AL’objectif de ce travail de recherche est le développement, la mise au point et la validation d’une méthode de spectroscopie multi-modalités en diffusion élastique et autofluorescence pour caractériser des tissus biologiques in vitro et in vivo. Ces travaux s’organisent en quatre axes. La première partie des travaux présente l’instrumentation : développement, réalisation et caractérisation expérimentale d’un système de spectrométrie bimodale multi-points fibrée permettant l’acquisition de spectres in vivo (distances variables, acquisition rapide). La deuxième partie porte sur la modélisation des propriétés optiques du tissu : développement et validation expérimentale sur fantômes d’un algorithme de simulation de propagation de photons en milieux turbides et multi-fluorescents. La troisième partie propose une étude expérimentale conduite ex vivo sur des anneaux artériels frais et cryoconservés. Elle confirme la complémentarité des mesures spectroscopiques en diffusion élastique et autofluorescence et valide la méthode de spectroscopie multi-modalités et l’algorithme de simulation de propagation de photons. Les résultats originaux obtenus montrent une corrélation entre propriétés rhéologiques et optiques. La quatrième partie développe une seconde étude expérimentale in vivo sur un modèle pré-clinique tumoral de vessie. Elle met en évidence une différence significative en réflectance diffuse et/ou en autofluorescence et/ou en fluorescence intrinsèque entre tissus sains, inflammatoires et tumoraux, sur la base de longueurs d’onde particulières. Les résultats de la classification non supervisée réalisée montrent que la combinaison de différentes approches spectroscopiques augmente la fiabilité du diagnostic. / This research activity aims at developing and validating a multimodal spectroscopy method in elastic scattering and autofluorescence to characterize biological tissues in vitro and in vivo. It is articulated in four axes. At first, instrumentation is considered with the development, the engineering and the experimental characterization of a fibers bimodal, multi-points spectrometry system allowing the acquisition of spectra in vivo (variable distances, fast acquisition). Secondly, the optical properties of tissues are modelled with the development and the experimental validation on phantoms of a photons propagation simulation algorithm in turbids media and multi-fluorescent. Thirdly, an experimental study has been conducted ex vivo on fresh and cryopreserved arterial rings. It confirms the complementarity of spectroscopic measurements in elastic scattering and autofluorescence, and validates the method of multi-modality spectroscopy and the simulation of photons propagation algorithm. Results have well proved a correlation between rheological and optical properties. Finally, one second experimental study in vivo related to a pre-clinical tumoral model of bladder has been carried out. It highlights a significant difference in diffuse reflectance and/or autofluorescence and/or intrinsic fluorescence between healthy, inflammatory and tumoral tissues, on the basis of specific wavelength. The results of not supervised classification show that the combination of various spectroscopic approaches increases the reliability of the diagnosis.

Le chauffage des matériaux cosmétiques peut provoquer une exsudation de surface sous la forme de petites gouttes puis un retrait des gouttes associé à un processus de recristallisation. Des méthodes rhéologiques et de diffusion multiple de la lumière ont permis une étude des effets d’exsudation et de recristallisation en fonction de la température de chauffage, du vieillissement et de la plasticité du matériau. Des simulations numériques et un modèle phénoménologique basés sur la prolifération de fissures métastables et la croissance hors équilibre d’amas de défauts liquides susceptibles de crever la surface permettent de rendre compte des effets d’exsudation et de recristallisation variables selon la plasticité de la matrice semi-cristalline et la teneur en huile dans le matériau soumis à une perturbation thermique. / The heating of cosmetic materials can generate an external sweating phenomenon shown by the formation of droplets, followed by a withdrawal of the droplets due to the recrystallization process. Rheological methods and light scattering allowed to study the effects of sweating and re-crystallization in term of heating temperature, aging, and material’s elasticity. Numerical simulations and a phenomenological model based on the multiplication of metastable cracks and the growth outside of equilibrium state of liquid default pits able to burst the surface proves the sweating effects and the re-crystallization variable depending on the semi-crystalline matrix and the percentile of oil in the material under thermal fluctuation.

Nous nous intéressons, dans cette étude, à la caractérisation d'un défaut en développe une méthode ultrasonore basée sur la diffusion multiple des ondes. Pour cela, nous avons utilisé un béton base polymère endommagé par un essai de flexion en trois points. La technique d’'Interférométrie par Onde de Coda (CWI) prend en compte les ondes issues de la diffusion multiple et qui parcourent de ce fait une distance très grande devant celle séparant la source et du récepteur. Cette technique montre la sensibilité de la coda quand le matériau est soumis en résonance non linéaire où l’ influence des conditions de l’ environnement est considéré comme limité par l’ utilisation d’ un signal différent de référence. Les résultats expérimentaux ont montré que l’ efficacité de la méthode dépend du plan de vibrations considérées. Dans le but d'étudier l’ anisotropie d’ un défaut créé dans un béton base polymère nous avons utilisé les données de l’'Emission Acoustique (EA) récoltées au cours d’ essais acoustiques en Résonance Non Linéaire pour les deux plans. L’ existence d'une différence entre les signaux enregistrés au cours de mesures de l’ EA montrent que nous produisons différents micro-mécanismes dont la présence et / ou l'absence ont un impact important important sur l'interaction entre l'onde ultrasonore et le défaut. / Nonlinear Resonance (NR) and Coda Wave Interferometry (CWI) have proved to be efficient to detect and follow the evolution of micro-cracks within a strongly scattering media (concrete, rocks, etc.). Nevertheless, the localization of the cracks using the same techniques is not straight forward. In order to avoid the conditioning and its subsequent relaxation effect related to NR, CWI is simultaneously applied when concrete samples are vibrating in the linear regime. Based on a comparative study of the coda signals contents (non ballistic part) in the absence and under the weak linear vibration, the localization of the mechanically induced scatterers was possible depending on the scatterers' main direction with respect to the vibration plane. The latter point raises the issue of the generated types of vibration at the scatterers. Therefore, investigations were performed using the Acoustic Emission (AE) technique, which has served to verify that the acoustic activity during the linear vibrations does change depending on the considered experimental configuration. The latter, has also a direct effect on the frequency content of the recorded AE hits showing the potential link existing between the quantitative analysis of AE hits and the generated vibration mechanisms of the existing micro-cracks.

Ce document traite de la résolution de problèmes directs de propagation d'ondes en milieu hétérogène et dans le domaine temporel. L'essentiel du travail porte sur la conception, l'analyse et l'implémentation de méthodes numériques pour la propagation d'ondes : schéma d'ordre élevé pour intégrer les lois de conservation, méthode d'interface immergée pour discrétiser les interfaces sur une grille cartésienne. On modélise numériquement plusieurs lois de comportement linéaires (fluide parfait, élasticité, viscoélasticité, poroélasticité) et conditions d'interface (surface libre, contacts parfaits ou imparfaits). Les résultats numériques sont comparés à des solutions analytiques, dont certaines sont originales. La mise en oeuvre des différentes méthodes au sein d'un code de calcul optimisé rend possible une expérimentation numérique fine de phénomènes ondulatoires en milieux complexes. On étudie de cette façon la propagation des ondes à travers un ensemble de diffuseurs répartis aléatoirement, en dimension deux. Les solutions numériques permettent de caractériser le milieu effectif, et ainsi de quantifier la précision de méthodes classiques de diffusion multiple. En parallèle à ces travaux numériques, une analyse théorique de l'interaction d'ondes élastiques avec des nonlinéarités de contact est aussi menée, en dimension un. On étudie la génération d'harmoniques et la dilatation moyenne d'une fissure en fonction de l'amplitude de l'onde incidente.

L'objectif de ce travail est de modéliser la propagation des ondes cohérentes antiplanes dans une distribution aléatoire et uniforme de fissures fermées ou ouvertes, parallèles ou aléatoirement orientées. Elles contiennent un fluide visqueux ou leurs lèvres sont libres de contraintes. Les mécanismes de diffusion multiple entre fissures sont pris en compte. Une première étude porte sur la réponse d'une couche endommagée à faces parallèles, sollicitée à incidence normale. Les champs de déplacement cohérent siégeant dans les trois régions de l'espace sont déterminés. Par suite, la masse volumique et la rigidité effectives de la couche, vue homogène par l'onde cohérente, sont définies. Les cas d'une distribution de fissures à concentration variable et d'une onde de surface (de type Love) en présence d'une couche endommagée sur un substrat sain sont alors traités. Une dernière application concerne les populations de fissures visqueuses à tailles variables présentes dans la croûte terrestre.

Ce travail résume mes activités de recherche portant sur la diffusion multiple des ondes en milieux désordonnés et, en particulier, sur la dynamique des ondes multiplement diffusées. La spectroscopie, l'imagerie et la microscopie par ondes diffusées, la diffusion multiple dans les milieux non linéaires, la localisation d'Anderson, et l'optique quantique des milieux désordonnés sont discutés dans 4 chapitres.

Nous étudions la dépendance spatio-temporelle de l'énergie de la coda courte-période (> 1Hz) des seismes. Pour celà, nous développons des solutions de l'équation de Transfert Radiatif (TR) pour les ondes élastiques dans des milieux réalistes. Deux approches sont adoptées, l'une numérique basée sur les méthodes de Monte-Carlo, l'autre analytique basée sur l'équation de diffusion. Dans l'approximation acoustique, nous résolvons l'équation de TR pour la croûte terrestre représentée par un guide d'ondes hétérogène. Pour ce modèle, l'énergie de la coda décroît exponentiellement en raison des fuites d'énergie à la base de la croûte. Nous confrontons cette théorie de façon critique à des données du Mexique. Nous concluons que notre modèle avec fuite rend parfaitement compte des observations et nous montrons que l'anélasticité des roches est faible. Enfin nous introduisons le temps de résidence des ondes diffuses pour décrire la décroissance énergétique de la coda. Nous abordons ensuite le problème de diffusion multiple en élasticité complète. Nous tenons compte des conversions entre ondes P et S, ainsi que de leur polarisation, décrite par 5 paramètres de Stokes. Nous montrons que l'énergie de la coda est rapidement dominée par les ondes S. Un équilibre d'énergie universel s'établit rapidement entre les modes P et S, en accord avec le principe d'équipartition . Le phénomène d'équilibrage de l'énergie est également observé pour les ondes de coda du Mexique, démontrant leur caractère diffusif. Enfin, nous calculons le cône de rétro-diffusion cohérente dynamique en champ proche. Nous montrons qu'après un régime transitoire, le cône se stabilise et s'étend sur une longueur d'onde autour de la source. L'ensemble des modèles et observations nous permettent de confirmer la nature diffusive de la coda.

EUSO est un projet de détection spatiale des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Son principe consiste à observer les photons de fluorescence émis par les gerbes atmosphériques depuis un télescope embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale.<br />Au cours de cette thèse, un logiciel de simulation a été développé pour étudier les caractéristiques de ce nouveau concept de détection. Il modélise les différentes étapes de la détection : développement des gerbes atmosphériques, génération des photons de fluorescence et Cerenkov, et transfert des photons jusqu'à la lentille du télescope. Il inclut notamment un algorithme Monte-Carlo de propagation des photons dans l'atmosphère, traitant la diffusion multiple en conditions de ciel clair ainsi qu'en présence de nuages et d'aérosols.<br />Avec ce programme de simulation, l'impact des conditions atmosphériques sur les performances d'un détecteur spatial a été étudié. La modélisation précise de la propagation des photons dans l'atmosphère a permis de quantifier la contribution des photons diffusés au signal détecté.

Ce mémoire de thèse rapporte des résultats sur deux problèmes de la physique des mousses aqueuses tridimensionnelles : le transport de fluide par imbibition capillaire et la rhéologie. Ils sont tous deux traités par une approche physico-chimique et multi-échelles, les mesures en volume étant reliées à des mesures aux interfaces gaz / liquide. Lors de ce travail, les types de tensioactif et de gaz ont été variés de façon à contrôler les propriétés interfaciales. En plus de ces paramètres, l'effet de la fraction volumique de liquide a été étudié.<br />Les caractéristiques de l'imbibition capillaire ont été mesurées par des techniques optiques et électriques au cours de vols paraboliques, permettant de supprimer la composante gravitationnelle du drainage. Les équations théoriques décrivent correctement les résultats expérimentaux en dessous d'une fraction volumique de liquide de 0,12. Au delà, j'ai calculé une nouvelle équation pour tenir compte d'une autre répartition du liquide dans la mousse. Des résultats d'essais techniques liés à l'avancement de programmes ESA / CNES sont également exposés.<br />La rhéologie a été mesurée en modes oscillatoire et continu. Le premier mode permet d'attribuer l'origine de la viscoélasticité des mousses aqueuses à la pression de Laplace, avec une possible correction par l'épaisseur des films. En outre, j'ai développé un modèle basé sur l'analogie de la fraction volumique de liquide à une température. Le second mode, assisté par la DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), permet de relier l'écoulement macroscopique à des réarrangements microscopiques, tout en tenant compte du glissement en paroi. Des phénomènes de dilatance ont été mis en évidence pour la première fois dans les mousses. Ils conduisent à des écoulements de la phase liquide, qui semblent être contrôlés, à première vue, par les mêmes paramètres que les écoulements de drainage.

Ces travaux de thèse expérimentaux portent sur la propagation linéaire et non linéaire d'ultrasons en milieux aléatoires fortement hétérogènes. En régime non linéaire, nous étudions la transmission cohérente d'une onde de choc à travers deux milieux aléatoires hétérogènes modèles : une forêt de tiges métalliques immergées dans l'eau, et un gel bulleux. L'expérience montre que les effets de la non linéarité et de la diffusion multiple y sont découplés. Nous exploitons alors l'étendue spectrale de l'onde de choc incidente, pour mesurer l'atténuation et la vitesse de groupe de l'onde cohérente, sur un large intervalle de fréquences. En comparant nos mesures à une théorie linéaire de la diffusion, incluant des corrélations de paires entre centres diffuseurs, nous étendons son domaine de validité, et nous montrons par la même qu'une onde de choc constitue un bon outil de spectroscopie des milieux fortement hétérogènes. À l'aide du même dispositif expérimental, nous observons pour la première fois une coda ultrasonore transmise par un milieu bulleux. Dans un régime de propagation linéaire, nous exploitons la coda engendrée par la diffusion multiple pour mesurer les paramètres de transport des forêts de tiges métalliques immergées. Nous présentons des mesures impulsionnelles et résolues en fréquence de la constante de diffusion des ultrasons dans ces milieux. Ces dernières montrent tout l'intérêt d'étudier la coda, qui fournit des mesures mieux résolues que l'onde cohérente. Enfin, nous présentons les premières mesures résolues en fréquence de la vitesse de transport pour ces milieux modèles. Avec ces mesures, nous disposons maintenant d'un milieu hétérogène synthétique parfaitement caractérisé en régime linéaire.