Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à divers aspects de la propagation d'une onde ultrasonore dans des milieux hétérogènes périodiques et désordonnés.<br /><br />Nous avons tout d'abord conçu et caractérisé des échantillons périodiques, autrement appelés "cristaux phononiques". Ces matériaux se comportent comme des filtres fréquentiels et présentent un grand intérêt technologique et théorique. <br />Nous avons étudié le temps de groupe à la traversée de monocristaux, qui révèle un effet analogue à l'effet tunnel en mécanique quantique. Dans une structure de type Fabry-Pérot constituée de deux cristaux phononiques, nous avons mis en évidence des résonances en transmission. L'étude du temps de groupe montre un phénomène de piégeage de l'onde dans la cavité, analogue de l'effet tunnel résonant. Les résultats obtenus sont confirmés par la modélisation numérique.<br />Par la suite, des expériences de Retournement Temporel dans les cristaux phononiques ont révélé une absence d'hyperfocalisation, caractéristique des milieux désordonnés.<br /><br />Nous avons ensuite cherché à mettre en évidence la diffusion multiple en régime non-linéaire dans les nuages de bulles. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental qui nous a permis de générer des populations de bulles relativement stables et contrôlées. Plusieurs méthodes de caractérisation de la fonction de distribution du rayon des bulles ont été mises en oeuvre, et l'une d'elles nous a permis d'estimer la fraction volumique de bulles.<br />Les densités de bulles mises en jeu n'ont pas permis de mettre en évidence un régime de diffusion multiple fort, tandis que l'origine des non-linéarités observées reste incertaine.

Dans cette th`ese, nous avons utilis´e un nuage d'atomes de strontium refroidis<br />par laser sur la transition 1S0 !1 P1 `a 461nm afin d'´etudier les effets de diffusion<br />multiple coh´erente en fonction de la saturation. Nous avons observ´e une<br />d´ecroissance nette du facteur d'amplification du cˆone de r´etrodiffusion coh´erente<br />en fonction de la saturation.<br />Nous avons men´e ensuite une ´etude syst´ematique du refroidissement Doppler<br />sur la transition bleue dans une configuration 1D. Ceci nous a permis de<br />mettre en ´evidence et de caract´eriser un ph´enom`ene de diffusion suppl´ementaire<br />pour l'impulsion, caus´e par des d´es´equilibres locaux dans le profil d'intensit´e des<br />faisceaux.<br />Le nuage a enfin ´et´e transf´er´e significativement vers un pi`ege magn´eto-optique<br />sur la transition 1S0 !3P1 d'intercombinaison `a 689 nm. L'objectif ´etant d'augmenter<br />la densit´e spatiale pour observer les effets de localisation des photons dans<br />ce nouveau r´egime.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé.

Quel que soit le type d'onde étudié, on peut classer les systèmes ondulatoires complexes essentiellement en deux catégories, et ceci malgré la différence entre les équations d'ondes qui les régissent. On a d'une part ceux pour lesquels la géométrie des bords induit la complexité : on parle alors de chaos ondulatoire. On a d'autre part les systèmes rendus complexes du fait des hétérogénéités du milieu conduisant à un régime de diffusion multiple. L'utilisation des cavités micro-ondes bidimensionnelles (2D) comme système de base pour étudier ces deux régimes permet de réaliser des expériences modèles à l'échelle macroscopique. Dans le régime du chaos ondulatoire, nous étudions, pour la première fois dans une expérience, le cas d'une cavité rectangulaire perturbée par un défaut métallique quasi-ponctuel. En nous appuyant sur une approche semi-classique, basée sur la notion d'orbites périodiques, nous mettons en évidence, pour la première fois, les contributions des orbites diffractives dans les spectres de longueurs. L'utilisation de milieux désordonnés diélectriques fortement diffusifs ouverts, permet d'observer la localisation d'Anderson 2D par l'étude des modes localisés. Nous décrivons dans le détail le dispositif expérimental ainsi que le protocole suivi pour remonter à la représentation spatiale d'un mode localisé. Nous prouvons, pour la première fois expérimentalement, que les largeurs spectrales de ces modes localisés, liées aux fuites de l'énergie par les bords du système, décroissent exponentiellement avec la taille du système. Nous montrons, en outre, que cette décroissance exponentielle est contrôlée par les plus grandes longueurs de localisation.

Une peinture est un matériau complexe composé de plusieurs couches picturales. Ce travail de recherche poursuit un double but : comprendre et modéliser l'aspect visuel d'un tel milieu stratifié et développer des méthodes non destructives permettant d'identifier les différents constituants présents dans une œuvre d'art. L'équation de transfert radiatif, résolue par la méthode de la fonction auxiliaire, permet de modéliser l'aspect visuel des couches picturales stratifiées. Cette modélisation est validée par comparaison avec des spectres expérimentaux de réflexion diffuse. Expérimentalement, la reconnaissance des pigments et des colorants à partir d'un appareil déjà opérationnel au laboratoire a été étendue à celle des constituants d'un mélange de pigments. De plus, la tomographie optique cohérente (OCT), développée au cours de cette thèse, permet d'imager les pigments et d'obtenir une information spectrale permettant d'envisager une identification non destructive des composants de couches picturales stratifiées.

L'objectif de ce travail est d'étudier les phénomènes liés à la propagation acoustique dans deux types de milieux hétérogènes : les milieux multiplement diffuseurs aléatoires et ceux périodiques. Ces milieux comportent des inclusions cylindriques (diffuseurs) soit remplies d'air soit remplies d'eau. Les outils théoriques qui sont mis en œuvre sont ceux de la diffusion multiple, et la description de l'interaction des ondes élastiques avec un diffuseur est traitée à l'aide d'une analyse modale. Les résultats de cette thèse peuvent avoir des retombées en ce qui concerne la compréhension des phénomènes liés à la propagation en milieu poreux et dans les cristaux phononiques. Ils ouvrent également des perspectives intéressantes en ce qui concerne l'évaluation ultrasonore de matériaux composites. Les deux premiers chapitres de la thèse traitent des phénomènes d'interaction résonante tout d'abord pour un réseau de quelques diffuseurs, puis pour un réseau composé d'une distribution linéaire et périodique d'un grand nombre diffuseurs. La propagation d'ondes dans des réseaux bi-périodiques est étudiée dans le troisième chapitre. Le formalisme utilisé est exploité dans le chapitre final pour valider une théorie de milieu effectif décrivant originellement la réflexion et la transmission des ondes cohérentes par une couche de diffuseurs aléatoirement répartis. Pour cette validation, la théorie a été adaptée à une distribution semi-périodique et semi-aléatoire de diffuseurs.

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces

Ce travail de thèse présente une étude numérique et théorique de l'influence des effets coopératifs sur la localisation de la lumière dans des vapeurs atomiques, suivie d'une étude expérimentale de ces effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple dans des nuages d'atomes froids dilués. Le premier chapitre décrit le modèle que nous utilisons, basé sur l'Hamiltonien effectif d'interaction matière rayonnement, afin d'étudier numériquement la localisation de la lumière et les effets coopératifs. Nous discutons également des différences fondamentales existant entre la situation réelle où la lumière est assimilée à une onde vectorielle et l'approximation scalaire plus facile à traiter analytiquement. Le deuxième chapitre se concentre sur la présentation des résultats numériques complétée d'une comparaison systématique entre les cas scalaire et vectoriel. Nous remarquons dans cette partie que l'approximation scalaire, valable dans la limite des milieux spatialement dilués, présente des différences drastiques avec le cas vectoriel lorsque nous considérons des milieux spatialement denses. Nous n'observons pas également d'indications suffisantes nous permettant de discriminer le fait que les effets coopératifs ne soient pas à la base des mécanismes de localisation de la lumière. Dans la dernière partie nous nous intéressons expérimentalement aux signatures des effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple en confrontant à nos résultats expérimentaux plusieurs approches théoriques tenant compte ou pas des effets d'interférences.

La coda ultrasonore présente une haute sensibilité aux perturbations du milieu de propagation. L'analyse de la coda par la Coda Wave Interferometry (CWI) permet d'évaluer précisément la variation de la vitesse de propagation (résolution en relatif de 0,001 %). Une telle évaluation peut être utilisée pour le contrôle non destructif (ECND) d’un matériau ou d'une structure.Un essai expérimental est présenté au début comme exemple d’utilisation de la CWI pour l’ECND du béton. Face aux problèmes inhérents au degré de précision de cet essai, nous présentons un protocole conçu pour améliorer la fiabilité des résultats CWI. Nous vérifions expérimenta vérifient que ce protocole peut améliorer la répétabilité de l’essai en réduisant les biais provenant des fluctuations de température ambiante et des procédures expérimentales. Avec ce protocole, une étude du comportement de béton sous un chargement uni-axial en traction directe a été effectuée en utilisant la CWI. Les comportements élastique (l’effet acoustoélastique) et anélastique (l’effet Kaiser) du béton sont observés via les résultats CWI. Un coefficient acoustoélastique effectif (Bêta) a été déterminé et utilisé pour la détection d’un endommagement léger du béton.La CWI est ensuite utilisée pour la détection globale de défauts dans un milieu initialement linéaire (verre) en observant la modulation non linéaire. L’apparition de ce phénomène non linéaire est due à la présence des défauts et détectée par la variation des résultats CWI en fonction de l’amplitude de l’onde de pompe. Nous montrons que cette méthode permet la détection des défauts et d’évaluation du niveau d’endommagement d’une manière globale sans zone aveugle. / With their long and complex propagation paths, coda waves can probe the propagation medium repeatedly and show a high sensitivity to the perturbations to the medium, i.e. variations in propagation velocity. Since such variations may indicate the modification of elastic properties and Coda Wave interferometry (CWI) can determine it precisely (relative resolution of 0.001%), CWI is considered a promising method for non destructive testing and evaluation (NDT&E). An experimental test is presented as an example of the CWI use on concrete for NDT&E purpose. For solving the experimental repeatability issue revealed in this test, a bias-control protocol is designed to reduce the experimental bias in CWI results. It is experimentally confirmed that this protocol can remarkably improve the reliability of CWI results and the experimental repeatability. Together with this bias-control protocol, the CWI is used to study the behaviors of concrete under uni-axial load in direct tension. Both elastic (acoustoealstic effect) and inelastic (Kaiser effect) behaviors are observed via CWI results. Effective value of acoustoelastic coefficient is then determined from CWI results and used for the detection of an early-stage damage that artificially induced to the concrete specimen. A defect-detection method of an initially linear medium (glass) is then developed by using the CWI. Due to the nonlinearity brought by the defects, acoustic mixing effect occurred, and the observation of such effect is the indication of damage. The use of a broadband pump wave and the CWI makes possible to 1) detect the damage globally without blind zone and 2) assess the damage level in an effective manner.

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces / This experimental work describes sound propagation in dry granular media. These sound waves provide a non invasive method to probe the viscoelastic properties and the heterogeneous structure of the materials. They may also be served as controlled perturbation to study the nonlinear response due to the rearrangements of the contact force networks. In the first part, we investigate the coherent wave propagation both in the packings of glass beads and those of irregular grains such as sands. In the linear regime, measured compressional wave velocities are in good agreement with the effective medium theory, giving access to the coordination umber Z. In the nonlinear regime, we observe both softening and hardening of the sound velocity, likely stemming from the change in Z caused by the strong vibration. In the second part, we study the multiple scattering of short-wavelength elastic waves in granular media. It is shown that the wave transport can be well described by the approximation of diffusion. We determine the diffusion constant and the inelastic absorption time as a function of the confining pressure and the frequency of the incident wave. The plot of the mean transport free path versus the wavelength shows two distinct regimes of transport in low- and high-frequency. Moreover, we find time-resolved intensity profile of multiply scattered waves exhibit a non exponential decay in long time, thus deviated from the classic diffusive transport. A parametric study using the renormalized diffusion constant is performed in order to understand the underlying physics of such anomaly wave transport. Finally, we perform a first experimental study of the time-reversal of ultrasound in glass bead packings. In the linear regime, we obtain by time-reversal processes both a temporal recompression and a spatial refocusing at the source transducer of an ultrasonic pulse transmitting through the disordered force networks. However, in the nonlinear regime, we observe a breakdown of the time-reversal of ultrasound due to the structural change of the materials, i.e. sound-induced rearrangement of the force networks