L’objectif de cette thèse est de comprendre la dynamique des excitations électroniques, thermiques et acoustiques dans une structure hybride composée d’un film métallique noble et d’un film ferromagnétique. L’analyse des processus est possible grâce à l’excitation d’un film métallique par une impulsion laser ultra brève qui génère des impulsions acoustiques. L’étude s’appuie sur la technique femtoseconde pompe-sonde et les simulations numériques. Beaucoup de processus intéressants comme l’excitation des électrons chauds et génération des impulsions acoustiques peuvent être étudiés. Le fait de mieux comprendre le mécanisme de ces processus amène à la possibilité de contrôler les propriétésélectroniques, mécaniques et magnétiques des matériaux. Cela permettra d’introduire des concepts innovants pour des nouveaux dispositifs ou d’optimiser la performance des dispositifs qui existent déjà. Le point de départ de ce travail est l’observation expérimentale d’impulsions acoustiques de durée très courte (2 ps) générées dans un film de cobalt de 30nm via excitation d’un film d’or (de 50 nm jusqu’à 500 nm). Le processus majeur en jeu est le transport ultrarapide de l’énergie par les électrons super diffusifs à travers la couche d’or. Pour étudier le transport diffusive des électrons on utilise le modèle à Deux Températures. Ce nouveau concept a été confirmé par des mesures magnétiques : excitation de la précession de la magnétisation par les électrons super diffusifs. De plus, notre analyse des courbes de réflectivité amontré la possibilité de retrouver la résistance aux l’interfaces (résistance de Kapitza) pour les interfaces métal- diélectrique et métal-métal. / This thesis aims to understand the ultrafast dynamics of electronic, thermal and acoustic excitations in noble metal -ferromagnet multilayer structures. We start from the initial stage of ultrafast laser excitation up to the detection of thegenerated picosecond acoustic pulses by using the femtosecond pump-probe technique and numerical simulations. Various interesting transient physical processes are taking place on intermediate timescales. Understanding and explaining their mechanisms leads to the possibility of controlling electronic, mechanical and magnetic properties of materials. Thus, it becomes possible to introduce innovative concepts of new devices and optimize the performances for already existingtechnologies. The starting point of this work is the experimental observation by reflectivity measurements of 2-ps acousticpulses generated in a 30 nm thin cobalt layer when the ultrashort laser pulse excites a much thicker gold overlayer of varying thicknesses from 50 to 500 nm. If we take into account the fact that the optical energy deposition by a visible light in gold is limited by a tiny (~10nm) skin depth, the only reasonable explanation of the acoustic strain generation in adjacent cobalt layer can be provided by considering ultrafast energy transport by super-diffusive hot electrons through the gold layer. The hot electron diffusion is studied within the Two Temperature Model. This novel concept was corroborated by complementarymeasurements of magnetization precession in cobalt induced by hot electrons initially generated in gold. In our analysis we were able to fit both thermal and acoustic components of transient reflectivity measurements and retrieve the values of the Kapitza resistances at the metal-metal and metal-dielectric interfaces.

Les nanoparticules plasmoniquespossèdent des propriétés intéressantes grâce àla résonance de plasmon de surface localisé. Enplus de leur grande efficacité de conversionphotothermique due au plasmon, leconfinement de l’échauffement peut êtremodulé par le type de source lumineuseutilisée (impulsionnelle ou continue). Cespropriétés font des nanoparticulesplasmoniques une solution potentielle pour lathérapie contre le cancer par hyperthermie.Afin de développer une telle applicationbiomédicale, il est nécessaire d'optimiserl'absorption de l'énergie lumineuse et le ciblagedes nanoparticules sur la tumeur considérée.Dans cette thèse, l'influence des électronschauds photo-générés sur l'absorptiond’impulsions laser ultracourtes par lesnanoparticules est d'abord étudiée. Ensuite, untravail effectué avec des chimistes, biologisteset médecins pour l'application desnanoparticules d’or irradiées par impulsionslaser ultracourtes à la thérapie contre le cancerest présenté. Enfin, nous présentons une étudepréliminaire sur la photoluminescence denanoparticules plasmoniques, dont l'origine estencore controversée, en appliquant un modèleprenant en compte la nature non thermale dela distribution d’électrons chauds. / Plasmonic nanoparticles possessinteresting properties thanks to the localizedsurface plasmon resonance. In addition totheir high photothermal conversion efficiency,the heat release confinement can bemodulated by the type of light source used(pulsed or continuous laser). These propertiesmake the plasmonic nanoparticles a potentialsolution for cancer therapy by hyperthermia.In order to develop such a biomedicalapplication, it is necessary to optimize theabsorption of light energy and the targeting ofnanoparticles on the tumor considered.In this thesis, the influence of the photogeneratedhot electrons on the absorption ofultrashort laser pulses by nanoparticles is firststudied. Then, a work carried out withchemists, biologists and physicians for theapplication of gold nanoparticles irradiated byultrashort laser pulses to cancer therapy isdescribed. Finally, we present a preliminarystudy on the photoluminescence of plasmonicnanoparticles, the origin of which is stillcontroversial, by applying a model accountingfor the non-thermal nature of the hot electrondistribution.

Les caractéristiques pharmacocinétiques des insulines analogues ultra-rapides (IAUR) furent établies chez des sujets de poids normal, sains ou diabétiques de type 1, et à partir de petites doses d'insuline (4-12 U). La taille de la dose injectée et le flot sanguin dans le tissu adipeux (FSTA) sont des facteurs très importants qui affectent l'absorption sous-cutanée de l'insuline. Cependant, chez les patients obèses et diabétiques de type 2 (DT2), les doses d'insulines injectées sont beaucoup plus importantes et leur FSTA de base est 50 à 70 % plus faible que chez un sujet sain de poids normal. Ce qui porte à croire que l'absorption de l'insuline est moins efficace chez ces patients. Notre objectif est de déterminer la pharmacocinétique et la pharmacodynamie d'une IAUR chez les patients DT2 obèses. Six sujets témoins sains et de poids normal reçurent 10 U d'IAUR lispro et 7 sujets DT2 obèses 10, 30 et 50 U. Après injection sous-cutanée, nous avons procédé à un clamp euglycémique. La lispro plasmatique fut mesurée par RIA spécifique.Les paramètres de cinétique et de dynamique obtenus chez nos sujets sains confirment ceux publiés précédemment. Nos résultats sont donc pleinement en accord avec la littérature. Lors de l'injection de petites doses (10 U) chez les sujets DT2 obèses, l'absorption de la lispro ne semble pas être altérée par rapport aux témoins : la constante d'absorption (ka), le temps au pic plasmatique de lispro (T[indice inférieur max]) et l'aire totale sous la courbe (AUC[indice inférieur 0-[infini]]) sont semblables à ceux des témoins. Cependant, chez les sujets DT2, l'augmentation de la dose injectée couduit [i.e. conduit] à une réduction de la ka et un retard du T[indice inférieur max]. Dans les paramètres de glucodynamie, des différences très significatives se manifestent entre les 2 groupes, avec une réponse à l'insuline retardée et réduite chez les sujets DT2. Avec l'injection de 10 U, le taux d'infusion maximal de glucose (GIR[indice inférieur max]) est 15 fois plus petit et le temps correspondant (tGIR[indice inférieur max]) a presque doublé. Dans ce même groupe, on note un délai qui augmente avec de la dose injectée : le tGIR[indice inférieur max] a doublé entre les doses de 10 et 50 U et se chiffre à 4 heures pour l'injection de 50 U. Cette étude suggère que dans l'application clinique, la taille des doses injectées doit être considérée et que la synchronisation entre l'injection d'une IAUR et la prise du repas chez les patients DT2 obèses doit être étudiée. Afin d'améliorer l'absorption de l'insuline chez nos sujets obèses et DT2, nous avons testé deux méthodes : ajouter un agent activateur de flot (AVD) à la lispro ou bien augmenter la concentration de l'insuline pour diminuer le volume de la dose injectée. L'ajout d'AVD a mené à des résultats surprenants : l'AUC, le pic plasmatique de lispro (C[indice inférieur max]), le GIR[indice inférieur max] et l'infusion totale de glucose (GI[indice inférieur tot]) ont augmenté de 3 fois. Cependant, la diminution du volume de la dose injectée n'a eût [i.e. eu] aucun effet notoire sur l'absorption de la lispro. D'autres études seront donc faites pour mieux caractériser l'effet de lAVD sur l'absorption sous-cutanée de l'insuline.

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l’étude de la dynamique ultra rapide de l’aimantation. Tout d’abord sont présentés des aspects théoriques, puis les aspects expérimentaux de ces expériences. Pour ce faire, nous avons étudié la réponse d’alliages ferrimagnétiques à composition variables à l’aide d’un dispositif de mesure d’effet Kerr résolu en temps, puis dans une seconde partie, la dynamique de l’aimantation et de la bande de valence du gadolinium épitaxié sur tungstène. Dans ce cadre rentre une étude de l’oxydation de ce matériau, limitant dans le temps les études approfondies. Pour finir, il est mis l’accent sur un phénomène contraignant lors des études de dynamique électronique en photoémission, l’effet de charge-espace. Ceci a pour effet de générer des photoélectrons à partir de métaux, à l’aide d’un processus multiphotonique. Nous proposons dans cette partie un modèle théorique expliquant ce phénomène.Ces travaux sont inscrits dans le cadre du développement du synchrotron SOLEIL, pour permettre le développement du FEMTOSLICING, qui permettra prochainement de mesurer des dynamiques rapides résolues en éléments, à une résolution de l’ordre de la centaine de femtosecondes. / Those thesis works are included in the framework of the study of ultrafast magnetization dynamics. First of all I introduce theoretical aspects, then experimental aspects of this kind of experiments.In this aim, we have studied the answer of ferromagnetic alloys of different compositions with a bench of time resolved magneto optical Kerr effect measurement, then in a second part, the magnetization and valence band dynamics of the epitaxial Gadolinium on tungsten. In this framework, we studied the oxidization of the Gd, which limits in the time the studies. In the end, we focus on a disturbing process that happens during the study of electrons dynamics in photoemission, the space charge effect. This can generate photoelectrons from metals, with a multiphotonic process. We propose in this last part a theoretical model to explain this phenomenon.These works are included in the development of SOLEIL synchrotron facility, in order to allow the development of the FEMTOSLICING, that will next allow to perform element resolved experiments within a time resolution of a hundredth of femtoseconds.

L'échographie constitue aujourd'hui un des piliers de l'imagerie médicale. Appliquée en clinique depuis plus de quarante ans, elle repose sur les ultrasons, ondes mécaniques de compression à hautes fréquences, pour réaliser des images principalement morphologiques des organes. Développée plus récemment, l'élastographie permet de sonder directement les propriétés viscoélastiques des tissus et pourrait ainsi renseigner sur l'état pathologique des tissus comme le fait la palpation du médecin. L'élastographie transitoire, basée sur l'étude de la propagation des ondes de cisaillement naturelles ou artifi- cielles, permet une mesure quantitative de ces propriétés viscoélastiques. Combinant la pression de radiation ultrasonore, véritable palpation à distance, et l'échographie ultrarapide, le Supersonic Shear Imaging peut gé- nérer et suivre des ondes de cisaillement in vivo en quelques millisecondes. On peut alors, par inversion de l'équation d'onde, former des cartes d'élasticité du milieu. Nous proposons ici une nouvelle méthode de reconstruction des cartes d'élasticité, plus robuste, qui est ensuite appliquée, in vivo et en clinique, à l'imagerie des lésions du sein, à l'étude de la fibrose du foie ainsi qu'à celle des maladies neuromusculaires. Une méthode de mesure de la dispersion de l'onde de cisaillement générée est aussi proposée et testée in vivo. Elle permet de retrouver, en une seule acquisition, les propriétés viscoélastiques complètes des tissus et a été appliquée au foie et au muscle de plusieurs volontaires sains. Finalement, nous nous intéressons à l'échographie ultrarapide de la contraction du muscle, déclenchée par électrostimulation. Cette méthode, locale et transitoire, permet de retrouver les paramètres clés de la réponse musculaire et offre ainsi, couplée avec l'électromyographie, des perspectives cliniques très intéressantes pour l'étude de la physiologie du muscle ou les maladies neuromusculaires.

Les nanostructures métalliques présentent, grâce aux résonances de surface qu'elles supportent, la possibilité de confiner et de contrôler la lumière sur des dimensions très inférieures à la longueur d'onde. Durant cette thèse, nous avons étudié le cas des réseaux de fentes métalliques.<br /><br />Nous avons mis en oeuvre un calcul original des courbes de dispersion complexes des réseaux métalliques, basé sur une méthode modale et un formalisme de matrice S. Le calcul des structures de bandes photoniques complexes et de la répartition spatiale du champ électromagnétique a permis de décrire précisément les résonances de surface horizontales et verticales, leurs conditions d'excitation ainsi que leurs durées de vie radiatives et non radiatives. Leurs propriétés de confinement et de transmission de la lumière dans des fentes très fines devant la longueur d'onde offrent de nouvelles possibilités en optoélectronique.<br /><br />Nous proposons en particulier deux structures de type métal-semiconducteur-métal pour la photodétection ultrarapide, dans lesquelles le confinement de l'absorption permet de repousser le compromis habituel entre rendement et vitesse. La première structure est un réseau métal/semiconducteur dans lequel la lumière est absorbée entre les électrodes. La seconde structure permet une absorption efficace dans une fine couche sous le réseau métallique. Ces deux photodétecteurs, dont la distance inter-électrode est d'environ 100 nm, ont été fabriqués sur substrat de GaAs. Le bon accord des mesures de réflectivité et de photocourant avec la théorie a permis de valider cette approche, qui pourra notamment être appliquée aux longueurs d'onde des télécommunications.<br /><br />Les dimensions mises en jeu rendent possibles des fréquences de coupure de plusieurs centaines de GHz, avec un rendement théorique de 75 % indépendamment de la polarisation de la lumière. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle génération de photodétecteurs ultrarapides.

Les sources laser à fibre sont de plus en plus utilisées dans des domaines très divers car elles possèdent des avantages majeurs : qualité de faisceau, intégration, possibilité d'émettre une puissance moyenne élevée, efficacité, robustesse. Nous présentons des travaux de recherche visant à étendre les performances des sources ultrarapides basées sur les fibres en utilisant des effets d'optique non linéaire et en proposant de nouvelles architectures laser.

Les décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP) dans l'air à pression atmosphérique ont de nombreuses applications potentielles. Ces applications dépendent de la nature des décharges NRP. Les décharges NRP spark stabilisent les flammes pauvres, qui émettent moins d’oxydes d’azote. Un chauffage ultrarapide de plusieurs milliers de degrés en une vingtaine de nanosecondes a également été observé dans de telles décharges, ce qui permettrait par exemple la production de nanomatériaux. Les décharges NRP glow ont l'avantage de produire un grand nombre d'espèces actives comme le radical O tout en échauffant très peu le gaz ambiant, ce qui les rend utilisables dans des applications sensibles à la température comme la bio-décontamination. Dans une première partie, nous validons expérimentalement le mécanisme chimique à l'origine du chauffage ultra-rapide grâce à des mesures résolues en temps de la densité absolue de deux états excités du diazote ainsi que des mesures de température du gaz. Dans un deuxième temps, nous montrons expérimentalement l'existence du régime glow à température ambiante, celui-ci n'ayant été observé jusqu’à présent que pour des températures supérieures à 750 K. En effet, nous avons démontré que son existence dépend de nombreux paramètres : température et pression du gaz, tension entre les électrodes, distance inter-électrodes, durée de l’impulsion de tension, rayon de courbure des électrodes. Grâce à une étude expérimentale paramétrique détaillée et à l’analyse des résultats obtenus, nous avons réussi à identifier les conditions permettant d’obtenir le régime NRP glow à température ambiante et un nouveau régime de décharge de type “multi-canal” a été mis en évidence. / Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges in atmospheric pressure air have many potential applications. Spark NRP discharges have applications in plasma assisted combustion. These discharges tend to stabilize lean flames which produce less NOx. Furthermore, an increase of several hundreds of Kelvins in less than 20 ns has been observed following NRP spark discharges, which could be used to create nanomaterials. NRP glow discharges, while creating an important number of actives species such as atomic oxygen, do not heat the ambient gas, which allows them to be used in temperature-sensitive applications such as bio-decontamination. In the first part of this thesis, we validate experimentally the mechanism that was proposed to explain the ultrafast heating observed. Time-resolved measurements of the absolute densities of two excited states of nitrogen and of the gas temperature have been performed with calibrated Optical Emission Spectroscopy. The second part of the thesis deals with the NRP glow regime. We have shown that its existence depends on several parameters, gas temperature and pressure, voltage across the electrodes, inter-electrode distance, pulse duration, radius of curvature of the electrodes. This regime had not been observed for temperatures lower than 750 K so far. Thanks to a detailed parametrical experimental study and the analysis of the obtained results, we have succeeded in identifying the NRP glow regime at ambient temperature and we observe a new type of “multi-channel” glow regime.

Grâce à son accessibilité, sa polyvalence et sa sécurité, l'échocardiographie est devenue la technique d'imagerie la plus utilisée pour évaluer la fonction cardiaque. Au vu du succès de l'échographie ultrarapide par ondes planes des techniques similaires pour augmenter la résolution temporelle en échocardiographie ont été mise en oeuvre. L’augmentation de la résolution temporelle de l’échographie cardiaque au-delà des valeurs actuellement atteignables (~ 60 à 80 images par secondes), pourrait être utilisé pour améliorer d’autres caractéristiques de l'échocardiographie, comme par exemple élargir la plage de vitesses détectables en imagerie Doppler couleur limitées par la valeur de Nyquist. Nous avons étudié l'échocardiographie ultrarapide en utilisant des fronts d’ondes ultrasonores divergentes. La résolution temporelle atteinte par la méthode d'ondes divergentes a permis d’améliorer les capacités des modes d’échocardiographie en mode B et en Doppler couleur. La résolution temporelle de la méthode mode B a été augmentée jusqu'à 633 images par secondes, tout en gardant une qualité d'image comparable à celle de la méthode d’échocardiographie conventionnelle. La vitesse de Nyquist de la méthode Doppler couleur a été multipliée jusqu'à 6 fois au delà de la limite conventionnelle en utilisant une technique inspirée de l’imagerie radar; l’implémentation de cette méthode n’aurait pas été possible sans l’utilisation de fronts d’ondes divergentes. Les performances avantageuses de la méthode d'échocardiographie ultrarapide sont supportées par plusieurs résultats in vitro et in vivo inclus dans ce manuscrit. / Because of its low cost, versatility and safety, echocardiography has become the most common imaging technique to assess the cardiac function. The recent success of ultrafast ultrasound plane wave imaging has prompted the implementation of similar approaches to enhance the echocardiography temporal resolution. The ability to enhance the echocardiography frame rate beyond conventional values (~60 to 80 fps) would positively impact other echocardiography features, e.g. broaden the color Doppler unambiguous velocity range. We investigated the ultrafast echocardiography imaging approach using ultrasound diverging waves. The high frame rate offered by the diverging wave method was used to enhance the capabilities of both B-mode and color Doppler echocardiography. The B-mode temporal resolution was increased to 633 fps whilst the image quality was kept almost unchanged with reference to the conventional echocardiography technique. The color Doppler Nyquist velocity range was extended to up to 6 times the conventional limit using a weather radar imaging approach; such an approach could not have been implemented without using the ultrafast diverging wave imaging technique. The advantageous performance of the ultrafast diverging wave echocardiography approach is supported by multiple in vitro and in vivo results included in this manuscript.

Mon travail décrit la dynamique de l'aimantation pico et femtoseconde mesurée grâce à la structure temporelle des rayons X. J'ai étudié la désaimantation ultrarapide des métaux de transitions (MT) et des terres rares (TR) dans différents alliages MT-TR sous forme de films minces (~ 20 nm). Mes études reposent principalement sur les techniques expérimentales sensibles à l'aimantation et résolues en temps : tr-XMCD et tr-MCDAD. Ces deux techniques expérimentales offrent par ailleurs une sélectivité chimique qui permet de mesurer séparément la désaimantation ultrarapide des MT et des TR. Elles reposent sur des montages expérimentaux pompe-sonde que j'ai utilisé dans les synchrotrons SOLEIL et BESSY II. / My PhD work describes the pico and femtosecond magnetization dynamics using the time structure of X-rays. I studied the ultrafast demagnetization of thin films (~ 20 nm) for various transitions metals (TM) - rare earths (RE) alloys. My studies have been performed by using two experimental techniques which are sensitive to the magnetization and which are time resolved: tr-XMCD and tr-MCDAD. These two experimental techniques also show chemical selectivity allowing to distinguish the TM and RE dynamics. They are both based on pump-probe experiments which were used at the SOLEIL and BESSY II synchrotrons.