Les procédés à membranes fonctionnant en mode frontal sont limités par le colmatage. La maîtrise et l'anticipation du colmatage, alors indispensables à la bonne gestion de l'opération, font l'objet de cette étude appliquée à la potabilisation d'eau. Un volume filtré critique, caractérisant la transition entre une accumulation réversible de matière (phase dispersée) et un dépôt irréversible (phase condensée), a été mis en évidence expérimentalement et ses variations avec le flux de filtration et le type de dispersion étudiées. L'analyse et la simulation théorique de la filtration, couplées à la modélisation des propriétés colloïdales, ont permis de relier la pression osmotique au volume filtré critique. Ces résultats ont été utilisés pour améliorer la conduite des opérations de filtration d'une eau de surface : des rinçages réalisés après un volume filtré inférieur à la valeur critique ont conduit à une réduction significative du colmatage et de la consommation énergétique associée.

Le projet NEOPHIL a pour ambition d'élaborer une membrane d'ultrafiltration (UF) en fibre creuse de poly(fluorure de vinylidène) (PVdF) possédant une résistance au colmatage stable dans le temps. Cette propriété peut être acquise par l'ajout d'un copolymère à blocs nommé GEN dans la solution de préparation des fibres en plus de l'additif poly(vinyl pyrrolidone) (PVP) classiquement utilisé. Dans ce travail, nous nous sommes attachés à la détermination des additifs en surface, dans la masse et à établir des profils de concentration par ATR-FTIR, T%-FTIR et microscopie Raman. Ces analyses ont montré que la moitié de la PVP est lessivée dans le bain de coagulation alors que GEN reste quantitativement ancré dans la matrice. Dans le cas de la PVP, les paramètres d'élaboration comme la présence de solvant ou de PVP dans le bain de coagulation influent fortement sur le profil de concentration au niveau des interfaces. Par la suite, une analyse multicritère entre l'hydrophilie apportée par les additifs et le colmatage a été effectuée. Cette étude a été réalisée par des mesures d'angle de contact à l'eau, de rétention d'eau et de pression d'intrusion d'eau sur fibres sèches en relation avec la taille et la distribution des pores, la rugosité de surface (AFM) et la perméabilité à l'eau pure. La rétention d'eau et la pression d'intrusion d'eau semblent les deux techniques les plus pertinentes pouvant relier les propriétés physico-chimiques et les performances de filtration. Une étude préliminaire sur le comportement au vieillissement a également été effectuée qui montre que GEN est peu extrait alors que la PVP disparait en partie par extraction et/ou dégradation. Ce phénomène affecte fortement les différents paramètres étudiés dans l'analyse multicritère. / The project NEOPHIL aims to develop an ultrafiltration (UF) membrane hollow fiber from poly (vinylidene fluoride) (PVdF) that resists to fouling amide time. This property can be achieved by adding a block copolymer called GEN in the fiber preparation solution in addition to the classic additive, poly (vinyl pyrrolidone) (PVP). In this work, we focused on the quantification of additives on the surface, in the bulk and establishing the concentration profile by ATR-FTIR, T% -FTIR and Raman microscopy. These analyzes showed that half of the PVP is washed away into the coagulation bath while GEN quantitatively remains anchored in the matrix. In the case of PVP, the formulation parameters such as the presence of solvent or PVP in the coagulation bath greatly affects the concentration profile at the interfaces. In addition a multi-criteria analysis between hydrophilicity provided by the additives and the fouling was established. This study was carried out by measurement of the water contact angle, water retention and water intrusion pressure of dry fibers in relation to the size and distribution of pores, the surface roughness (AFM) and the permeability to pure water. Water retention and water intrusion pressure seem to be the two most relevant techniques that can connect the physicochemical properties and filtration performance. A preliminary study on the aging behavior was also performed showing that GEN is not extracted while the PVP is lost partly by extraction and/or degradation. This phenomenon strongly affects the different parameters studied in the multi-criteria analysis.

Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs. / This thesis reports on the design and fabrication of an experimental platform for in-fibre laser cooling of Rb and atom optics. By in-fibre laser cooling, we mean the long term aim of laser cooling thermal Rb atoms of a Photonic MicroCell (PMC), and subsequently developing what would be cold-atom photonic crystal fibre (PCF). The platform was designed to harbor several experiments on cold and thermal atom guidance and in-fibre spectroscopy so to address several open questions related for example to the effect of the core inner-wall surface on the atom energy structure and on selective fibre mode excitation for atom trapping and cooling. The completed platform comprises a specific and large ultra-high vacuum (UHV) chamber and a set of lasers for both atom cooling and atom guiding inside highly tailored hollow-core PCF (HC-PCF). The UHV chamber was designed to accommodate several HC-PCFs and two magneto-optical traps (MOT). The HC-PCF were designed, fabricated and post-processed to exhibit different core diameter, modal content and core inner surface material. For example, the mode field diameters range from ~30 µm to ~80 µm for the fundamental Gaussian-like core mode, and the surface materials include pure silica, a layer of Aluminosilicate or a layer of PDMS so to provide a large parameter space in assessing the effect of surface on the fibre-confined atoms. The system has been constructed and characterized. The cooling/repumping laser was frequency-stabilized, with measured Allan variance deviation of σ(τ)=3.8×10^(-11)/√τ. With the system we generated MOT with both isotopes of the Rb atom, with a cooling temperature as low as 7 µK. The platform is now operational to undertake the first atom guidance and explore the feasibility of atom cooling inside a HC-PCF.

Cette thèse principalement théorique se situe dans le cadre de l'utilisation du laser de la Salle Noire du LOA, qui fournit des impulsions ultracourtes (2 cycles optiques) et énergétiques (1mJ) à 1kHz, stabilisées en CEP, pour générer des harmoniques sur cible solide. D'une part, pour profiter pleinement des ressources du laser, j'ai développé un code de simulation de propagation dans une fibre creuse qui, associé à une analyse expérimentale, a permis de repousser la limite en énergie de cette technique de compression. J'ai d'autre part utilisé des simulations PIC et j'ai développé un modèle de simulation de l'émission CWE pour quantifier sa dépendance aux conditions laser et plasma. Ce travail a servi premièrement à expliquer la variation expérimentale du spectre CWE à la CEP de l'impulsion laser. Deuxièmement, à partir d'une étude paramétrique expérimentale des spectres CWE, de remonter à des informations sur le plasma tels que le gradient de densité et la température électronique.

Ce travail de thèse est une contribution à l'étude du rayonnement UVX cohérent produit par génération des harmoniques d'ordre élevé d'une impulsion laser intense focalisée dans un gaz rare. <br />Dans une première partie, nous présentons une étude approfondie de l'optimisation du flux harmonique produit soit dans une fibre creuse soit dans un jet. Dans chacun des cas, nous déterminons les facteurs limitant l'émission : accord de phase, absorption, ionisation, défocalisation. La comparaison des profils d'émission avec les simulations démontre le rôle crucial de la phase du dipôle atomique pour la génération dans une fibre. L'optimisation dans un jet conduit à des efficacités de conversion allant de 10-5 à 50nm (1010 ph/imp) à 10-7 à 15nm (5.107 ph/imp). <br />Dans une deuxième partie, nous étudions la focalisation du rayonnement harmonique par une lentille de Bragg-Fresnel, qui permet une focalisation efficace hors axe, sans aberration. Nous mesurons pour l'harmonique 39 une tache focale de l'ordre de 2µm. Compte tenu du flux élevé et de la courte durée (femtoseconde) des harmoniques, des éclairements élevés dans l'UVX peuvent être atteints.<br />Finalement, nous présentons les premières expériences de diagnostic de plasma par interférométrie UVX utilisant le rayonnement harmonique. Une technique originale est développée à partir de 2 sources harmoniques mutuellement cohérentes séparées spatialement. L'analogue temporel de l'interférométrie spatiale, qui utilise 2 impulsions harmoniques séparées en temps, est également démontré. Cette interférométrie fréquentielle a permis le premier diagnostic UVX de l'évolution temporelle d'un plasma avec une résolution femtoseconde. Une extension du schéma de 2 à 4 impulsions permet de mesurer avec une sensibilité extrême un déphasage équivalent à une demi-période harmonique, soit des écarts temporels à l'échelle attoseconde (1as=10-18s).