Lorsqu'un faisceau laser de forte puissance traverse un matériau transparent, l'autofocalisation peut mener à une dégradation de la surface d'onde ou conduire à un endommagement du matériau. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, la mesure précise de l'indice de réfraction non-linéaire est capitale. Dans le régime nanoseconde, plusieurs mécanismes peuvent mener à une variation photo-induite de l'indice de réfraction non-linéaire. Afin d'étudier les variations d'indice de réfraction photo-induites dans le régime nanoseconde, un banc de mesure sensible de faibles indices de réfraction non-linéaire a été développé. Ce banc de mesure est basé sur une méthode de mesure de déformation de faisceau : la méthode de Z-scan. A l'aide d'une parfaite maîtrise de la métrologie et d'un algorithme de simulation trés général, l'indice de réfraction non-linéaire peut être mesuré avec une sensibilité de lambda/3000 sur la variation de chemin optique dans le matériau et une erreur absolue estimée à 12% à 1064nm et 16% à 532nm sur l'indice de réfraction non-linéaire. Dans ces conditions, l'indice de réfraction non-linéaire de la silice et du BK7 a pu être mesuré à 1064nm et à 532 nm. Une contribution non négligeable de l'électrostriction et des effets thermiques a pu être constatée.

Dans les domaines de l'analyse, du contrôle et de la mesure physique, le laser constitue un outil métrologique particulièrement puissant et polyvalent, capable d'apporter des réponses concrètes à des problématiques variées, y compris d'ordre sociétal. Parmi ces dernières, la contamination des sites et des sols par les métaux lourds est un enjeu de santé publique important qui requiert de disposer de moyens de mesure adaptés aux réglementations existantes et suffisamment souples d'utilisation. Technique rapide et ne nécessitant pas de préparation de l'échantillon, la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) présente des avantages très intéressants pour réaliser des mesures sur site de la teneur en métaux lourds à l'échelle de la dizaine de ppm; la conception d'un appareil portable à moyen terme est envisageable.<br />Dans cette thèse nous montrons d'abord que le régime femtoseconde ne présente pas d'avantages par rapport au régime nanoseconde standard pour notre problématique. Ensuite nous mettons en œuvre un traitement avancé des spectres LIBS par des méthodes chimiométriques dont les performances améliorent sensiblement les résultats des analyses qualitatives et quantitatives d'échantillons de sols.

Du fait de sa faible efficacité, la diffusion Raman spontanée reste une méthode encore peu utilisée pour l'analyse des écoulements réactifs, en particulier s'ils sont instationnaires comme la combustion turbulente ou les décharges impulsionnelles. Pour de telles situations, une chaîne de mesure a été développée, associée à des procédures d'analyse spécifiques. Cette chaîne de mesure a été évaluée dans deux situations : une flamme de prémélange et une décharge nanoseconde envisagée comme nouveau procédé d'allumage. Les mesures réalisées démontrent la richesse et la nouveauté des résultats que peut apporter la diffusion Raman spontanée pour l'analyse d'écoulements réactifs complexes. La décharge est générée en configuration pointe-plan dans l'air et dans un mélange pauvre de propane-air grâce à l'application à la pointe d'une haute de tension positive de 25 KV d'amplitude et 25 ns de largeur à mi-hauteur à la fréquence de 10 Hz. La modélisation des spectres expérimentaux de diffusion Raman spontanée par les spectres synthétiques minimisés, en prenant en compte le hors-équilibre vibrationnel et les couplages rotation-vibration, a permis d'obtenir les températures de vibration et rotation de N2 et O2 durant la post-décharge d'air et propane-air. L'étude du dépôt d'énergie effectuée à partir des mesures de températures et de densités d'espèces majoritaires a permis de caractériser les différents processus de transferts d'énergie qui se produisent lors de l'allumage par décharge nanoseconde. La faisabilité des mesures de températures instantanées pour la combustion turbulente par diffusion Raman spontanée a ensuite été explorée sur des flammes laminaires de méthane-air obtenues sur un brûleur de type bec Bunsen. Dans les gaz brûlés de la flamme la température instantanée est obtenue avec une très bonne précision. Dans les deux situations étudiées, la qualité de la mesure de température est obtenue grâce notamment à une procédure de détermination in-situ de la fonction d'appareil et évaluée par une méthode de détermination des incertitudes. Les résultats permettent d'envisager des mesures simultanées de températures instantanées et de densités d'espèces majoritaires avec le même dispositif expérimental ouvrant ainsi des perspectives intéressantes pour l'analyse d'autres écoulements réactifs.

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La fatigue du seuil d’endommagement laser dans la silice fondue a été largement étudiée au cours des dernières années, car ce phénomène est directement lié à la durée de vie des matériaux optiques utilisés dans des applications laser, le plus souvent à forte puissance. En effet, dans l’UV, on observe une décroissance du seuil d’endommagement laser quand le nombre de tirs laser augmente. Ce phénomène a été attribué pour ce couple longueur d’onde-matériau à des modifications laser-induites dans le matériau. Sous irradiation laser multiple à 266 nm, en utilisant des impulsions nanosecondes de densité d’énergie constante, nous avons observé que le signal de photoluminescence est modifié jusqu’à l’endommagement. A partir de cela, nous proposons une nouvelle représentation des données expérimentales qui permet de prédire l’apparition d’un endommagement dans le matériau. Cette prédiction réalisée à partir du signal de fluorescence et non de la statistique d’endommagement utilisée jusque-là, permet une économie significative de surface de composant et du temps d’expérience. Afin d’étendre l’intérêt de l’étude à un plus grand nombre d’applications, une extension des résultats à la longueur d’onde de 355 nm est proposée. Nous proposons un modèle où l’endommagement dans la silice fondue sous irradiation multiple à 266 nm est causé par une accumulation de modifications laser-induites induisant de l’autofocalisation non-linéaire. Afin d’essayer de généraliser la méthode de diagnostic de la fatigue par fluorescence, nous avons aussi réalisé des tests préliminaires sur des cristaux optiques non-linéaires bien connus comme le LBO ou le KDP. / Fatigue effects in fused silica have been largely studied in the past years, as this phenomenon is directly linked to the lifetime of high power photonic materials. Indeed, in the UV regime, we observe a decrease of the LIDT (Laser-Induced Damage Threshold) when the number of laser shots increases and this has been attributed for this couple wavelength/material to laser-induced material modifications. Under 266 nm laser irradiation, with nanosecond pulses of constant fluence, we observed that the photoluminescence is modified until damage occurs. Based on this observation, we propose a new representation of the experimental S-on-1 breakdown data which allows predicting the occurrence of material breakdown. This prediction, based on fluorescence signal and not damage statistics (presently widely used) allows consuming fewer sample surface and saving time. To extend the interest of the study to many more applications, we propose an extension of the results at 355 nm. We suppose that damage is caused in our fused silica samples by accumulation of laser-induced modifications under multiple-pulse UV irradiation inducing catastrophic non-linear self-focusing. In order to try to extend the fatigue diagnostic method by fluorescence, we have also realized preliminary tests in well-known non-linear crystals like LBO and KDP.

Cette thèse porte sur l'endommagement laser à la surface de composants optiques en silice amorphe en régime nanoseconde. Ce phénomène est une modification irréversible du matériau. Dans le régime nanoseconde, l'endommagement laser de la silice est étroitement corrélé à la présence de défauts précurseurs qui sont une conséquence de la synthèse et du polissage des composants. Cette thèse propose des investigations sur l'endommagement laser par plusieurs longueurs d'onde simultanément. Afin de mieux appréhender ce phénomène dans ces conditions d'irradiation, trois études sont conduites. La première porte sur la phase d'amorçage des dommages. Les résultats expérimentaux obtenus dans les cas mono-longueur d'onde permettent de mettre en avant un couplage dans le cas multi-longueurs d'onde. Une comparaison de ces résultats avec un modèle théorique développé au cours de cette thèse permet d'améliorer la compréhension des processus fondamentaux liés à cette phase d'endommagement. Puis, des caractérisations morphologiques post mortem couplées à une métrologie précise des faisceaux laser permettent d'établir la nature ainsi que la chronologie des mécanismes conduisant à la formation des dommages. Le scénario théorique proposé est validé à travers différentes expériences. En dernier lieu, nous étudions la phase de croissance des dommages dans les cas mono et multi-longueurs d'onde. Une fois de plus, cette dernière configuration met en lumière un couplage entre les longueurs d'onde. Nous montrons la nécessité de prendre en compte les caractéristiques spatiales des faisceaux laser lors d'une session de croissance des dommages. / In this thesis, laser-induced damage phenomenon on the surface of fused silica components is investigated in the nanosecond regime. This phenomenon consists in an irreversible modification of the material. In the nanosecond regime, laser damage is tightly correlated to the presence of non-detectable precursor defects which are a consequence of the synthesis and the polishing of the components. In this thesis, we investigate laser damage in a multiple wavelengths configuration. In order to better understand this phenomenon in these conditions of irradiation, three studies are conducted. The first one focuses on damage initiation. The results obtained in the single wavelength configurations highlight a coupling in the multiple wavelengths one. A comparison between the experiments and a model developed during this thesis enables us to improve the knowledge of the fundamental processes involved during this damage phase. Then, we show that post mortem characterizations of damage morphology coupled to an accurate metrology allow us to understand both the nature and also the chronology of the physical mechanisms involved during damage formation. The proposed theoretical scenario is confirmed through various experiments. Finally, we study damage growth in both the single and the multiple wavelengths cases. Once again, this last configuration highlights a coupling between the wavelengths. We show the necessity to account for the spatial characteristics of the laser beams during a growth session.

Dans le domaine du spatial, des sources laser à forte puissance sont déjà employées dans le cadre d’activités scientifiques. On peut citer par exemple l’analyse à distance de la composition chimique des roches sur Mars par LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et le sondage atmosphérique par Lidar (Light Detection And Ranging) pour l’amélioration des prédictions météorologiques. Cependant l’endommagement laser (LID) et la contamination induite par laser (LIC) sur les composants optiques des systèmes demeurent des risques difficiles à anticiper. En ce qui concerne la LIC, l’interaction du flux laser avec les optiques de l’instrument en orbite peut provoquer des dégradations irréversibles, liées à la création de dépôts organiques absorbants qui peuvent induire des endommagements laser dans le temps. L’effet LIC reste donc aujourd’hui un obstacle au développement de sources laser de puissance pour les applications sans maintenance possible et possédant des durées de vie raisonnables. Une étude paramétrique de l’effet LIC est proposée dans cette thèse afin de progresser dans la compréhension des mécanismes mis en jeu / Since their first implementation in satellite systems, lasers have proven to be very versatile devices in space applications. They are key components of a variety of space-based instruments performing altimetry, light detection and ranging, laser sensing, and laser communication. However, laser induced damage (LID) and laser-induced contamination (LIC) of optical surfaces are a major failure risk for space-bound laser instruments. Regarding the LIC effect, the interaction of the laser with slight traces of organic compounds on the optical surface leads to the formation of a highly absorbing nanometric deposit on the laser footprint. Under certain conditions, this deposit may cause laser induced damage. Today, mainly the LIC effect remains an obstacle for the development of reliable and long-living spaceborne lasers. A parametric study concerning this effect was carried out in this work in order to enhance our understanding of the various mechanisms involved

Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L'objectif de ce travail de thèse est d'évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l'utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s'est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d'éléments chimiques et la formation d'une nouvelle couche d'oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l'influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L'interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l'alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l'oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l'amorçage des piqûres.

Cette thèse a pour but d'étudier une nouvelle décharge nanoseconde pulsée à barrière diélectrique basée sur 3 électrodes (SL-DBD pour « SLiding DBD » en anglais), de la comparer à la décharge nanoseconde conventionnelle utilisant 2 électrodes (NS-DBD), et d'évaluer sa capacité à être utilisée soit comme capteur de vitesse pariétale, soit comme actionneur électromécanique pour le contrôle d'écoulement. Dans la première partie, les propriétés électriques des deux décharges sont caractérisées, permettant ainsi d'identifier le paramètre électrique clé qui permet de passer d'un régime de décharge à un autre. Des visualisations par caméra intensifiée ont confirmé cette transition lorsque le champ électrique moyen devient supérieur à 6.5 kV/cm. Des diagnostiques mécaniques (Schlieren et mesures de pression) ont permis de caractériser précisément l'onde de pression générée par les deux décharges.Ensuite, l'influence d'un écoulement sur le comportement électrique de la SL-DBD a été étudiée, mettant en évidence que le courant « collecté » par l'électrode (3) était à peu près proportionnel à la vitesse de l'écoulement en proche paroi. Même s'il reste encore de nombreux points à vérifier, ce résultat encourageant permet d'envisager l'utilisation de la SL-DBD comme capteur de vitesse et/ou de frottement pariétal.Enfin, la troisième partie est consacrée à l'effet de la SL-DBD sur des écoulements aérodynamiques, dans le but de les manipuler. Plusieurs configurations ont été étudiées (profil d'aile, marche descendante, plaque plane) et les résultats ont permis de montrer la complexité des phénomènes physiques à l'origine du contrôle, sans pour autant pouvoir totalement les expliquer. / This thesis aims to study new design of nanosecond pulsed dielectric barrier discharge in 3 electrodes configuration: the sliding discharge (SL-DBD), to compare it to the conventional nanosecond DBD in 2 electrodes geometry (NS-DBD) and to show also its capacity to be used as a friction velocity or wall shear stress sensor and to be used as electromechanical actuator for flow control.In its first part, the electrical properties of these two discharges are characterized and point out the key parameter governing the transition of one regime to another. The visualizations with an intensified camera confirm this transition when the mean electric field increases over 6.5 kV/cm. Therefore they extend further and cover the inter-electrode gap. Mechanical diagnostics (Schlieren and pressure measurements) characterize the pressure wave generated by these discharges. In the second part, the electrical characterization of the SL-DBD under flow conditions shows that the courant « collected » by the third electrode is almost proportional to the wall flow velocity. However, even if other studies needed to be performed, these encouraging results reveal the ability of the SL-DBD to be used as a friction velocity or a wall shear stress sensor. Finally, the third part is addressed to the effect of the SL-DBD on aerodynamics flows in order to manipulate them. Several configurations are studied (airfoil, backward facing step, flat plate) and the results have shown the complexity of the physicals phenomena governing the control authority, without being able to fully explain them.

Les matériaux métalliques sont utilisés dans des conditions de plus en plus sévères et doivent présenter une parfaite intégrité sur des périodes de plus en plus longues. L’objectif de ce travail de thèse est d’évaluer le potentiel d'un traitement de refusion laser pour améliorer la résistance à la corrosion d'un acier inoxydable de type 304L ; l’utilisation du laser dans le domaine des traitements de surface constituant un procédé en pleine évolution à cause des changements récents dans la technologie des lasers. Dans le cadre de ce travail, le choix du laser s’est porté sur un laser nano-impulsionnel à fibre dopée ytterbium dont les caractéristiques permettent la fusion quasi-instantanée sur quelques microns de la surface traitée, immédiatement suivie d'une solidification ultra-rapide avec des vitesses de refroidissement pouvant atteindre 1011 K/s. La combinaison de ces processus favorise l'élimination des défauts surfaciques, la formation de phases hors équilibre, la ségrégation d’éléments chimiques et la formation d’une nouvelle couche d’oxyde dont les propriétés sont gouvernées par les paramètres laser. Afin de les corréler avec la réactivité électrochimique de la surface, l’influence de deux paramètres laser sur les propriétés physico-chimiques de la surface a été étudiée : la puissance du laser et le taux de recouvrement des impacts laser. Pour clarifier ces relations, la résistance à la corrosion par piqûration des surfaces traitées a été déterminée par des tests électrochimiques. Pour des paramètres laser spécifiques, le potentiel de piqûration d'un acier inoxydable de type 304L augmente de plus de 500 mV traduisant ainsi une meilleure tenue à la corrosion localisée en milieu chloruré. L’interdépendance des différents phénomènes résultant du traitement laser a rendu complexe la hiérarchisation de leur effet sur la sensibilité de l’alliage testé. Cependant, il a été montré que la nature de l’oxyde thermique formé au cours de la refusion laser et ses défauts sont du premier ordre pour l’amorçage des piqûres. / Metallic materials are more and more used in severe conditions with particularly strong request for improving their behavior in aggressive environment and especially over long periods. The objective of this PhD work is to estimate the potentiality of a laser surface melting treatment on the improvement of the stainless steel 304L corrosion resistance, surface treatments by laser can be revisited on the basis of a recent change in the laser technology. In the frame of this work, a nano-pulsed laser fiber was chosen : it allows the treated surface to be melted for few microns in depth, followed by an ultra-fast solidification occuring with cooling rates up to 1011 K/s. The combination of these processes leads to the elimination of the surface defects, the formation (trapping) of metastable phases, the segregation of chemical elements and the growth of a new oxide layer which properties are governed by the laser parameters. To correlate these latter to the electrochemical reactivity of the surface, the influence of two laser parameters on the physico-chemical properties of the surface was studied : the laser power and the overlap of the laser impacts. To support this approach, the pitting corrosion resistance of the samples was determined by standard electrochemical tests. For specific laser parameters, the pitting potential of a 304L stainless steel was increased by more than 500 mV corresponding to an important enhancement in localized corrosion resistance in chloride environment. The interdependence of the different phenomena resulting from the laser treatment lead to a quite complex prioritization of their role on the sensibility of the 304L. However, it was demonstrated that the nature of the thermal oxide formed during the laser surface melting and the induced defects are first-order parameters for the initiation of pits.