La détection des fissures fermées constitue un verrou important pour les méthodes conventionnelles de CND. En revanche, les méthodes basées sur le principe du contact acoustique non-linéaire (CAN) représentent un outil potentiel capable de détecter et éventuellement de caractériser les fissures fermées. Dans ce travail de thèse, le CAN et la génération du second harmonique sont au centre de l’attention dans le but d’analyser les mécanismes mis en jeu en vue de la détection et la caractérisation de fissures fermées. Notre approche repose sur une analyse numérique de l’interaction entre une interface de contact et une onde longitudinale et une analyse expérimentale du CAN sur une éprouvette contenant une fissure de fatigue.Le CAN est modélisé par une loi de contact unilatéral avec (ou sans) frottement de Coulomb, en considérant l’interaction non-linéaire entre une onde longitudinale et une interface de contact, d’abord dans un milieu unidimensionnel en utilisant la méthode des différences finies, puis dans un milieu bidimensionnel par la méthode des Eléments Finis. Cette analyse a permis d’expliquer la génération des harmoniques supérieurs et de mettre en évidence les principaux paramètres gouvernant le CAN dans un cas unidimensionnel (onde plane/interface de contact plane), et aussi dans un cas bidimensionnel plus complexe considérant une onde non-plane et des morphologies d’interfaces complexes. Afin de valider les résultats numériques et d’apprécier l’applicabilité de la méthode dans un cas réel, des mesures expérimentales du second harmonique dans le cas d’une fissure de fatigue réelle sont effectuées. Les résultats de cette étude sont en accord avec les tendances numériques obtenues.Enfin, dans le but d’exploiter au maximum la méthode de génération d’harmonique, nous proposons également une stratégie numérique/expérimentale de reconstruction des sources acoustiques, basée sur une méthode d’holographie acoustique, permettant ainsi d’accéder à la distribution des sources de génération du second harmonique au niveau de la fissure. Ces résultats sont prometteurs en vue de la caractérisation des fissures fermées. / The detection of closed cracks constitutes an important obstacle for conventional nondestructiftechnics (NDT). However, nonlinear methods based on contact acoustic nonlinearity (CAN)represent a potential tool for the detection of these defects. In this work, a detailed analysis of thecontact acoustic nonlinearity is proposed in view of the characterization of closed crack.Our approach is based on an association between a numerical analysis of the nonlinear interactionbetween a longitudinal wave and a contact interface, as well as an experimental study of the CAN inthe case of a real fatigue crack.Numerically, the CAN is modeled by using a unilateral contact law with (or without) Coulombfriction. The nonlinear interaction between a longitudinal wave and a contact interface is considered,first in a one-dimensional medium by using the Finite Differences method, and then in a twodimensionalmedium by using the Finite Elements method. This analysis explains the generation ofsuper-harmonics and defines the main physical parameters controlling the CAN in a one-dimensionalcase (plane wave / plane contact interface) and also in a more complex two-dimensional caseconsidering a non-planar wave and complex interface morphologies. In order to validate the numericalresults and to test the applicability of the method in a real case, experimental measurements of thesecond harmonic in the case of a real fatigue crack are realized. The results of this study are inagreement with the numerical tendencies obtained.Finally, in order to exploit well the harmonic generation method, a numerical / experimentalstrategy based on acoustic holography principal for the reconstruction of acoustic sources is proposed.This strategy gives access to the distribution of second harmonic sources at the crack. The results ofthis study are promising in view of the characterization of closed cracks.

Ce manuscrit présente le rayonnement de second harmonique provenant de plusieurs milieux diélectriques allant de la réponse interfaciale à la réponse volumique. Ce travail de thèse constitue une première étape dans le but d'étudier une bulle de savon dans un piège optique par génération de second harmonique. Deux axes de recherche sont ainsi explorés : d'une part l'étude de la génération de second harmonique sur deux tensioactifs le TTAB et le SDS, constituants de base d'une bulle de savon, et de l'autre l'élaboration d'un nouveau dispositif expérimental permettant d'allier un piège optique à une excitation de second harmonique par un laser femtoseconde. Dans un premier temps, on explicite le montage optique reposant sur le principe d'un microscope confocal inversé et les mesures associées de la réponse harmonique d'interface air/verre et air/eau. Dans un second temps, on s'intéresse comme objet modèle, en lieu et place de la bulle, à une microparticule de silice. Ainsi, on commence par analyser sa réponse harmonique en microscopie non linéaire quand celle-ci se trouve déposée sur une matrice de verre. L'étude de cet objet met en avant l'interdépendance entre les aspects d'optique linéaire mesurés à la longueur d'onde fondamentale et l'intensité harmonique mesurée. Par la suite, cette microsphère est placée au sein du piège optique réalisé par un second faisceau. Malgré la faible taille et la symétrie de la particule diélectrique, on parvient à mettre en évidence la réponse harmonique d'une particule unique piégée. Enfin, dans une dernière partie, on s'intéresse à caractériser la génération de second harmonique pour des solutions savonneuses, première étape dans la réalisation d'une bulle. Les mesures de diffusion de second harmonique en volume pour des solutions de TTAB et SDS de diverses concentrations montrent un comportement similaire et une singularité lors du passage de la concentration micellaire critique. Lors de l'étude du signal de second harmonique à l'interface air/eau savonneuse en revanche, on mesure des comportements différents pour des tensioactifs anioniques et cationiques, provenant de la charge de surface et de l'orientation de l'eau sous-jacente / This thesis reports an experimental study of harmonic radiation from various dielectric media. We both study second harmonic generation on interfaces and hyper Rayleigh scattering in solutions. We present the first step for the realization of the following project : the study of the second harmonic generation on an optically trapped soapy bubble. To do so, two main axis of investigation are developped. Firstly, we study the harmonic response of two commonly used surfactants such as TTAB, a cationic one and SDS carrying a negative charge. This study consits of understanding the main component of a soapy bubble. We investigate how harmonic intensity is modified with an increase of soap concentration. These experiements are carried both in volume and at the air/water interface. The harmonic scattered intensity shows similar features for SDS and TTAB, as a sudden drop appearing at the critical micelar concentration. However, on the surface, the two oppositely charged surfactants give a radically different evolution of second harmonic signal versus their concentration. Indeed, the water molecules of the surroundings behaves in an opposite manner with negative or positive charged surfactants. The second axis of research that we work on in this thesis, is on a novel experimental development. We combine an optical tweezer to trap microsized particles with a femtosecond laser probe to generate the second harmonic. This is a first step in order to trap a bubble and study it with second harmonic generation. This non linear inverted confocal microscope is used to study harmonic profil of an silica bead stuck on a sample. This study gives a glance of the complexity of the correlation between linear optics effects on the laser probe beam and the created harmonic intensity. We also perform experiments on a trapped particle and we measure the harmonic response of an unique particle

Les propriétés optiques non linéaires du second ordre ont été étudiées dans des matériaux vitreux à base de chalcogénures, dans le but de développer de nouveaux matériaux pour l'intégration dans des systèmes optiques. Un phénomène de génération de second harmonique a été observé dans des verres des systèmes Ge-In-S-CsI et Ge-(Ga,Sb)-S après un traitement de polarisation thermique. La rupture de l'anisotropie des verres, conduisant à une susceptibilité non linéaire d'ordre deux supérieure à 8 pm/V, a été mise en évidence à l'aide de la technique des franges de Maker.<br />Parallèlement, de nouveaux matériaux infrarouges ont été développés. Des vitrocéramiques transparentes dans le domaine infrarouge ont été synthétisées. Elles présentent une non linéarité d'ordre deux permanente, induite par la présence de micro-particules non-centrosymétriques dispersées aléatoirement dans la matrice vitreuse.

L'ingénierie moléculaire a développé au cours des dix dernières années, des structures moléculaires optimisées pour leur réponse non-linéaire quadratique. Dans ce travail,nous avons montré que l'analyse des propriétés de polarisation de la fluorescence<br />à deux photons et de la génération du second harmonique constitue un moyen original de déterminer l'organisation et l'orientation de ces molécules lorsqu'elles sont disposées dans une matrice polymère ou lorsqu'elles forment un réseau cristallin. Cette<br />analyse, menée dans une configuration de microscopie non-linéaire à deux photons, a permis d'étudier ces processus non-linéaires à des échelles réduites et d'identifier des symétries cristallines spécifiques. La nature cristalline d'agrégats moléculaires isolés<br />de taille nanométrique a ainsi pu être mise en évidence. Il a également été possible de déterminer leur orientation à partir d'un modèle théorique. Enfin, un montage de détection cohérente de la génération du second harmonique collectée par microscopie<br />a été mis en œuvre de façon à gagner encore en sensibilité.

Nous avons étudié expérimentalement des propriétés de la lumière émis par des objets individuels. Nos études ont essentiellement porté sur la fluorescence d'émetteurs individuels en vue de disposer d'une source de photons uniques déclenchée fonctionnant à température ambiante et utilisable pour la cryptographie quantique. Cette source repose sur l'excitation impulsionnelle d'un seul émetteur placé au foyer d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique. Sur un système moléculaire organique, nous avons mis en évidence le caractère non-classique de la lumière émise. Nous avons étudié le bruit d'intensité en mesurant le paramètre de Mandel de la distribution temporelle de photons. Une réduction du bruit par rapport à une source de lumière classique équivalente est observée aux temps courts. La technique de mesure mise au point, qui repose sur l'acquisition de tous les instants d'arrivée des photons détectés, permet en outre de remonter à la dynamique de la molécule, fournissant ainsi une alternative à l'enregistrement direct des corrélations temporelles habituellement utilisé.<br />Pour pallier l'inévitable photoblanchiment des molécules de colorants, difficilement compatible avec les applications, nous leur avons préféré un centre coloré unique dans un nanocristal de diamant. Ce dernier se comporte du point de vue de sa fluorescence comme un système moléculaire avec l'avantage supplémentaire d'être parfaitement photostable à température ambiante. Nous avons utilisé la source de photons uniques reposant sur ce centre coloré dans une expérience de distribution quantique de clé de cryptage avec une transmission des photons en espace libre. Nous avons montré qu'une telle source permettait encore le partage d'une clé sûre en présence d'une forte atténuation sur la ligne, là où les impulsions laser atténuées ne peuvent plus permettre un tel partage de secret.<br />Nous décrivons également dans ce mémoire quelques résultats obtenus sur la génération de second harmonique par des nanocristaux organiques et l'utilisation d'un tel signal comme diagnostic du caractère cristallin du nano-objet ainsi détecté. Enfin, nous concluons sur le projet en cours portant sur la manipulation cohérente d'un spin individuel d'un centre coloré du diamant, pour le traitement quantique de l'information.

Ce travail a permis de caractériser certaines propriétés de la génération de second harmonique dans le domaine de l'optique en champ proche grâce aux méthodes numériques implémentes durant cette période : la méthode perturbative de Rayleigh (MPR) et la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Dans un premier temps, les sources du second harmonique optique ont été explicitées en fonction des différents types de symétries cristallines. Ensuite, la démarche pour adapter les deux méthodes numériques (FDTD et MPR) à l'optique non linaire a été exposée précisément. Des tests sur les deux méthodes numériques ont été effectués pour deux grands types de matériaux~: les matriaux centrosymétriques et non centrosymétriques. Puis, les modélisations de différentes expériences pour les deux types de matériaux ont été mises en oeuvre : réseaux de plots, pointes métalliques utilisées pour les microscopes optiques en champ proche sans ouverture... Le résultat dominant de ce travail est le fort confinement du second harmonique autour de l'objet le générant. La génération de second harmonique à l'apex d'une pointe métallique permet d'obtenir une source extrêmement localisée.

Le développement croissant des réseaux de télécommunication de fibre optiques nécessite la mise au point de systèmes optiques intégrés (amplificateurs, switch optique, WDM, DWDM, ...). La découverte de génération de second harmonique dans les verres ouvre de nouvelles perspectives d'application dans le domaine des télécoms. C'est dans ce contexte que nous avons débuté cette thèse par la recherche de nouveaux systèmes vitreux (Nb2O5 – P2O5 – CaO – B2O3 et TeO2 – PbO – P2O5), qui après un traitement de poling présentent une forte susceptibilité non linéaire d'ordre deux. L'étude a porté sur la synthèse, le traitement de poling et les caractérisations physico-chimiques (structurales et optiques) des verres. Une application aux couches minces a été entreprise.

Ce travail porte sur deux sujets distincts qui illustrent les relations entre l'optique non linéaire et les matériaux organiques (en particulier ceux qui comportent des structures de taille micrométrique). Dans une première partie, nous nous intéressons aux propriétés optiques quadratiques de matériaux novateurs: des couches minces sol-gel incluant des nanocristaux organiques. Pour que ce type de matériau donne lieu à des processus non-linéaires quadratiques, un ordre non centrosymétrique macroscopique doit être créé en son sein. C'est pourquoi nous avons étudié la possibilité d'orienter ces nanocristaux en appliquant un champ électrique. À l'aide du signal de second-harmonique généré, nous pouvons suivre le processus de polarisation. Cela a permis de dégager les phénomènes qui interviennent dans la création et la relaxation de l'ordre polaire et de mettre en évidence les paramètres du matériau qui limitent l'efficacité et la stabilité de la réponse non-linéaire obtenue. Dans la deuxième partie, nous mettons à profit un processus non-linéaire du 3\ieme ordre, l'absorption à deux photons, pour fabriquer par polymérisation des objets tridimensionnels avec une résolution submicronique. Nous montrons qu'une approche d'ingénierie moléculaire des photoinitiateurs permet d'améliorer l'efficacité de ce processus, ce qui rend l'utilisation de lasers de puissance crête modérée envisageable pour la microfabrication. Une analyse de la cinétique de la polymérisation nous éclaire sur le rôle des caractéristiques de la résine (photoinitiateur et monomère) et des conditions d'irradiation (intensité lumineuse et temps d'exposition) sur la progression des réactions de polymérisation et la résolution spatiale des structures fabriquées.

Le développement des lasers de puissance engendre un intérêt pour la recherche de matériaux présentant des propriétés optiques non linéaires (ONL). Les matériaux vitreux sont de très bons candidats puisqu'ils peuvent être transparents et élaborés en grandes dimensions. La précipitation de particules non centro-symétrique dans un verre permet d'engendrer cette propriété en volume, et d'ingérer facilement ce matériau dans les dispositifs lasers. Dans ce contexte, cette thèse présente les résultats obtenus sur la précipitation de la phase LiNO3 dans la matrice vitreuse 35 Li2O- 25 Nb2O5- 40 SiO2. Le mécanisme de cristallisation de cette phase est étudié par analyse thermique, imagerie optique et électronique ainsi que par une analyse in-situ. Ces analyses mettent en évidence une cristallisation sphérolitique du niobate de lithium dans ce verre, conduisant à l'obtention de vitrocéramiques. Les propriétés optiques non linéaires d'ordre deux sont mesurés sur ces matériaux. Un signal original et isotrope de Génération de Second Harmonique a été mesuré. Une analyse multi-échelle permet une meilleure compréhension et une corrélation entre la structure des sphérolites et l'origine de la génération d'un tel signal. Le modèle développé suite à ces analyses permet d'entrevoir le développement de nouveaux matériaux micro-composites à propriétés ONL isotropes.

La stabilité optique nonlinéaire du colorant (Disperse red 1) dopé dans différent polymères amorphes préparés par spin-coating ou incorporé dans un polymère préparé par le processus auto-assemblé Layer-by-Layer (LBL) a été étudiée. La relaxation de rotation du colorant est analysée en mesurant la variation de susceptibilité de second ordre induite par le poling tout-optique. Nous montrons que la température de transition vitreuse du polymère n'est pas le seul facteur qui influe sur la stabilité de rotation libre du colorant. Par contre, l'architecture de polymère (la polarité de la chaîne polymère) joue un rôle sur la stabilité de rotation. Nous discutons du ralentissement de la relaxation de rotation moléculaire sur le poling tout-optique. Un modèle ‘restoring torque' est introduit pour étudier la stabilité d'orientation intrinsèque du colorant dans polymère préparé par le processus auto-assemblé Layer-by-Layer.<br /><br />La propriété optique nonlinéaire de second ordre d'oxyde de zinc est étudiée a l'échelle de millimètre jusqu'à nano-mètre. L'effet de surface sur l'augmentation de réponse de la génération de second harmonique est montré. Nous suggérons que la génération de second harmonique induite par le champ électrique crée par la séparation des charges est l'origine de l'augmentation proéminent des susceptibilités à second ordre. <br /><br />Nous discutons la réponse significative d'optique nonlinéaire de second ordre de fullerène (C60) et phthalocyanine de cuivre (CuPc) qui sont de nature centro-symétrique. L'influence d'épaisseur de couche et le substrat nous montre l'origine de la génération de second harmonique : la génération de second harmonique induite par le champ électrique de la séparation de charge à l'interface du substrat et de la couche. Elle n'est pas causée par des mécanismes d'optique nonlinéaire aux ordres plus élevés. En plus, la technique ‘Kelvin Probe' est introduite pour analyser quantitativement le transfert de charge à l'interface.