The Clement Ader Institute of Albi and the von Karman Institute follow<p>since numerous years works about IR radiometry with the aim to do quantitative<p>thermography (true temperature measurement without contact). These works allowed<p>to explore potentiality several spectral bands :8-12µm, 3-5µm and recently the<p>0.75-1.7µm band (near IR) with the help of CCD camera (Si) or VisGaAs camera.<p>Studies done in this specific domain have underlined some perturbations emphasized<p>at high-temperature (T>800◦C). This work has to deal in details with the<p>treatment of parameters playing a role in camera measurements. The first of these<p>parameters is the emissivity, this treatment is made in another thesis. The second<p>parameter affects particularly the hot spot location and the spatial distortion. This<p>perturbation comes from convective effect present around every hot objects.The<p>purpose of this thesis is to analyze this effect and to correct it. Indeed, when a hot<p>object is in a colder surrounding media, a temperature gradient is shaped around<p>the object and thus a refractive index gradient too. This phenomena brings inevitably<p>distortions of the spatial information received by the camera. The goal of this<p>work will be to estimate and correct error made on temperature and/or distortion<p>measurement by CCD or VisGaAs camera on hot object.We chose to focus our work<p>on the convective plume created by a hot horizontal disk. This study will be done<p>with an experimental and a numerical approach. For the numerical approach, a raytracing<p>code has been developed in order to obtain numerically the displacement<p>due to the light deviation occurring in the perturbation. The input data of the code<p>is the refractive index of the hot air present around the object. This refractive index,<p>depending on the wavelength, can be found directly from the temperature thanks<p>to the Gladstone-Dale law. The temperature is given by a CFD software such as<p>FLUENT. Experimentally, we will use the Background Oriented Schlieren (BOS)<p>method in order to retrieve the displacement. We can see that the displacement can<p>reach 4 pixels in the plume (corresponding to 1mm in this case). This perturbation<p>has been studied for several spectral bands (visible, near infrared, infrared). Finally,<p>some solutions of correction are given, like using the inverse Abel Transform<p>in order to retrieve from the 2D displacement, a 3D (axisymmetric) refractive index<p>field that we will implement in the ray-tracing code and consequently predict the<p>displacement for any kind of wavelength or distance (distance between the camera<p>and the object)./L’Institut Clément Ader Albi (ICAA) et l’Institut von Karman (IVK)<p>mènent depuis un certain nombre d’années des travaux sur la radiométrie IR dans<p>le but de faire de la thermographie quantitative (mesure de température vraie sans<p>contact). Ces travaux ont permis d’explorer les potentialités de plusieurs bandes<p>spectrales :8-12µm, 3-5µm et plus récemment la bande 0,75-1,7µm (proche IR) à<p>l’aide de caméras CCD (Si) ou VisGaAs. Les travaux effectués dans ce domaine<p>spectral ont permis de mettre en évidence un certains nombre de perturbations<p>renforcées par les hautes températures (T>800◦C). Cette thèse aborde de façon détaillée<p>le traitement d’un certain nombre de grandeurs d’influence liées à la mesure<p>de différents paramètres dans le domaine du proche IR mais également étendus aux<p>domaines du visible et de l’IR. La première de ces grandeurs est l’émissivité dont le<p>traitement a déjà été abordé par d’autres études. La seconde grandeur d’influence<p>touche plus particulièrement à la localisation des points chauds sur l’objet et la distorsion<p>du champ de température apportée par les effets convectifs présents autour<p>d’un objet à haute température, elle est le coeur de cette thèse. En effet, lorsqu’une<p>pièce chaude se trouve dans un milieu ambiant beaucoup plus froid, il se crée un<p>gradient de température et donc d’indice de réfraction autour de la pièce. Or les<p>caméras travaillant dans les différentes bandes spectrales vont être plus ou moins<p>sensibles à ces variations d’indices de réfraction du fait de la dépendance de l’indice<p>optique avec la longueur d’onde et de la résolution spatiale de la caméra utilisée.<p>Ce phénomène, appelé effet mirage, entraîne inévitablement une déformation des<p>informations spatiales reçues par la caméra. Le but de cette thèse a donc été d’estimer<p>et de proposer une première approche pour corriger l’erreur faite sur la mesure<p>de température et/ou de déformation faites par caméras sur des pièces chaudes.<p>La démarche générale du travail a donc été dans un premier temps de calculer le<p>champ de température autour de l’objet considéré en se ramenant d’abord à des cas<p>simplifiés. On en a déduit alors le champ de réfraction entraînant une « déformation<p>» de l’objet, en faisant le lien entre T et n. Cette étape correspond à l’approche<p>numérique de notre étude. Cette étape numérique a été réalisé à l’aide d’un outil de<p>lancer de rayons développée à l’ICA. L’approche expérimentale a consisté à l’utilisation<p>de méthodes telle que la BOS (Background Oriented Schlieren), la PIV,<p>la srtioscopie afin de déduire le champ de déplacements provoqué par le panache<p>convectif. Ces résultats ont été comparés à la méthode numérique et ceci pour différentes<p>longueurs d’ondes. Enfin, une stratégie de correction d’images perturbées<p>a été abordé à l’aide de méthodes telles que la transformée d’Abel inverse afin de<p>remonter au champ d’indice de réfraction 2D axisymétrique à partir d’une déformation<p>plane. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La thématique de cette thèse est l'alignement moléculaire. Celui-ci est un sujet très important qui ouvre la voie sur un contrôle beaucoup plus fin de nombreux phénomènes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle technique de mesure de l’alignement moléculaire suivant un axe et permettant d’en conserver le signe. Celle-ci est, à l’instar des techniques de mesure de l’alignement moléculaire développées dans l’équipe, basée sur la mesure de variation d’indice de réfraction induite par l’alignement moléculaire. La technique développée ensuite permet également la mesure de l’alignement moléculaire, tout en étant aussi une application de celui-ci puisqu’il permet ici la génération de troisième harmonique. L’alignement moléculaire est également mis en oeuvre dans la dernière étude puisque nous montrons qu’il apporte la résolution nécessaire à l’étude de la thermalisation d’un échantillon moléculaire excité / The thematic of this thesis is molecular alignment. The latter is a very important topic that opens the way toward a much more thin control of many phenomenons. So, we have developed a new measurement technique of the molecular alignment along one axis that permits to preserve the sign of alignment. This one is, like other measurement techniques developed by the team,based on the measurement of the refractive index variation induced by the molecular alignment.The technique developed then also permits the molecular alignment measurement, being also an application of it because it allows the third harmonic generation. In the last study, molecular alignment is implemented to show that it brings the necessary resolution for the study of an excited molecular sample thermalization

Cette thèse est consacrée à l’étude de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires sur un substrat solide. Ces matériaux, capables de s’auto-organiser en de larges domaines orientés, sont généralement obtenus à partir de molécules discotiques dérivées de colorants aromatiques. Ces différentes caractéristiques, associées à une bonne mobilité de charges, permettent d'envisager l'utilisation des cristaux liquides colonnaires en film mince dans des dispositifs photovoltaïques. Afin de bénéficier de leurs bonnes propriétés optoélectroniques, les cristaux liquides colonnaires doivent être déposés en film mouillant, d’épaisseur inférieure à 100 nm, et leur orientation contrôlée. Ainsi, pour des applications photovoltaïques, un alignement homéotrope (colonnes normales au substrat) est requis. Inversement, l’orientation planaire uniaxe (colonnes parallèles au substrat), est quant à elle requise pour une utilisation de ces composés dans les polariseurs ou dans les transistors organiques à effet de champ. Dans ce travail, différentes méthodes permettant de contrôler l’alignement de films minces ouverts de cristaux liquides colonnaires ont été développées, permettant d’obtenir aussi bien un ancrage homéotrope par traitement thermique spécifique, qu’un ancrage planaire uniaxe par dépôt préalable d’une couche de téflon. Le contrôle de l’orientation a ainsi permis d’une part de produire un film mince (e ? 50 nm) mouillant en ancrage homéotrope ouvrant la voie vers des cellules solaires organiques efficaces, et d’autre part de déterminer l’ensemble des propriétés optiques (indices complexes anisotropes) de ces matériaux cristallins liquides colonnaires. La dynamique du démouillage et l’état d’équilibre d’un film mince ouvert de cristal liquide colonnaire ont également été étudiés. Les résultats expérimentaux révèlent la formation de gouttelettes anisotropes et la présence d’un film nanométrique lors du démouillage de ce film mince / This thesis deals with columnar liquid crystal studied in the geometry of open supported thin films. Columnar liquid crystals are usually made of disk-shaped molecules derived from aromatic dyes. They are efficient charge transporters with the added capacity to self-assemble in large oriented domains. Consequently, such materials may be used in photovoltaic devices. In order to benefit from their good uniaxial charge mobility, their organization has to be controlled in uniform oriented thin films in the range of thicknesses of typically 100 nm. Homeotropic alignment (columns normal to the interface) is required for solar cells whereas uniaxial planar anchoring (columns parallel to the interface) is needed for applications such as polarizers or organic field effect transistor. Different methods to monitor the alignment in open thin films have been developed in this work, which make possible to achieve either homeotropic anchoring by a specific thermal treatment, or uniaxial planar orientation using a Teflon layer. Based on these orientation skills, a uniform ultra-thin film, free of dewetting and homeotropically oriented, is achieved (down to 50 nm thick) opening the way towards efficient solar cells, and a complete study of the optical properties has been performed (with the determination of the anisotropic complex indices) for different columnar liquid crystals. The dynamics of dewetting and the equilibrium state of a thin supported film have also been investigated. Experimental results show the formation of anisotropic droplets and reveal a nanometric film during dewetting.

Dans un monde de plus en plus pollué par l'activité industrielle, la détection des espèces gazeuses nocives dans l'atmosphère est d'une importance essentielle. Le marché des capteurs de gaz est déjà bien développé, avec la présence de diverses technologies et principes de détection, chacune présentant des avantages et des inconvénients intrinsèques. Dans le cadre de cette thèse, un alliage entre deux ou plusieurs technologies de détection typiquement utilisées de façon autonome a été visée, afin d'améliorer les performances globales des systèmes capteurs ainsi formées. A ce fin, nous avons conçu et étudié des dispositifs capteurs basées sur la transduction optique, couplée à un matériau sensible au gaz cible à détecter. Plus précisément, nous avons intégré pour la première fois un matériau catalyseur pouvant accélérer le taux d'oxydation des espèces chimiques (tel le monoxyde de carbone ou l'hydrogène) avec une architecture optique capable d'absorber la chaleur cédée lors de cette oxydation. L'augmentation de température occasionnée est traduite en une variation d'intensité lumineuse constituante le signal de sortie du capteur. Les travaux effectués sur les mesures de la dispersion thermique et chromatique de l'indice de réfraction des matériaux constituant le transducteur optique par des techniques d'optique guidé, ellipsométrie et des techniques photométriques sont présentés. Le sondage par moyen optique des propriétés électriques des matériaux semiconducteurs a également été étudié, y compris les variations de ces propriétés en présence des gaz oxydants, réducteurs et combustibles. / In a world suffering from increasing air pollution due to spiraling industrial activity, the detection of toxic gasses in the atmosphere is of paramount importance. The gas detector market is already well developed, and features a wide variety of detection technologies and techniques, each presenting its own set of intrinsic advantages and drawbacks. In this thesis, a combination of two or more technologies typically used independently has been studied in order to improve the global performances of gas detection systems. To this length, we have conceived and studied detector architectures based upon optical transduction systems, coupled with a material presenting a specific sensitivity to the target gas. More precisely, we have for the first time integrated a catalyst designed to accelerate the oxidation rate of chemical species (such as carbon monoxide or hydrogen) with an optical component capable of absorbing the heat generated by the oxidation reaction. The associated increase in temperature is translated to a variation of the optical intensity comprising the exit signal of the detector. The work carried out measuring the chromatic and temperature dispersion of the refractive index of the materials comprising the optical transduction component by guided mode techniques, ellipsometry and photometric techniques is presented. The optical probing of the electrical properties of semiconductor materials has also been studied, including the variations of these properties following interactions with oxidizing, reducing, or combustible gasses.

Cette thèse participe à l'étude générale et à la compréhension des relations structure- propriétés optiques de couches minces d'oxyde de tungstène, nanostructurées lors de leur dépôt par la technique Glancing Angle Déposition. Cette technique repose sur le contrôle de l'orientation relative du substrat vis à vis de la source de vapeur.[...] / This thesis contributes to the general study and understanding of the relationship between structure and optical properties of nanostructured tungsten oxide by Glancing Angle Déposition technique. this technique relies on the control of the relative orientation of the substrate to the vapor source.[...]

La thermodiffusion, également appelé effet Soret, décrit le couplage entre les gradients de température et les flux massiques qui en résultent. Ce phénomène intervient dans de nombreux processus naturels et applications industrielles. En particulier, les réservoirs pétroliers sont sujets à ce phénomène impliquant des fluides multi constituants confinés dans une matrice poreuse et soumis à un gradient de température. Néanmoins, malgré beaucoup des progrès, il existe relativement peu de mesures fiables de ce phénomène et sa modélisation reste largement un problème ouvert. L’objectif principal de cette thèse s’inscrit dans ce cadre, à savoir développer une approche expérimental permettant de fournir des données de références sur la thermodiffusion notamment dans l’optique de quantifier l’effet de la pression sur cette dernière. Ainsi, durant cette thèse, nous avons développé une cellule de thermodiffusion en milieu libre qui permet d’étudier par shadowgraphie les fluctuations de non équilibre induites par effet Soret. L’appareil de mesure a ensuite été utilisé pour étudier deux mélanges binaires représentatifs de fluides pétroliers, à savoir le mélange équimassique tétraline/dodécane (en phase liquide) et le mélange dioxyde de carbone/méthane (en phases gaz et supercritique). En complément, des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées sur le mélange dioxyde de carbone/méthane. Par analyse dynamique des images de shadowgraphie nous avons pu déterminer les coefficients de diffusion et Soret en fonction de la pression pour le mélange tétraline/dodécane. Aux incertitudes près, nous observons une décroissance linéaire avec la pression pour ces coefficients. De plus nous avons observé l’effet du confinement de la cellule sur les fluctuations en très bon accord avec la théorie et les simulations. Pour le mélange dioxyde de carbone/méthane l’analyse dynamique a montré une cinétique difficilement accessible de par les limites physiques et informatiques du dispositif expérimental utilisé. L’analyse statique montre, quant à lui, une croissance rapide de l’amplitude des fluctuations avec la pression jusqu’à un seuil au-delà duquel elle décroît. Sur ce mélange les simulations de dynamique moléculaire ont montré un bon accord avec les prédictions théoriques. / Thermodiffusion, also called the Soret effect, describes the coupling between temperature gradient and resulting fluxes. This phenomenon is involved in a number of natural and industrial processes. In particular, multi components fluids in petroleum reservoirs are subjected to this phenomenon because of the geo-thermal gradient. Nevertheless, in spite of a lot of advances, there are few available data of this phenomenon and the establishment of a theoretical model, able to give a quantitative estimation of these transport coefficients whatever molecules in presence, is still an open question. The principal aim of this thesis is to develop an experimental approach allowing providing reference data on thermodiffusion as a function of the pressure. During this thesis, we developed a high pressure thermodiffusion cell in free medium, enabling us to study concentration non-equilibrium fluctuations induced by the Soret effect by means of shadowgraph optical technique. With this setup we investigated two binary mixtures representatives of petroleum fluids; namely the equimassic tetralin/dodecane mixture in liquid phase and the carbon dioxide/methane mixture in gaseous and super critical state. Furthermore, molecular dynamic simulations on the second mixture were performed. Using a dynamic image analysis, we have measured molecular diffusion and Soret coefficient for the tetralin/dodecane mixture. Within experimental uncertainties, we observed a linear decrease of these coefficients with the pressure. Furthermore, we were able to observe the effect of confinement (finite size effect induced by cell vertical boundary conditions) on fluctuation dynamics, in good agreement with calculations and simulations based on hydrodynamic fluctuation theory on similar solutal Rayleigh number. Concerning the carbon dioxide/methane mixture, the dynamic analysis revealed a kinetic too fast for our experimental apparatus. Conversely, static analysis revealed a rapid increase of the non-equilibrium fluctuation magnitude as a function of the pressure up to a threshold beyond which it decreases. On this mixture, performed molecular dynamic simulations provided results in good agreement with expected theoretical behaviour.

Notre étude concerne la mesure du déphasage optique non linéaire (NL) d’ordre trois. Deux catégories de procédés seront abordées : i) la technique interférométrique à décalage de phase qui permet la caractérisation de la phase avec une bonne résolution spatiale, ce qui est crucial pour un faisceau focalisé dans le milieu non linéaire. Cette technique utilise le critère des moindres carrés associé à plusieurs interférogrammes. Mise en œuvre à l'aide d'un modulateur spatial de lumière, elle fournit un calibrage pratique pour chaque déphasage considéré. La fiabilité de la méthode proposée est vérifiée par comparaison directe avec la méthode de transformation de Fourier ; ii) les méthodes innovantes de type Z-scan combinées avec un montage imageur. Elles seront ici appliquées aux mesures des coefficients NL d’ordre trois et d’ordres supérieurs. Nous montrerons que la flexibilité d’emploi d'une caméra CCD permet un meilleur pointage et suivi en temps réel du faisceau. Enfin nous nous intéresserons au montage Dark-field Z-scan bénéficiant des avantages de la microscopie à champ sombre à fort contraste. Ces améliorations ouvrent potentiellement un nouveau champ d’exploration microscopique pour l’investigation et la cartographie des effets non linéaires. / Our study concerns the measurement of the nonlinear (NL) optical phase shift of order three. Two categories of methods will be addressed: i) the phaseshift interferometric technique that allows phase characterization with good spatial resolution, which is crucial for a focused beam in the non-linear medium. This technique uses the least squares criterion associated with several interferograms. Implemented using a spatial light modulator, it provides a practical calibration for each phase shift considered. The reliability of the proposed method is verified by direct comparison with the Fourier transformation method; ii) innovative Z-scan methods combined with an imager assembly. They will be applied here to measurements of the NL coefficients of order three and higher. We will show that the flexibility of using a CCD camera allows for better pointing and real-time tracking of the beam. Finally, we will focus on the Dark-field Z-scan setup, which benefits from the advantages of high contrast dark field microscopy. These improvements potentially open up a new field of microscopic exploration for the investigation and mapping of non-linear effects.

Les métamatériaux sont définis comme étant des matériaux artificiels présentant des propriétés exotiques qui modifient la propagation des ondes électromagnétiques. À la fin des années 90, Pendry et al. démontrèrent théoriquement qu'il est possible de générer de tels métamatériaux, grâce à des structures particulières au sein du matériau (le fameux "splitring resonator"). Les métamatériaux sont donc structurés à une échelle inférieure à la longueur d'onde incidente, et décrits par une permittivité et une perméabilité effective. En 2000, Smith et al. fabriquèrent le premier métamatériau mais dans la gamme micro-onde. Les perspectives dans le domaine de l'optique (300800 nm) sont très prometteuses, mais le transfert des technologies utilisées en micro-ondes rencontre des obstacles. Un des défis dans le domaine émergent des métamatériaux est d'assembler à grande échelle des nanoparticules NPs (10-50 nm) en des super-réseaux présentant des propriétés collectives. Des nanostructures tridimensionnelles de matériaux nobles, ayant de fortes réponses plasmoniques, peuvent en effet générer des matériaux aux nouvelles propriétés optiques. Cette thèse fait partie du projet européen METACHEM, dont le but est de fabriquer des métamatériaux dans le domaine de l'infrarouge et du visible, en se basant sur l'utilisation de la nanochimie et de l'assemblage de matériaux. Plus précisément, ce travail de thèse se situe à l'interface entre les groupes de chimie qui synthétisent des nanoparticules en dispersion, et les groupes de caractérisation optique des matériaux. Dans ce travail de thèse, nous utilisons une technique originale la microévaporation basée sur les outils microfluidiques, afin de générer de façon contrôlée des assemblées 3D de nanoparticules (dimensions typiques 1 mm10 m 50 m). / 1-Microevaporation - Microfluidics is the branch of fluid mechanics dedicated to the study of flows in the channel withdimensions between 1 micron and 100 micron. The object of this chapter is to illustrate the basicprinciples and possible applications of microfluidic chip, called microevaporator. In the first part ofthe chapter, we present a detailed description of the physics of microevaporators using analyticalarguments, and describe some applications. In the second part of the chapter, we present theexperimental protocol of engineering of micro evaporator and different type of microfluidics device.2- On-chip microspectroscopy - The object of this chapter is to illustrate a method to measure absorption spectra during theprocess of growth of our materials in our microfluidic tools. The aim is to make an opticalcharacterization of our micro materials and to carry-out a spatio-temporal study of kineticproperties of our dispersion under study. This instrumental chapter presents the theoretical basis !of the method we used.3-Role of colloidal stability in the growth of micromaterials - We used combined microspectroscopy and videomicroscopy to follow the nucleation and growth ofmaterials made of core-shell Ag@SiO2 NPs in micro evaporators.!We evidence that the growth is actually not always possible, and instead precipitation may occurduring the concentration process. This event is governed by the concentration of dispersion in thereservoir and we assume that its origin come from ionic species that are concentrated all togetherwith the NPs and may alter the colloidal stability en route towards high concentration. 4-Microfluidic-induced growth and shape-up of three-dimensional extended arrays of denselypacked nano particles - In this chapter I present in details microfluidic evaporation experiments to engineer various denselypacked 3D arrays of NPs.5-Bulk metamaterials assembled by microfluidic evaporation - In this chapter I introduced the technique we used (microspot ellipsometry) in close collaborationswith V.Kravets and A.Grigorenko(University of Manchester) and with A.Aradian, P.Barois, A.Baron,K.Ehrhardt(CRPP, Pessac) to characterized the solids made of densely packed NPs. I describe theconstraints that emerge from the coupling between the small size of our materials and the opticalrequirements, the analysis and interpretation of the ellipsometry experiments show that for thematerial with high volume fraction of metal exists the strong electrical coupling between the NPsand the materials display an extremely high refraction index in the near infra-red regime.