The propagation of intense picosecond laser pulses in air in the presence of strong nonlinear self-action effects and air ionization is investigated experimentally and numerically. The model used for numerical analysis is based on the nonlinear propagator for the optical field coupled to the rate equations for the production of various ionic species and plasma temperature. Our results show that the phenomenon of plasma-driven intensity clamping, which has been paramount in femtosecond laser filamentation, holds for picosecond pulses. Furthermore, the temporal pulse distortions in the picosecond regime are limited and the pulse fluence is also clamped. In focused propagation geometry, a unique feature of picosecond filamentation is the production of a broad, fully ionized air channel, continuous both longitudinally and transversely, which may be instrumental for many applications including laser-guided electrical breakdown of air, channeling microwave beams and air lasing.

Nonlinear propagation and shock formation are shown in noise radiated from full-scale military jet aircraft. Perception of sound is not only affected by the overall sound pressure level of the noise, but also characteristics of the sound itself. In the case of jet noise, acoustic shocks within the waveforms result in a characteristic commonly referred to as"crackle." The origin of shocks in the far-field of jet noise is shown to be through nonlinear propagation. Metrics characterizing the shock content of a waveform are explained and given physical significance, then applied to jet noise at various distances and engine conditions to show areas where shock formation is significant. Shocks are shown to develop at different distances from the aircraft, dependent on the amplitude and frequency, and nonlinear propagation is shown to be important in determining time and frequency characteristics of jet noise at distances of up to 1220 m from the aircraft. The shock content is also characterized during flyover experiments, and the shock content between the two scenarios is compared. While some reduction in overall level and shock content is seen in the maximum radiation region, level increases in the forward direction during flight result in increased shock content. Variation at distances of 305 m and beyond is considered and shown as a result of small atmospheric changes. Finally, a nonlinear numerical propagation scheme is used to model the propagation, showing accuracy in predicting frequency-domain and time-domain features that are evidence of nonlinear propagation.

L’imagerie ultrasonore harmonique, qui repose sur la non linéarité du milieu de propagation, est une technique d’imagerie clinique qui améliore la résolution des images. La mesure ultrasonore du paramètre local de non linéarité d'un milieu est une voie de recherche qui amènerait de nouvelles perspectives dans le domaine de la caractérisation des tissus. Cependant, l'accès à cette information se heurte à deux écueils : d'une part il n’existe pas actuellement de méthode de mesure de ce paramètre à partir du mode écho classique et d'autre part, les outils de simulation prenant en compte la non-linéarité du milieu sont peu développés. Une méthode de spectre angulaire a donc été proposée afin de calculer le champ de pression dans des milieux de non linéarité inhomogène. Ce champ de pression est ensuite utilisé pour engendrer des images échographiques contenant l’information harmonique. Cette méthode spectrale a été portée sur GPU afin d’accélérer le calcul et a été intégrée dans un logiciel libre : CREANUIS. Dans un deuxième temps, une extension d’une méthode comparative (ECM) a été proposée pour prendre en compte des milieux de non linéarité non homogène, fonctionnant en mode écho. Grâce aux outils de simulation développés, différentes configurations ont été utilisées pour la mise au point de l’ECM qui a ensuite été validée à partir d'objets tests et in vitro sur foies d’animaux. Même si la méthode de mesure présente une résolution relativement faible, les images obtenues démontrent le potentiel de l’imagerie du paramètre de non linéarité des tissus. / Harmonic imaging, based on the propagated medium nonlinearity, is a clinical imaging technique which increases the resolution of ultrasound images. The ultrasound measure of the local nonlinear parameter brings new perspectives in term tissues characterization. However, access to this information suffers from two strong points: from one hand, there is no current measurement method of this parameter in echo mode configuration and on the other hand, the simulation tools taking into account the nonlinearity are not many developed. An angular spectrum method has been proposed to compute the nonlinear pressure field with inhomogeneous nonlinear parameter. This pressure field is then used to generate ultrasound images containing the harmonic component. This spectral approach has been implemented on a GPU in order to accelerate the computation and package in a free software made available to the scientific community under the name CREANUIS. In a second time, a extension of a comparative method (ECM) has been proposed to take into account media with inhomogeneous nonlinearity, working an echo mode configuration. Thanks the developed simulation tools, different configurations have been used to parameterize and to evaluate the ECM which has then be validated on test objects and in vitro animal’s livers. Even if the measure presents a relatively weak resolution, the obtained images demonstrated a high potential in the nonlinear parameter imaging of tissues.

Les agents de contraste sont de petites bulles qui répondent non linéairement lorsqu’ils sont exposés à ultrasons. La réponse non-linéaire donne la possibilité d’images échographiques harmoniques qui a beaucoup d’avantages sur l’imagerie fondamentale. Toutefois, afin d’accroître l’échographie de contraste d’imagerie harmonique de performance nous devons d’abord comprendre la propagation non linéaire d’ultrasons. La non-linéarité du milieu déforme l’onde qui se propage, tels que les harmoniques commencent à se développer. La théorie qui a été prévue est la mise en œuvre, qui a permis une nouvelle méthode de modélisation de propagation des ultrasons non-linéaire. La connaissance acquise au cours de ce processus a été utilisée pour construire un deuxième signal à composantes multiples pour la réduction des harmoniques générées en raison des non-linéarités des tissus. En conséquence, la détection d’agents de contraste ultrasonore aux harmoniques a été augmentée. Une puissante technique d’imagerie échographique (Pulse inversion) a été renforcée avec le deuxième signal pour la réduction des harmoniques. Qu’est-ce qui a été appris pendant l’investigation : le pulse inversion technique a donné une nouvelle phase codée, appelée inversion de seconde harmonique. En outre, il a été noté que pour différents types de médias le niveau de distorsion de l’impulsion à ultrasons est différent. Cela dépend en grande partie du paramètre non linéaire B / A. Les travaux sur ce paramètre n’a pas été fini, mais il est quand même important de continuer dans cette direction puisque B / A imagerie avec des agents de contraste ultrasonore a beaucoup de potentiel. / Ultrasound contrast agents are small micro bubbles that respond nonlinearly when exposed to ultrasound wave. The nonlinear response gives possibility of harmonic ultrasound images which has many advantages over fundamental imaging. However, to increase ultrasound contrast harmonic imaging performance we must first understand nonlinear propagation of ultrasound wave. Nonlinear propagation distorts the propagating wave such that higher harmonics appear as the wave is propagating. The theory that was laid down, was allowed implementing a new method of modelling nonlinear ultrasound propagation. The knowledge obtained during this process was used to construct a multiple component second harmonic reduction signal for reduction of their harmonics generated due to the tissue nonlinearities. As a consequence detection of ultrasound contrast agents at higher harmonics was increased. Further more, a powerful ultrasound imaging technique called Pulse Inversion, was further enhanced with multiple component second harmonic reduction signal. What was learned during investigation of the Pulse Inversion, technique lead to a new phase coded ultrasound contrast harmonic method called second harmonic inversion;. Also it was noted that for different type of media the level of distortion of ultrasound pulse is different. It depends largely on the nonlinear parameter B / A. Although the work on this parameter has not been finished it is very important to continue in this direction since B / A imaging with ultrasound contrast agents has a lot of potential.

Les moteurs thermoacoustiques sont des machines thermodynamiques cycliques, qui font usage d’un gradient de température dans un matériau poreux pour générer du travail acoustique. Les modèles historiques décrivant ces moteurssont basés sur la théorie linéaire de la thermoacoustique, qui faillit à qualifier leurs conditions de fonctionnement etde saturation car différents effets non linéaires dissipent une partie non négligeable de l’énergie acoustique produiteet perturbent la distribution de température dans le noyau et l’éloignent de la distribution pour laquelle le moteur aété optimisé.Les travaux présentent les résultats expérimentaux issus d’une approche globale pour limiter l’impact de ces effetsnon linéaires, en ajustant le champ acoustique par un rétro-contrôle acoustique dans le moteur afin d’exploiter au mieux la distribution de température présente dans la machine.Un modèle simplifié est établi afin de comprendre les phénomènes en jeu dans les comportements dynamiques complexes observés expérimentalement, tels que l’augmentation de l’efficacité de conversion thermoacoustique coupléeà une baisse de la différence de température dans le régénérateur, l’extinction de l’auto-oscillation, ou un comportementhystérétique des seuils d’instabilité. Ce modèle est basé sur une approche à constante localisée et une description discrète des transferts thermiques pour réduire l’ordre de complexité du problème.Une étude complémentaire est présentée sur la propagation non linéaire dans les moteurs thermoacoustiques, pouvantamener à la formation d’ondes de choc. Des outils de description de cette propagation sont adaptés au cas desauto-oscillations thermoacoustiques afin de mettre en évidence les paramètres déterminant dans l’amplification duphénomène de cascade harmonique dans des configurations académiques de moteurs thermoacoustiques. / Thermoacoustic engines are heat engines in which a fluid in a porous media submitted to temperature gradient undergoesa thermodynamic cycle performing acoustic work. The design and optimization of such engine usually makes use of the linear theory of thermoacoustics. Though it is sufficient to describe the onset conditions of the instability, this theory fails to predict accurately the operating conditions of engines. Indeed, nonlinear effects develop due to high acoustic levels, which tend to perturb the temperature distribution in the thermoacoustic core and take it away from the ideal distribution for which the engine as been optimized.The work presented in this manuscript is devoted to a technique of control of the acoustic field distribution in the engine, in order to optimize the thermoacoustic interaction though nonlinear effects distort the temperature distribution. An auxiliary acoustic source added to the engine, powered by a feedback loop allows to control the efficiency of thermoacoustic conversion. Experimental results are presented, showing complex behavior such as oscillation death or hysteretic behavior of thresholds.A low order model of the engine under the influence of the feedback loop is presented, giving an insight of the physical phenomena at stake in this control. It is based on a lumped element electro-acoustic analogy, coupled with a discretization of the heat transfer description.A complementary study of the nonlinear propagation is presented for simple configurations of thermoacoustic prime movers. The condition leading to shock-wave formation are sought thanks to a numerical model, adapted to selfsustainedoscillations from a previous model of weakly nonlinear guided propagation.

La capacité ultime du canal dans les systèmes de transmission optique à longue distance est limitée par les effets non linéaires liés à la propagation dans les fibres optiques. Des techniques de compensation des effets non-linéaires, tel que la DBP (Digital Back Propagation), ont été proposées pour surmonter ces limitations et accroître la capacité. Compte tenu de leur complexité d’implémentation, leur gain en performance reste très limité. Cela a déclenché très récemment la recherche de nouvelles techniques de communication prenant en compte la non-linéarité de la fibre. Une nouvelle méthode de communication en régime non-linéaire, basée sur la théorie de la transformation spectrale inverse (IST pour Inverse Spectral Transform), a été proposée pour surmonter la limitation induite par ces effets. Cette méthode, proposée à l'origine par Hasegawa en 1993, encore appelée communication aux valeurs propres (ou multi-solitons), est basée sur l'observation fondamentale selon laquelle le spectre non linéaire d'un signal optique est invariant (à l'exception d'un déphasage linéaire trivial) lors de la propagation dans la fibre optique, comme décrit par l’équation non linéaire de Schrödinger (NLSE pour Non-Linear Schrödinger Equation). Cela signifie que si la transformée spectrale directe (DST) (également appelée NFT pour Nonlinear Fourier Transform) du signal reçu peut être calculée, le spectre de valeurs propres peut être entièrement récupéré.Cette thèse porte sur une technique de communication de type NFT connue sous le nom de multiplexage non linéaire en fréquence (NFDM pour Non-Linear Fourier Transform). Différentes configurations de systèmes optiques NFDM ont été évalués numériquement et validés expérimentalement. Dans un premier temps, la structure d’un système NFDM en mono-polarisation utilisant le spectre continu des fréquences non-linéaires dans une fibre en régime de dispersion normale est décrite. Pour ce faire, une forme NFT du vecteur NLSE, encore appelé système de Manakov, a été développé numériquement. Sur la base de ces algorithmes, la méthode NFDM a été étendue aux systèmes multiplexés par division de polarisation (PMD) et validée expérimentalement pour la première fois en utilisant le spectre continu. Finalement, l’expérience a été répliquée en régime de dispersion anormale. Afin d'étudier les contraintes de mise en œuvre, des études numériques supplémentaires ont été effectués pour la transmission de signaux NFDM utilisant la modulation du spectre continu. / Nonlinear effects in optical fiber set the ultimate limit to the channel capacity in long-haul optical transmission systems. Advanced nonlinear compensation techniques such as digital backpropagation (DBP) have been proposed as a solution to overcome the channel capacity crunch. However, given theircomputational complexity, in a practical environment their performance gainremains very limited. This triggered a search for a novel communication system design that takes fiber nonlinearity into consideration. A new nonlinearcommunication method, based on the theory of the inverse spectral transform, has been proposed to overcome the nonlinear capacity crunch. Thismethod, originally proposed by Hasegawa in 1993 and called eigenvalue (ormulti-soliton) communication, is based on the fundamental observation thatthe nonlinear spectrum of an optical signal is invariant (except for a triviallinear phase shift) upon propagation in the fiber channel, as described bythe nonlinear Schrödinger equation (NLSE). This means that if the directspectral transform (also known as nonlinear Fourier transform (NFT)) ofthe received signal can be computed, the eigenvalue spectrum can be fullyrecovered.This thesis focuses on a NFT-based communication technique known as nonlinear frequency division multiplexing (NFDM). The NFDM optical systemis numerically assessed and experimentally demonstrated. First, the structure of the proposed single-polarization NFDM system using the continuousspectrum in the normal dispersion regime is presented. To that end, theNFT of the vector NLSE, or Manakov system, was numerically developed.Based on these algorithms the NFDM method was extended to polarizationdivision multiplexed (PMD) systems, and experimentally validated for thefirst time using the continuous spectrum. Finally, the experiment will bereplicated in the anomalous dispersion regime.Additional numerical studies are presented, in order to investigate the implementation challenges of the proposed NFDM techniques for the continuousspectrum modulation.

<p>Optical beams that travel through a material without undergoing divergence are known as self-trapped beams. Self-trapping occurs when a beam induces a suitable index gradient in the medium that is capable of guiding the original beam. An incoherent light consists of femtosecond scale speckles, due to random phase fluctuations and were not thought to self-trap until recently. In 1997, Mitchell et al., showed that white light can self-trap, provided the medium cannot respond fast enough to form index gradients to these speckles individually. However, detailed studies have been hampered by a lack of suitable materials and strategies for enabling such a response. In 2006, our group showed that a photopolymer is suitable for incoherent self-trapping, since the index change is governed by an inherently slow rate of polymerization (of the order of milliseconds). This has enabled further studies of various phenomena with white light self-trapping.</p> <p>The studies here show (i) the first direct experimental evidence of interactions of two incoherent white light self-trapped beams, as well as fission, fusion and repulsion. Existence of dark self-trapping beams with incoherent white light was also shown, counter intuitively in a positive nonlinear medium. (iii) Lattices were formed with multiple ordered bright as well as dark self-trapping filaments using optochemical self-organization. (iv) Woodpile-like 3D lattices with bright and dark beams were also demonstrated and simulations showed theoretical band gaps. (v) Self-trapping of a co-axial beam of incoherent white light was also shown experimentally and through simulations.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)