Reproduction de : Thèse de doctorat : Astrophysique : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 269-278.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Enegétique et transferts : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 103 réf.

Les matériaux composites carbone-époxy connaissent un intérêt grandissant dans le domaine de l'aéronautique. Des tests de contrôle non-destructif permettent de détecter des défauts. Ce travail s'attache particulièrement au contrôle non-destructif de matériaux composite carbone-époxy par la thermographie optique lockin. Il élargit le domaine de l'analyse quantitative des mesures thermographiques. Les paramètres géométriques tels la profondeur, la taille et la forme des défauts sont déterminés dans des pièces en matériau composite anisotrope et globalement homogène. Dans un but d'évaluation quantitative des défauts, des techniques de traitement d'image sont appliquées à des images de longues pièces aéronautiques pour former des vues panoramiques. Des images thermiques prises avant et après chargement mécanique sont superposées afin de pouvoir déterminer un endommagement. Différentes images thermale (lockin et excitation ultrasonore) sont fusionnées afin d'obtenir plus d'information sur des défauts du type impacts. La formation d'images est modélisée par une fonction de point qui dépend de la profondeur du défaut et de la fréquence de modulation. Un modèle est calculé en utilisant des fonctions de Green et adapté à des matériaux anisotropes. Les grandeurs : profondeur, taille et forme du défaut sont déterminées par des problèmes inverses. Les mesures sont comparées aux simulations numériques et un algorithme de reconstruction des défauts planaires est validé / In the aerospace industry, carbon-ber reinforced plastic (CFRP) materials are becoming increasingly popular. Due to mechanical fracture and hence safety related issues, CFRP components must be inspected for defects with non-destructive methods. This thesis focuses on non-destructive testing of CFRP materials with optical lockin thermography. The eld of quantitative analysis of thermographic measurements is enhanced. The data of geometrical parameters e.g. depth, size and shape of defects in structures of globally homogeneous and anisotropic CFRP materials is required for fracture mechanics. To evaluate defects in a quantitative way, image processing algorithms are applied to thermographic phase images in order to get panoramic views of extended aircraft parts and to compare measurements before and after a fatigue load in order to determine potential defect growth. Images of lockin and ultrasound excited thermography are combined with data-fusion techniques to get improved information on defects such as impacts. The image formation process can be modeled through a point-spread function, which depends on the depth of the defect and the modulation frequency. A function is computed by using Green's functions and is adapted to anisotropic materials. The quantities depth, size and shape of a defect are determined through inverse numerical lters. Measurements are compared to numerical simulations and a reconstruction algorithm of planar subsurface defects is validated

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3. / This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings.

Les propriétés non linéaires des matériaux dans la gamme infrarouge lointain ont été relativement peu étudiées. Ce phénomène est dû à l'absence, jusqu'à tout récemment, de sources dans cette gamme qui soient à la fois cohérentes et intenses. Certains lasers moléculaires et les lasers à électrons libres ont permis de pallier ce manque. Cependant ces sources sont soit difficilement accordables, soit très onéreuses et volumineuses. Nous présentons ici une source dite optoélectronique qui est cohérente, potentiellement accordable entre 17 et 600 æm, intense, peu volumineuse et peu coûteuse. La première partie du projet a consisté à développer l'aspect d'accordabilité de la source au moyen du battement entre deux faisceaux laser. Nous avons montré qu'une méthode de réinjection de photons cohérents permettait d'augmenter significativement le contraste de battements de fréquence entre 0.5 et plus de 15 THz. Ces battements ont ensuite été amplifiés et utilisés pour générer un rayonnement infrarouge lointain à 180 et 510 æm avec une énergie de 0.4 æJ.

L’utilisation d’adhésifs polyépoxy et plus particulièrement de pâte de calage dans l’aéronautique est chose très courante. L’augmentation des cadences de production des aéronefs poussent les fournisseurs à adapter les temps technologiques de ces produits (temps d’application et de complète polymérisation) : ainsi, la cinétique de réticulation des adhésifs de demain devra être lente à température ambiante et pouvant être accélérée à tout moment. Pour cela, la piste envisagée pour ces tra-vaux est la polymérisation sous rayonnement infrarouge. La cinétique de ré-action a été évaluée par analyse thermique (DSC) ou par analyse spectrosco-pique (MIR ou PIR). Les résultats obtenus ont mis en évidence un effet thermique et non thermique du rayonnement infrarouge. Grâce à plusieurs expérimentations, les résultats montrent que le rayonnement infrarouge interagit avec les groupe-ments époxydes dont l’énergie d’activation de la réaction avec les amines primaires diminue. Par ailleurs, l’utilisation d’un plan d’expérience a permis de montrer que l’adhérence et les propriétés mécaniques de ces adhésifs augmentaient suite à l’utilisation du rayonnement infrarouge.

La détection de présence humaine est devenu un enjeu important dans de nombreux domaines comme la domotique ou l'automobile, par exemple. Les détecteurs infrarouges grand public, actuellement disponibles sur le marché ne sont pas aptes à faire la distinction entre une personne ou un animal domestique de façon absolument fiable. Pour répondre à ce problème, les matrices imageantes infrarouges classiques sont beaucoup trop onéreuses et trop performantes. C'est pourquoi nous avons choisi de développer des réseaux de microcapteurs de rayonnement infrarouge de quelques pixels avec le souci permanent de minimiser au maximum le coût de fabrication. Ces microcapteurs de type thermoélectrique, sont basés sur une structure originale permettant de les utiliser à l'air libre, sans encapsulation. Un modèle mathématique, prenant en compte les caractéristiques technologiques du microcapteur ainsi que son environnement thermique, a été mis au point et permet de définir la structure optimale à partir d'un cahier des charges. Une étude approfondie a été menée pour chaque étape technologique nécessaire à la réalisation de ces microcapteurs, depuis la membrane compensée en contrainte, jusqu'au dépôt de la couche de polyimide constituant l'absorbant infrarouge. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre le modèle mathématique et les valeurs expérimentales. Des microcapteurs destinés à optimiser la sensibilité à l'éclairement puis la détectivité spécifique ont été étudiés et fabriqués. L'objectif initial de réaliser une matrice imageante infrarouge basse résolution et faible coût a été atteint.

Les travaux présentés dans ce document portent sur le développement de lasers à fibre de ZBLAN dopée au thulium, ainsi que sur l'étude de phénomènes nouveaux liés à la dynamique des niveaux électroniques. Le verre de ZBLAN est utilisé pour sa faible énergie de phonons qui a pour effet d'allonger les temps de vie des niveaux électroniques des ions terre-rare qui le dopent. Nous présentons dans un premier temps nos travaux sur l'émission d'impulsions auto-induites par un laser à fibre de ZBLAN dopée au thulium émettant dans la région de 800 nm. L'émission laser à une ou deux longueurs d'onde correspond à deux transitions laser distinctes. Un nouveau régime dynamique auto-induit lorsque les deux transitions oscillent est rapporté. Nous avons pu reproduire numériquement les observations expérimentales en utilisant un modèle simple basé sur les équations d'évolution des populations des niveaux électroniques. Dans un second temps, nous aborderons le développement de nouveaux lasers à fibre de ZBLAN utilisant pour la première fois la technologie des réseaux de Bragg photo-inscrits par laser femtoseconde. A travers l'étude d'un laser monothique à fibre de ZBL.AN dopée au thulium émettant jusqu'à 2.3 W de puissance à 1480 nm sur le mode fondamental, nous avons pu mettre en évidence l'intérêt de cette nouvelle technologie. Le laser présenté offre une efficacité de conversion de 65% à comparer à la limite quantique qui est de 72%. Les performances de ce laser sont comparées pour deux longueurs d'onde de pompe à 1064 nm et à 1040 nm. Pour cette dernière longueur d'onde de pompe, nous avons mis en évidence un phénomène d'avalanche de photons. De plus, nous avons développé un modèle numérique complet permettant d'optimiser la cavité laser et d'expliquer son comportement. Enfin, nous présentons nos travaux sur l'accordabilité en longueur d'onde d'un tel laser. Un stress mécanique purement axial est appliqué sur la portion de fibre contenant un réseau de Bragg ce qui nous permet d'accorder la longueur d'onde d'émission du laser sur plus de 20 nm.

«Thèse en cotutelle, Doctorat en physique, Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Université de Bordeaux, Talence, France» / L’infrarouge moyen présente un grand intérêt pour de nombreuses applications dans des domaines variés comme la médecine, la biologie, l’environnement ou encore l’astronomie. Il y a donc un besoin de sources et de dispositifs fonctionnant dans cette bande de longueur d’onde s’étendant approximativement de 2 à 20 µm. L’élaboration de ces dispositifs passe par le développement de matériaux transparents dans l’infrarouge moyen puis par la fonctionnalisation optique de ces matériaux. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous nous proposons d’étudier la fabrication de composants dans un verre d’oxyde de métaux lourds (baryum, gallium, germanium : BGG), dont l’intérêt est la combinaison d’une bonne transmission jusque dans l’IR moyen (de ~350 nm à ~5 µm) et de bonnes résistances mécanique et chimique. La technique utilisée pour la fonctionnalisation optique de ce verre est l’inscription directe par impulsions ultra courtes. Cette dernière permet de modifier localement – et de manière permanente – un matériau par la focalisation d’impulsions d’une durée de l’ordre de quelques dizaines ou centaines de femto secondes, générant des intensités lumineuses très importantes et permettant l’absorption non-linéaire d’une partie de l’énergie du faisceau laser. Le caractère non linéaire de l’interaction permet l’inscription de structures tridimensionnelles dans le volume du matériau. Grâce à cette technique, on peut notamment fabriquer des guides d’onde, des canaux de microfluidique et des motifs fluorescents pour ne citer que quelques exemples. Nous rapportons dans cette thèse une étude détaillée de l’inscription par laser femtoseconde dans différents types de verres BGG. Nous montrons qu’il est possible d’avoir un changement d’indice positif élevé, permettant la formation de composants à base de guides d’onde pour l’IR moyen. En particulier, nous présentons des résultats de mesures sur des guides d’onde et des coupleurs dans l’IR moyen, inscrits dans un verre BGG et dans la silice. Un autre type verre, dérivé des BGG et dopé en ions argents, est également étudié dans le cadre de l’inscription par laser femtoseconde. Comme il a été observé dans d’autres types de verres d’oxydes, les ions argent modifient l’interaction laser matière et apportent des propriétés spécifiques à l’argent : fluorescence, génération de seconde harmonique et résonance de plasmons de surface. / The mid-infrared region is of great interest for many applications in various fields such as medicine, biology, environment and astronomy. Therefore, there is a need for developing sources and devices operating in this wavelength region, spanning approximately from 2 to20 µm. The development of these devices involves the development of mid-IR transparent materials and then the optical functionalization of these materials. In the framework of this PhD thesis, we propose to study the fabrication of components in glass of heavy metaloxides (barium, gallium, germanium: BGG), whose interest is the combination of a good transmission (from ~350 nm to ~5 µm) and good mechanical and chemical resistances. The technique used for the optical functionalization of this glass is direct inscription by ultra-short pulses. This technique allows a local and permanent modification of a material by focusing pulses of a duration of a few tens or hundreds of femtoseconds, generating very high light intensities and allowing the non-linear absorption of the laser beam energy. The non-linear nature of the interaction allows the inscription of three-dimensional structures in the bulk. Thanks to this technique, we can produce waveguides, microfluidic channels and fluorescent patterns, to name but a few examples. In this thesis, we report a detailed study of femtosecond laser inscription in different types of BGG glasses. We show that it is possible to have a high positive index change, allowing the formation of waveguide-based components for mid-IR. In particular, we present measurements results on waveguides and couplers in the mid-IR, embedded in BGG glass and fused silica. Another type of glass derived from BGG and doped with silver ions is also studied with the femtosecond laser inscription. As observed in other types of oxide glasses, silver ions modify the laser-matter interaction and provide silver-specific properties such as fluorescence, second harmonic generation and surface plasmons resonance.

Les sources laser à large bande possédant les caractéristiques requises pour émettre sur la plage spectrale correspondant à la seconde fenêtre de transmission atmosphérique (3 à 5 μm) exercent un attrait considérable pour divers domaines tels que la télédétection de polluants atmosphériques et les contremesures infrarouges. Les supercontinua générés à l'intérieur de fibres optiques représentent une option intéressante pour réaliser ce type de sources laser. En effet, ils possèdent une intensité élevée, un large contenu spectral, une excellente directionnalité de faisceau, ainsi qu'un bon potentiel pour constituer des sources lumineuses compactes et robustes. Toutefois, la génération d'un tel supercontinuum implique certains défis à relever sur le plan de la conception des fibres optiques employées. En fait, ces fibres optiques doivent présenter de faibles pertes de propagation sur la plage spectrale de 3 à 5 μm, posséder un paramètre de non-linéarité élevé et permettre le pompage en régime anomal de dispersion à des longueurs d'onde pour lesquelles des sources laser compactes sont offertes commercialement. En matière de robustesse, ces fibres doivent également démontrer de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une stabilité chimique appropriée vis-à-vis de la corrosion causée par l'humidité. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau type de fibres composites à saut d'indice fortement contrasté a été développé pour atteindre ces objectifs de génération de supercontinuum. Ce type de fibres combine respectivement un verre de tellurite et un verre de germanate pour son coeur et sa gaine permettant ainsi d'atteindre une différence d'indice de réfraction d'environ 0.3 entre ces deux dernières structures. Grâce à cet important saut d'indice, ces fibres peuvent fortement confiner les modes optiques à l'intérieur de leur coeur, ce qui leur donne la possibilité d'atteindre un niveau élevé de non-linéarité et d'optimiser leurs caractéristiques de dispersion chromatique pour la génération du supercontinuum. D'autre part, leur section transversale toute solide leur confère aussi une meilleure stabilité environnementale comparativement à celle démontrée par les fibres optiques microstructurées à base de verres d'oxydes de métaux lourds, de verres de chalcogénure et de verres fluorés. Toutefois, leur fabrication nécessite l'appariement de verres dont les propriétés thermomécaniques concordent suffisamment ensemble pour permettre leur fibrage. Les travaux effectués ici démontrent la production de fibres optiques composites et leur potentiel pour la génération du supercontinuum dans l'infrarouge moyen. / Broadband laser sources possessing the required characteristics to emit over the spectral range corresponding to the second atmospheric window (3 to 5 μm) exert a considerable attraction in diverse fields such as remote detection of atmospheric pollutants and infrared countermeasures. Supercontinua generated inside optical fibers represent an interesting option to achieve this kind of laser sources. Indeed, they possess a high intensity, a broad spectral content, an excellent beam directionality, and a good potential to make robust and compact light sources. However, the generation of such supercontinuum involves some challenges in terms of optical fiber design. In fact, these optical fibers must show low propagation losses over the spectral range of 3 to 5 μm, possess a high nonlinear parameter and enable pumping in the anomalous dispersion regime at wavelengths for which compact laser sources are commercially available. In terms of robustness, these fibers must also show good mechanical properties as well as an appropriate chemical stability against corrosion caused by moisture. During this thesis, a new type of composite fibers with a highly contrasted index step was developed to achieve these objectives of supercontinuum generation. This type of fiber respectively combines a tellurite glass and a germanate glass for its core and its cladding allowing a difference of refractive index of about 0.3 between these last two structures. Owing to this high index step, these fibers can strongly confine the optical modes inside their core, which gives them the opportunity to reach a high nonlinearity and optimize their characteristics of chromatic dispersion for the generation of supercontinuum. In addition, their all-solid cross section provides them with a better environmental stability compared to that demonstrated by microstructured optical fibers based on heavy metal oxide glasses, chalcogenide glasses, and fluoride glasses. However, their fabrication requires the association of glasses whose thermomechanical properties match suffciently together to allow them to be drawn into optical fibers. The work carried out here shows the production of composite optical fibers and their potential for supercontinuum generation in the mid-infrared.