to achieve dramatically increased effective frequency bandwidths for signal detection architectures. One can imagine how this capability would be beneficial in a portable (microcomb-driven) form: a lightweight, comb-enhanced receiver able to capture a broadband snapshot of its surrounding electromagnetic environment could be a powerful tool.</p><p dir="ltr">Timekeeping and RF photonics are the primary applications of microcombs focused upon here. I will attempt to roughly summarize important concepts and highlight relevant work in both subjects in the Introduction. Then I will move a step closer to the hands-on lab work that has largely kept me preoccupied over the last several years and describe important or commonly-employed Methods for experiments. A collection of three journal manuscripts (two published, and the third recently submitted) will follow in the Publications chapter, highlighting some experimental results. Finally, I will conclude with a brief Outlook.</p>

Nous nous intéressons à la phénoménologie des villes en nous limitant à la géométrie induite par le squelette de leur réseau de rues. C'est une étude à volonté synthétique, fonctionnelle et interdisciplinaire qui vient s'ajouter aux travaux qui ont été menés à grande cadence depuis le début du XXème siècle par des urbanistes, sociologues, géographes, statisticiens, physiciens. Nous cherchons à montrer que la rue, en tant qu'alignement cohérent de segments de rues peut être considérée comme structure élémentaire de la ville. Quelle quantité d'information est donnée par la géométrie du réseau routier ? Dans quelle mesure contraint-il nos échanges ? Comment le paysage urbain actuel est-il déterminé par son évolution le long d'axes de circulation et d'éléments structurants ? Nous présentons un cadre mathématique permettant de considérer la carte d'une ville comme un continuum géométrique défi ni par la topologie d'un graphe planaire. Nous superposons à ce graphe une structure d'hypergraphe pour manipuler aisément la notion d'axes ainsi qu'une représentation multi-échelles de la ville. En dépit d'une grande diversité apparente de formes, nous montrons que le réseau de rues d'une ville se soumet à un certain nombre de lois générales qui laissent des traces sur le plan de la ville. Nous proposons des modèles de croissance et de morphogénèse de la ville, implé- mentant l'idée que l'évolution de la ville suit une logique d'extension / division structurée de l'espace et reproduisant les signatures observées sur les plans de villes réelles. La compréhension des mécanismes régulateurs de la ville nous permet de proposer des algorithmes fonctionnels dont le temps de calcul est très intéressant. Ainsi nous présentons un algorithme reconstituant les rues à partir de segments de rues ; la notion de centralité simple dont le calcul sur une carte permet une analyse hiérarchique de celle-ci, met en valeur les axes de trafic principaux et en évidence les zones mal desservies ; un algorithme permettant d'approximer rapidement le plus court chemin entre deux points aléatoires ; un algorithme prenant appui sur le Spectral Clustering pour produire des segmentations morphologiques de cartes et retravaillons l'identi cation de modèles de mosaïques aléatoires pour les substituer à un réseau urbain particulier dans la résolution par équivalents statistiques de grands problèmes d'optimisation.

This thesis addresses solitary waves and their significance for auroral particle acceleration, coronal heating and incoherent scatter radar spectra. Solitary waves are formed due to a balance of nonlinear and dispersive effects. There are several nonlinearities present in ideal magnetohydrodynamics (MHD) and dispersion can be introduced by including theHall termin the generalised Ohm’s law. The resulting system of equations comprise the classical ideal MHD waves, whistlers, drift waves and solitarywave solutions. The latter reside in distinct regions of the phase space spanned by the speed and the angle (to the magnetic field) of the propagating wave. Within each region, qualitatively similar solitary structures are found. In the limit of neglected electron intertia, the solitary wave solutions are confined to two regions of slow and fast waves, respectively. The slow (fast) structures are associated with density compressions (rarefactions) and positive (negative) electric potentials. Such negative potentials are shown to accelerate electrons in the auroral region (solar corona) to tens (hundreds) of keV. The positive electric potentials could accelerate solar wind ions to velocities of 300–800 km/s. The structure widths perpendicular to themagnetic field are in the Earth’s magnetosphere (solar corona) of the order of 1–100 km (m). This thesis also addresses a type of incoherent scatter radar spectra, where the ion line exhibits a spectrally uniform power enhancement with the up- and downshifted shoulder and the spectral region in between enhanced simultaneously and equally. The power enhancements are one order of magnitude above the thermal level and are often localised to an altitude range of less than 20 km at or close to the ionospheric F region peak. The observations are well-described by a model of ion-acoustic solitary waves propagating transversely across the radar beam. Two cases of localised ion line enhancements are shown to occur in conjunction with auroral arcs drifting through the radar beam. The arc passages are associated with large gradients in ion temperature, which are shown to generate sufficiently high velocity shears to give rise to growing Kelvin-Helmholtz (K-H) instabilities. The observed ion line enhancements are interpreted in the light of the low-frequency turbulence associated with these instabilities. / Denna avhandling handlar om solitära vågor och deras roll i norrskensacceleration och koronaupphettning, samt deras signatur i spektra uppmätta med inkoherent spridningsradar. Solitära vågor bildas genom en balans mellan ickelinjära och dispersiva effekter. Ickelinjäriteter finns det gott om i ideal magnetohydrodynamik (MHD) och dispersion kan införas genom att inkludera Halltermen i den generaliserade Ohms lag. Det resulterande ekvationssystemet omfattar de klassiska vågorna inom ideal MHD, visslare, driftvågor och solitära vågor. De sistnämnda återfinns i väldefinierade områden i fasrummet som spänns upp av farten och vinkeln (mot magnetfältet) för den propagerande vågen. Inom varje sådant område återfinns kvalitativt lika solitära våglösningar. Om man försummar elektronernas tröghet begränsas de solitära våglösningarna till två områden med långsamma respektive snabba vågor. De långsamma (snabba) strukturerna är associerade med täthets-kompressioner (förtunningar) och positiva (negativa) elektriska potentialer. De negativa potentialerna visas kunna accelerera elektroner i norrskensområdet (solens korona) till tiotals (hundratals) keV medan de positiva potentialerna accelererar solvindsjoner till hastigheter på 300–800 km/s. Strukturbredderna vinkelrät mot magnetfältet är i jordens magnetosfär (solens korona) av storleksordningen 1–100 km (m). Denna avhandling tar även upp en typ av inkoherent spridningsradarspektra, där jonlinjen uppvisar en spektralt uniform förstärkning. Detta innebär att den upp- och nedskiftade skuldran och spektralbandet däremellan förstärks simultant och i lika hög grad. Effektförstärkningen är en storleksordning över den termiska nivån och är ofta lokaliserad till ett höjd-intervall av mindre än 20 km nära jonosfärens F-skiktstopp. Observationerna beskrivs väl av en modell med solitära vågor som propagerar transversellt genom radarstrålen. Två fall av lokaliserade jonlinjeförstärkningar visas sammanfalla med att norrskensbågar driver genom radarstrålen. I samband med bågarnas passage uppmäts stora gradienter i jontemperatur, vilket visas skapa tillräckligt kraftiga hastighetsskjuvningar för att Kelvin-Helmholtz-instabiliteter ska tillåtas växa. De observerade jonlinjeförstärkningarna tolkas i skenet av den lågfrekventa turbulensen som är kopplad till dessa instabiliteter.

[EN] Nature is nonlinear. The linear description of physical phenomena is useful for explain observations with the simplest mathematical models, but they are only accurate for a limited range of input values. In the case of intense acoustics waves, linear models obviate a wide range of physical phenomena that are necessary for accurately describe such high-amplitude waves, indispensable for explain other exotic acoustic waves and mandatory for developing new applied techniques based on nonlinear processes. In this Thesis we study the interactions between nonlinearity and other basic wave phenomena such as non-classical attenuation, anisotropic dispersion and periodicity, and diffraction in specific configurations. First, we present intense strain waves in a chain of cations coupled by realistic interatomic potentials. Here, the nonlinear ionic interactions and lattice dispersion lead to the formation of supersonic kinks. These intrinsically-nonlinear localized dislocations travel long distances without changing its properties and explain the formation of dark traces in mica crystals. Then, we analyze nonlinear wave processes in a system composed of multilayered acoustic media. The rich nonlinear dynamics of this system is characterized by its strong dispersion. Here, harmonic generation processes and the relation with its band structure are presented, showing that the nonlinear processes can be enhanced, strongly minimized or simply modified by tuning the layer parameters. In this way, we show how the dynamics of intense monochromatic waves and acoustic solitons can be controlled by artificial layered materials. In a second part, we include diffraction and analyze four types of singular beams. First, we study nonlinear beams in two dimensional sonic crystals. In this system, the inclusion of anisotropic dispersion is tuned for obtain simultaneous self-collimation for fundamental and second harmonic beams. The conditions for optimal second harmonic generation are presented. Secondly, we present limited diffraction beam generation using equispaced axisymmetric diffraction gratings. The obtained beams are truncated version of zero-th order Bessel beams. Third, the grating spacing can be modified to achieve focusing, where the generated nonlinear beams presents high gain, around 30 dB, with a focal width which is between the diffraction limit and the sub-wavelength regime, but with its characteristic high amplitude side lobes strongly reduced. Finally, we observe that waves diffracted by spiral-shaped gratings generate high-order Bessel beams, conforming nonlinear acoustic vortex. The conditions to obtain arbitrary-order Bessel beams by these passive elements are presented. Finally, the interplay of nonlinearity and attenuation in biological media is studied in the context of medical ultrasound. First, a numerical method is developed. The method solves the constitutive relations for nonlinear acoustics and the frequency power law attenuation of biological media is modeled as a sum of relaxation processes. A new technique for reducing numerical dispersion based on artificial relaxation is included. Second, this method is used to study the harmonic balance as a function of the power law, showing the role of weak dispersion and its impact on the efficiency of the harmonic generation in soft-tissues. Finally, the study concerns the nonlinear behavior of acoustic radiation forces in frequency power law attenuation media. We present how the interplay between nonlinearity and the specific frequency power law of biological media can modify the value for acoustic radiation forces. The relation of the nonlinear acoustic radiation force with thermal effects are also discussed. The broad range of nonlinear processes analyzed in this Thesis contributes to understanding the behavior of intense acoustic waves traveling trough complex media, while its implications for enhancing existent applied acoustics techniques are presented. / [ES] La Naturaleza es no lineal. La descripción lineal de los fenómenos físicos es de gran utilidad para explicar nuestras observaciones con modelos matemáticos simples, pero éstos sólo son precisos en un limitado rango de validez. En el caso de onda acústica de alta intensidad, los modelos lineales obvian un amplio rango de fenómenos físicos que son necesarios para describir con precisión las ondas de gran amplitud, pero además son necesarios para explicar otros procesos más exóticos e indispensables para desarrollar nuevas aplicaciones basadas en propagación no lineal. En esta Tesis, estudiamos las interacciones entre no linealidad y otros procesos complejos como atenuación no-clásica, dispersión anisotrópica y periodicidad, y difracción en configuraciones específicas. En primer lugar, presentamos ondas de deformación en una cadena de cationes acoplados por potenciales realísticas. Aquí, las interacciones no lineales entre iones, producen la conformación de kinks supersónicos. Estas dislocaciones localizadas intrínsecamente no lineales viajan por la red largas distancias sin variar sus propiedades, y pueden explicar la formación de trazas en minerales como la mica. Aumentando la escala del problema, estudiamos los procesos acústicos no lineales en medios multicapa. La rica dinámica de estos medios está caracterizada por la fuerte dispersión debido a la periodicidad del sistema. Aquí, estudiamos los procesos de generación de harmónicos, mostrando como modificando la estructura podemos potenciar, minimizar, o simplemente modificar artificialmente la transferencia de energía entre las componentes espectrales, y de esta manera controlar la dinámica de las ondas y solitones en el interior de la estructura. En la segunda parte, incluimos difracción y analizamos cuatro tipos de haces singulares. En primer lugar, analizamos haces ultrasónicos no lineales en cristales de sonido bidimensionales. En este sistema, las propiedades de anisotropía del medio son ajustadas para obtener la auto-colimación simultánea del primer y segundo harmónico. Así, se obtiene la propagación no difractiva para las dos componentes. En segundo lugar, presentamos haces de difracción limitada empleando rejillas de difracción axisimétricas. Por último, demostramos la generación de haces de Bessel de orden superior mediante estructuras en espiral. En la última parte, estudiamos la competición entre no linealidad y la atenuación y dispersión observable en medios biológicos en el contexto de las aplicaciones de biomédicas de los ultrasonidos. En primer lugar desarrollamos un nuevo método computacional para la dependencia frecuencial en forma de ley de potencia de la absorción característica de los tejidos. Este método en dominio temporal es usado posteriormente para revisar los procesos básicos no lineales prestando especial interés en el paper de la dispersión del tejido. Por último, la resolución de las ecuaciones constitutivas nos permite abordar la descripción no lineal de la fuerza de radiación acústica producida en tejidos biológicos, y las implicaciones existentes con la deposición de energía y transferencia de momento para ondas ultrasónicas de alta intensidad. El amplio abanico de procesos no lineales analizados en esta tesis contribuye a una mejor comprensión de la dinámica de las ondas acústicas de alta intensidad en medios complejos, donde las implicaciones existentes en cuanto a la mejora de sus aplicaciones prácticas son puestas de manifiesto. / [CA] La Naturalesa és no lineal. La descripció lineal dels fenòmens físics és de gran utilitat per a explicar les nostres observacions amb models matemàtics simples, però aquests sol són precisos en un limitat rang de validesa. En el cas d'ona acústica d'alta intensitat, els models lineals obvien un ampli rang de fenòmens físics que són necessaris per a descriure amb precisió les ones de gran amplitud, però a més són necessaris per a explicar altres processos més exòtics i indispensables per a desenvolupar noves aplicacions basades en propagació no lineal. En aquesta Tesi, estudiem les interaccions entre no-linealitat i altres processos complexos com atenuació no-clàssica, dispersió anisotròpica i periodicitat, i difracció en configuracions específiques. En primer lloc, presentem ones de deformació en una cadena de cations acoblats per potencials realistes. Ací, les interaccions no lineals entre ions, produeixen la conformació de kinks supersònics. Aquestes dislocacions localitzades intrínsecament no lineals viatgen per la xarxa llargues distàncies sense variar les seues propietats, i poden explicar la formació de traces en minerals com la mica. Augmentant l'escala del problema, estudiem els processos acústics no lineals en mitjans multicapa. La rica dinàmica d'aquests mitjans es caracteritza per la forta dispersió a causa de la periodicitat del sistema. Ací, estudiem els processos de generació d'harmònics, mostrant com modificant l'estructura podem potenciar, minimitzar, o simplement modificar artificialment la transferència d'energia entre les components espectrals, i d'aquesta manera controlar la dinàmica de les ones i solitons a l'interior de l'estructura. En la segona part, incloem difracció i analitzem quatre tipus de feixos singulars. En primer lloc, analitzem feixos ultrasònics no lineals en cristalls de so bidimensionals. En aquest sistema, les propietats d'anisotropia del medi són ajustades per a obtenir l'acte-col·limació simultània del primer i segon harmònic. Així, s'obté la propagació no difractiva per a les dues components. En segon lloc, presentem feixos de difracció limitada emprant reixetes de difracció axisimètriques. Per últim, vam demostrar la generació de feixos de Bessel d'ordre superior mitjançant estructures en espiral. En l'última part, estudiem la competició entre no linealitat i l'atenuació i dispersió observable en medis biològics en el context de les aplicacions biomèdiques dels ultrasons. En primer lloc desenvolupem un nou mètode computacional per a la dependència freqüencial en forma de llei de potència de l'absorció característica dels teixits biològics. Aquest mètode en domini temporal és usat posteriorment per a revisar els processos bàsics no lineals prestant especial interés en el paper de la dispersió del teixit. Per últim, la resolució de les equacions constitutives ens permet abordar la descripció no lineal de la força de radiació acústica produïda en teixits biològics, i les implicacions existents amb la deposició d'energia i transferència de moment per a ones ultrasòniques d'alta intensitat. L'ampli ventall de processos no lineals analitzats en aquesta tesi contribueix a una millor comprensió de la dinàmica de les ones acústiques d'alta intensitat en medis complexos, on les implicacions existents quant a la millora de les seues aplicacions practiques són posades de manifest. / Jiménez González, N. (2015). Nonlinear Acoustic Waves in Complex Media [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53237 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales