Les cellules photoacoustiques sont des capteurs optiques qui utilisent l'absorption des photons par des molécules de gaz pour générer une onde de pression proportionnelle à leur concentration. Le signal photoacoustique est également inversement proportionnel au volume de la cellule. La miniaturisation de la cuve permet donc l’amélioration des performances du capteur. Le travail de cette thèse consiste en la conception, la réalisation et la caractérisation de cellules photoacoustiques résonantes différentielles d’Helmholtz (DHR) miniaturisées. Dans un premier temps, des simulations par la méthode des éléments finis de cellules à l'échelle millimétrique ont permis de montrer que la miniaturisation de ce type de résonateur est une voie prometteuse. Aussi, la réalisation ambitieuse d’une cellule DHR sur silicium a été engagée en utilisant les techniques de la microélectronique. Cependant, cette voie de miniaturisation extrême s'est heurtée à des difficultés de réalisation, qui n'ont pas permis d'obtenir des dispositifs fonctionnels. Une alternative de miniaturisation, à l'échelle centimétrique, utilisant des microphones MEMS du commerce, a donc été engagée. Trois cellules fabriquées par différentes méthodes ont été réalisées et testées pour la détection de méthane. La dernière génération a permis la détection d'environ 100 ppb de méthane avec un laser à cascade interbande commercial à 3,357 µm de longueur d’onde. Pour préparer la prochaine génération de cellules, l'optimisation de la géométrie a été effectuée par simulation. Cette optimisation permet d'envisager une augmentation de 43 % du signal par rapport à la cellule la plus performante. / Photoacoustic cells are optical sensors based on the absorption of photons by gas molecules. The pressure wave created by gas relaxation is proportional to the trace gas concentration. Furthermore the photoacoustic signal is inversely proportional to the cell volume. Thus cell miniaturization enables performances improvements. This work consists in designing, realizing and characterizing miniaturized photoacoustic cells, based on the differential Helmholtz resonator (DHR) principle. In a first phase, modeling by the finite element method of millimeter scale cells has shown that the miniaturization of this type of resonator should effectively improve the detection limit. Thus, the ambitious realization of a DHR cell on silicon by the use of microelectronic techniques has been attempted. However, this extreme miniaturization direction encountered design and fabrication difficulties which made the produced devices unusable. To overcome these difficulties, a miniaturization alternative, at the centimeter scale, using commercial MEMS microphones, has been carried out. Three cells have been built by different methods and have been tested for methane detection. The last cell generation can detect around 100 ppb of methane with a commercial interband cascade laser at 3.357 µm of wavelength. Finally, to anticipate the next cell generation fabrication, a geometry optimization has been performed by simulation. This optimization shows that a 43 % signal improvement, compared to the most performant cell already built.

Les gisements de type roll-front du Kazakhstan représentent près de 13% des réserves mondiales en uranium en 2015. Les minéraux argileux, présents à chaque étape du cycle minier, ont récemment suscité l’intérêt des exploitants. L’étude de la distribution et des proportions de ces minéraux dans les sédiments à l’échelle d’un gisement permettraient d’améliorer à la fois l’exploration, l’exploitation et la réhabilitation de ce type de gisement.Différentes méthodes ont été développées pour identifier et quantifier les minéraux d’intérêt à partir de la spectrométrie infrarouge (IR), une technique instrumentale rapide, adaptée à une utilisation sur le terrain. Ces méthodes ont été calibrées à l’aide d’une large base de données de spectres IR et la préparation de sables artificiels.Il est possible d’obtenir, à partir d’une seule mesure spectrale, la teneur en argiles des sables et particulièrement celle en smectite afin d’identifier les zones les plus riches et adapter l’extraction de l’uranium. L’ensemble de ces méthodes permettent de réaliser des cartographies de la répartition des minéraux argileux à l’échelle du gisement pour comprendre sa géométrie et sa mise en place.La migration des corps minéralisés à l’échelle régionale a été mise en évidence par spectrométrie de résonance paramagnétique, avec l’étude des défauts structuraux engendrés par la proximité des minéraux argileux avec les minéraux uranifères. / Uranium roll-front type sandstone-hosted deposits from Kazakhstan account for about 13% of the worldwide uranium reserve in 2015. Clay minerals occur at every step of the mining cycle and recently begun to be considered by mining companies.The proportions and distribution of these clay minerals in the sediments at the roll-front deposit scale could improve the exploration, exploitation and rehabilitation of such uranium deposits.Several methods were developed to identify and quantify minerals using a portable near-infrared spectrometer, a convenient and fast analytical tool for use in the field. These methods were calibrated with the help of a wide spectral database and the conception of artificial sands.The clay mineral content, and more importantly, the smectite content can be obtained from a single spectral measurement. It enables the detection of smectite-rich areas to optimise the uranium extraction process where they occur. Combination of the methods provide a mapping tool for clay minerals at the ore deposit scale, yielding information about its actual geometry and formation.Uranium ore bodies migration was observed at the ore deposit scale with the use of the electron paramagnetic resonance spectroscopy. Crystalline radiation induced defects in clay minerals that were in close contact with uranium showed records of the past migration.

Ce travail de thèse porte sur l'étude par spectrophotométrie de phénomènes de couplage entre un émetteur photonique discret et une cavité optique dont les propriétés sont adaptées à l'émetteur. Nous nous sommes intéressés à l'interaction de boîtes quantiques semiconductrices InAs/GaAs avec des microcavités optiques dont la géométrie originale diffère selon les propriétés dont on veut tirer partie. Ainsi, nous partirons de la fabrication de ces systèmes par épitaxie par jets moléculaires, pour nous focaliser sur trois grands types de microcavités, dont nous décrirons à la fois les étapes de fabrication, mais aussi les études optiques réalisées par spectrophotométrie Infra-rouge. Ainsi, les microdisques reportés sur saphir par collage moléculaire ont montré un important potentiel pour la réalisation de microlasers, grâce à de très bonnes propriétés de dissipation thermique. Sur les micropiliers à miroirs de Bragg, nous avons expérimentalement montré pour la première fois la co-existence de modes de galerie et de modes de micropiliers, ainsi que la possibilité d'exploiter l'effet laser sur ces modes, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en termes de systèmes photoniques. Nous avons également développé une technique originale et reproductible de métallisation à l'or des flancs et démontré son innocuité sur les propriétés optiques de ces modes, ce qui permet d'envisager son application à d'autres dispositifs. Enfin, nous terminons par la fabrication et l'étude de nano-fils photoniques à boîtes quantiques uniques, dont les capacités prometteuses permettent de conclure à une concurrence sérieuse vis-à-vis des micropiliers en tant que source de photon unique.

Le développement des technologies propulsives requiert la maîtrise de la régulation de poussée et parfois du refroidissement (propulsion hybride et hypersonique). Cet aspect de contrôle ne peut être abordé qu'après avoir développé une compréhension détaillée des phénomènes couplés mis en jeu (thermique, fluidique, cinétique chimique). La priorité est de proposer des moyens qui soient complémentaires entre eux (bancs d'essais, moyens de mesure, outils numériques) afin d'apporter de nouvelles connaissances scientifiques qui soient transposables à l'industrie. L'ensemble du travail mené dans cette optique est présenté ici en détaillant les applications visées. Ensuite, les similitudes identifiées entre celles-ci (couplage entre pyrolyse du carburant et combustion des produits, pilotage des phénomènes par la chimie) permettent de proposer une démarche globale de recherche portée par l'étude de certains verrous. Les connaissances ainsi développées sont assez larges pour être appliquées à d'autres systèmes, comme l'endommagement au feu des réservoirs de carburant en composite.