Nous nous intéressons au développement ainsi qu’à la modélisation théorique de techniques de spectroscopie optique de champ lointain capables de coupler résolutions spatiale et temporelle grâce à l’utilisation de faisceaux d'excitation mis en forme spatialement. Nous établissons, théoriquement et expérimentalement, que dans une expérience de mélange de quatre ondes réalisée avec des faisceaux de Laguerre-Gauss, la charge totale du moment orbital est conservée. Nous montrons comment cette propriété peut être mise à profit pour travailler en géométrie colinéaire dans le but d’améliorer la résolution spatiale des expériences. Dans une deuxième partie, nous présentons une technique de spectroscopie « pompe-sonde » résolue spatialement que nous avons conçue et développée : l’imagerie temporelle est obtenue via la détection interférométrique des variations d’indice d’un matériau vues par une sonde étendue et consécutives à l’excitation par une impulsion pompe focalisée à la limite de diffraction. Nos modélisations démontre d’un tel montage associé à l’emploi d’une impulsion pompe modulée spatialement doit permettre, grâce au battement entre les fréquences spatiales des inhomogénéités de l’échantillon et de la modulation spatiale de l’excitation, de dépasser la limite de Rayleigh. / This work focuses on developing and modelling far-field spectroscopic methods that couple spatial and time resolutions by using beam-shaping. In a first part, we demonstrate, theoretically and experimentally, that generating a signal in a four-wave mixing experiment performed with Laguerre-Gauss beams, implies the conservation of the total charge of the orbital momentum. We show that this specificity can be used to perform experiments with collinear beams in order to improve spatial resolution. In a second part, we present a time- and spatially-resolved pump-probe technique of our own design: time-resolved imaging is obtained by the interferometric detection of variations in the refraction index of a material, undergone by a wide probe and induced by a diffraction-limited pump-pulse. Improving such an experiment set-up with a spatially-modulated pump-pulse should enable, thanks to the beating between spatial frequencies of sample inhomogeneities and the excitation spatial-modulation, to increase spatial resolution go the Rayleigh criterion.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de tellurite pour la génération de supercontinuum au-delà de 2µm. Pour atteindre notre but nous avons tout d'abord réalisées les études des propriétés thermiques et optiques des verres TeO2-ZnO-R2O et TeO2-WO3-R2O (où R= Li, Na et K). La composition du verre 80TeO2-10ZnO-10Na2O (% molaire) a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations du développement des effets non linéaires. La synthèse sous atmosphère sèche et oxydante nous a permis de réduire la concentration des groupements hydroxyles d’un facteur 30 par rapport à la fabrication du verre sous air. L’utilisation d'agents déshydratants (ZnF2 et TeCl4) permet d'abaisser encore la concentration des groupements OH jusqu’à quelques ppm. La composition du verre 80TeO2-5ZnO-5ZnF2-10Na2O donne une fibre transparente jusqu’à 4 µm laissant apparaître l’influence de l’absorption multiphonon. Utilisant les précurseurs commerciaux les plus purs nous avons pu réaliser une fibre de tellurite avec de très faibles pertes à 0,1 dB/m.Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus avec des diamètres de cœurs variant de 2,7 µm à 3,5 µmet permettant de gérer la dispersion chromatique et de ramener la longueur d'onde du zéro dispersion entre 1500 nm et 1660 nm. Pour optimiser la génération du supercontinuum nous avons utilisé des sources laser pulsées pico- et femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée. Les résultats expérimentaux, en bon accord avec les simulations, nous ont permis d'obtenir un élargissement spectral s’étalant de 850 nm à 2850 nm avec un niveau de puissance de sortie de 112 mW, dont l'extension à plus grandes longueurs d'ondes dans l'infrarouge est encore pour l'instant fortement limitée par l’absorption des groupements hydroxyles. Cependant la déshydratation du matériau, même si elle doit encore être améliorée a permis de montrer que lors de pompage à 2000-2200 nm le supercontinuum peut atteindre 4000-4500 nm, gamme de longueurs d’onde à partir de laquelle l’absorption multiphonon commence à être perceptible / The work reported in this thesis deals with the fabrication of suspended core tellurite microstructured optical fibers (MOFs) for supercontinuum generation beyond 2 µm. In order to reach our aim, we first studied thermal and optical properties of TeO2-ZnO-R2O and TeO2-WO3-R2O (where R = Li, Na and K) glasses. The glass 80TeO2-10ZnO-10Na2O (molar %) has been chosen in order to make MOFs for characterization of the generated non linear optical effects. Synthesis performed under dry and oxidative atmosphere allowed us to reduce the hydroxyl groups concentration by a factor of 30 compared to fabrication in air atmosphere. Use of dehydrating agents (ZnF2 and TeCl4) allowed to reduce again the OH groups concentration down to a few ppm. The glass composition 80TeO2-5ZnO-5ZnF2-10Na2O increases the fiber transparency up to 4 µm letting the influence of multiphonon absorption appear. Using the purest commercial raw powders, we have fabricated one tellurite fiber exhibiting very low losses (0,1 dB/m). We have fabricated suspended core MOFs with a core diameter varying from 2,7 µm up to 3,5 µm allowing to deal with the chromatic dispersion and to shift the zero dispersion wavelength down to the 1500-1660 nm range. In order to optimize the supercontinuum generation, we have used pico- and femtosecondes pulsed laser sources to pump the fibers in anomalous dispersion regime. In parallel to the experimental measurements, we have performed numerical simulations based on the resolution of the generalized nonlinear Schrödinger equation. The experimental results, in good agreement with the simulations, allowed us to point out a spectral broadening expending from 850 nm up to 2850 nm with a total output power of 112 mW, with an extinction near the longest infrared wavelengths which is again strongly limited by the hydroxyl groups absorption. However, the dehydrated material, even though it needs to be improved further, allowed to show that by pumping at 2000-2200 nm, the supercontinuum can reach 4000-4500 nm, the wavelength range from which the multiphonon absorption starts to be perceptible

Les non-linéarités des ondes de surface, qui se caractérisent par leur aspect dissymétrique, sont reconnues comme l'un des principaux moteurs du transport de sédiments en zone littorale. Cependant, l'estimation du transport reste imparfaite, en partie du fait d’une description inexacte des non-linéarités de la vitesse de l'écoulement orbital. Les ondes infra-gravitaires, qui coexistent avec les ondes courtes en zone littorale, sont des ondes de longue période (20-200 s) associés aux groupes d'ondes courtes. Les mécanismes de génération, propagation et dissipation de ces ondes sont maintenant relativement bien compris, mais leur effet sur le transport sédimentaire est encore mal connu. Afin (i) d’améliorer les paramétrisations existantes des non-linéarités de vitesse et (ii) d’étudier le rôle des ondes infra-gravitaires dans le transport sédimentaire, de nouvelles expériences ont été réalisées dans deux canaux à houle, l’un avec un fond fixe et l'autre avec un fond mobile constitué de sédiments de faible densité. Les données obtenues avec ces modèles physiques ont été utilisés conjointement à des données de terrain et des simulations numériques pour étudier les deux sujets.}TEXT{}{Les paramétrisations classiques pour les non-linéarités de vitesse prennent seulement en compte l'influence de paramètres locaux (la hauteur de vague, la longueur d'onde et la profondeur d’eau), ce qui entraîne des erreurs importantes dans les estimations, en particulier les valeurs maximales de non-linéarité. Ce travail montre que les non-linéarités de vitesse ont aussi une dépendance avec des paramètres qui ne sont pas locaux: (i) la cambrure de vague et (ii) la largeur de la bande spectrale au large, ainsi que (iii) la pente de la plage. Une nouvelle paramétrisation est proposée, qui réduit d’environ 50% l'erreur sur les résultats obtenus avec les paramétrisations existantes. Les résultats expérimentaux obtenus dans le canal à houle avec un fond mobile montrent que des conditions de vagues avec la même énergie d'ondes courtes, mais avec une modulation basse fréquence différente, modèlent des profils de plage différents. L'influence des ondes infra-gravitaires sur le transport sédimentaire est mis en évidence par deux mécanismes distincts: (i) l’advection par les ondes infra-gravitaires de sédiment mis en suspension par l'action des ondes courtes, qui dépend de la hauteur des ondes infra-gravitaires et de leur phase par rapport aux groupes d'ondes courtes et (ii) les ondes infra-gravitaires modifient les non-linéarités des ondes courtes, que ce soit directement ou indirectement, par modulation de la hauteur de la colonne d'eau. Les variations morphologiques du haut de plage induites par les ondes infra-gravitaires sont associées à des changements du profil de la plage dans les zones de déferlement et de levée, en mettant en évidence le lien entre les différentes régions du profil transversal de la plage. / Wave nonlinearities have long been recognised as being among the main drivers of sediment transport in the coastal zone. However, there are still significant errors in the prediction of this transport associated, partially due to inaccurate predictions of the velocity nonlinearities. The infragravity waves, which coexist with the short waves in the coastal zone, are long-period waves (with 20-200 s) associated to the short-wave groups. Their generation, propagation and dissipation mechanisms are already reasonably well understood, but their influence on sediment transport is still very poorly characterised. In order to (i) improve current predictions of velocity nonlinearities and (ii) investigate the role of infragravity waves in sediment transport, new experiments were carried out both in a fixed-bed wave flume and in a light-weight-sediment wave flume. The physical-modelling data set is used in combination with field data and numerical simulations for studying both subjects. Existing parameterizations of velocity nonlinearities account only for the influence of local wave parameters (e.g. wave height, wave length and water depth), which leads to considerable estimation errors, especially of the maximal values of nonlinearity. This work shows that the velocity nonlinearities depend also on non-local wave parameters: (i) offshore wave steepness, (ii) offshore spectral bandwidth and (iii) beach slope. A new parameterization is proposed, which reduces by about 50% the root-mean-square error relatively to former parameterizations. The experimental results in the light-weight-sediment wave flume demonstrate that wave conditions with the same short-wave energy, but different low-frequency modulation, shape different equilibrium beach profiles. The influence of the infragravity waves on the sediment transport is confirmed and depends on two different mechanisms: (i) advection of the short-wave suspended sediment by the infragravity-waves, which is dependent on the infragravity-wave height and phasing with the short-wave groups and (ii) modulation of short-wave nonlinearities by infragravity-wave motion, both directly and indirectly, through water-depth modulation. Changes in the beachface morphology induced by infragravity waves are connected to beach-profile changes in the surf and inner-shoaling zones, highlighting the existent link between the different zones of the cross-shore beach profile.

Notre nouvelle approche expérimentale consiste à étudier la fissuration de matériaux mous, principalement des gels polymériques et colloidaux, qui ont des tailles microstructurales micrométriques. Cette augmentation de la taille microscopique va avoir pour conséquence d’augmenter la taille de la zone de process et va rendre son observation plus facile avec des moyens standard de microscopie (à transmission et confocale).Pour se faire, nous avons mis au point un nouveau dispositif expérimental pour étudier la propagation de fissures dans des matériaux mous. Cette expérience permet de faire croître une fissure de manière contrôlée dans un échantillon mou et d’inspecter la pointe de fissure à haute résolution pour des fissures se propageant entre 1 µm/s and 1cm/s. En travaillant avec des gels de polymère physiques, nous avons analyse la forme de fissure ainsi que les champs de déplacement proches pointe (en utilisant des techniques de corrélation d’image) à petites et grandes échelles et à différentes vitesses. Nous avons montré qu’il existait une séparation d’échelles spatiales entre les échelles où l’élasticité linéaire s’applique, les échelles auxquelles les non linéarités émergent et les échelles auxquelles la dissipation se produit. Cette dernière échelle n’a pas pu être investigué dans le cas de gels polymériques. De récentes expériences sur des gels colloïdaux, ayant une longueur micro-structurale plus grande que celle des gels polymers, montre que nous sommes capables de sonder en temps réel les échelles d’endommagement lors de la fissuration. / Our novel experimental approach consists in studying fracture mechanics of soft materials, mainly polymer and colloidal gels, which have microstructures with large typical length scales. This increase in the microscopic length scale will consequently increase the typical size of the process zone and make its observation easier with standard microscopy techniques (optical or confocal).To do so, we designed a novel experimental device to study crack propagation in such soft materials. This experiment enables us to grow a unique crack in a controlled way in a soft specimen and to look at the crack tip at high magnification for crack velocities between 1 µm/s and 1cm/s. Working on physical polymer gels, we analysed the crack shape and crack displacement fields (using Digital Image Correlation) at large and intermediate scales for various velocities. We realized there was a separation of scales between the scale at which LEFM applies, the scale at which elastic nonlinearities emerge and the scale at which dissipation occurs. This last scale could not be investigated with the polymer gel. Recent experiments on colloidal gels, which have a microscopic length scale bigger than the one of polymer gels, show that we are able to probe damage at the microstructural scale.

Ce travail de thèse est une contribution au développement des méthodes d’acoustique non linéaire pour le contrôle non destructif et l’imagerie de défauts de type contact dans les solides.Dans ce travail, des modifications sont proposées pour deux méthodes récentes de contrôle non destructif par acoustique non linéaire : l’interférométrie de coda couplée au retournement temporel, et l’imagerie non linéaire par ultrasons aériens. Le principal avantage de la première méthode est sa sensibilité extrême liée à l’accumulation des effets induits par des changements, même faibles, des propriétés de l’échantillon durant la formation de la coda. La deuxième méthode apporte une approche complémentaire en permettant de réaliser un contrôle sans contact. Les techniques développées ont été testées sur des échantillons présentant des défauts artificiels à des emplacements connus. Les performances de chacune des méthodes ont été étudiées.La deuxième partie de ce travail porte sur la description théorique des non-linéarités acoustiques de contact et leur utilisation pour le développement d’une boite à outils numériques permettant la simulation d’ondes acoustiques dans des structures complexes contenant des contacts internes. Un model physique décrivant le décalage tangentiel de deux corps en contact en présence de friction est proposé. Il aboutit à une solution analytique pour la relation présentant une hystérésis entre les déplacements de contact normal et tangentiel et les chargements. Ce modèle est utilisé comme condition aux frontières pour les surfaces de contact internes (défauts) dans un modèle de propagation d’ondes acoustiques utilisant un logiciel d’éléments finis commercial / This PhD thesis work contributes to the development of nonlinear elastic methods for non-destructive testing and imaging of contact-type defects in solids.In this work, two modifications of recent nonlinear nondestructive testing methods are suggested: the coda wave interferometry combined with the nonlinear time reversal principle and air-coupled nonlinear ultrasonic imaging. The principal advantage of former technique is in its extremely high sensitivity owing to the fact that weak changes in sample's parameters are accumulated and finally greatly amplified during the formation of the coda wave. The other technique has a complimentary strength and offers a possibility of a remote detection. The developed techniques are tested on samples with artificially fabricated defects at known locations. The performance of each method is accessed and the potential for obtaining robust nonlinear images is demonstrated.The second part of the work is concerned with a theoretical description of contact acoustical nonlinearity and its use for creating of a numerical toolbox capable of simulating wave propagation in complex structures containing internal contacts. A physical model describing the tangential shift of two contacting bodies in the presence of friction has been proposed. Its result is an analytical computer-assisted solution for hysteretic relationships between normal and tangential contact displacements and loads. The contact model and derived load-displacement relationships are used as boundary conditions posed at the internal boundaries (contact surfaces) in a finite element wave propagation model programmed via commercial software

La thèse s'inscrit dans le développement de systèmes d'instrumentation pour les structures intelligentes du génie civil. Elle dresse un panorama des capacités d'un nouveau capteur pour l'évaluation dynamique des ouvrages : l'Extensomètre à fibre optique de Longue Base de mesure Continûment Attaché (ELB-CA). Un modèle analytique complet de la mesure des capteurs est déterminé et appliqué au cas des poutres d'Euler-Bernoulli. Les divers traitements et études (par exemple par analyse en ondelettes) réalisés sur les réponses numériques et expérimentales de l'ELB-CA ont permis de dégager quelques caractéristiques des ELB-CA. Certaines sont spécifiques à la base de mesure du capteur : filtrage de modes pour le contrôle des structures et détection de défauts à partir de la courbure modale. D'autres, comme la détection de non-linéarités géométriques ou l'obtention de formes modales différentes, sont liées au type de mesure réalisée et peuvent s'appliquer à tous les extensomètres.

Ce travail de thèse a porté sur la conception et la caractérisation d'un dispositif efficace pour l'amélioration du contraste d'impulsions laser femtosecondes ultra-intenses. La notion de contraste désigne le rapport d'intensité entre l'impulsion proprement dite et son piédestal, de durée nanoseconde. Ce piédestal est constitué par l'émission spontanée amplifiée (ASE pour Amplified Spontaneous Emission), inhérent au mécanisme d'amplification laser et particulièrement néfaste pour les interactions laser-matière sur cible solide.<br />Le travail présenté consiste en l'étude théorique et expérimentale d'un filtre temporel basé sur un effet non linéaire du troisième ordre, agissant sur la polarisation de l'impulsion. Nous avons étudié plusieurs déclinaisons de ce principe. Le dispositif finalement retenu repose sur la génération d'une onde polarisée orthogonalement (XPW) dans des matériaux cristallins dont la susceptibilité non linéaire d'ordre trois est anisotrope. Ce filtre non linéaire a été testé sur différents systèmes femtosecondes et permet l'amélioration du contraste sur plusieurs ordres de grandeur, comme le confirment les mesures de profils temporels sur une grande dynamique réalisées après filtrage. Nous avons également conçu un dispositif pour optimiser l'efficacité de conversion du processus non linéaire, c'est-à-dire la transmission du filtre. Cette méthode consiste à générer des interférences constructives entre les signaux XPW émis dans des cristaux distincts. Dans ces conditions, l'efficacité de transmission théorique (supérieure à 20%) est atteinte expérimentalement et dans le même temps la stabilité du système est assurée. Nous avons enfin démontré que le filtre préserve, voire améliore, les qualités spectrales et spatiales de l'impulsion. <br />Ces résultats sont donc particulièrement prometteurs et permettent d'envisager l'implémentation définitive du filtre dans les systèmes femtosecondes.

De nombreuses applications, telles que la spectroscopie résolue en temps, requièrent de développer de nouvelles sources laser, qui émettent des impulsions courtes et accordables dans l'infrarouge moyen. Dans ce domaine, l'optique non linéaire apporte un grand nombre de solutions. D'une part les processus de conversion de fréquence permettent d'envisager l'extension du domaine spectral couvert par les sources laser. D'autre part les spécificités des processus non linéaires permettent d'envisager la création de fonctions optiques rapides. Dans ces travaux, nous mettons à profit ces deux aspects à travers la réalisation de dispositifs originaux de génération d'impulsions picosecondes. La première contribution de la thèse est la réalisation d'une source OPO à pompage synchrone basée sur un cristal de ZGP émettant des impulsions picosecondes dans la bande 3,8 µm- 5,6 µm. Les performances des différents étages de conversion sont discutées à la fois par des considérations expérimentales et numériques. La seconde contribution est le développement d'une source laser ZnSe:Cr2+ à modes verrouillés par un dispositif de miroir non linéaire d'ordre 2 à base de PPLN, accordable dans la bande 2,45 µm - 2,55 µm. Le miroir non linéaire est tout d'abord caractérisé en dehors de la cavité laser, puis le verrouillage de mode du laser est expérimentalement réalisé. Nous proposons enfin de généraliser la fonction miroir non linéaire en donnant les conditions d'obtention d'un verrouillage de modes par la modulation combinée de l'amplitude et de la phase de l'onde laser.

Les sources d'énergies renouvelables représentent un gisement intéressant mais l'intermittence de leur production impose une meilleure anticipation des besoins et la mise en place d'un système de stockage d'énergie. Le stockage thermochimique par adsorption dans un système intégrant le couple zéolithe 13X/eau semble être une solution adaptée à un stockage de l'énergie à basse température pour une application aux bâtiments. Notre objectif consiste à reproduire le comportement de ce type de problèmes thermiques non-linéaires. En effet, une simulation précise et rapide du comportement du système sélectionné permettrait une régulation lors de son utilisation. Un modèle bidimensionnel de stockage d'énergie dans un adsorbeur cylindrique a été développé. La résolution numérique de ce modèle, dit d'ordre élevé, implique l'intégration d'un système de quelques centaines à quelques milliers d'équations fortement non-linéaires et couplés. Les coûts de calculs générés pouvant être prohibitifs, l'application d'une méthode de réduction a ainsi été envisagée afin de conserver les caractéristiques, le couplage des transferts de chaleur et de masse ainsi que les non-linéarités de ce modèle tout en limitant le temps de calculs. La projection de Galerkin des équations de ce dernier sur la base, obtenue grâce à une décomposition orthogonale aux valeurs propres, permet de construire un système dynamique d'ordre faible. Sa résolution est moins coûteuse que celle du modèle d'ordre élevé et reproduit correctement la dynamique de l'adsorbeur.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de tellurite pour la génération de supercontinuum au-delà de 2µm. Pour atteindre notre but nous avons tout d'abord réalisées les études des propriétés thermiques et optiques des verres TeO2-ZnO-R2O et TeO2-WO3-R2O (où R= Li, Na et K). La composition du verre 80TeO2-10ZnO-10Na2O (% molaire) a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations du développement des effets non linéaires. La synthèse sous atmosphère sèche et oxydante nous a permis de réduire la concentration des groupements hydroxyles d'un facteur 30 par rapport à la fabrication du verre sous air. L'utilisation d'agents déshydratants (ZnF2 et TeCl4) permet d'abaisser encore la concentration des groupements OH jusqu'à quelques ppm. La composition du verre 80TeO2-5ZnO-5ZnF2-10Na2O donne une fibre transparente jusqu'à 4 µm laissant apparaître l'influence de l'absorption multiphonon. Utilisant les précurseurs commerciaux les plus purs nous avons pu réaliser une fibre de tellurite avec de très faibles pertes à 0,1 dB/m.Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus avec des diamètres de cœurs variant de 2,7 µm à 3,5 µmet permettant de gérer la dispersion chromatique et de ramener la longueur d'onde du zéro dispersion entre 1500 nm et 1660 nm. Pour optimiser la génération du supercontinuum nous avons utilisé des sources laser pulsées pico- et femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée. Les résultats expérimentaux, en bon accord avec les simulations, nous ont permis d'obtenir un élargissement spectral s'étalant de 850 nm à 2850 nm avec un niveau de puissance de sortie de 112 mW, dont l'extension à plus grandes longueurs d'ondes dans l'infrarouge est encore pour l'instant fortement limitée par l'absorption des groupements hydroxyles. Cependant la déshydratation du matériau, même si elle doit encore être améliorée a permis de montrer que lors de pompage à 2000-2200 nm le supercontinuum peut atteindre 4000-4500 nm, gamme de longueurs d'onde à partir de laquelle l'absorption multiphonon commence à être perceptible