Ces travaux de thèse présentés dans ce mémoire concernent l’évolution d’onde de souffle en milieu non-idéalisé. L’évolution d’une onde de souffle en champ libre peut être décrite par divers résultats empiriques disponibles dans la littérature ou par des formulations théoriques. Pourtant, dès qu’il est question d’approuver les résultats d’un code de simulation décrivant l’évolution une onde de souffle dans un milieu complexe, les connaissances sur le développement des ondes en milieu idéalisé ne suffisent plus. Dès lors, il faut acquérir de nouvelles données expérimentales afin de valider les différents outils de simulation du CEA. Les résultats de ce mémoire s’inscrivent dans ce projet. Des essais à petite échelle ont été dimensionnés afin de correspondre à un scénario avec une nature d’explosif différente de celle employée au laboratoire. La charge utilisée est gazeuse et est constituée de propane-oxygène en proportion stœchiométrique. Pour mesurer les différentes caractéristiques des ondes de souffle et d’acquérir de nouveaux résultats, deux systèmes de mesure ont été utilisées. Des capteurs de pression ont été installés au sol, couplés à un système de visualisation avec une caméra rapide dont le montage se rapproche de l’ombroscopie. Plusieurs configurations ont permis d’avoir une base solide sur les grandeurs définissant les ondes incidentes et réfléchies en champ libre. L’étude porte essentiellement sur la réflexion de Mach. Par la suite des obstacles isolés ont été installés sur le parcours d’une onde incidente ou de Mach afin de représenter des effets de surface. Les résultats ont montré une modification des caractéristiques et de la morphologie des ondes à l’aval des obstacles. / The study presented in this thesis concerns the evolution of a shock wave in a non-idealized environnment. The evolution of a free-field shock wave can be described by various empirical results found in the literature or by theoretical formulations. However, as soon as it is a question of approving the results of a simulation code describing the evolution of a shock wave in a complex environnment, knowledge about the development of waves in a free-field is no longer sufficient. Therefore, new experimental data must be acquired to validate the different simulation tools in-house. The results of this thesis are part of this project. Small-scale tests have been sized to fit a scenario with an explosive nature different from that used in the laboratory. The source used is gaseous and made of propane oxygen at a stoichiometric proportion. To measure the different characteristics of a shock wave and to acquire new results, two measurement systems were used. Pressure sensors have been installed on the ground, coupled with a visualization system with a high speed camera whose is close to shadowscopy. Several configurations allowed to have solid basis on the characteristics defining the incident and reflected shock waves in free field. The study focuses on Mach's reflection moreover on Mach stem. Subsequently isolated obstacles were installed on the path of an incident wave or Mach’s reflection to represent surface effects. The results showed a change in the characteristics and morphology of the waves downstream of the obstacles.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Résumé non disponible

Mes actions de recherche portent sur l'étude des microcapteurs à ondes acoustiques et des systèmes les mettant en oeuvre. Ce mémoire décrit plus spécifiquement les actions que j'ai entreprises au laboratoire IMS en vue de l'application de cette technologie à la détection en milieu liquide, et plus précisément à la biodétection rapide sur site, nouveau volet de recherche dont j'assure l'animation scientifique depuis 2000.<br />Les dispositifs à ondes acoustiques pourraient être dans certains cas à la base d'un système efficace de détection précoce, avec des avantages notamment en termes de sensibilité, de rapidité, de possibilité d'intégration (du capteur mais également de l'ensemble de la chaîne de détection, de l'échantillonnage à la délivrance d'une information explicite sous forme électronique) et d'adaptabilité à un grand nombre d'applications, liée au caractère générique d'une transduction fondée notamment sur un effet de masse. Un système multicapteur associant des détecteurs sensibles et présentant une bonne sélectivité permettrait de réaliser des dosages en présence d'une matrice complexe, donc d'un échantillon ayant subi une préparation moins longue. <br />Le chapitre 1 présente une problématique du biocapteur, couvrant les principaux choix technologiques proposés commercialement ou dans la littérature pour la réalisation d'un tel élément : le biorécepteur, son immobilisation, et la technique de transduction. Il se terminera par un bilan et une présentation de l'orientation de nos travaux par rapport à ces différents éléments.<br />Dans les chapitres 2 à 4 sont synthétisés nos travaux théoriques et expérimentaux contribuant à l'étude de microcapteurs à ondes acoustiques visant la biodétection rapide sur site. Le chapitre 2 expose notre cheminement sur l'étude des transducteurs, d'un dispositif classique à ondes de Rayleigh aux dispositifs à ondes de Love. Le chapitre 3 concerne la plate-forme de test et l'application en milieu liquide. Enfin le chapitre 4 décrit nos travaux relatifs à l'application de ces dispositifs pour réaliser un biodétecteur, à partir d'une réaction immunologique de type antigène-anticorps.<br />Une dernière partie nous permet de conclure et de présenter notre programme de recherche dans ce domaine, programme intimement lié aux autres travaux de recherche sur les microcapteurs à ondes élastiques, mais aussi à microstructures mobiles, menés au sein de l'équipe et visant d'autres applications, comme la détection en milieu gazeux, ou la caractérisation de matériaux.

Le travail présenté dans ce manuscrit a pour fil conducteur l'utilisation de la diffraction cohérente des rayons X pour mettre en lumière différents phénomènes physiques. La détection de défauts topologiques, auxquels les faisceaux cohérents sont très sensibles, permet de tirer des conclusions sur l'ordre ou le désordre trouvés dans les systèmes étudiés. La notion de cohérence des rayons X est tout d'abord exposée, puis la caractérisation de profils de diffraction cohérente en présence de défauts topologiques est présentée à travers une étude des boucles de dislocation dans le silicium. Cette technique a ensuite été appliquée à l'étude de composés présentant des ordres électroniques incommensurables, tels que les Ondes de Densité de Charge (ODC) et les Ondes de Densité de Spin (ODS). Plusieurs systèmes ont été étudiés : le chrome pur monocristallin, le bronze bleu K0.3MoO3, et NbSe3. Dans le cas du chrome, les résultats obtenus posent la question du lien réel existant entre ODC et ODS. Par ailleurs, une dislocation magnétique isolée en volume a été détectée, et a permis de soulever la question des constantes de force de l'ODS du spin. Le bronze bleu et NbSe3 ont été étudiés sous champ électrique. Un ordre à très grande distance a été observé dans les ODC du bronze bleu et de NbSe3, dans le régime de glissement. Nous proposons une description en termes de phase, à l'aide d'un modèle de type réseau de solitons.

Le modèle du jellium est l'un des modèles fondamentaux de la matière condensée.Il est constitué d'un ensemble d'électrons et d'un fond uniforme qui assure la neutralité globale.À température nulle et sans champ extérieur, la densité électronique est le seul paramètre du système.Malgré la simplicité de ce modèle, l'état fondamental du jellium en fonction de la densité reste un problème ouvert.Nous avons étudié le modèle du jellium à 2 et 3 dimensions dans l'approximation de Hartree-Fock par une méthode numérique de descente.En utilisant des états périodiques, le nombre d’inconnues est grandement réduit et le nombre d’électrons peut atteindre le million.À type de réseau et polarisation fixés, nous montrons que le système forme un cristal de Wigner à basse densité puis, au dessus d'une densité de transition, occupe des états «métalliques» caractérisés par une structure cristalline avec une maille plus petite que celle du cristal de Wigner.Les états métalliques interpolent entre le cristal de Wigner et le gaz de Fermi, ce dernier n'étant retrouvé qu'à densité infinie.Ce comportement se retrouve à deux et trois dimensions, pour un gaz polarisé et non polarisé, et pour les différents type de réseaux considérés dans nos travaux.Le diagramme de phase à deux ou trois dimensions est alors très riche et comprend à basse densité diverses phases «cristal de Wigner» avec des symétries et polarisations différentes.À haute densité, les états métalliques non-polarisées déstabilisent le cristal de Wigner et le gaz de Fermi. Ces états métalliques s’interprètent comme une superposition d’ondes de densité de spin, prédite par Overhauser en 1962. / The jellium model is a fundamental model in condensed matter. It is formed by a set of electrons and a uniform background insuring global neutrality. At zero temperature and without external field, the ground-state depends only on the electronic density. Despite its simplicity, the jellium ground-state is still an open problem. We studied the jellium model in 2 and 3 dimensions within the Hartree-Fock approximation using a numerical descent method. Assuming periodic states, we greatly reduce the number of unknowns and the system may contain up to one million of electrons. At fixed lattice symmetry and polarization, the ground-state is a Wigner crystal at low density, and a «metallic state» above a critical density value. These metallic states are crystals with a lattice constant smaller than in Wigner phase, and interpolate between the latter and the Fermi gas. The metallic states exists in two and three dimensions, for a polarized and unpolarized gas, and for various lattice symmetries. Therefore, the jellium phase diagram at zero temperature is rich : it contains several Wigner crystal phases at low density, polarized and unpolarized, and an unpolarized metallic state at high density. These states are well described by a superposition of spin-density waves, as predicted by Overhauser in 1962.

Ce travail de thèse concerne la focalisation des ondes élastiques se propageant dans une plaque mince ou à la surface d’un milieu semi-infini, au travers de lentilles acoustiques planes. Les dispositifs que nous avons étudiés sont basés sur des cristaux phononiques 2D, constitués d'inclusions d'air dans une matrice solide. Ces hétérostructures présentent un gradient de leurs propriétés élastiques le long d'une direction de la lentille. Le gradient d'indice est obtenu en modulant soit la taille des inclusions d'air, soit la distance entre deux inclusions consécutives. L’approche que nous avons adoptée est basée principalement sur la simulation numérique par éléments finis. Cependant une partie significative du travail concerne le calcul analytique de la trajectoire des rayons acoustiques ainsi que la vérification expérimentale des résultats théoriques.L’approche analytique a consisté à calculer la trajectoire des rayons acoustique dans la lentille, en tenant compte de l'anisotropie le long de chaque ligne d'inclusions. L'analyse analytique, appliquée à une onde de Lamb antisymétrique (A0), ainsi que les résultats numériques et les données expérimentales, expliquent parfaitement les caractéristiques du champ de déplacement dans la zone focale, y compris la position, la forme et les dimensions latérales de la tâche focale. Le formalisme s’applique quelle que soit la symétrie du cristal phononique et peut être étendu à des ondes élastiques présentant une autre polarisation. Nous montrons dans ce travail qu’une largeur à mi-hauteur aussi petite que 0.64 peut être obtenue lorsque la focalisation intervient au sein de la lentille.Le formalisme s’applique également à la focalisation derrière la lentille. Dans ce cas, la résolution au point focal est déterminée par le "nombre d'onde transversal maximal" à la sortie de la lentille, en bon accord avec les résultats numériques et expérimentaux. Ensuite, nous avons conçu une lentille à gradient d’indice avec des piliers résonnants érigés entre les inclusions d'air. L'analyse numérique prévoit une résolution légèrement au-delà de la limite de diffraction. Expérimentalement, nous mesurons une largeur à mi-hauteur de la tâche focale juste au-dessus de la limite de diffraction.Enfin, nous avons étudié la focalisation d’une onde de Rayleigh par une lentille à gradient d’indice. Nous avons trouvé un bon accord entre le calcul des trajectoires des rayons, les simulations numériques et les expériences. En outre, nous avons analysé la transmission de l’énergie élastique lorsque la focalisation intervient derrière la lentille. / This manuscript is about the focusing of elastic beams propagating in a plate or on the free surface of a semi-infinite medium, using flat acoustical lenses. The devices we have studied are based onto 2D phononic crystals that are made of air inclusions in a solid matrix and featuring a gradient of their elastic properties along one direction of the lens. The gradient index (GRIN) is obtained by modulating either the size of the air inclusions or the distance between two consecutive inclusions.We primarily adopted a computational approach but a significant part of the work concerns the analytical calculation of the ray trajectories as well as the experimental check of the theoretical findings. The analytical approach consists to calculate the ray trajectories of an elastic waves within the lens while accounting for the anisotropy along each lines of inclusions. The analysis applied to the lowest-order flexural Lamb wave (A0), together with both the numerical results and the experimental data, well explains the features of the displacements field in the focus area, including the location, shape and lateral width. The formalism applies whatever the symmetry of the phononic crystal is and can be extended to other polarization of the elastic wave. We show in this work that FWHM as small as 0.64 may be obtained when focusing inside the lens.The formalism applies also to the focusing behind the lens. In that case, the resolution at the focus is determined by the “maximum transverse wavenumber” at the exit of lens, in good agreement with the numerical and experimental results. Then we designed a GRIN phononic lens featuring resonant pillars in addition to the constitutive air inclusions. The numerical analysis foresees the resolution at the focus beyond the diffraction limit, while experimentally we measured the resolution to be just above the diffraction limit. Lastly, we turned to the subwavelength focusing of Rayleigh waves through GRIN lenses. We found a good agreement between the ray trajectories calculation, the numerical simulations and the experiments. We further analysed the influence of energy transmission when the focus is located behind the lens.

Focaliser l’énergie optique en un petit spot de diamètre beaucoup plus petit que la limite de diffraction a longtemps été un sujet très intéressant en photonique. Dans le domaine Térahertz (avec une longueur d’onde de l’ordre de 300 µm) ce défi est particulièrement important pour répondre à l’intérêt croissant de l’imagerie haute résolution et de la spectroscopie des matériaux d’une taille inférieure à l’échelle submillimétrique de la longueur d’onde en espace libre. Dans ma thèse, j’ai étudié le confinement des ondes de surface aux fréquences THz sur des structures métalliques de dimensions sous longueur d’onde. J’ai expérimentalement mesuré le confinement du champ électrique et calculé la relation de dispersion du mode de surface sur une structure métallique déposée sur un substrat diélectrique de faible permittivité. Ces mesures sont obtenues à l’aide d’un banc de mesures THz guidé, développé pendant ma thèse. La mesure est faite en champ proche par une sonde électro-optique micrométrique, librement positionnable. Ces résultats expérimentaux sont complétés par des simulations numériques, obtenues par le logiciel de simulation par éléments finis, Comsol Multiphysics. Les résultats expérimentaux montrent un confinement de λ/20 du mode EM de surface sur une ligne métallique rectangulaire de petites dimensions. / Focusing optical energy into a small spot diameter much smaller than the diffraction limit has long been a very interesting topic in photonics. In Terahertz (with a wavelength of about 300 microns) this challenge is particularly important to meet the growing interest in high-resolution imaging and spectroscopy of materials whose size is smaller than the wavelength in free space. In my thesis, I studied the confinement of surface waves at THz frequencies on metal structures with sub-wavelength dimensions . I experimentally measured the confinement of the electric field and calculated the dispersion relation of the surface mode on a metal structure deposited on a low permittivity dielectric substrate. These measurements are obtained using a guided-wave time domain spectroscopy set-up, developed during my PhD. The measurement is made by a near-field freely positionable electro-optical probe. These experimental results are supplemented by numerical simulations obtained by finite element analysis software Comsol Multiphysics. The experimental results show a confinement of λ/20 of the EM surface mode on a sub-wavelength dimension rectangular metal wire.

Cette thèse présente les études préparatoires à la construction d'un interferometre atomique de Mach-Zehnder, utilisant le lithium. Dans cet interferometre, les faisceaux qui interfèrent sont spatialement séparés sans que l'état interne des atomes soit modifié. Les séparatrices sont des réseaux de diffraction formés d'ondes laser stationnaires et quasi-résonnantes. Nous expliquons le processus de diffraction dans différents régimes, en utilisant les fonctions de Bloch pour représenter l'onde atomique à l'intérieur de l'onde laser. Dautre part, nous avons développé un modèle presque totalement analytique de la propagation des ondes atomiques dans les interféromètres de Mach-Zehnder, pour étudier le contraste du signal d'interférences de manière très générale : cas des réseaux d'amplitude ou des réseaux de phase, effets des faisceaux parasites, effets des principaux déréglages, cas monochromatique ou faiblement polychromatique. Enfin, nous discutons trois mesures interférométriques qui nous semblent particulièrement intéressantes. L'indice de réfraction d'un gaz pour une onde atomique est étudiée en grand détail. Les autres expériences proposées concernent les propriétés électriques de l'atome de lithium. Nous discutons les limites ultimes de la mesure de la polarisabilité électrique statique du lithium par interférometrie atomique. Nous montrons ensuite comment on peut, en modifiant la configuration expérimentale, mesurer l'éventuelle charge de l'atome de lithium, avec une très grande sensibilité, comparable à celle des expériences antérieures, à condition d'utiliser des atomes ralentis.

Le travail présenté dans ce mémoire s'intéresse à la quantification des processus physiques liés aux séismes de la rupture initiale à la propagation des ondes jusqu'à la zone cible où des stations d'enregistrement permettent de mieux contraindre le mouvement du sol. L'estimation quantitative a été réalisée grâce à une technique numérique de simulation que sont les différences finies. Un schéma en grille alternée permet de réduire fortement les instabilités associées aux ondes, d'optimiser le temps de calcul et la mémoire nécessaire aux problèmes dynamiques. Les processus physiques à la source sismique sont complexes car s'expriment comme un phénomène de frottement dans un milieu hétérogène. Cette thèse aborde des configurations bidimensionnelles et tridimensionnelles et montre qu'il existe une loi d'échelle numérique venant de la singularité des champs en pointe de faille. Dans le cas purement cassant, il n'existe pas d'échelle caractéristique conduisant à affirmer que la solution numérique ne converge pas vers la solution théorique avec les discrétisations associées à la méthode utilisées: la solution numérique ne peut exprimer avec assez de résolution la singularité. L'introduction d'une zone de faiblesse en pointe de faille permet d'introduire une échelle et de rendre le problème plus facile à résoudre. Il est ensuite abordé le problème de la propagation en milieux hétérogènes dans des configurations unidimensionnelles, bidimensionnelles sachant que le cas 3D peut l'être aussi mais réclame des moyens informatiques notables. On notera que le schéma hétérogène proposé sur une grille en quinconce permet de décrire les ondes d'une manière précise quand leur énergie devient notable. Cela est vrai à une interface liquide/solide par exemple où l'onde S est confinée dans le milieu solide sans provoquer d'instabilités dans le milieu liquide. La reconstruction du milieu est une étape importante en association avec la localisation des séismes. Des techniques d'optimisation nouvelles permettent d'envisager la reconstruction des propriétés du milieu via la forme d'onde et non plus uniquement via les temps d'arrivée. L'effort numérique est important et seulement le cas acoustique dans des configurations simples est introduit et permet de comprendre la non-linéarité du problème d'imagerie. Nous voyons ainsi dans cette thèse qu'il est possible de contraindre la physique à la source sismique et durant la propagation des ondes sismiques grâce à une modélisation précise des équations différentielles partielles et des conditions aux limites qui caractérisent cette physique. En l'associant aux observations des signaux sismiques aux stations, il sera possible dans le future de mieux expliquer les phénomènes sismiques observés.