This work investigated the characteristics of transverse modes and polarization of a VCSEL and attempted to control its transverse mode with optical feedback. The fundamental studies indicated that this solitary VCSEL's output consisted of two mutually orthogonal linear polarizations with different threshold currents and different transverse mode distributions. Furthermore, the temperature dependence of the transverse modes of the VCSEL revealed a better stability than that of edge-emitted lasers. In the mode controlling experiments, an iris was employed to select a specific transverse mode for feedback, resulting in an enhancement in the power of the feedback mode. A significant improvement was accomplished in the feedback of the fundamental mode of the major polarization component: the laser oscillated in a single mode with a side mode suppression ratio greater than 19.8 dB and with a depression of the relative intensity noise more than 20 dB/Hz. Nevertheless, a week feedback in the minor polarization component would stimulate more competition among transverse modes and degraded the performance of the VCSEL. Finally, no effect was observed in the orthogonal-polarization optical feedback experiment due to the excessively small of feedback ratio.

Dans cette thèse, les instabilités de combustion sont étudiées sur deux types de configuration. Tout d’abord, un cas académique stabilisé par un dièdre (Volvo) est étudié. Les simulations sont validées par comparaison avec les données expérimentales. En faisant varier le point de fonctionnement, des modes transverses et longitudinaux sont observés, en bon accord avec les données expérimentales en termes de fréquence des fluctuations de pression et de la dynamique de l’écoulement. Dans un second temps, une configuration proche des cas industriels a été étudiée dans le cadre du projet européen KIAI (Lotar). Les données expérimentales ont été obtenues lors d’une campagne d’essais à l’ONERA. Plusieurs simulations aux grandes échelles sont conduites sur cette configuration. Les instabilités transverses de combustion sont analysées et les mécanismes essentiels qui les pilotent sont identifiés. Sur la base de ces observations, la forme du modèle à Fonction de Transfert de Flamme est modifiée et associée à un solveur de Helmholtz pour prédire la stabilité des modes transverses. Les résultats obtenus par le solveur acoustique sont en bon accord avec la carte de stabilité obtenue par la simulation aux grandes échelles. / In this work longitudinal and transverse combustion instabilities are studied in two types of configurations. While longitudinal modes have been observed in many previous studies at low frequencies, the present work also focusses on high-frequency transverse modes. First, a premixed flame stabilized on a V-fame holder is investigated where experimental results obtained by Volvo are used to validate the simulations. For different operating conditions, longitudinal and transverse modes are observed in Large Eddy Simulations (LES) and show good agreement with the experimental data in terms of pressure frequency and flow dynamics. In a second step, a semi-industrial case is examined within the European project KIAI. Experiments are conducted by ONERA and LES of this two-phase flow configuration (called Lotar) are carried out. Transverse combustion instabilities are analyzed and key elements which drive instabilities are identied. These observations are used to reformulate the classic Flame Transfer Function (FTF) in order to predict the stability of transverse modes by use of an Helmholtz solver. The results reproduce fairly well the stability map generated by LES.

Les besoins énergétiques de la population mondiale ne cessent d’augmenter. Les prévisions indiquent par exemple une forte croissance de la demande du secteur du transport aéronautique. La recherche de systèmes toujours plus performants et moins polluants est nécessaire. Des nouveaux concepts pour la combustion ont été mis au point et appliqués aux turbines à gaz. Parmi eux il existe ceux basés sur la combustion en prémélange pauvre ou en prémélange pauvre pré-vaporisé dans le cas où le carburant utilisé est liquide. Les nouveaux systèmes énergétiques basés sur la combustion en régime pauvre sont prometteurs pour satisfaire les futures normes d’émissions polluantes, mais ils sont plus sensibles aux instabilités de combustion qui limitent leur plage de fonctionnement et peuvent détériorer irréversiblement ces systèmes. Dans ce domaine il reste des questions à aborder. En particulier celle du comportement des flammes tourbillonnaires en combustion diphasique soumises à des perturbations acoustiques. La plupart des moteurs aéronautiques utilisent des flammes de ce type, cependant leur dynamique et leurs interactions mutuelles, quand elles subissent les effets d’une perturbation acoustique, sont loin d’être bien comprises. Ce travail aborde ces questions et apporte des éléments de compréhension sur les mécanismes pilotant la réponse de l’écoulement diphasique et de la flamme, ainsi que des éléments de validation des modèles de prédiction des points de fonctionnement instables. TACC-Spray est le banc expérimental utilisé pour ce travail. Il a été conçu et développé au sein du laboratoire CORIA lors de ce doctorat qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR FASMIC. Le système d’injection qui équipe ce banc expérimental reçoit trois injecteurs tourbillonnaires alimentés en combustible liquide (ici n-heptane), développés par le laboratoire EM2C. Ils sont montés en lignes dans le banc, celui-ci représentant ainsi un secteur d’une chambre annulaire. Le montage étant complexe et nouveau, un travail de développement de solutions techniques a été fait pour rendre possible l’équipement du TACC-Spray avec des capteurs de pression, température, photomultiplicateur ainsi que des diagnostiques optiques performants (e.g. LDA, PDA, imagerie à haute cadence). Pour cette étude, le système énergétique, composé par l’écoulement diphasique et la flamme, a été soumis à l’impact d’un mode acoustique transverse excité dans la cavité acoustique. La réponse du système a été étudiée en fonction de son positionnement dans le champ acoustique. Trois bassins d’influence du champ acoustique sur le système énergétique ont été choisis, à savoir: (i) le ventre de pression acoustique caractérisé principalement par des fortes fluctuations de pression, (ii) le ventre d’intensité acoustique présentant de forts gradients de pression et vitesse acoustique, (iii) le ventre de vitesse acoustique avec de fortes fluctuations de vitesse où la fluctuation de pression est résiduelle. L’approche de cette étude a consisté à étudier en premier lieu le système de référence en absence de forçage acoustique, les résultats sont recueillis dans la Partie I de ce manuscrit. En deuxième lieu le système énergétique est placé à chacune des positions d’intérêt dans le champ acoustique et la réponse de l’écoulement d’air sans combustion, la réponse de l’écoulement diphasique avec combustion et finalement celle des flammes, sont étudiées systématiquement. Les résultats de l’étude avec forçage acoustique sont rassemblés dans la Partie II du manuscrit. / The energy needs of population around the word are continuously increasing. For instance, forecasts indicates an important grow of the request of the aeronautic transportation sector. It is necessary to continue the research efforts to get more performants and less contaminating systems. New concepts for combustion have been developed and introduced to the gas turbine industry. Among these concepts it is found technologies based on lean-premixed combustion or lean-premixed prevaporized combustion when liquid fuels are employed. These novel energetic systems, making use of lean combustion, are promising to meet the future norms about pollutant emissions, but this make them more sensitive to combustion instabilities that limit their operating range and can lead to irreversible damage. In this domain, many questions still need to be considered. In particular that of the behavior of two-phase flow swirling flames subjected to acoustic perturbations. Indeed most of aero-engines operate with this type of flames, but the dynamics and mutual interaction of these flames, as they are submitted to acoustic perturbation, are not yet well understood. This work addresses these issues and gives some understanding elements for the mechanisms driving the response of the flow and of the flame to acoustic perturbations and delivers data to validate models predicting unstable operating points.The experimental bench employed for this work is TACC-Spray. It has been designed and developed in the CORIA laboratory during this PhD thesis which is inscribed in the framework of the ANR FASMIC project. The injections system that equips this bench is composed by three swirled injectors fed with a liquid fuel (here n-heptane), developed by the EM2C laboratory. They are linearly arranged in the bench such that this represents an unwrapped sector of an annular chamber. The setup, being new and complex, needed technical solutions developed during this work and applied then in order to equip TACC-Spray with pressure and temperature sensors, a photomultiplier as well as adequate optic diagnostics (LDA, PDA, high speed imaging systems). In this study, the energetic system, composed by the two-phase swirling flow and the spray flame, has been submitted to the impact of a transverse acoustic mode excited within the acoustic cavity. The system response has been studied as a function of its location in the acoustic field. Three basins of influence of the acoustic field on the energetic system have been chosen, namely: (i) the pressure antinode characterized mainly by strong pressure fluctuations, (ii) the intensity antinode where important acoustic pressure and velocity gradients are present, (iii) the velocity antinode with strong velocity fluctuations where the acoustic pressure is residual. The approach of the study presented here is to investigate in first place the energetic system free of acoustic forcing. The results concerning this first study are presented in the Part I of this manuscript. In second place, the energetic system is placed in each of the location of interest within the acoustic field and the response of the air flow without combustion, that of the two-phase flow with combustion and finally that of the spray flames, are systematically investigated. The results of the study under acoustic forcing are shown in Part II of the manuscript.

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Ce mémoire traite de l’ étude et de la réalisation de composants à ondes élastiques de surface (SAW) pour des applications de filtrage dans les gammes VHF et UHF. Nous y étudions différentes structures de ces filtres, à commencer par des filtres à couplage acoustique longitudinal centrés aux alentoursdu gigahertz, de bande passante relative inférieure à 0,1 % réalisés sur quartz. Leur fabrication et leur caractérisation ont révélé des pertes d’insertion inférieures à 5 dB et des niveaux de rejet supérieurs à 20 dB, conformément aux prévisions de notre modèle de matrice mixte. Un tel filtre a été inséré dans un oscillateur pour valider la fonction réalisée. Pour une maîtrise accrue de la conception de ces filtres, nous avons développé un modèle tenant compte de la contribution des modes transverses sur leur fonction de transfert. Des comparaisons entre théorie et expérience ont permis de démontrer la précision de ce modèle. Nous nous sommes également intéressés à des structures de filtres à éléments d’impédance et à transducteurs en éventails (fan-shaped) pour la réalisation de bandes passantes relatives comprises entre 1 et 15 % dans la bande 100 − 300 MHz. Pour chacune de ces structures, nous avons développé un modèle permettant d’en étudier le comportement. Une configuration de filtre en treillis de bande passante relative proche de 2 %a été fabriquée et caractérisée, ainsi que plusieurs filtres à transducteurs en éventails de bandes passantes relatives supérieures à 10 %. Enfin, nous avons étudié deux approches qui nous ont permis de réaliser des dispositifs fonctionnant à des fréquences voisines de 3 GHz. La première, consiste à exploiter les vitesses de phase supérieures à 5 km.s−1 d’un guide d’ondes à base de carbone-diamant. La seconde exploite la résolution d’un procédé de lithographie par nano-impression pour réduire la période des réseaux d’ électrodes. / This thesis deals with the development of surface acoustic wave devices (SAW) for filtering applications in the VHF and UHF bands. Several filter structures are studied. The first ones are longitudinally coupled resonator filters (LCRF) manufactured on Quartz with a relative pass-band narrower than 0,1 % centered at about 1 GHz. These filters have been fabricated and characterized, yielding less than 5 dB insertion loss with rejection levels in excess of 20 dB as predicted by our P-matrix model. One of these filters has been mounted in an oscillator to validate its characteristics.To improve the design of such filters, we have developed a model accounting for transverse mode contributions on their spectral function. Comparisons between theory and experiment emphasizes the accuracy of the developed model. We also have investigated impedance element and slanted transducers (fan-shaped) filter structures to produce filters with relative pass-band ranging from 1 to 15 % in the 100 − 300 MHz frequency range. For each type of filters, we have developed a model to predict their electrical response. A balanced-bridge filter configuration with a 2 % relative pass-band and four fan-shaped filters with pass-band larger than 10 % have been fabricated and characterized. Finally, we have studied two approaches for the development of SAW devices operating at frequencies in the vicinity of 3 GHz. The first approach exploits Diamond-based substrates, providing phase velocity higher than 5 km.s−1. The second one uses a nano-imprint lithography process to reduce the pitch of electrode gratings.