Cette thèse porte sur la détermination des caractéristiques de la houle à la côte. Les études réalisées s'intéressent aux phénomènes de réfraction et diffraction de la houle, à la reflexion sur un ouvrage ainsi qu'à la transmission au-dessus d'une structure immergée. Un code de calcul numérique de propagation de la houle est développé sur le principe des limitations angulaires. L'ajout dans les équations d'un paramètre de diffraction facilite la prise en compte de cet effet. Une étude expérimentale sur le comportement de la surface libre de la houle au passage d'un haut-fond a aussi été réalisée. Elle met en évident la compétition entre les effets de réfraction et de diffraction, et montre que les crêtes d'une houle monochromatique ne croisent pas mais tendent plutôt à se déphaser quand le haut-fond est immergé. Conjointement, des travaux de recherche fondamentale sur l'extraction de l'énergie des vagues ont conduit à des essais en canal en houle régulière, afin de caractériser expérimentalement l'action des forces de pression résultant des effets de Longuet-Higgins lorsqu'une houle se réfléchit sur un ouvrage. Suie à ces essais, on entrevoit la mise au point d'un nouveau système de récupération de l'énergie de la houle. Le calcul de son rendement énergétique est effectué en houle irrégulière, et une estimation de la production énergétique est faite pour un cas d'implantation sur site réel. Enfin, un récif artificiel en géotextiles immergés est dimensionné et testé en canal pour deux projets industriels, afin d'en évaluer les coefficients de transmission.

La diffraction constitue une limite fondamentale en microscopie, mais souvent cette limite n'est même pas atteinte. Des imperfections dans la formation d'image, appelées aberrations, peuvent être induites par le microscope ou l'échantillon. Un élément actif, dit correcteur, est intégré au chemin optique pour leur compensation. Les paramètres de ce correcteur doivent être déterminés sans dommage excessif pour l'échantillon. Il faut comparer le gain en signal et/ou en résolution avec cet endommagement, surtout pour des échantillons biologiques fragiles. En première partie de cette thèse je présente une modalité particulière de la microscopie par cohérence optique (nommé deep-OCM). Ce développement a permis la mesure exacte et in vivo de l'indice de réfraction moyen du cerveau du rat. Cette valeur implique que la microscopie bi-photonique est limitée par des aberrations optiques à partir d'une profondeur de 200 µm dans ce type d'échantillon. Le deep-OCM est bien adapté à l'imagerie de fibres nerveuses myélinisées. Des fibres individuelles peuvent être visualisées in vivo dans le cerveau à des profondeurs auparavant inaccessibles, supérieures à 300 µm. Dans la deuxième partie de cette thèse je présente le développement d'un autofocus et auto-stigmateur (nommé MAPFoSt) pour le microscope électronique à balayage qui permet d'assurer la qualité maximale des images lors d'un changement d'échantillon ou pendant des séries d'acquisitions de longue durée. MAPFoSt permet de déterminer avec précision les trois paramètres du focus et du stigmatisme en utilisant seulement deux images de test

Les métamatériaux électromagnétiques sont des composites artificiels, constitués de résonateurs etayant des propriétés optiques n'existant pas à l'état naturel. Cette thèse est consacrée à lafabrication et caractérisation de tels matériaux. Pour cela des particules métalliques coeur-écorce(d'or ou d'argent enrobées de silice) sont assemblées par la technique de Langmuir-Blodgett afin deformer des réseaux denses en monocouche et en multicouches. Ces nanoparticules jouent le rôle derésonateurs grâce à la présence de la résonance plasmon et l'écorce de silice permet de contrôler ladistance entre particules. Nous avons ainsi réalisé des matériaux dont la distance entre lesrésonateurs et la fraction métallique varient. Les analyses spectro-photométriques des films obtenus,notamment en réflexion normale, nous ont permis d'extraire les propriétés optiques de nosmatériaux. Pour cela nous avons proposé un modèle phénoménologique dans lequel nousdéfinissons la permittivité de la couche effective comme étant celle de la matrice à laquelle s'ajouteun oscillateur de Lorentz décrivant la présence d'une résonance plasmon. Nous avons pu ainsimontrer expérimentalement qu'il était possible d'obtenir des métamatériaux d'indice de réfractioninférieur à 1 quand la fraction de métal dans le matériau est suffisamment importante.

La propagation des ondes ultrasonores à travers des cristaux phononiques CP à deux dimensions 2D constitués de diffuseurs solides dans des matrices solide et fluide est ici étudiée, ainsi que la caractérisation de ces milieux et leur application à l'imagerie acoustique. Les techniques expérimentales utilisées permettent une mesure complète des champs transmis à travers les cristaux. Les études sont menées dans des bandes fréquentielles autorisant les effets de réfraction négative indispensables à l'obtention d'une résolution inférieure à la limite de diffraction (super-résolution). De manière à compléter les analyses, différents outils théoriques sont exploités : Décomposition en Ondes Planes et Éléments Finis, notamment. La première partie du document concerne la réalisation et la caractérisation de cristaux phononiques possédant des propriétés nécessaires à la réalisation de systèmes d'imagerie acoustique : réfraction négative, contours équi-fréquences circulaires, accord d'indice, accord d'impédance. Cette première étude est menée sur un cristal à matrice solide, elle met en relief la possibilité de générer différents modes de Bloch au cours de la propagation. L'accord d'indice avec l'eau n'étant cependant pas obtenu, la seconde partie porte sur la réfraction négative et la focalisation des ondes à travers un CP à matrice fluide. Les propriétés du CP déterminées, le dernier chapitre s'attache à évaluer les performances des systèmes d'imagerie développés : dynamique et résolution.

Cette thèse est consacrée à l’étude du potentiel des cristaux biaxes dans le but de réaliser un laser de puissance. Les cristaux biaxes possèdent deux axes optiques ce qui donnent lieu à un effet appelé "réfraction (ou diffraction) conique". Cet effet, connu depuis 1832, est intensé- ment étudié depuis une décennie. Les progrès en croissance et découpe cristalline permettent d’obtenir des échantillons de longueurs et de qualités optiques suffisantes pour observer ce phénomène. L’utilisation de cet effet en cavité laser ayant déjà été réalisée [79, 78], l’objectif de cette thèse fut dans un premier temps de confirmer ces résultats. Ainsi, un système utilisant des cristaux de KGd(WO4)2 (KGW) dopés au Néodyme a été préalablement testé. Ces premiers résultats furent décevants. La stabilité, la qualité de faisceau ainsi que l’efficacité étaient plus que mé- diocres. L’efficacité maximale fut d’environ 40 % contre 74 % dans la publication [77]. Par ailleurs, le faisceau de sortie présentait un profil elliptique indiquant la présence d’une lentille thermique avec un fort astigmatisme. Ainsi, cette orientation, qui devrait être proche d’une direction athermale (ne présentant pas d’astigmatisme d’origine thermique) selon Biswal [10], ne l’est pas dans une cavité laser pour ce cristal. De plus ce laser est très peu stable et difficile à aligner. Les fluctuations importantes de l’efficacité de celui-ci ont abouti à une interrogation quant à la dépendance des propriétés optiques aux alentours de l’axe optique. Ainsi, dans les premiers chapitres de cette thèse, figurent une étude détaillée des principales propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les ré- sultats de cette étude montrent que ces propriétés varient non seulement suivant la polarisation mais également suivant l’orientation aux alentours de l’axe optique. Etant donné que l’état de polarisation autour de l’axe optique varie avec l’orientation, les dépendances en orientation et polarisation sont liées. [...] Enfin, un montage innovant a été testé afin d’utiliser la réfraction conique. La puissance de sortie ainsi que l’efficacité de ce montage étaient très faibles, environ 800 mW en sortie pour 4 W de puissance de pompe. / This thesis is devoted to the study on the potential of biaxial crystals in order to increase laser output power. Biaxial crystals have two optic axes and an effect called conical refraction (or diffraction) can occur. This effect is known since 1832, and intensively studied since the last decade. Thanks to the progress of crystal growth and crystal cutting, it is possible to have long samples of good optical quality in order to ob serve the conical refraction. This effect has already been used in a laser cavity [79, 78]. The aim of this thesis was to confirm the results previously obtained. Thus, Neodymium-doped KGd(WO4)2 (KGW) crystals, cut along the optic axis, have been tested. These first results were disappointing. Stability, beam quality and efficiency were very low. The maximum efficiency achieved was arount 40% compared to the 74% claimed in publication [77]. Thus, this orientation which should be an athermal direction using the calculation of Biswal [10] shows astigmatism when there is a temperature gradient. Furthermore, this laser being difficult to align with strong intensity fluctuations, rise interrogations about the optical property variations around the optic axis. Thus, in the first Chapters of this thesis a study of those properties around the optic axis is given. It shows a strong variation of the optical properties depending on the polarization and orientation around the optic axis. The study of the refraction along the optic axis helps to understand this complex dependency with the orientation. In a second time, holmium-doped KY(WO4)2 (KYW) crystals have been tested for laser emission at 2 µm. The choice of this ion has been done on several criteria. The first one is that the ISL laboratory is used to work with this wavelength and has a lot of equipment. The second one is that Holmium ions have a small "quantum defect" (pump wavelength 1960 nm and lasing wavelength 2074 nm). This low "quantum defect" limits the dispersion between the pump and lasing wavelengths. This decreases the separation between the optic axes of both wavelengths. Thus, when the pump is aligned for conical refraction the lasing wavelength is also aligned along the optic axis. Thanks to a better setup (with new mechanical parts) the polarization and orientation dependencies of the laser efficiency have been investigated. Up to 3 W of output power with a slope efficiency of 70% has been reached near the optic axis. The doping concentration of the Holmium-doped KY(WO4)2 (KYW) being more appropriated for high power laser, no thermal lens effect has been observed. Furthermore, the first conical refraction laser with a quasi-three-level system has been realized. An efficiency of 50% has been achieved with such a conical refraction laser. Finally, a new innovative setup is proposed using the External Conical Refraction. An output power of 800 mW for 4 W of incident pump power has been reached.

En raison de leur capacité à absorber et diffuser la lumière, les aérosols jouent un rôle essentiel dans le bilan radiatif de la Terre. Cependant, la grande variabilité spatiale et temporelle de leur concentration et propriété physico-chimique rend délicate la quantification précise de leur impact sur le climat. Les mesures par télédétection sont des outils efficaces d’observation et d’analyse des aérosols de l’échelle locale à globale. Néanmoins, pour exploiter pleinement les capacités de ce type d’instruments, il est indispensable de mieux connaître les propriétés optiques des aérosols qui dépendent de leurs propriétés minéralogiques ou chimiques. Ces deux propriétés sont liées par l’Indice Complexe de Réfraction (ICR), qui représente une des principales sources d’incertitudes de l’étude des aérosols par télédétection. L’objectif de ce travail est donc de proposer et d’exploiter une méthode originale visant à mieux déterminer les ICR de particules. Pour cela, une nouvelle approche robuste et versatile a été développée et mise en œuvre. Ainsi, afin de déterminer précisément les capacités de cette dernière, la validation de chacune des étapes du processus d’obtention des ICR a été réalisée. L’approche complète a ensuite été appliquée pour des particules en suspension de SiO2 amorphe et cristalline, qui constituent notamment, la fraction majoritaire des aérosols volcaniques et désertiques.Enfin, les premiers résultats obtenus pour des aérosols prélevés lors de campagnes de mesures sont également présentés. Ceux-ci mettent en évidence le potentiel de l’approche proposée pour la détermination d’ICR, en vue d’améliorer l’exploitation de la mesure des aérosols par télédétection. / Due to their ability to absorb and scatter radiations, aerosols play an important role in the Earth’s radiative budget. However, quantitative estimations of their effects on climate are quite uncertain due to their large spatial and temporal variability in terms of concentration and physical properties. Measurements from remote sensing instruments are efficient tools to observe and investigate aerosol distributions from regional to global scales. Nevertheless, to fully exploit instrument capabilities, precise optical properties – dependent on chemical or mineralogical properties – are needed. These properties are linked by the Complex Refractive Index (CRI), which represents one of the main sources of uncertainty for studying aerosols from remote sensing instruments.The objective of this study is to propose and exploit a new methodology, aiming to determine precise CRI of particles. For this purpose, a new robust and versatile approach has been developed and implemented. Moreover, to determine capabilities of this approach, validation of each step in the procedure for CRI determination has been realized. The complete approach has been also applied for suspended particles of amorphous and crystalline SiO2, which are the major fraction of volcanic and mineral dust aerosols. Lastly, first results from collected samples from measurement campaigns are also presented. These results highlight the potential of the proposed approach to determine CRI, in order to improve the aerosol measurement exploitations by remote sensing instruments.

La caractérisation des propriétés optiques de gouttes de combustible aux alentours de la pression critique est un défi. L’objectif de la thèse est de mesurer la taille et l’indice de réfraction de fluides dans des conditions de pression élevée proche du point critique. A cet effet, une installation expérimentale d’injection de gouttes à haute pression a été conçue. La réfractométrie d’arc-en-ciel a été développée et adaptée pour travailler d’abord sur des gouttelettes d’eau et d’éthanol dans le domaine de pression 1 - 40 bar. Des évolutions de leur indice de réfraction avec la pression ont été obtenues. Pour les mesures se rapprochant d’un fluide proche du point critique, l’éthane a été sélectionné car son point critique est à 48,7 bar et 32,2°C. Des mesures de réfraction d’index sur des gouttes liquides d’éthane ont ensuite été réalisées dans le domaine 40 - 46 bar et 18 - 25°C. Une mesure de l’indice de réfraction de gouttes d’éthane donne alors une valeur de 1,255 ± 0.002. / The characterization of the optical properties of fuel drops around the critical pressure is a challenge. The aim of the thesis is to measure the size and the refractive index of fluids under high pressure conditions close to the critical point. For this purpose, an experimental installation of injection of high-pressure drops has been designed. Rainbow refractometry has been developed and adapted to work first on water and ethanol droplets in the pressure range 1 - 40 bar. Evolutions of their index of refraction with the pressure were obtained. For measurements approaching a fluid near the critical point, ethane was selected because its critical point is 48.7 bar and 32.2 ° C. Index refractive measurements on liquid drops of ethane were then carried out in the range 40 - 46 bar and 18 - 25 ° C. A measurement of the refractive index of ethane drops then gives a value of 1.255 ± 0.002.

Le procédé de photopolymérisation a été optimisé en vue de l’élaboration de matériaux composites à matrice époxyde épais (> 1 mm) via un mécanisme cationique. L’étude des cinétiques de photopolymérisation de deux résines époxydes (glycidyl éther et cycloaliphatique) a montré que l’ajout d’un renfort de microsphères de silice induit un gradient de conversion dans l’épaisseur du matériau en raison d’un phénomène d’absorption et/ou de diffusion de la lumière, ce dernier étant d’autant plus important que l’écart d’indice de réfraction entre la charge et la matrice est élevé. Cependant, cette hétérogénéité de conversion a pu être compensée par une réaction de postpolymérisation à température ambiante. Une analyse des propriétés mécaniques a ensuite montré qu’il est possible d’obtenir par photopolymérisation des matériaux composites épais réticulés de façon homogène et dont la rigidité est augmentée par la présence du renfort. Enfin, la stratégie d’égalisation des indices de réfraction de la charge et de la matrice, couplée à une photopolymérisation cationique frontale induite par voie radicalaire (RICFP), ouvre des perspectives intéressantes en vue de l’élaboration de photocomposites de plusieurs centimètres d’épaisseur en appliquant uniquement un stimulus lumineux. / The photopolymerization process has been optimized for the elaboration of thick epoxy composite materials (> 1 mm) through a cationic mechanism. The study of the photopolymerization kinetics of two epoxy resins (glycidyl ether and cycloaliphatic) has shown that the addition of a silica microsphere reinforcement induced conversion gradient in the material thickness, resulting from a light absorption and/or scattering phenomenon. The light scattering is all the more important as the refractive index gap between filler and matrix is high. However, this conversion heterogeneity has been compensated by a postpolymerization reaction at room temperature. Then, the analysis of the mechanical properties has shown that it was possible to obtain thick composite materials homogeneously crosslinked and whose rigidity was increased by the presence of the filler. In addition, the strategy of equalizing the filler and matrix refractive indices, coupled with the radical induced cationic frontal polymerization (RICFP) opens interesting perspectives for the development of photocomposites several centimeters thick using only a light stimulus.

Le transit de Vénus devant le Soleil est un événement rare et l’occasion unique pourétudier la réfraction de la lumière du Soleil à travers l’atmosphère, afin de déterminer les propriétésatmosphériques de la planète et en particulier la structure thermique de la haute atmosphère.L'objectif de cette thèse a été la modélisation de cette réfraction lors du passage devant le Soleilqui a eu lieu les 5-6 juin 2012, modèle dont les résultats ont pu être comparés aux données de lamission Venus Express.La première partie est consacrée à l’analyse des images des satellites qui a permis lacréation de courbes de lumière en fonction de la latitude de l’auréole qui serviront de référencepour les modèles. L’étude de l’atmosphère a d’abord été réalisée par une approche isotherme(théorie de Baum et Code,1953). Le modèle a ensuite été affiné en simulant trois couchesisothermes concentriques établies grâce à l’analyse préalable des données SPICAV/SOIR deVenus Express. Pour finir, le dernier modèle développé pour l’étude de l’auréole est un modèlemulticouche concentrique à très haute résolution verticale. Ce modèle a permis d’obtenir un profilvertical de densité en fonction de la latitude, ainsi que l’altitude du tau = 1 (le long de la ligne devisée) induite par les aérosols. Ces données ont ensuite été ensuite utilisées pour générer descartes 2D de température en fonction de la latitude et de l’altitude, que nous comparons auxdonnées d’occultation solaire de la mission Venus Express. Cette étude a également permis dedéterminer de façon indépendante l’échelle de hauteur des aérosols et leur chromaticité dansl’atmosphère de Vénus.Dans un second temps, l’étude de la courbe du transit de 2004 a été menée conjointementavec le Dr. Andréa Chiavassa afin de mettre en évidence l’impact de la granulation stellaire sur lescourbes de transit exoplanétaires. / The transit of Venus across the Sun is a rare and unique opportunity to study therefraction of sunlight through the atmosphere, called the "aureola", and determine the atmosphericproperties of the planet and in particular the thermal structure of the upper atmosphere. Theobjective of this thesis was the modeling of this refraction effect at terminator during the passageacross the Sun which took place on June, 5-6 2012, and a comparison with data obtained in thesame region during the Venus Express mission.The first part is devoted to the analysis of data from an Earth-orbiting solar observatory thatallowed the creation of individual aureola light curves according to latitude, that were used as amodeling reference. The study of the refracting atmosphere was first carried out by an isothermalapproach (Baum and Code (1953) theory). The model was then refined by simulating threeconcentric layers based on prior analysis of Venus Express/SPICAV-SOIR vertical density profiledata obtained simultaneously on June 6, 2012. Finally, the complete model developed for thisstudy is a concentric layered model with sub-kilometer vertical resolution. This model has allowedus to retrieve from individual aureole lightcurves a density vertical profile function of the latitudeand the tau = 1 altitude of slanted opacity along the line of sight, induced by mesospheric aerosols.These data were subsequently used to generate temperature maps in 2D function of latitude andaltitude, we compare the solar occultation data from the Venus Express mission (SOIR). This studyalso determined independently the scale height of aerosols and the chromaticity in the atmosphereof Venus.A separate, additional study on 2004 Venus transit data was conducted jointly with Dr.Andrea Chiavassa to highlight the impact of the stellar granulation on exoplanetary transit curves inextrasolar systems

Lorsqu’elle est excitée par une onde ultrasonore, une bulle d’air oscille. Les mouvementsl’interface eau-air entrainent un déplacement local du fluide hôte qui devient lesiège de la propagation d’une onde diffusée. Ce mécanisme très simple est fidèlementdécrit par le formalisme de Rayleigh-Plesset datant du début du siècle dernier. Abasse fréquence, au voisinage de la résonance de Minnaert, les oscillations de la bullepeuvent devenir particulièrement amples et la diffusion extrêmement efficace. Dansun environnement réaliste, les bulles sont présentes en grand nombre et la descriptionse complique sensiblement puisque la propagation résulte de l’interférence entre uneinfinité de séquences de diffusion.Au cours de cette thèse, nous introduirons les modèles de milieux effectifs quipermettent de prédire le comportement de fluides bulleux désordonnés. Après avoirété confrontées aux résultats issus de la simulation numérique, ces théories effectivesnous permettront de concevoir des matériaux désordonnés aux propriétés étonnantescomme la superfocalisation ou la réfraction négative.Nous envisagerons également l’étude d’arrangements cristallins et verrons que lapériodicité induit des modifications sensibles dans le comportement du milieu tout enconstituant un levier de contrôle efficace.Enfin, la bulle est susceptible de se mouvoir et, par conséquent, de ressentir desforces de pression de radiation. En particulier, Nous verrons comment la force deBjerknes secondaire, issue du champ diffusé par une bulle vers l’une de ses voisines,peut être exploitée afin de manipuler une ou plusieurs bulles mobiles au voisinaged’une ou plusieurs bulles piégées. / A bubble undergoing an acoustic wave is likely to oscillate. The displacement of theair-fluid interface generates a local compression of the outer fluid where a scatteredwave is thus created. This very simple mechanism has been successfully described bythe famous Rayleigh-Plesset formula derived at the beginning of the previous century.At low frequencies, the resonant behavior (Minnaert) is responsible for a strongenhancement of the oscillations of the bubble which thus becomes a very efficientscatterer. In a realistic media, bubbles are not isolated. The interferences occurringbetween an infinity of scattering sequences make the description of the propagation alot harder to achieve.In this thesis, we introduce the effective theories that are classically adopted todescribe random bubbly liquids. After being compared to our numerical results, thesetheories are used in order to design bubbly materials featuring some interesting propertiessuch as superfocusing or negative refraction.The case of periodic assembly is addressed as well for both a simple square latticebubble raft and a cubic centered faces bi-periodic crystal. We show that the periodicityinduces an explicit modification in the dispersion of the medium and offers asimple tunable parameter.At last, we focus on the possibility for the bubble to move inside the host fluid andwhich is thus likely to experience an acoustic radiation pressure called Bjerknes force.We show how the secondary Bjerknes force, resulting from the wave scattered by abubble toward its neighbors, can be exploited in order to manipulate one or severalfree bubble flowing near one or several trapped bubbles.