Ce travail de thèse est axé sur l'utilisation de modes de Bloch lents à pertes rayonnées verticales, dans des cristaux photoniques membranaires 1D (réseau de fentes) et 2D (réseaux de trous) en InP, pour la réalisation de réflecteurs en espace libre. L'intérêt premier de tels réflecteurs réside dans leur compacité verticale (une seule couche épitaxiée), comparés aux miroirs de Bragg traditionnels, mais également dans le contrôle de la polarisation qu'ils autorisent. Les règles de conception de ces réflecteurs, ainsi que leurs procédés de fabrication et de caractérisation sont présentés. Les résultats expérimentaux obtenus sont en bon accord avec la théorie.<br /><br />Ces réflecteurs membranaires à cristaux photoniques ont ensuite été intégrés dans des cavités Fabry-Pérot verticales, où ils remplacent le miroir de Bragg supérieur. Un dispositif passif (filtre MOEMS accordable électriquement, compact et polarisé) et un dispositif actif (VCSEL à puits quantiques, émettant à 1.55µm, compact et polarisé) ont été réalisés.<br /><br />Enfin, des cavités Fabry-Pérot ultimes, uniquement à base de ces réflecteurs à CP, sont étudiées. Le concept est validé en utilisant deux échantillons différents placés en vis-à-vis à l'aide d'un montage piézo-électrique. Ensuite, un démonstrateur passif monolithique, montrant une sélectivité et une compacité verticale sans précédents.<br />En outre, une étude théorique démontre la capacité des miroirs à CP à influer très fortement sur la vitesse d'expansion latérale de la lumière dans les cavités Fabry-Pérot, ce qui ouvre la voie à de toutes nouvelles applications.

Cette thèse nous a permis de produire des cartes de vitesse de groupe du mode fondamental des ondes de Rayleigh, en utilisant les séismes et les corrélations du bruit sismique ambiant. En plus de la méthode moindres carrées amortis, nous avons adapté la nouvelle méthode d’inversion, SOLA-Backus-Gilbert dans un contexte régional. À courte période, les cartes de vitesse de groupe présentent des vitesses rapides pour la croûte océanique et des vitesses lentes pour la croûte continentale. Pour les périodes intermédiaires, le bassin de Taoudeni se caractérise par de faibles vitesses par rapport au reste du craton ouest africain en raison de l’épaisseur de la couche sédimentaire. A longue périodes, les racines des dorsales Man-Leo et Reguibat sont caractérisées par des vitesses rapides, montrant une lithosphère froide et épaisse sous le craton, tandis que nous avons trouvé des vitesses de groupe lentes sous les zones de ceinture mobile panafricaine indiquant une lithosphère mince. / This thesis allowed us to produce group velocity maps of the fundamental mode of Rayleigh waves, using both earthquakes and seismic ambient noise correlation. In this study, in addition to the damped least squares method, we adapted for the very first time a new inversion method, called SOLA-Backus-Gilbert in regional context. At short periods, the group velocities maps exhibit fast velocities for the oceanic crust and slow velocities for the continental crust. For the intermediate periods, the Taoudeni Basin is characterized by low velocities compared to the rest of the west african craton due to the thickness of the sedimentary layer. Over long periods, the roots of the Man-Leo and Reguibat shields are characterized by fast velocities, showing a cold and thick lithosphere under the craton, while we found slow group velocities under the Pan-African orogenic belts zones indicating a thin lithosphere.

L'objectif de cette étude est de prévoir la transition laminaire/turbulent de la couche limite sur l'avant-corps d'un véhicule hypersonique évoluant à des nombres de Mach compris entre 4 et 8 et à des altitudes variant de 20 à 30km. L'approche utilisée est celle de la croissance modale des perturbations (stabilité linéaire locale) couplée à la méthode du eN.<br />Un code de stabilité a été créé pour cette étude. Il utilise un modèle spécifique pour le calcul des coefficients de transport et de chaleur spécifique de l'air.<br />Un code Navier-Stokes (Fluent) est utilisé pour le calcul des profils de base. Cette approche a été validée sur plaque plane par comparaison avec des résultats de stabilité obtenus à partir de profils Levy-Lees.<br />Les facteurs N sont calculés par la méthode enveloppe, en suivant des chemins d'intégration localement tangents à la vitesse de groupe. Une méthode originale du calcul, en approche spatiale, de la direction de cette vitesse est proposée.<br />Les résultats de stabilité montrent un effet déstabilisant de la couche entropique due à l'émoussement du nez du véhicule. Cependant, l'instabilité majoritaire mise en évidence est de type CrossFlow. Dans certains cas, le premier mode oblique est aussi important. La présence du second mode droit est anecdotique. Une étude paramétrique permet de comparer les facteurs N par rapport au critère NASP (Rd2/Me) lorsque l'altitude puis l'incidence de vol varient. Dans le premier cas, les résultats concordent, dans le second, ils divergent. Ainsi, un nouveau critère basé sur la quantité d'écoulement transverse est développé. Ce dernier est en adéquation avec les résultats du calcul de stabilité pour tous les cas considérés.

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit.

Cette thèse traite des modes de Lamb à vitesse de groupe nulle. Ces modes singuliers, pour lesquels la vitesse de groupe est nulle et la vitesse de phase finie, donnent lieu à des résonances locales étroites aux propriétés très intéressantes. Leur fréquence dépend de l'épaisseur et des propriétés mécaniques de la plaque, ouvrant ainsi des perspectives intéressantes en contrôle non destructif (CND). Les propriétés de ces modes ont d'abord été rappelées. L'étude expérimentale a été menée en utilisant un dispositif optique sans contact comprenant un laser source impulsionnel et une sonde interférométrique, pour la génération et la détection de ces modes. Les résonances ont été utilisées pour déterminer l'épaisseur et les constantes élastiques de plaques et d'un tube anisotrope. Ensuite, la résolution latérale de la mesure d'épaisseur a été étudiée. L'influence du bord de la plaque a été explorée : une transition abrupte entre la première résonance ZGV et la résonance de bord a été observée à la distance d'une épaisseur du bord. L'effet sur les résonances ZGV du dépôt d'une couche mince a alors été étudié numériquement, permettant ainsi la mesure de l'épaisseur de couches d'or de quelques centaines de nanomètres déposées sur un substrat millimétrique. Pour finir, le rôle des pertes a été examiné dans deux cas distincts, l'atténuation intrinsèque et le rayonnement dans un fluide en contact sur une face.

Ces dernières années, les modes de Lamb à vitesse de groupe nulle (ZGV) se sont révélés être un outil efficace pour sonder localement et précisément l'épaisseur d'un échantillon ou les propriétés mécaniques de matériaux isotropes ou anisotropes. Ce type particulier d'ondes guidées, telles de fortes résonances locales de la structure, résulte de l'interférence de deux ondes de Lamb ayant une vitesse de phase opposée et coexistant pour un couple fréquence-nombre d'ondes particulier. Les ultrasons laser ont démontré leur capacité à générer et détecter efficacement de telles résonances locales dans la gamme des MHz. En effet, la configuration tout optique, constituée d'une source laser pulsée pour générer les ondes élastiques et d'un interféromètre pour sonder le déplacement normal associé, évite tout contact avec l'échantillon, limitant ainsi l'élargissement ou la suppression de résonances. L'utilisation de modes ZGV pour suivre la fatigue des matériaux et sonder des phénomènes non linéaires reste cependant un défi et constitue le cœur des travaux de recherche présentés ici. La partie théorique porte sur la compréhension de l’effet de la fatigue mécanique sur les modes ZGV à travers l’analyse fréquence-nombre d’ondes des modes de Lamb. La partie expérimentale est consacrée à l’application de cette technique pour l'ECND et le suivi de la fatigue de plaques métalliques minces. Les modes ZGV en ultrasons laser montrent un grand potentiel pour localiser les dommages dus à la fatigue, prédire la vie en fatigue et évaluer qualitativement, voire quantitativement, les différents stades de dommages causés par la fatigue. / In recent years, zero-group-velocity (ZGV) Lamb modes have proven to be an efficient tool to probe locally and very accurately the thickness of a sample or the mechanical properties of either isotropic or anisotropic materials. This particular type of guided waves, corresponding to sharp local resonances of the structure, results of the interference of two Lamb waves having opposite phase velocity and coexisting at a couple given frequency-wavenumber. The laser ultrasonic technique has demonstrated its ability to efficiently generate and detect such local resonances within the MHz frequency range. Indeed, the all-optical setup, consisting of a pulsed laser source to generate elastic waves and of an interferometer to probe the associated normal displacement, avoids any contact with the sample, hence limiting the broadening or suppression of the resonances. Yet, the use of ZGV Lamb modes to monitor material fatigue and to probe nonlinear phenomena remains challenging and is the core of the here-reported research. The theoretical part of this PhD research deals with the understanding of the effect of mechanical fatigue on ZGV Lamb modes through the frequency-wavenumber analyzes of the Lamb waves. The experimental part of the PhD research is dedicated to the application of this technique for the nondestructive characterization and for the monitoring of mechanical and thermal fatigue of thin metal plates. Zero-group-velocity Lamb modes in laser ultrasonics shows great promises to locate fatigue damage, to predict the fatigue lifetime, and to qualitatively, and even quantitatively, assess the different stages of fatigue damage in   m- to potentially cm-thick solid plates.

La plasmonique vise à utiliser des nanostructures métalliques très petites devant la longueur d’onde pour manipuler la lumière. Les structures métalliques sont particulières parce qu’elles contiennent un plasma d’électrons libres qui conditionne complètement leur réponse optique. Notamment, lorsque la lumière se propage à proximité des métaux, sous forme de mode guidés comme les plasmons et les gap-palsmons, elle est souvent lente, présentant une vitesse de groupe faible. Dans ce travail, nous présentons une analyse physique qui permet de comprendre cette faible vitesse en considérant le fait que l’énergie se déplace à l’opposé de la lumière dans les métaux. Nous montrons que la vitesse de groupe est égale à la vitesse de l’énergie pour ces modes guidés, et proposons la notion de ralentissement plasmonique. Finalement, nous étudions comment cette « trainée plasmonique » rend une structure aussi simple qu’un coupleur à prisme sensible à la répulsion entre les électrons du plasma. / The field of plasmonics aims at manipulating light using deeply subwavelength nanostructures. Such structures present a peculiar optical response because of the free electron plasma they contain. Actually, when light propagates in the vicinity of metals, usually under the form of a guided mode, it presents a low group velocity. Such modes, like plasmons and gap-plasmons, are said to be slow. In this work we present a general physical analysis of this phenomenon by studying how the energy propagates in metals in a direction that is opposite to the propagation direction of the mode. We show that the group velocity and the energy velocity are the same, and finally introduce the concept of plasmonic drag. Finally, we study how slow guided modes make structures as simple as prism couplers sensitive to the repulsion between electrons inside the plasma.