Les modes de déchirement sont connus pour détériorer le confinement et limiter les performances dans les machines de fusion. Plusieurs études sur les modes de déchirements ont été menées, en incluant un degré croissant de complexité dans le modèle physique afin de mieux comprendre les observations expérimentales. Une de ces extensions est l'introduction d'une description du plasma comme un fluide à deux espèces, ions et électrons, dont les dynamiques sont fortement différentes. Un autre mécanisme physique connu pour être important est la courbure du champ magnétique non perturbé. Dans cette thèse, nous étudions les questions de la stabilité linéaire et de l'évolution non linéaire des îlots magnétiques, en présence de la courbure des lignes de champ et de la rotation diamagnétique, avec le code MHD non linéaire XTOR-2F, qui inclut le transport anisotrope de chaleur et les effets géométriques. Cette analyse est appliquée à une décharge entièrement non-inductive de Tore Supra. Ce mode d'opération est crucial pour démontrer la possibilité d'un fonctionnement continu sur un réacteur de type tokamak. Dans cette thèse, la possibilité d'une stabilisation complète des modes de déchirement par la rotation diamagnétique, en présence de la courbure toroidale des lignes de champ magnétique, est démontrée. Dans le domaine linéairement stable, le mode est métastable: le niveau de saturation dépend de la taille de l'îlot initial. Dans le domaine non linéaire, la saturation de l'îlot est fortement réduite par la rotation diamagnétique et par le nombre de Lundquist. La question de l'extrapolation des résultats obtenus vers la future generation de machines de fusion est également abordée / Tearing modes are known to deteriorate the confinement and limit plasma performance in fusion devices. Various studies of this mode have been performed lately including an increasing level of complexity in the physical description which is required for understanding of experimental observations. One of such extensions is the introduction of diamagnetic rotation into the system. Another physical mechanisms known to be important for tearing mode dynamics is the curvature of unperturbed magnetic field lines and neoclassical physics. In this thesis we investigate the issues of linear stability of the tearing modes in a presence of both curvature and diamagnetic rotation using the non linear full-MHD toroidal code XTOR-2F, which includes anisotropic heat transport, diamagnetic and geometrical effects. This analysis is applied to one of the fully non-inductive discharges on Tore-Supra. Such experiments are crucially important to demonstrate reactor scale steady state operation for the tokamak. In this thesis, the possibility of full linear stabilization of the tearing modes by diamagnetic rotation in the presence of toroidal curvature is shown. In the linearly stable domain, the mode is metastable: saturation level depends on the seed island size. In the non linear regime, the saturation of n=1, m=2 mode is found to be strongly reduced by diamagnetic rotation and by Lundquist number. The question of extrapolation of the obtained results towards future generation of fusion devices is also addressed. In particular, for ITER size machines, the toroidal curvature is expected to be more important due to higher performance factor β.

Cette thèse contribue à la modélisation et à létude de la dynamique de la coupe vibratoire, ayant comme application immédiate et comme objectif, la validation du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les modèles de la coupe vibratoire qui ont été développés ont fait lobjet dune analyse de stabilité et dune étude détaillée par simulations numériques. Les phénomènes non linéaires engendrés par la coupe vibratoire ont été mis en évidence par simulations et par une campagne dexpérimentations. Les modèles et les études issus de cette thèse donnent une vue densemble de la dynamique compliquée de la coupe vibratoire et apportent une compréhension fine des aspects pratiques du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les moyens expérimentaux développés et mis en uvre constituent un outil dinvestigation performant et indispensable à lanalyse systématique du procédé, dans le but de son industrialisation.

Les moteurs thermoacoustiques sont des résonateurs acoustiques dans lesquels l'interaction des oscillations acoustiques et thermiques au voisinage d'un empilement localisé de parois solides (stack) soumises à un fort gradient de température engendre une conversion d'énergie thermique en énergie acoustique, qui se traduit par le déclenchement d'oscillations acoustiques auto-entretenues de fort niveau. Depuis une dizaine d'années, un important effort de recherche a été consacré à l'étude des processus non linéaires responsables de la saturation en amplitude de l'onde acoustique ; les observations expérimentales restaient non seulement mal maîtrisées et limitées, mais encore inexpliquées en raison de l'absence de modèles pertinents en regard de la complexité des phénomènes. C'est ainsi que l'objet des travaux présentés dans ce mémoire est de répertorier expérimentalement, de classifier, d'interpréter de façon analytique et de modéliser les différents régimes transitoires dans un moteur thermoacoustique annulaire.<br /><br />Les résultats expérimentaux, obtenus sous diverses conditions de chauffage, montrent des régimes transitoires complexes: régime périodique de déclenchement-arrêt de l'onde acoustique, oscillations basse-fréquence de l'amplitude de l'onde, double déclenchement de l'instabilité thermoacoustique... Ces observations, auxquelles sont associées des évolutions significatives du champ de température, indiquent qu'en plus des processus classiques de cascade harmonique ou de pertes mineures aux extrémités du stack (génération de tourbillons), les effets non linéaires d'interaction entre champ acoustique et champ de température jouent un rôle important sur la dynamique des régimes transitoires observés. En particulier, le développement d'un champ acoustique de niveau élevé est source d'un flux d'enthalpie thermoacoustique (équivalent à une augmentation acoustiquement induite de la conductivité thermique des parois du stack), et d'un vent acoustique modifiant la forme du champ de température.<br /><br />Une étude analytique de l'influence de la forme du champ de température sur l'amplification thermoacoustique est proposée, qui montre que la distribution du champ acoustique (pression, vitesse et phase), et par suite l'amplification thermoacoustique du son, dépendent de façon critique de la forme du champ de température. Puis une description analytique des effets non linéaires précédemment cités et de l'interaction en régime transitoire entre champ acoustique et champ de température est présentée: elle mène à des de résultats de simulations très proches des résultats expérimentaux, ce qui confirme le rôle majeur joué par la conductivité acoustiquement induite et le vent acoustique. Enfin, une description qualitative du régime transitoire sous forme d'un système d'équations différentielles ordinaires est proposée, qui permet finalement d'extraire les processus physiques prépondérants.<br /><br />Parce qu'ils apportent une compréhension nouvelle des processus fondamentaux qui régissent la saturation de l'onde, ces travaux apportent à nos yeux une contribution aux avancées pratiques qui visent à améliorer l'efficacité des machines thermoacoustiques.

On caractérise les milieux excitables par le fait qu'ils présentent un point d'équilibre linéairement stable et qu'une perturbation finie peut entraîner une longue excursion dans l'espace des phases. Les comportements de tels milieux sont en général bien approchés par des modèles simplifiés de réaction-diffusion a deux variables. Des exemples de milieux excitables sont le coeur, les axones neuronaux et la réaction de Belousov-Zhabotinsky dans les gels. On peut y observer des ondes d'excitation planes et spirales. Ce mémoire est consacré à l'étude numérique de la dynamique des filaments (ondes spirales empilées le long du filament) d'ondes spirales, éventuellement twistés, dans les milieux excitables. Dans un premier temps on calcule les états stationnaires par une méthode de Newton, puis on étudie la stabilité linéaire de ces états vis à vis de perturbations modulées suivant l'axe du filament par une méthode itérative, enfin on détermine les états restabilisés, quand ils existent, à l'aide de simulations numériques directes. L'étude des filaments non twistés met en évidence deux instabilités distinctes. L'une due à la déstabilisation de la branche de méandre (modulation périodique du rayon de rotation de la spirale) aboutit à un état restabilisé que nous caractérisons précisément. Cette instabilité correspond à une bifurcation de Hopf. L'autre correspond à une déstabilisation des modes de translation et aboutit à un état désordonné. L'étude de l'influence du twist sur la dynamique des filaments de spirales montre que le twist induit une déstabilisation des modes de translation à nombre d'onde fini. Cette bifurcation de Hopf correspond à la transformation du twist imposé au filament en Writhe (déformation géométrique). Le filament prend, dans les cas simples, une forme hélicoïdale. Dans des cas plus compliqués il prend une forme invariante dans le temps qui est la somme de plusieurs hélices. Une analogie avec une tige élastique soumise à la torsion est présentée.

Dans cette thèse, je présente la formation de structures utilisant l'auto-organisation de molécules azo. Lorsqu'elles sont éclairées par la lumière, ces molécules subissent une photoisomérisation trans-cis-trans et bougent dans le film mince polymère loin des zones éclairées. Je montre qu'il est possible de former des structures spontanées sur la surface des films azopolymères (réseaux de surface) sous éclairement d'une lumière cohérente. L'orientation de la structure dépend de la polarisation de la lumière. Différentes structures peuvent être inscrites en faisant varier la polarisation du faisceau d'entrée et l'angle d'incidence. Les résultats expérimentaux pour différents angles d'incidence sont expliqués en utilisant le formalisme théorique des anomalies de Wood. D'autre part, sous illumination d'une lumière incohérente, la diffusion des molécules azo est aléatoire et il n'y a pas de corrélation spatiale entre elles. En revanche, la présence d'un faible faisceau de lumière cohérente additionnel permet de former un réseau de surface. L'information alors, inscrite sur la région éclairée par le faisceau cohérent se propage de manière auto-organisée et couvre la totalité de la région éclairée par le faisceau incohérent. Seules quelques pourcents de molécules ayant reçu de l'information suffisent à générer l'auto-organisation. Une dernière partie concerne la biréfringence photo-induite et la formation d'un réseau de surface dans une série d'azopolymères. Quelques applications possibles de ces structures sont présentées.

CETTE THESE PROPOSE UNE MISE EN EVIDENCE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE L'AUTO-FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER DANS PLUSIEURS ECHANTILLONS DE CRISTAL PHOTOREFRACTIF (BI#1#2TIO#2#0, SR#XBA#1#-#XNB#2O#6 ET BATIO#3). ELLE PROPOSE EN OUTRE D'ETUDIER COMMENT ET DANS QUELLES CONDITIONS L'AUTO-FOCALISATION PEUT CONDUIRE A LA PROPAGATION DE FAISCEAU NON-DIVERGENTS, C'EST-A-DIRE DE SOLITONS SPATIAUX. NOUS AVONS PU, GRACE A DES HYPOTHESES ADAPTEES A LA PROPAGATION DE SOLITONS SPATIAUX, DERIVER DU MODELE DE TRANSPORT PAR BANDE DE KUKHTAREV UNE EQUATION DE PROPAGATION DEPENDANT EXPLICITEMENT DU TEMPS. ELLE PERMET DE DECRIRE LA PROPAGATION DE TOUT PROFIL DE FAISCEAU RESPECTANT LES HYPOTHESES. NOUS AVONS ANALYSE CETTE EQUATION EN MONTRANT QU'ELLE PERMETTAIT LA PROPAGATION DE SOLITONS SPATIAUX, DONT NOUS AVONS ETUDIE LE COMPORTEMENT. NOUS AVONS EGALEMENT PU METTRE EN EVIDENCE DIVERS PHENOMENE QUE CETTE EQUATION DECRIT, TELS QUE LE BRANCHEMENT OPTIQUE. GRACE A LA CONCEPTION D'UN BANC EXPERIMENTAL ORIGINAL, NOUS AVONS OBSERVE LE PHENOMENE D'AUTO-FOCALISATION DANS LES TROIS CRISTAUX MENTIONNE CI-DESSUS, AINSI QUE DES PHENOMENE DE BRANCHEMENT OPTIQUE DANS BATIO#3. L'ANLYSE THEORIQUE CONDUITE CI-DESSUS NOUS PERMET D'AFFIRMER QUE NOUS AVONS OBSERVE LA PROPAGATION DE SOLITONS SPATIAUX PHOTOREFRACTIFS : L'EXPERIENCE A PERMIS DE VALIDER NOTRE MODELE THEORIQUE

Thesis (doctoral)--Rijksuniversiteit te Utrecht, 1983. / "Stellingen": [6] p. inserted. Includes bibliographical references (p. 253-257) and index.

Dans cette thèse j’étudie l’impact de la géométrie de micro et nano-domaines biologiques sur les propriétés d'électrodiffusion, ceci à l'aide des équations aux dérivées partielles de Poisson-Nernst-Planck. Je considère des domaines non-triviaux ayant une forme cuspide ou elliptique. Mon objectif est de développer des modèles ainsi que des méthodes mathématiques afin d'étudier les caractéristiques électriques de ces nano/micro-domaines, et ainsi mieux comprendre comment les signaux électriques sont modulés à ces échelles. Dans la première partie j’étudie le voltage à l'équilibre pour un électrolyte dans un domaine borné, et ayant un fort excès de charges positives. Je montre que le premier temps de sortie dans une boule chargée dépend de la surface et non du volume. J’étudie ensuite la géométrie composées d'une boule à laquelle est attachée un domaine cuspide. Je construis ensuite une solution asymptotique pour le voltage dans les cas 2D et 3D et je montre qu’ils sont donnés au premier ordre par la même expression. Enfin, j’obtiens la même conclusion en considérant une géométrie formée d'une ellipse, dont je construis une solution asymptotique du voltage en 2D et 3D. La seconde partie porte sur la modélisation de la compartimentalisation électrique des épines dendritiques. A partir de simulations numériques, je mets en évidence le lien entre la polarisation de concentration dans l'épine et sa géométrie. Je compare ensuite mon modèle à des données de microscopie. Je développe une méthode de déconvolution pour extraire la dynamique rapide du voltage à partir des données de microscopie. Enfin j’estime la résistance du cou et montre que celle-ci ne suit pas la loi d'Ohm. / In this PhD I study how electro-diffusion within biological micro and nano-domains is affected by their shapes using the Poisson-Nernst-Planck (PNP) partial differential equations. I consider non-trivial shapes such as domains with cusp and ellipses. Our goal is to develop models, as well as mathematical tools, to study the electrical properties of micro and nano-domains, to understand better how electrical neuronal signaling is regulated at those scales. In the first part I estimate the steady-state voltage inside an electrolyte confined in a bounded domain, within which we assume an excess of positive charge. I show the mean first passage time in a charged ball depends on the surface and not on the volume. I further study a geometry composed of a ball with an attached cusp-shaped domain. I construct an asymptotic solution for the voltage in 2D and 3D and I show that to leading order expressions for the voltage in 2D and 3D are identical. Finally, I obtain similar conclusion considering an elliptical-shaped domain for which I construct an asymptotic solution for the voltage in 2D and 3D. In the second part, I model the electrical compartmentalization in dendritic spines. Based on numerical simulations, I show how spines non-cylindrical geometry leads to concentration polarization effects. I then compare my model to experimental data of microscopy imaging. I develop a deconvolution method to recover the fast voltage dynamic from the data. I estimate the neck resistance, and we found that, contrary to Ohm's law, the spine neck resistance can be inversely proportional to its radius.

Cette thèse porte sur la numérisation de signaux hyperfréquences en utilisant une horloge optique, possédant une gigue temporelle très faible en comparaison des horloges électroniques. Une faible gigue est un facteur clé de l’échantillonnage à haute performance, car l’horloge commande l’ouverture d’une “porte” qui extrait les échantillons du signal à intervalles réguliers. Cette thèse décrit deux approches originales : l’échantillonnage purement optique et l’échantillonnage électro-optique.Une porte électro-optique se constitue d’une ligne coplanaire transportant le signal électrique. Cette ligne présente une discontinuité qui devient conductrice sur commande optique grâce à un matériau photoconducteur. Les alliages semi-conducteurs du groupe III-V sont souvent utilisés car la mobilité de ces porteurs photo-générés est suffisamment élevée, ce qui est favorable à une bonne conductivité à l’état “on”. Le GaAs, en particulier, présente l’avantage d’une conductivité faible à l’état “off” du fait de la largeur de la bande interdite électronique. Cela explique l’intérêt de ce matériau, cependant, cela impose aussi une contrainte sur la longueur d’onde de la source laser, expliquant l’utilisation de sources autour 800 nm.Dans cette thèse l’utilisation de sources laser à verrouillage de modes à fibre, développées dans le domaine des Télécoms, donc plus facilement accessibles, tout en gardant le GaAs comme matériaux actif est explorée. Cela est possible en exaltant l’efficacité de l’absorption à deux photons, effet faible dans la plupart des structures. L’approche suivie porte sur l’utilisation d’une cavité à cristaux photoniques. Le très fort confinement et le très faible volume occupé par le mode optique se traduit en une très forte absorption non linéaire. De plus, la nano-structuration du semi-conducteur réduit de manière considérable le temps de vie des porteurs, ce qui permet un retour suffisamment rapide à l’état “off”. L’étude se conclut par la démonstration de la fonction d’échantillonnage.La même fonction a été étudiée dans le cas ou le signal hyperfréquence se trouve sur une porteuse optique. La fonction porte “tout optique” est réalisée par un résonateur à cristaux photoniques. La génération de porteurs par absorption à deux photons induit un déplacement spectral de la résonance, ce qui est exploité pour moduler la transmission du dispositif. Une porte optique rapide, capable en principe de traiter des signaux dépassant les 50 GHz à été montrée. Cette porte requiert une puissance de commande de l’ordre de 200 fJ/impulsion, ce qui est suffisamment faible pour utiliser des sources lasers compactes (diode laser) et, de ce fait, outre sa très faible taille, peut être intégrée facilement. / This thesis is focused on the digitalization of radio-frequency signal using optical clock, allowing a low time jitter compared to electronic clocks. A low jitter is a key factor for high performance sampling, as the clock commands the “gate” opening which extracts the signal samples at regular intervals. This thesis describes two original approaches: all-optical sampling and electro-optics one.An electro-optic gate is based on radio-frequency transmission strip-line carrying the electric signal. A discontinuity in this strip-line occurs which become conductive, thanks to the optical command provided by the clock, due to a photo-conductive material. Semiconductor alloys from the III-V groups are widely used thanks to the high mobility of the photo-generated carriers allowing a high “on” state. In particular, GaAs present a good “off” state due to its band-gap energy. However, this restrains the optical clock wavelength explaining the use of optical sources around 800 nm.In this thesis, the focus was made on using mode-locked lasers in the Telecom range, thus using the improvement made on these sources during the past decades, while keeping GaAs as the active material in the electro-optic sampler. This is made possible by exalting the efficiency of two-photon absorption, which is usually weak in common structures. The approach followed here is to use a photonic crystal cavity. Thanks to its high optical mode confinement, non-linear absorption becomes efficient enough to generated carriers to modify the resistivity of the material. In addition, the nano-structuration of the material reduce tremendously the carrier lifetime, owing to switch from an “on” to “off” state fast enough to sample high frequency signals.The same function has been studied in the case where the signal is not carried electrically but optically. The all-optical gate function is realized using two photonic crystal resonators coupled together. The carrier generation by two-photon absorption induces a spectral shift of the resonance, used to modulate the transmission of the device. A fast all-optical gate, enabling signal processing up to 50 GHz is demonstrated here. The gate only requires a control power of about 200 fJ per pulses, which is low enough to use integrated optical sources (laser diodes) and, thanks to the small footprint, be easily integrated.

Ce manuscrit présente le rayonnement de second harmonique provenant de plusieurs milieux diélectriques allant de la réponse interfaciale à la réponse volumique. Ce travail de thèse constitue une première étape dans le but d'étudier une bulle de savon dans un piège optique par génération de second harmonique. Deux axes de recherche sont ainsi explorés : d'une part l'étude de la génération de second harmonique sur deux tensioactifs le TTAB et le SDS, constituants de base d'une bulle de savon, et de l'autre l'élaboration d'un nouveau dispositif expérimental permettant d'allier un piège optique à une excitation de second harmonique par un laser femtoseconde. Dans un premier temps, on explicite le montage optique reposant sur le principe d'un microscope confocal inversé et les mesures associées de la réponse harmonique d'interface air/verre et air/eau. Dans un second temps, on s'intéresse comme objet modèle, en lieu et place de la bulle, à une microparticule de silice. Ainsi, on commence par analyser sa réponse harmonique en microscopie non linéaire quand celle-ci se trouve déposée sur une matrice de verre. L'étude de cet objet met en avant l'interdépendance entre les aspects d'optique linéaire mesurés à la longueur d'onde fondamentale et l'intensité harmonique mesurée. Par la suite, cette microsphère est placée au sein du piège optique réalisé par un second faisceau. Malgré la faible taille et la symétrie de la particule diélectrique, on parvient à mettre en évidence la réponse harmonique d'une particule unique piégée. Enfin, dans une dernière partie, on s'intéresse à caractériser la génération de second harmonique pour des solutions savonneuses, première étape dans la réalisation d'une bulle. Les mesures de diffusion de second harmonique en volume pour des solutions de TTAB et SDS de diverses concentrations montrent un comportement similaire et une singularité lors du passage de la concentration micellaire critique. Lors de l'étude du signal de second harmonique à l'interface air/eau savonneuse en revanche, on mesure des comportements différents pour des tensioactifs anioniques et cationiques, provenant de la charge de surface et de l'orientation de l'eau sous-jacente / This thesis reports an experimental study of harmonic radiation from various dielectric media. We both study second harmonic generation on interfaces and hyper Rayleigh scattering in solutions. We present the first step for the realization of the following project : the study of the second harmonic generation on an optically trapped soapy bubble. To do so, two main axis of investigation are developped. Firstly, we study the harmonic response of two commonly used surfactants such as TTAB, a cationic one and SDS carrying a negative charge. This study consits of understanding the main component of a soapy bubble. We investigate how harmonic intensity is modified with an increase of soap concentration. These experiements are carried both in volume and at the air/water interface. The harmonic scattered intensity shows similar features for SDS and TTAB, as a sudden drop appearing at the critical micelar concentration. However, on the surface, the two oppositely charged surfactants give a radically different evolution of second harmonic signal versus their concentration. Indeed, the water molecules of the surroundings behaves in an opposite manner with negative or positive charged surfactants. The second axis of research that we work on in this thesis, is on a novel experimental development. We combine an optical tweezer to trap microsized particles with a femtosecond laser probe to generate the second harmonic. This is a first step in order to trap a bubble and study it with second harmonic generation. This non linear inverted confocal microscope is used to study harmonic profil of an silica bead stuck on a sample. This study gives a glance of the complexity of the correlation between linear optics effects on the laser probe beam and the created harmonic intensity. We also perform experiments on a trapped particle and we measure the harmonic response of an unique particle