La technique d’optique ultra-rapide pompe-sonde, qui repose sur l’emploi de lasers à impulsion ultracourte(femtoseconde), permet de déclencher et étudier des processus ultrarapides dans la matière. L’acoustique picoseconde concerne pour sa part l’étude des processus de génération et détection de phonons acoustiques haute fréquence ainsi quel’analyse des nanomatériaux avec ces phonons (nanoéchographie). Les travaux de recherche de cette thèse avaient pourbut l’étude des couplages électronphonon acoustique dans le matériau ferroélectrique BiFeO3 par acoustique ultrarapide. Nous avons pu mettre en évidence que selon l’orientation du cristal photoexcité, l’émission des phonons acoustiques cohérents longitudinaux (LA) et transverses (TA) pouvait être modulée. De manière spectaculaire, nous avons purévéler un couplage électron-phonon acoustique transverse très efficace comme cela n’avait jamais été observé jusqu’alors dans les métaux, semiconducteurs ou nanostructures artificielles. Une étude détaillée indique que le mécanismepiézoélectrique inverse semble être le moteur de ce couplage électron-phonon (Lejman et al, Nature Communications, 2014). Dans une seconde partie, nous avons montré que BFO, ainsi qu’un autre ferroélectrique biréfringent LiNbO3 (LNO), peuvent être utilisés pour la conversion de mode ultra-rapide par processus acousto-optique (manipulation de la polarisation de la lumière à l’échelle de la picoseconde avec des phonons acoustiques). Cet effet, jamais mis enévidence jusqu’alors dans le domaine GHz, pourrait potentiellement être exploité dans de nouveaux dispositifs photoniques/phononiques pour des modulations acousto-optiques à haute cadence. / Ultrafast optical pump-probe technique, by exploiting ultrashort laser pulses (femtosecond), allows to initiate and monitor ultrafast processes in matter. Picosecond acoustics is a research field that focuses on the generation and detection mechanisms of high frequency coherent acoustic phonons in different media, as well as on their application in testing of nanomaterials and nanostructures. This PhDs research project was devoted to study of electron-acoustic phonon coupling in ferroelectric BiFeO3 (bismuth ferrite, BFO) by ultrafast acoustics. We have evidenced that depending on the BFO crystal orientation it was possible to tune the coherent phonons spectrum with in particular variable amplitude of longitudinal (LA) and transverse (TA) acoustic modes. In some grains with particular crystallographic orientations much stronger TA than LA signal was observed. Spectacularly, we have revealed an efficient coupling between electron and transverse acousticphonon. Such high ratio never reported before in any metal, semiconductor or nanostructure before, can be principally attributed to the photoinduced inverse piezoelectric effect (Lejman et al Nature Communications 2014). In a second part, we have shown that BFO as well as another birefringent ferroelectric LiNbO3 (LNO) can be used for ultrafast acousto-optic modeconversion (manipulation of light polarization at the picosecond time scale with coherent acoustic phonons). This effect, never reported at GHz up to now, can be potentially applied in photonics for ultrafast manipulation of light polarization bycoherent acoustic phonons in next generation photonic/phononic devices.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude d’instabilités non-linéaires et la génération d’ondes scélérates complexes liées à la propagation de la lumière dans des fibres optiques standards des télécommunications optiques. Un rappel est tout d’abord présenté sur les phénomènes physiques linéaires et non-linéaires impliqués et qui peuvent présenter une analogie directe avec le domaine de l’hydrodynamique. Les différentes formes d’ondes scélérates liées au processus d’instabilité de modulation, aussi appelées « breathers », sont alors présentées, elles sont obtenues par la résolution de l’équation de Schrödinger non-linéaire. À partir de ces solutions exactes, divers systèmes expérimentaux sont alors conçus par simulation numérique à partir de deux méthodes d’excitation d’ondes scélérates. La première est une génération exacte à partir des solutions analytiques en effectuant une mise en forme spectrale en intensité et en phase d’un peigne de fréquence optique. La seconde méthode est basée sur des conditions initiales approchées avec des ondes continues modulées sinusoïdalement. Les mesures expérimentales réalisées avec ces deux méthodes démontrent parfaitement la génération d’ondes scélérates complexes (solutions d’ordre supérieur du système) issues de la superposition non-linéaire ou collisions de « breathers » de premier ordre. Enfin, nous avons également étudié un système non-linéaire équivalent au modèle de Manakov, qui fait intervenir la propagation de deux ondes distinctes avec des polarisations orthogonales dans une fibre optique. L’analyse de stabilité et des simulations numériques de ce système multi-variable mettent en évidence un nouveau régime d’instabilité de modulation vectorielle ainsi que de nouvelles solutions d’ondes scélérates noires et couplées en polarisation. Un nouveau système expérimental mis en place a permis de confirmer ces prédictions théoriques avec un excellent accord quantitatif. / This manuscript presents the generation of complex rogue waves related to nonlinear instabilities occurring through the propagation of light in standard optical fibers. Linear and nonlinear physical phenomena involved are first listed, in particular some of them by analogy with the field of hydrodynamics. The different forms of rogue waves induced by the modulation instability process are then presented. They are also known as "breathers", and they are obtained by solving the nonlinear Schrödinger equation. From these exact solutions, various experimental systems were designed by means of numerical simulations based on two rogue-wave excitation methods. The first one is an exact generation of mathematical solutions based on the spectral shaping of an optical frequency comb. The second method uses approximate initial conditions with a simple sinusoidal modulation of continuous waves. For both cases, experimental measurements demonstrate the generation of complex rogue waves (i.e., higher-order solutions of the system) arising from the nonlinear superposition or collision of first-order breathers. Finally, we also studied a nonlinear fiber system equivalent to the Manakov model, which involves the propagation of two distinct waves with orthogonal polarizations. The stability analysis and numerical simulations of this multi-component system highlight a novel regime of vector modulation instability and the existence of coupled dark rogue-wave solutions. A new experimental system setup was conceived and theoretical predictions are confirmed with an excellent quantitative agreement.

Les maladies cardiaques sont une cause majeure de mortalité dans le monde (la première cause en Amérique du nord [192]), et la prise en charge de ses maladies entraîne des coûts élevés pour la société. La prévalence de l’insuffisance cardiaque augmente fortement avec l’âge, et, avec une population vieillissante, elle va demeurer une préoccupation croissante dans le futur, non seulement pour les pays industrialisés mais aussi pour ceux en développement. Ainsi il est important d’avoir une bonne compréhension de son mécanisme pour obtenir des diagnostics précoces et un meilleur prognostic pour les patients. Parmi les différentes formes d’insuffisance cardiaque, on trouve la dysfonction diastolique qui se traduit par une déficience du remplissage du ventricule. Pour une meilleure compréhension de ce mécanisme, de nombreuses études se sont intéressées au mouvement du sang dans le ventricule. On sait notamment qu’au début de la diastole le flux entrant prend la forme d’un anneau vortical (ou vortex ring). La formation d’un vortex ring par le flux sanguin après le passage d’une valve a été décrite pour la première fois en 1513 par Léonard de Vinci (Fig. 0.1). En effet après avoir moulé l’aorte dans du verre et ajouter des graines pour observer le flux se déplaçant dans son fantôme, il a décrit l’apparition du vortex au passage de la valve aortique. Ces travaux ont pu être confirmés 500 ans plus tard avec l’apparition de l’IRM [66]. Dans le ventricule, le même phénomène se produit après la valve mitrale, c’est ce qu’on appelle le vortex diastolique. Or, le mouvement d’un fluide (ici le sang) est directement relié a son environnement : la forme du ventricule, la forme de la valve, la rigidité des parois... L’intérêt est donc grandissant pour étudier de manière plus approfondie ce vortex diastolique qui pourrait apporter de précieuses informations sur la fonction diastolique. Les modalités d’imagerie permettant de le visualiser sont l’IRM et l’échographie. Cette thèse présente l’ensemble des travaux effectués pour permettre une meilleure caractérisation du vortex diastolique dans le ventricule gauche par imagerie ultrasonore Doppler. Pour suivre la dynamique de ce vortex dans le temps, il est important d’obtenir une bonne résolution temporelle. En effet, la diastole ventriculaire dure en moyenne 0.5 s pour un coeur humain au repos, une cadence élevée est donc essentielle pour suivre les différentes étapes de la diastole. La qualité des signaux Doppler est également primordiale pour obtenir une bonne estimation des vitesses du flux sanguin dans le ventricule. Pour étudier ce vortex, nous nous sommes intéressés à la mesure de sa vorticité en son centre v et à l’évolution de cette dernière dans le temps. Le travail se divise ainsi en trois parties, pour chaque un article a été rédigé : 1. Développement d’une séquence Doppler ultrarapide : La séquence se base sur l’utilisation d’ondes divergentes qui permettent d’atteindre une cadence d’image élevée. Associée à la vortographie, une méthode pour localiser le centre du vortex diastolique et en déduire sa vorticité, nous avons pu suivre la dynamique de la vorticité dans le temps. Cette séquence a permis d’établir une preuve de concept grâce à des acquisitions in vitro et in vivo sur des sujets humains volontaires. 2. Développement d’une séquence triplex : En se basant sur la séquence ultrarapide Doppler, on cherche ici à ajouter des informations supplémentaires, notamment sur le mouvement des parois. La séquence triplex permet non seulement de récupérer le mouvement sanguin avec une haute cadence d’images mais aussi le Doppler tissulaire. Au final, nous avons pu déduire les Doppler couleur, tissulaire, et spectral, en plus d’un Bmode de qualité grâce à la compensation de mouvement. On peut alors observer l’interdépendance entre la dynamique du vortex et celle des parois, en récupérant tous les indices nécessaires sur le même cycle cardiaque avec une acquisition unique. 3. Développement d’un filtre automatique : La quantification de la vorticité dépend directement des vitesses estimées par le Doppler. Or, en raison de leur faible amplitude, les signaux sanguins doivent être filtrés. En effet lors de l’acquisition les signaux sont en fait une addition des signaux sanguins et tissulaires. Le filtrage est une étape essentielle pour une estimation précise et non biaisée de la vitesse. La dernière partie de ce doctorat s’est donc concentrée sur la mise au point d’un filtre performant qui se base sur les dimensions spatiales et temporelles des acquisitions. On effectue ainsi un filtrage du tissu mais aussi du bruit. Une attention particulière a été portée à l’automatisation de ce filtre avec l’utilisation de critères d’information qui se basent sur la théorie de l’information. / Heart disease is one of the leading causes of death in the world (first cause in North America [192]), and causes high health care costs for society. The prevalence of heart failure increases dramatically with age and, due to the ageing of the population, will remain a major concern in the future, not only for developed countries, but also for developing countries. It is therefore crucial to have a good understanding of its mechanism to obtain an early diagnosis and a better prognosis for patients. Diastolic dysfunction is one of the variations of heart failure and leads to insufficient filling of the ventricle. To better understand the dysfunction, several studies have examined the blood motion in the ventricle. It is known that at the beginning of diastole, the filling flow creates a vortex pattern known as a vortex ring. This development of the ring by blood flow after passage through a valve was first described in 1513 by Leonardo Da Vinci (Fig. 0.1). After molding a glass phantom in an aorta and adding seeds to visually observe the flow through the phantom, he could describe the vortex ring development of the blood coming out of the aortic valve. His work was confirmed 500 years later with the emergence of MRI [66]. The same pattern can be observed in the left ventricle when the flow emerges from the mitral valve, referred to as the diastolic vortex. The flow motion (in our case the blood) is directly related to its environment : shape of the ventricle, shape of the valve, stiffness of the walls... There is therefore a growing interest in further studies on this diastolic vortex that could lead to valuable information on diastolic function. The imaging modalities which can be used to visualize the vortex are MRI and ultrasound. This thesis presents the work carried out to allow a better characterization of the diastolic vortex in the left ventricle by Doppler ultrasound imaging. For temporal monitoring of vortex dynamics, a high temporal resolution is required, since the ventricular diastole is about 0.5 s on average for a resting human heart. The quality of Doppler signals is also of utmost importance to get an accurate estimate of the blood flow velocity in the ventricle. To study this vortex, we focused on evaluating the core vorticity evaluation and especially on its evolution in time. The work is divided in three parts, and for each of them an article has been written : 1. Ultrafast Doppler sequence : The sequence is based on diverging waves, which resulted in a high frame rate. In combination with vortography, a method to locate the vortex core and derive its vorticity, the vortex dynamics could be tracked over time. This ix sequence could establish a proof of concept based on in vitro and in vivo acquisitions on healthy human volunteers. 2. Triplex sequence : Based on the ultrafast sequence, we were interested in adding information on the wall motion. The triplex sequence is able to recover not only the blood motion with a high framerate but also tissue Doppler. In the end, we could derive color, tissue, and spectral Doppler, along with a high quality Bmode by using motion compensation. The interdependence between vortex and walls dynamics could be highlighted by acquiring all the required parameters over a single cardiac cycle. 3. Automatic clutter filter : Vorticity quantification depends directly on the estimation of Doppler velocity. However, due to their low amplitude, blood signals must be filtered. Indeed, acquired signals are actually an addition of tissue and blood signals. Filtering is a critical step for an unbiased and accurate velocity estimation. The last part of this doctoral thesis has focused on the design of an efficient filter that takes advantage of the temporal and spatial dimensions of the acquisitions. Thus the tissue alongside the noise is removed. Particular care was taken to automatize the filter by applying information criteria based on information theory.

Le Doppler ultrasensible est une nouvelle technique d'imagerie ultrasonore permettant d'observer les flux sanguins avec une résolution très fine et sans agent de contraste. Appliquée à l'imagerie microvasculaire cérébrale des rongeurs, cette méthode produit de très fines cartes vasculaires 3D du cerveau à haute résolution spatiale. Ces réseaux vasculaires contiennent des structures tubulaires caractéristiques qui pourraient servir de points de repère pour localiser la position de la sonde ultrasonore et tirer parti des avantages pratiques des appareils à ultrason. Ainsi, nous avons développé un premier système de neuronavigation chez les rongeurs basé sur le recalage automatique d'images cérébrales. En utilisant des méthodes d’extraction de chemins minimaux, nous avons développé une nouvelle méthode isotrope de segmentation pour l’analyse géométrique des réseaux vasculaires en 3D. Cette méthode a été appliquée à la quantification des réseaux vasculaires et a permis le développement d'algorithmes de recalage de nuages de points pour le suivi temporel de tumeurs. / Ultrasensitive Doppler is a new ultrasound imaging technique allowing the observation of blood flows with a very fine resolution and no contrast agent. Applied to cerebral microvascular imaging in rodents, this method produces very fine vascular 3D maps of the brain at high spatial resolution. These vascular networks contain characteristic tubular structures that could be used as landmarks to localize the position of the ultrasonic probe and take advantage of the easy-to-use properties of ultrasound devices such as low cost and portability. Thus, we developed a first neuronavigation system in rodents based on automatic registration of brain images. Using minimal path extraction methods, we developed a new isotropic segmentation framework for 3D geometric analysis of vascular networks (extraction of centrelines, diameters, curvatures, bifurcations). This framework was applied to quantify brain and tumor vascular networks, and finally leads to the development of point cloud registration algorithms for temporal monitoring of tumors.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d'imagerie " sans lentille " sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d'ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d'imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d'imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d'harmoniques d'ordre élevé d'un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d'une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l'objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d'onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d'imageries " sans lentille " : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l'imagerie sur la ligne harmonique. Il s'agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l'échelle femto seconde. Perspective des techniques d'imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d'harmoniques sont présentés à la fin.

Les techniques de frittage ultrarapide « naturel » (sans charge) comme le frittage par micro-ondes ou par induction présentent de nombreux avantages. Toutefois, le développement de ces techniques passe par une compréhension et une maitrise des mécanismes mis en jeu. A la fois similaires et complémentaires, ces procédés de chauffage-frittage ont été étudiées par une approche expérimentale afin d’approfondir les connaissances dans le domaine du Frittage Ultrarapide Naturel (FUN). Au cours de cette thèse, l’étude du frittage par micro-ondes de composites céramiques Al2O3-(Y)ZrO2 (3 à 40%vol.) a été menée parallèlement à celle du frittage par induction d’une poudre métallique micronique de nickel. La démarche expérimentale adoptée a consisté à réaliser des expériences de frittage à vitesses de chauffage imposées (de 25 à 1000°C/min) sur ces matériaux modèles et des pièces de petites dimensions, en se référant aux comportements en frittage conventionnel tant au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique. / The techniques of ultrafast pressureless sintering as microwave or induction sintering offer manyadvantages. However, the development of these techniques requires an understanding and a control ofthe mechanisms involved. Both similar and complementary, these processes of heating-sintering havebeen studied by an experimental approach to increase knowledge in the field of Ultrafast PressurelessSintering.In this thesis, the study of microwave sintering of Al2O3-(Y)ZrO2 composites has been conductedin parallel with induction sintering of a submicronic nickel powder. The experimental approach usedconsisted in carrying out sintering experiments at imposed heating rates (from 25 to 1000°C/min) onchosen materials and small parts, referring to conventional sintering behavior at the macroscopic andmicroscopic scale.

Un des objectifs du Femtomagnetisme est de contrôler l’aimantation des matériaux avec des impulsions laser femtoseconde. Il a été démontré qu’une réponse magnéto-optique (MO) cohérente a lieu avant la thermalisation des populations de spins dans une configuration pompe-sonde MOKE. Elle résulte du couplage cohérent spin-photon dû à l’interaction spin-orbite. Une description simplifiée de cet effet a été faite en tenant compte d’un système à huit niveaux couplés au champ laser. La cohérence MO est définie par le temps de déphasage dépendent du champ T2MO. Dans ce travail, il est montré que la réponse MO cohérente d’un grenat dopé au bismuth peut être mesurée directement avec différentes configurations de mélange à quatre ondes MO. L’importance de connaître la phase spectrale de l’impulsion pour obtenir T2MO a été étudié. Avec des impulsions de 10fs dans le proche infra-rouge, une mesure de T2MO donne (2.8+/-1)fs, c. à d., du même ordre de grandeur que le temps de déphasage des charges. / One of the goals of Femtomagnetism is to manipulate the magnetization of materials using femtosecond optical pulses. It has been shown in ferromagnetic films that a magneto-optical (MO) coherent response takes place before the thermalization of the spins populations in a pump and probe MOKE experiment. It results from the coherent spin-photon coupling mediated by the spin-orbit interaction. A simplified description of this effect has been made by considering an eight-level system coupled with the laser field. The MO coherence can be defined by the magnetic field dependent dephasing time T2MO. In the present work, it is shown that the coherent MO response of a bismuth-doped garnet can be directly measured in different degenerated MO four-wave mixing configurations. The importance of well-knowing the spectral phase of the pulse to measure T2MO was studied. Using 10fs near infra-red pulses, T2MO was shown to be (2.8+/-1)fs that is of the same order of the charges dephasing time.

Imager des objets non-périodiques à une échelle nanométrique et à une échelle femto seconde est un vrai challenge à notre époque. Les techniques d’imagerie « sans lentille » sont des moyens puissants pour répondre à ce besoin. En utilisant des sources ultrarapide (~fs) et cohérente (ex. laser à électron libre ou harmoniques d’ordres élevés), ces techniques nous permettent de reconstruire des objets à partir de leur figure de diffraction, remplaçant les optiques conventionnelles du système d’imagerie par un algorithme informatique. Dans ce travail de thèse, je présent des expériences d’imageries en utilisant un rayonnement extrême-UV (15~40 nm) produit par la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge puissant. Ce manuscrit est constitué d’une introduction, un chapitre de background théorique, trois chapitres de travail de thèse et une conclusion générale avec perspectives. La première partie du travail de thèse porte sur les développements et caractérisations de la ligne de lumière avec l’objectif de générer maximum de photons harmoniques cohérents avec un front d’onde plat. La deuxième partie est consacrée aux expériences et analyses de trois techniques d’imageries « sans lentille » : Imagerie par diffraction cohérente (CDI), Holographie par la transformée de Fourier (FTH) et Holographie avec références étendues (HERALDO). Ces derniers nous permettent de reconstruire des objets avec une résolution spatiale de 78 nm dans le cas de CDI et de 112 nm dans le cas de HERALDO, tous les deux avec une résolution temporaire de 20 fs. La troisième partie est une première application physique de l’imagerie sur la ligne harmonique. Il s’agit des études statiques et dynamiques de nano-domaines magnétique avec une résolution spatiale sub-100 nm à l’échelle femto seconde. Perspective des techniques d’imagerie 3D et développement potentiel de la ligne d’harmoniques sont présentés à la fin. / Ultrafast imaging of isolated objects with nanometric spatial resolution is a great challenge in our time. The lensless imaging techniques have shown great potential to answer this challenge. In lensless imaging, one can reconstruct sample images from their diffraction patterns with computational algorithms, which replace the conventional lens systems. Using ultrafast and coherent light sources, such as free electron laser and high order harmonics, one can investigate dynamic phenomena at the femtosecond time scale. In this thesis work, I present the lenless imaging experiments using XUV radiation provided by a laser driven high order harmonic beamline. The manuscript is composed of an introduction, a chapter of theoretical background, three chapters of main research work and a general conclusion with perspectives. The first part of this work concerns the development of the harmonic beamline to optimize the illumination condition for lensless imaging. The second part concentrates on the imaging techniques: the Coherent Diffraction Imaging (CDI), the Fourier Transform Holography (FTH) and the Holography using extended references (HERALDO). The reconstructions have achieved 78 nm spatial resolution in case of CDI and 112 nm resolution in case of HERALDO, both in single-shot regime corresponding to a temporal resolution of 20 fs. The third part presents the first physical application on the harmonic beamline using the lensless imaging. Samples with magnetic nano-domains have been studied with sub-100 nm spatial resolution, which paves the way for ultrafast magnetic dynamic studies. At the end, single-shot 3D imaging and further beamline development have been discussed.