Résumé confidentiel / Résumé confidentiel

Afin d’étudier les changements hydrologiques passés du « lac Noir » (dernière phase lacustre de la mer Noire) et l’expression de la Dernière Déglaciation en Europe centrale, des techniques analytiques variées ont été mises en œuvre sur la carotte MD04-2790 : modélisation, développement de méthodes statistiques, géochimie élémentaire et isotopique. La reconstitution de l’évolution des âges réservoir du « lac Noir » au cours des 30 derniers millénaires a permis de mieux comprendre les réponses hydrologiques du bassin aux changements climatiques (variations du niveau du plan d’eau, phases de stratification, possible déstabilisation d’hydrates de gaz). L’âge de la dernière reconnexion du « lac Noir » avec la mer Méditerranée a été révisé à 9 000 ans BP. L’interprétation des isotopes du Nd en termes de provenance des sédiments a permis de mettre en évidence que les pulses d’eaux de fonte arrivant dans le « lac Noir » au cours de l’événement de Heinrich 1 provenaient de la désintégration de la calotte fennoscandinave. Un mécanisme régional d’interactions climatiques entre lacs proglaciaires et atmosphère a été proposé pour expliquer l’organisation temporelle particulière des pulses d’eaux de fonte. Nos résultats renforcent le paradigme de Denton qui suggère que des stades prolongés sont nécessaires au passage du mode climatique glaciaire au mode interglaciaire. / In order to study the past hydrologic changes of the Black Sea “Lake”, various analytical techniques were applied to study the core MD04-2790: modelling, development of statistical approaches, elemental and isotopic geochemistry. The reconstructed reservoir age changes of the Black Sea “Lake” were interpreted in terms of the hydrologic responses of the lake to glacial/deglacial climate changes (water level change, water column stratification, possible chlatrate dissociation). Calendar age of the Black Sea “Lake” last reconnection to global ocean was also revised to 9,000 yr BP. Finally, drastic changes in εNd values strongly suggest that sediments deposited in response to Deglacial Water Pulses (DWP) during Heinrich Event 1 (HE1) originated from the Fennoscandian Ice Sheet (FIS), providing the first direct evidence that the Black Sea “Lake” recorded the collapse of the FIS. The peculiar temporal organisation of DWPs suggests outbursts of proglacial lakes into Dniepr catchment as well as regional climatic interactions between proglacial lakes and atmosphere. The HE1-timing of the DWPs occurrence would indicate that FIS was involved in the N-Atlantic circulation reduction that shifted Earth climatic machine towards interglacial conditions in accordance with Denton’s paradigm.

Le remplacement des lasers à colorant émettant dans la gamme 550-570 nm, à l'aide de lasers solides, représente un véritable enjeu industriel. Les applications sont multiples tant dans le domaine de la recherche biomédicale que dans celui de la métrologie. Quelques solutions ont été développées à 561 nm et à 553 nm. Néanmoins, elles ne permettent pas de fournir des lasers intégrables parfaitement mono-fréquences émettant en continu un faisceau gaussien, d'une puissance supérieure ou égale à 200 mW. Dans ces travaux, nous proposons une étude théorique et expérimentale de cavités lasers solides monolithiques à base de Nd:YAG pompé par diode, doublé en fréquence en intra-cavité, à l'aide d'un cristal non-linéaire de KTP. Ces cavités, constituées de plusieurs cristaux, sont contactées par adhérence moléculaire. Elles ne contiennent aucune optique de mise en forme des faisceaux et présentent la particularité de comporter un double filtre de Lyot. Nous présentons les résultats obtenus avec des cavités émettant à 561 nm pour des puissances supérieures ou égales à 300 mW. Puis, après une étude statistique et une analyse des résultats de test de ces cavités à long terme (> 6000 heures), nous discutons des problèmes éventuels de fiabilité et nous suggérons des axes d'amélioration. Ayant réussi à faire osciller, pour la première fois, la raie à 1106 nm du Nd:YAG, nous montrons ensuite la faisabilité d'un laser compact mono-fréquence continu à 553 nm, émettant une puissance de 200 mW à 500 mW avec un rendement de conversion pompe/laser visible de l'ordre de 19 %. Pour conclure, nous montrons qu'il est possible, dans des cavités de ce type, de faire osciller des raies Raman issues des raies fondamentales et de les doubler en fréquence en intra-cavité. Nous ouvrons ainsi la porte à toute une famille de lasers solides émettant dans la gamme 540-600 nm. / Replacement of dye lasers emitting in the range 550-570 nm, using solid state lasers, is a real industrial issue. There are many applications both in the field of biomedical research than in metrology. Some solutions have been developed for 561 nm and 553 nm. However, they do not provide fully integrated lasers emitting single-frequency continuous Gaussian beam with a power equal or up to 200 mW. In this work, we propose a theoretical and experimental study of solid monolithic cavity lasers based on Nd:YAG diode-pumped, frequency-doubled intra-cavity, using a non-linear crystal of KTP. These cavities, consisting of several crystals, are contacted by molecular adhesion. They contain no optical layout of the beams and they have the particularity of including a double Lyot filter. We present the results obtained with those cavities emitting at 561 nm for powers greater than 300 mW. Then, after a statistical study and analysis of test results of these cavities in the long term (> 6000 hours), we discuss about the potential problems of reliability and we suggest areas for improvement. For the first time, we show that the line at 1106 nm of the Nd: YAG can oscillate in this type of cavity. Then we demonstrate the feasibility of a compact single-frequency laser at 553 nm continuously, emitting a power of 200 mW to 500 mW with a conversion efficiency of pump / visible laser of about 19%. Finally, we show that it is possible, in cavities of this type, to oscillate the Raman lines from the lines of the fundamental and doubled frequency in intra-cavity. We open the door to a whole family of solid state lasers emitting in the range of 540-600 nm.

La série de détecteurs NEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration β sans émission de neutrino qui prouverait que le neutrino est une particule de Majorana (i.e. identique à son antiparticule) et massif. Après avoir présenté l’état des lieux en physique des neutrinos et les détecteurs NEMO 3 et SuperNEMO, cette thèse s’articule en deux parties indépendantes. La première concerne l’étude du bruit de fond provenant des neutrons pour optimiser le blindage destiné au premier module de SuperNEMO. La conclusion de cette étude montre que l’ajout de plaques de polyéthylène boré par rapport au blindage de NEMO 3 (de part et d’autre du blindage en fer) permet d’obtenir un bruit de fond négligeable provenant des neutrons, dans la fenêtre en énergie du canal deux électrons où la double désintégration β sans émission de neutrino du sélénium-82 est attendue, en cinq ans de prise de données de ce premier module. La seconde partie, via l’analyse des données du détecteur NEMO 3, permet une indication de la désintégration double β standard du néodyme-150 vers l’état excité 0+1 du samarium-150. La feuille de néodyme qui est placée dans le détecteur est analysée en détail pour obtenir cette indication à 3, 7σ avec une demi-vie mesurée de : T1/2 (150 Nd0+ →0+1 ) = [7, 12 ± 1, 28 (stat.) ± 0, 91 (syst.)] × 10E19 ans / The NEMO detector series is designed to search for the neutrinoless double β decay, which would prove that the neutrino is a Majorana particle (i.e. identical to its own antiparticle) and has a nonzero mass. After an introduction to neutrino physics and a description of both the NEMO 3 and SuperNEMO detectors, this thesis is articulated in two independent parts.The first provides an investigation of the neutron background in order to optimize the shielding for the first SuperNEMO module. The outcome of the study recommends the addition of borated polyethylene to the NEMO 3 shielding (on both sides of the iron shielding) to obtain a negligible background, coming from neutrons in the energy window of the two-electron channel where the neutrinoless double β decay of selenium-82 is expected, for the duration of five years for which data will be taken with this first module. In the second part, the neodymium foil located in the NEMO 3 detector is deeply analyzed to obtain an indication of the standard double β decay of neodymium-150 to the 0+1 excited state of samarium-150. The measured half-life, with a significance of 3.7σ, is: T1/2 (150 Nd 0+ →0+1 ) = [7.12 ± 1.28 (stat.) ± 0.91 (syst.)] × 10E19 years

Au cours de cette thèse, nous nous intéressons à deux applications nécessitant des sources laser impulsionnelles : l'imagerie active et l'usinage laser. L'imagerie active nécessite des sources laser efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire (entre 1,5 µm et 1,7 µm) à des cadence de l'ordre du kilohertz et produisant des énergies par impulsion de plusieurs millijoules. Les sources efficaces émettant dans la gamme de sécurité oculaire utilisent l'ion erbium. Cependant la structure électronique complexe de l'ion erbium entraîne de nombreux effets parasites qui limitent fortement l'énergie accessible lors d'un fonctionnement à haute cadence. Pour diminuer l'influence de ces effets parasites nous avons utilisé le concept de fibres cristallines dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry et l'entreprise Fibercryst. La géométrie des fibres cristallines, combinant les propriétés des cristaux massifs et les avantages des fibres en verre nous a permis de dépasser les limites des sources actuelles. L'usinage de matériaux requière des sources laser impulsionnelles émettant dans le proche infrarouge (1 µm) et alliant forte énergie, forte puissance crête et forte puissance moyenne. Pour réaliser de telles sources, il est nécessaire d'utiliser des milieux à gain permettant de limiter les phénomènes thermiques et les effets induit par la puissance crête (effets non-linéaires). Pour cela nous avons utilisé à nouveau le concept de fibre cristalline, dopée cette fois ci par l'ion néodyme. Ces fibres cristallines ont été utilisées comme amplificateur de puissance pour amplifier des micro-lasers fonctionnant à haute cadence (de 1 à 100 kHz) et produisant des impulsions courtes (< 1 ns). / In this thesis we investigate two different pulsed laser sources for two specific applications : remote sensing and material processing. On the first part, remote sensing require efficient laser source emitting in the eye-safe range (1.5 – 1.7 µm) and producing several millijoules per pulse at a few kilohertz. Efficient eye-safe laser sources use erbium doped gain media. Nevertheless, the complex electronic structure of the erbium ion leads to several parasitic effects which limit the energy at high repetition rate. In order to minimize those effects we have used the concept of single crystal fibers developed in a close collaboration between the Laboratoire Charles Fabry and the company Fibercryst. The specific geometry of single crystal fibers, merging the advantages of bulk crystals and optical fibers, allows us to overcome limits of current laser sources. On the other part, material processing require near-infrared pulsed laser sources (1 µm) with high pulse energy, high average power and high peak power. In such laser sources, the amplifying medium must be design to avoid both thermal effects and non liner effects. For this purpose, we used neodymium doped single crystal fibers as power amplifier to enhance the performance of passively q-switched microlasers operating at high repetition rate (1 to 100 kHz) and emitting short pulses (< 1 ns).

Dans les zones de subduction, le recyclage de sédiments vers le manteau et la remontée de magmas depuis le manteau jusqu'à la croûte des arcs insulaires représentent des échanges de matière entre la croûte continentale et le manteau terrestre. Nous avons examiné ces échanges de masse en utilisant les compositions isotopiques de l'Hafnium et du Néodyme. Dans la zone de subduction d'Izu-Mariannes, les sédiments subduits présentent des compositions isotopiques de l'Hf et du Nd équivalentes aux compositions de l'eau de mer du Pacifique. La croûte océanique altérée présente des compositions isotopiques identiques à une croûte océanique non-altérée. Dans les zones de subduction de Luzon et de Java, les laves d'arc présentent des compositions isotopiques de l'Hf très radiogéniques par rapport à leurs compositions isotopiques du Nd. Ces compositions des laves d'arc de Luzon et de Java semblent conditionnées par la contamination de leurs sources par des sédiments océaniques subduits.

Dans ce travail, nous avons utilisé deux techniques pour mesurer les champs magnétiques générés par des couches micro-structurées d'aimants au NdFeB de plusieurs micromètres d'épaisseur: la microscopie par balayage d'une sonde Hall, et la microscopie magnéto-optique (MO). Nous avons proposé et validé une nouvelle approche de la mesure 3D de champ à l'aide d'une seule sonde Hall unidirectionnelle. Nous avons démontré la faisabilité de l'imagerie MO quantitative à l'aide d'un film MO uniaxial dans un champ d'offset. Nous avons extrait de la mesure des profils de champ des informations sur la micro-structure magnétique des micro-aimants. Nous avons exploré les aspects théoriques et expérimentaux de la lévitation diamagnétique de matériaux diamagnétiques sur des réseaux intégrés de micro-aimants, et réciproquement la lévitation de micro-aimants sur des substrats diamagnétiques. Nous avons démontré expérimentalement la lévitation d'un micro-aimant d'aimantation unidirectionnelle.

Ce travail de thèse est dédié à l'étude des transitions radiatives dans les matériaux de nitrure et d'oxyde de silicium dopés aux ions de terres rares (Er3+, Nd3+). La caractérisation optique des films minces élaborés par évaporation thermique est basée sur la spectroscopie de photoluminescence. Les études menées s'inscrivent dans la recherche de processus d'excitation indirecte des ions Er3+ et Nd3+ dans des matrices à base de silicium. Dans les nitrures et oxynitrures de silicium, un processus de transfert d'énergie permettant l'excitation indirecte des ions Er3+ est mis en évidence. Pour les couches minces amorphes, le couplage est attribué à des états électroniques localisés dans la bande interdite de la matrice. Pour les films recuits à haute température, les nanocristaux de silicium (nc-Si) jouent un rôle majeur dans l'excitation indirecte de l'erbium. Dans les matrices d'oxyde de silicium, l'existence de processus d'excitations directe et indirecte des ions Nd3+ est démontrée. Pour les films amorphes, l'excitation indirecte du Nd se fait via des états électroniques localisés dans la bande interdite de la matrice. Pour les films recuits au-delà de 1000 °C, les nc-Si jouent le rôle de sensibilisateurs pour les ions Nd3+. Les résultats suggèrent que l'excitation indirecte des ions Nd3+ grâce aux états localisés dans la bande interdite de la matrice pourrait être plus efficace que l'excitation via les nc-Si.

Cette thèse décrit le développement et l'étude de matériaux à base silicium (Si) dédiés à des applications en photonique comme l'amplification optique ou le laser. Des matrices de SiO2 et de Si3N4 enrichies en Si contenant des ions de terre rare Nd3+ ont été étudiées. Dans ces matrices, les ions Nd3+ bénéficient d'un transfert d'énergie de défauts ou/et de nanoparticules de Si présents dans la matrice hôte. Cela permet une excitation indirecte et efficace des ions Nd3+ sur une large bande spectral UV-VIS. Ainsi, une émission remarquable des ions Nd3+ à 920, 1064, and 1300 nm a été obtenue. Dans le but de développer la couche guidante active d'un guide d'ondes à partir des deux matrices et en choisissant comme figure de mérite l'émission des ions Nd3+, l'optimisation de couches dopées Nd a été menée. La composition a été modifiée en termes d'excès de Si et de taux de Nd par la technique de pulvérisation magnétron. Les deux matrices ont été recuites par un traitement thermique classique ou rapide afin de modifier la microstructure de celles-ci. L'étude des facteurs influençant les mécanismes d'émission et de sensibilisation des ions Nd3+ a été réalisées. Dans la matrice de SiO2 enrichie en Si, plusieurs sensibilisateurs des ions Nd3+, à base de Si, ont été identifiés. Pour la matrice de Si3N4 enrichie en Si, un mécanisme d'excitation des ions Nd3+ dépendant de l'excès de Si a été mis en évidence. Finalement, un guide d'onde à base de SiO2 enrichie en Si dopé Nd3+ a montré un gain net significatif de 0,68 cm-1 (2,95dB.cm-1) à 1064 nm.

Les cavités de silice, comme les microsphères ou les microtores intégrés sur puce, définissent des modes de galerie, de facteur de qualité extrêmement élevé et de faible volume modal. Elles ont suscité un fort intérêt depuis deux décennies et trouvent des applications pour la QED en cavité, les microlasers, ou les senseurs de biomolécules. Cette thèse décrit la réalisation d'un microlaser à seuil ultra-bas fondé sur des nanocristaux de Nd3+:Gd2O3 (NCs), qui sont incorporés à la surface de la cavité. Nous démontrons une nouvelle méthode de cartographie de la distribution du champ électromagnétique, fondée sur le coupleur à fibre étirée (taper) utilisé pour l'excitation en onde évanescente. Cela fournit un moyen commode pour localiser et exciter sélectivement des modes de faible volume.De plus, nous démontrons une technique de mesure en temps réel de la caractéristique laser, qui utilise la bistabilité thermique des microcavités et permet une optimisation rapide et efficace des conditions de couplage taper-cavité. Un fonctionnement laser monomode à 1088 nm est obtenu pour une microsphere de 40 µm de diamètre, comprenant des Nd3+:Gd2O3 NCs pompés à 802 nm, avec un seuil de 65 nW. Le plus bas seuil observé, de 40 nW, est à notre connaissance le seuil le plus faible jamais obtenu pour des terres rares. Le facteur de qualité de ces cavités actives atteint 10^8 à la longueur d'onde d'émission, favorisant l'obtention un microlaser dont le spectre est extrêmement fin. Enfin, sur un microtore formé de silice dopée par implantation ionique, nous avons obtenu un laser monomode à 909 nm avec un seuil de 210 nW.