Les études portent sur les propriétés optiques de nanofils d’or individuels et de réseaux de nanofils d’or. Malgré ses avantages, comme une sensibilité moindre à l’oxydation et sa biocompatibilité, les nanofils en or ont été peu étudiés par comparaison avec les nanofils en argent ou semiconducteurs. Les études sur ces substrats ont été réalisées par spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). Le régime de la molécule unique est atteint, ce que j’ai démontré en utilisant deux molécules différentes de colorant, co-déposées. J’ai étudié la propagation des plasmons de surface dans les nanofils ainsi que son évolution en fonction de la longueur d’onde. Une distance de propagation de 3,8 µm a été observée, plus grande que les valeurs précédemment rapportées. Les réseaux de nanofils ont également été étudiés en combinant la réponse de deux molécules pour démêler les différents processus contribuant au signal de la diffusion Raman. Les résultats obtenus par des études en polarisation et en fonction de la longueur d’onde sur l’évolution de l’intensité du signal SERS ont été confrontés aux résultats de simulations réalisées par la méthode de l’approximation des dipôles discrets (DDA). La microscopie de champ proche optique à balayage (SNOM) a été mise en œuvre pour étudier les effets d’exaltation locale sur les réseaux de nanofils. Ces études ont été réalisées avec deux polarisations croisées et à deux longueurs d’onde différentes. L’originalité des études SNOM repose sur l’utilisation de deux modes différents d’éclairement. L’un est utilisé pour cartographier l’exaltation des champs électromagnétiques, l’autre pour étudier les effets de propagation des plasmons dans les nanofils. / We have reported the optical properties of isolated gold nanowires and of nanowire arrays. Despite the advantages gold has to offer as it is less sensitive to oxidation and as an biocompatible metal, it has been scarcely studied than silver or semiconductors nanowires. We have made surface enhanced Raman spectroscopic (SERS) studies on the isolated nanowires and nanowire arrays. Single molecule regime is attained and has been proven with the aid of two dye molecules that are co-deposited. The propagation of surface plasmons in these nanowires and their evolution with the excitation wavelength have been studied. We report a propagation distance of 3.8 µm which is longer than the values previously reported in literature. Nanowire arrays have been investigated with two dyes again to disentangle the various factors contributing to SERS. Polarization studies and the evolution of enhancement in the nanowires with the wavelength have been reported and explained with the aid of simulations obtained by the discrete dipole approximation (DDA). The scanning near field optical microscopy (SNOM) has been done to investigate the local field enhancements on the nanowire arrays. Two different polarizations and two excitation wavelengths have been used. The original idea of the technique includes the use of two illumination modes which serves two purposes. One, to map the regions of enhanced field and the other to study the propagation effects seen on the nanowire.

L’identification et la caractérisation des sources acoustiques restent encore aujourd’hui deux sujets d’importance pour les industriels qui ont besoin de techniques permettant d’identifier des sources acoustiques ou vibratoires sur des surfaces complexes dans un environnement acoustique non contrôlé. La thèse que nous présentons ici s'inscrit dans ce cadre. Nous y étudions les qualités d'une méthode inverse, appelée iPTF (pour inverse Patch Transfer Functions, pour la résolution de ce problème particulier. Nous consacrerons le premier chapitre de notre étude à la synthèse bibliographique des méthodes les plus pertinentes permettant de résoudre des problèmes similaires. Nous soulignerons également les difficultés de ces méthodes pouvant être liées à leurs applications pratiques ou à leurs fondements théoriques. Dans un second chapitre, nous présenterons la méthode iPTF à partir de sa formulation directe, c'est-à-dire de la source vers le bruit rayonné. Celle-ci est une approche par sous-structuration de domaines permettant l’étude des problèmes vibro-acoustiques en basses et moyennes fréquences. Nous montrerons particulièrement la façon dont l'association des deux formulations directe et indirecte permet de définir une méthode pouvant conduire jusqu'à l'identification des trois champs de vitesses, de pressions et d'intensités sur la surface de l'objet source. Notre troisième chapitre sera consacré à la présentation des premiers résultats d'identification dans un cas d'application numérique simple. Nous effectuerons, dans les chapitres quatre et cinq, une étude des principaux paramètres conditionnant les résultats donnés par la méthode. Le premier de ces deux chapitres présentera la mise en place d'un code de calcul permettant de résoudre rapidement le problème de rayonnement d'une structure simple. La méthode ainsi définie sera utilisée dans le chapitre cinq afin de générer de nombreux champs rayonnés présentant des caractéristiques différentes de façon à étudier la stabilité de la méthode iPTF face à la variation de différents paramètres. Un sixième chapitre présentera une étude approfondie faite sur les ondes évanescentes qui prennent une part non négligeable dans le champ rayonné par les structures. Ces ondes évanescentes, par définition, ne peuvent pas être mesurées au delà du champ proche, ce qui peut être la cause d'une part des défauts d'identification rencontrés lors de l'application de notre méthode. L'étude faite ici aura pour but de déterminer l'importance de ces ondes évanescentes dans le champ rayonné. Nous présenterons enfin, dans un dernier chapitre, les résultats de mesures expérimentales réalisées. / Nowadays, both identification and characterization of acoustical sources remain two important topics in industry as such method are often required to localize acoustical or vibrational sources on complex surfaces in an acoustical environment that may not be well-known. The PhD Thesis we present hereby is set in this purpose. We will study the ability of an inverse method, named iPTF (standing for inverse Patch Transfert Functions) used to solve this particular problem. In our first chapter we will present a bibliographical study of the different methods dealing with the resolution of similar problems. We will particularly underline the difficulties encountered with these methods, either regarding their practical application or their theoretical bases. The presentation of the iPTF method will be made in the second chapter. This presentation will be organized starting from the direct formulation, that is from the source to the radiated sound. This direct method is a sub-domai decomposition based approach, allowing the study of vibro-acoustical problems in low and mid frequencies. We will especially explain how the association of both direct and reverse formulation enables to identify the pressure, velocity and intensity fields on the source. The third chapter will concerne the presentation of the first identification results in a simple numerical application. In the fourth and fifth chapters, the main parameters conditioning the results given by our method will be studied. The first of these two chapters will introduce a calculation routine used to compute quickly the radiation field of a simple structure. This routine will then be used in our fifth chapter in order to build numerous fields having different characteristics. Using all these fields will let us know the stability of our method regarding different parameters. A sixth chapter will present a precise study of evanescent waves that constitute a non-neglectful part of the radiated field. According to their definition, those evanescent waves cannot be taken into account beyond the near-field, and this may be the reason of some difficulties while applying our method. The objective of the study herein presented is to determine the importance of those evanescent waves in the radiated field. We eventually present, in a last chapter, the results of experimental measures conducted during the preparation of this PhD Thesis.

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique. / Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l’étude des systèmes d’imagerie active en bande millimétrique et plus spécifiquement sur les parties antennaires et le traitement de signal. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre Canon Research Center France et l’ETR. Une première étude a porté sur les antennes focalisantes et plus spécifiquement sur la lentille de Fresnel avec un procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice qui a permis d’améliorer l’efficacité (59%) et la largeur bande de fréquence (75-110 GHz). Cette antenne a été utilisée sur un système rotatif pour imager une scène réelle extérieure. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception d’une configuration Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (entrées multiples, sorties multiples) grâce notamment à l’utilisation d’un dispositif compressif passif 4×1 permettant de réduire, par compression, le nombre de chaînes RF. Ces chaînes sont décompressées par post-traitement. Le dispositif, placé à l’émission, a été associé avec un scanner qui permet de synthétiser un réseau d’antennes à la réception. Cette configuration a permis de générer virtuellement un réseau de plus grande taille, permettant d’améliorer la résolution azimutale du système tout en limitant le nombre de chaînes RF. Cette configuration est utilisée pour imager une scène en chambre anéchoique afin de valider le concept. Pour améliorer encore plus la résolution du système avec un nombre limité de chaînes RF, l’étude d’algorithmes de haute-résolution, ou méthodes d’estimation spectrales, sont utilisés dans des configurations à large bande de fréquences pour imager des cibles en champs proche. L’association de la configuration MIMO, du dispositif compressif passif et des méthodes d’estimation spectrales permet d’améliorer la résolution du système tout en limitant le nombre de chaînes RF nécessaire. / The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the contribution to the study of Radar imaging systems at millimeter-wave and more specifically to the antennas and signal processing. These works have been carried out during a partnership between Canon Research Center France and IETR. A first study on focusing antennas, particularly on Fresnel lens antennas, thanks to a technological process to manufacture inhomogeneous materials, has allowed to improve the efficiency and the frequency bandwidth. The antenna has been mounted on a rotary system to image a real outdoor scene. Then, the study has been focused on the realization of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration notably using a 4 × 1 passive compressive device allowing to reduce, by compression, the number of radiofrequency (RF) chains. The chains are decompressed by post-processing. The device, used at the transmitting part, is associated with a scanner that synthetizes a receiving array of antennas. This configuration allows to generate a large virtual array, to improve the azimutal resolution of the system while maintaining acceptable the number of RF chains. This configuration has been used to image a scene in an anechoid chamber to validate the concept. To further improve the spatial resolution of the system for a given number of RF chains, the study of high resolution algorithms, or spectral estimation methods, are used to image scenes in near field and wide-band configurations. The combination of MIMO configurations, the passive compressive device and the spectral estimation methods have allowed to drastically improve the spatial resolution of the radar imaging system while limiting the number of RF chains.

Cette thèse aborde la problématique des transferts de chaleur dans les micro et nanoystèmes. La première partie concerne la conduction thermique dans l'air. La microscopie à force atomique thermique dite SThM est présentée, et la sonde résistive Wollaston est analysée afin de pouvoir être utilisée à haute température. Les pertes thermiques de la sonde dans l'air environnant sont mesurées en fonction de la pression. L'échange thermique entre la sonde chaude et un échantillon froid est déterminé en fonction de la distance pointe-échantillon. Une modélisation simple de l'expérience, avec des lignes de flux parallèles, tend à démontrer un comportement qui dévie de la diffusion thermique de Fourier. Une étude numérique mettant en jeu une pointe pyramidale nanométrique est ensuite effectuée à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo dans le but d'analyser le transport thermique balistique.<br />La seconde partie aborde le rayonnement thermique de champ proche entre les corps métalliques. Il apparaît que le transfert radiatif est différent de celui des matériaux polaires lorsque les distances entre deux corps sont nanométriques. Ceci n'est pas dû à un phénomène modélisable avec l'optique non-locale. Le flux est en fait essentiellement d'origine magnétique et met en jeu des courants de Foucault stochastiques, pris en compte par la contribution dipolaire magnétique dans le cas d'une nanoparticule. Une longueur caractéristique du transfert est l'épaisseur de peau. Elle permet notamment d'expliquer une expérience récente.<br />La possibilité de mesurer le rayonnement de champ proche avec le microscope SThM est également évaluée.

Ce travail porte sur l'interaction dipolaire d'atomes neutres avec un rayonnement électromagnétique structuré sur une échelle plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Ces champs optiques sont obtenus par interaction d'une onde évanescente de Fresnel avec des nanostructures diélectriques à haut indice de réfraction déposées à la surface d'un prisme. Deux thèmes sont abordés. Le premier concerne l'étude, d'un point de vue théorique, d'une expérience de diffraction d'atomes neutres par un miroir atomique nanostructuré. La modulation du potentiel provient de l'interaction de l'onde évanescente avec un réseau matériel périodique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, les spécificités de cette méthode de diffraction sont dégagées par un calcul analytique reposant sur plusieurs approximations concernant la structure du champ optique et la structure interne atomique. Elle est ensuite complétée d'une étude numérique qui permet de prendre en compte toute la complexité du problème. Le deuxième thème est une étude du comportement en champ proche de cavités résonantes constituées d'ensembles d'anneaux diélectriques couplés. Ces nanostructures, adressées par un faisceau gaussien évanescent, amplifient à la résonance l'intensité et le gradient du champ électrique d'un facteur de plusieurs centaines. L'objectif est de trouver une configuration permettant la concentration ou la focalisation transversale d'un faisceau d'atomes en vue d'applications en nanolithographie. Cette étude est effectuée en couplant une méthode ab-initio permettant un calcul précis du champ rayonné dans tout l'espace à un modèle analytique simplifié décrivant le comportement modal de ces structures en fonction de leurs caractéristiques géométriques.

Le travail présenté ici repose sur l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels et sur la mise en place des outils théoriques correspondants. La spécificité de notre travail repose sur deux aspects. Premièrement, nous avons eu recours à un programme général d'étude de multicouches, éventuellement rugueuses ou percées de trous, reposant sur une méthode de modes couplés et l'utilisation du formalisme de la matrice S. A partir de ce programme, nous avons cherché à obtenir un certain nombre de paramètres pertinents dans l'étude des systèmes optiques. Ces paramètres correspondent au calcul des coefficients de transmission et réflexion, dont on peut déduire les pertes en énergie. De plus, nous avons développé le calcul de cartes du champ proche et du champ dans le volume du système étudié, avec la possibilité, dans le cadre d'un problème de diffraction, de sélectionner certains ordres et certaines polarisations particulières. On peut y ajouter également la détermination, par l'étude directe des propriétés de la matrice S (entre autre de ses pôles), des modes propres du système étudié. Deuxièmement, le début de ce travail a coïncidé avec la publication en 1998 de résultats concernant l'étude expérimentale de cristaux photoniques bidimensionnels constitués d'une couche métallique percée de trous sublongueurs d'onde répartis selon un réseau à deux dimensions et déposée sur un substrat diélectrique. Aussi, nous avons tourné l'essentiel de notre travail vers l'analyse de ces expériences. Nous avons montré que, dans le cadre de ces expériences, la notion de modes propres associés à un système donné revêt un intérêt crucial. Plus particulièrement, nous avons soulevé l'importance de l'analyse des anomalies de Wood résonantes dans l'interprétation de ces expériences.

Interaction du champ proche optique avec une unique molecule fluorescente. Mise en place d'un formalisme couplant équations de Bloch optiques et susceptibilité du champ permettant de décrire la fluorescence déclenchée en champ proche. Application à l'interprétation d'images obtenus avec des microscopes en champ proche à sonde moléculaire (PSTM et SNOM). En particulier, mise en évidence du rôle de la densité locale d'états photoniques (LDOS) dans la formation des images. Introduction d'un nouveau concept de guide optique sub-longueur d'onde pour l'adressage moléculaire en géométrie coplanaire.

Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d'intégration et d'utilisation à moindre coût énergétique, l'étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d'objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d'approfondir nos connaissances de l'interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d'expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d'étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l'interaction lumière-matière au sein d'objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilisé. La seconde partie est dédiée à l'étude de l'interaction d'une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l'étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l'obtention d'un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L'étude complète des modes propres et de l'excitation optique de cette structure a permis de connaître avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l'étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l'analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter.

Ce mémoire traite de la contribution des méthodes géophysiques à la détection et à la cartographie des cavités souterraines de la Médina de Béni-Mellal. Il s'inscrit dans un projet de réhabilitation de la Médina, à l'initiative de l'Agence Urbaine de Béni-Mellal et des autorités municipale, régionale et nationale. La méthodologie mise en œuvre est celle proposée dans le Guide technique élaboré par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées de Nantes (2004). Le premier chapitre pose le problème des cavités, dites "Khefs", en relation avec l'histoire et la géographie de la médina. Le second chapitre traite des phases d'étude préliminaires à l'application de la géophysique. Une étude critique des documents et rapports antérieurs et des visites d'affleurements géologiques et de cavités, ont modifié profondément les hypothèses sur l'origine et la nature des cavités. Contrairement à ce qui a souvent été dit et écrit, il n'y a aucune cavité d'origine naturelle liée à la karstification. Il s'agit de cavités creusées par l'homme dans des matériaux détritiques et lacustres pour en extraire les matériaux de construction de la médina elle-même, sous la forme d'exploitation classique de type "chambres et piliers". La dégradation des cavités est également liée à l'activité anthropique. Le troisième chapitre traite du choix des méthodes géophysiques mises en œuvre et présente les résultats de trois d'entre elles. La sismique réfraction n'est pas recommandée. La tomographie électrique et l'électromagnétisme en champ proche sont en revanche recommandés. Sept exemples de profils de tomographie 2D sont présentés, qui montrent clairement la présence d'anomalies résistantes attendues : leur toit est situé entre 0,50 m et 1, 50 m de profondeur ; leur extension latérale est inférieure à 5m. Cinq profils et 2 cartes électromagnétiques démontrent la capacité à cartographier les variations de la géologie superficielle et la sensibilité aux contacts verticaux entre les vides et les matériaux détritiques en place. Le quatrième chapitre présente les résultats obtenus avec le radar géologique sur une zone expérimentale de la médina. Des exemples spécifiques sont extraits des 270 profiles qui ont été enregistrés, avec une antenne de 400 MHz pour la totalité et une antenne de 200 MHz pour quelques uns. Les résultats ont été contrôlés par 17 forages. La confirmation est satisfaisante : 7 forages ont rencontré les vides tel que prévu, 2 les ont rencontrés à une profondeur supérieure à la profondeur d'investigation, 5 ont mis en évidence un réflecteur géologique comme prévu, 2 n'ont rencontré aucun réflecteur comme prévu et enfin pour 1 seul d'entre eux, le forage destructif n'a pas permis d'identifier le réflecteur attendu. Un début d'étude sur les traces et sur les spectres, en particulier les spectres glissants, semble ouvrir des voies prometteuses pour une interprétation des radargrammes, avec un nombre limité de forages ultérieurs. Le cinquième chapitre présente une synthèse des résultats et répond notamment aux questions posées par les directeurs du projet. Une carte de toutes les cavités détectées par l'ensemble des techniques est présentée. Il y en a près de 200. Aucune zone de la Médina n'est épargnée. En revanche, cette présence n'interdit pratiquement aucun projet d'aménagement ou d'urbanisme. A chaque usage d'un lieu, un traitement spécifique est proposé, dont le coût devrait rester faible par comparaison avec celui de la construction elle-même. Des propositions sont également faites concernant les réseaux, en bon accord avec des solutions de principe proposées précédemment par des bureaux d'étude compétents. En bref, les cavités passent du statut de danger inéluctable et imprévisible, à celui d'éléments apprivoisés de la vie de la médina.