Ces dernières années, un intérêt scientifique croissant s'est manifesté pour le développement de circuits photoniques dans le moyen infrarouge (MIR) dédiés aux applications de capteurs. La présence, dans cette plage de longueurs d'onde, des bandes d'absorption affichées par plusieurs molécules toxiques et polluantes rend les capteurs MIR bien adaptés pour répondre à une gamme diversifiée d'utilisateurs, avec divers avantages tels que des coûts de fabrication réduits et la compacité des dispositifs. Cependant, ces circuits doivent être fabriqués à partir de matériaux transparents dans le MIR. Les verres de chalcogénure (ChGs) et le silicium poreux (SiP) présentent un grand potentiel pour la conception de tels circuits. Les ChGs offrent une large transparence allant du proche infrarouge à 20 µm, tandis que le SiP est transparent de 1 à 8 µm. Les ChGs peuvent être utilisés pour la spectroscopie par champ évanescent, tandis que le SiP peut améliorer l'interaction avec les molécules ciblées grâce à ses pores ouverts permettant la détection de volume. Ce travail est dédié au développement de capteurs optiques intégrés MIR à partir des deux plateformes ChGs et SiP. Les circuit intégrés sont d’abord fabriqués puis caractérisés grâce à un banc optique adapté pour le MIR. Des tests de transduction sont menés pour la preuve de concept avec des analytes en phase gazeuse ou liquide pour des longueur d’onde autour de 4 et de 7µm.

Cette thèse se concentre sur la conception de l'architecture d'un système d'imagerie hyperspectrale active dans le moyen infrarouge, mettant l'accent sur la mesure précoce et précise du stress hydrique chez les plantes. Malgré le potentiel élevé de cette technologie en agriculture, son utilisation demeure limitée en raison du coût des équipements. L'objectif de l'étude est d'améliorer la compréhension technologique et scientifique de l'imagerie hyperspectrale active, en évaluant l'impact du speckle sur les images et en proposant des solutions numériques et optiques. L'intégration d'un diffuseur rotatif a permis de réduire le speckle, tandis que des améliorations de l'éclairage ont préservé la résolution des images. L'étude a révélé que la source laser active induit des distorsions liées au déplacement du faisceau lors de modifications de la longueur d'onde, avec des fluctuations de puissance atteignant environ 20 %. Ces difficultés ont été surmontées grâce à l'utilisation de miroirs motorisés calibrables et d'un anneau de référence, réduisant les fluctuations de puissance à 2,8 % grâce à un algorithme de compensation. En conclusion, le banc expérimental caractérise les échantillons végétaux en termes de stress hydrique, permettant une détection précoce dès le quatrième jour, avec des applications potentielles dans divers domaines pour la caractérisation des matériaux dans une scène observée.

Ces dernières années, avec le développement du laser ultrarapide et intense, des opportunités sans précédent sont apparues pour modifier les propriétés macroscopiques des matériaux de manière efficace et ultra-rapide. Les techniques d’analyse avancées, en particulier la diffraction des rayons X en temps résolue, permettent de sonder la structure des matériaux photo-excités avec les résolutions temporelles adéquates, des échelles de temps sous-ps a la microseconde et au-delà. Cette étude se focalise principalement sur les systèmes électroniques corrélés, les composes de T i 3 O 5 et V 2 O 3 . Il a été démontré récemment que la transformation macroscopique dans des matériaux photo-excitables a changement de volume suit l’onde de déformation. Ici, nous avons cherché à comprendre ce mécanisme d’ondes de déformations dans les systèmes électroniques corrélés en étudiant deux systèmes présentant des changements de volume de différents types au cours de la transition de phase. La transition de phase semi-conducteur (β) à métal (λ) dans T i 3 O 5 est associée à un changement de volume significatif. V 2 O 3 , d’autre part, subit à la fois une contraction de volume et un changement de symétrie lors de la transition isolant (AFI) -métal (PM). Une partie de ce travail de doctorat est consacrée au mécanisme de commutation à l’échelle de la nanoseconde dans T i 3 O 5 . Sur ces échelles de temps, la transition de la phase β- à λ se propage à l’intérieur et à travers les joints de grains (entre les nanocristaux). Nous montrons que cette dynamique dépend de la taille des nanocristaux. Nous étudions cette croissance de la phase photoinduite lors de la dissipation de la chaleur et recherchons des corrélations entre ce processus lent et les la forme des domaines nanoscopiques résultant de la transition induite par l’onde de déformation, se produisant sur une échelle de temps ultra-rapide. Les résultats sont rationalisés par une simulation numérique basée sur un modèle 2D de diffusion de chaleur, qui cartographie la distribution de phase dans ces échantillons polycristallins. Dans V 2 O 3 , la dynamique ultrarapide est régie par la propagation des déformations longitudinales dans l’épaisseur du film et par les déformations de cisaillement au sein des cristallites. Grâce a la morphologie des échantillons et a la photo-excitation homogène, aucune réponse lente n’est observé dans ce cas. Notre étude structurale à un délai de 100 ps après la photo-excitation montre une séparation de phase à une fluence laser au delà d’une fluence seuil, et une transformation complète au delà de la fluence de saturation.

Cette thèse porte sur l’étude des transitions de phases photo-induites dans des cristaux moléculaires, à travers de techniques ultrarapides infrarouges que j’ai développées et appliquées à l’étude de cas scientifiques. D’une part, j’ai étudié à l’aide de spectroscopie infrarouge femtoseconde une transition de phase photo-induite et ultrarapide au sein de l’hystérésis thermique du complexe à transfert de charge RbMnFe. Ces mesures ont permis de mettre en évidence un processus photo-induit multi-échelle allant de la formation locale et ultrarapide de polarons de transfert de charge à une transition de phase macroscopique. Ces expériences utilisant une méthode de « sample streaming », complétées par des mesures sur synchrotron et XFEL, ont permis de comprendre les mécanismes à l’origine de la transformation macroscopique et non réversible dans l’hystérésis et sous haut régime de fluence. D’autre part, j’ai étudié les mécanismes de phononique non-linéaire dans un composé moléculaire. Je me suis intéressé au matériau [Fe(phen)₂(NCS)₂] dont j’ai analysé en détail les modes de vibration dans le réseau cristallin. J’ai ensuite mis en évidence à l’aide de spectroscopie optique femtoseconde des dynamiques ultrarapides, induites par l’excitation résonante de modes de vibrations intramoléculaire infrarouges. Les résultats expérimentaux et théoriques démontrent qu’il est possible d’activer des modes de vibrations basses fréquences par excitation résonnante de modes infrarouge haute fréquence au travers du couplage de ces modes. Ces études mettent en évidence l’apport des techniques infrarouges pour l’observation et le contrôle de transitions de phase photo-induites par impulsions femtosecondes infrarouge.

Le caoutchouc naturel chargé de noir de carbone (CB-NR) est largement utilisé dans les applications antivibratoires pour ses propriétés mécaniques. En fatigue, le CB-NR présente un renforcement de la durée de vie sous chargement non-relaxant, généralement attribué à la cristallisation sous tension (CST). Le renforcement de la durée de vie est principalement étudié en traction uni-axiale, bien que les applications industrielles impliquent différents types de chargement non-relaxants et à température élevée. L'étude se focalise sur l'effet des chargements non-relaxants en torsion sur le renforcement de la durée de vie en fatigue du CB-NR à 23 et 90°C. Des essais en torsion ont été réalisés avec des éprouvettes axisymétriques entaillées. La méthode des éléments finis est utilisée pour prédire la réponse mécanique en tout point des éprouvettes, en prenant en compte l’hétérogénéité de l’accommodation. Les résultats ont été analysés en utilisant le diagramme de Haigh en torsion construit par une approche par plans critiques. Il a tout d’abord été montré que la torsion non-relaxante induit un fort renforcement de la durée de vie. Par ailleurs, le renforcement est de même intensité que celui obtenu sous traction uni-axiale avec le même matériau. À 90°C, le renforcement persiste, à un niveau inférieur à celui observé à 23°C, mais restant similaire au cas de la traction uni-axiale à cette température. L'analyse post-mortem réalisée à l'échelle macroscopique et microscopique nous a permis d'identifier les mécanismes d'endommagement en torsion, et de les lier aux conditions de chargement via un pseudo-diagramme de Haigh. Les résultats ont permis de déterminer le rôle de la CST dans les mécanismes d’endommagement en torsion.

La constante augmentation du nombre de petits débris spatiaux (≈1 mm) motive l’étude du comportement sous choc de matériaux innovants pour renforcer les blindages des structures spatiales actuellement utilisées. De précédentes études ont mis en lumière le potentiel des verres métalliques base zirconium comme matériaux de blindage lors d’expérience d’impacts hypervéloces sur une configuration de type Whipple. Dans ces travaux sur le comportement dynamique de verres métalliques du système ZrCuAl, nous avons fait le choix d’utiliser des lasers de puissance comme générateur de chocs plutôt que des lanceurs notamment pour atteindre des vitesses de déformation plus élevées (> 2×10⁷ s⁻¹) et, surtout, plus représentatives de celles générées lors d’impacts de débris spatiaux hypervéloces. Des campagnes expérimentales sur les installations du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses et du CEA ont permis : de compléter les courbes d’Hugoniot de verres métalliques massiques et sous forme de rubans ; de mettre en évidence une évolution de la limite à rupture avec la vitesse de déformation atteignant 13,6 GPa, soit presque 7 fois la valeur en quasi-statique ; d’observer de la cristallisation sous choc de la composition Zr₅₀ Cu₄₀ Al₁₀ avec des mesures de DRX sous choc ; et enfin de construire une équation d’état basée sur le modèle de Mie-Grüneisent référencée à l’isotherme de Birch.

Des joints toriques en élastomère butadiène-acrylonitrile (NBR) ou « nitriles » sont couramment utilisés dans les applications d'étanchéité, comme ceux trouvés à l'intérieur du système de freinage pneumatique du TGV. Dans cette application, un fort durcissement des NBR altère la fonction d'étanchéité du système et est une conséquence du vieillissement que subissent les élastomères pendant plusieurs années. Ce vieillissement engendre une dégradation des propriétés des matériaux, limitant leur durée de vie. Afin de reproduire ex-situ le vieillissement en conditions d’usage, des essais de vieillissement accélérés sont réalisés sur les différents NBR de l’étude, permettant d’étudier les cinétiques de dégradations à l’échelle du laboratoire. A travers de nombreuses analyses physico-chimiques et mécaniques, le mécanisme de dégradation principal à l’origine des changements au niveau du réseau macromoléculaire de l’élastomère est la thermo-oxydation. Cette dégradation chimique conduit au durcissement de l’élastomère et affecte ses propriétés viscoélastiques, réduisant alors sa capacité à se déformer lors d’une sollicitation mécanique (par exemple l’application d’une pression). Le couplage de la thermo-oxydation avec la pression est également étudié avec le développement d’un banc d’essais dédié et permet in fine d’affiner la prédiction de durée de vie des NBR utilisés par SNCF, dans l’optique d’une diminution de la fréquence des opérations de maintenance.

La stabilité en fréquence des lasers est une propriété recherchée dans de nombreux domaines tels que les communications optiques, la spectroscopie ou encore la métrologie temps-fréquence. Dans ce contexte, l’institut Foton a mis au point un principe permettant d’auto-affiner spectralement un laser à des niveaux extrêmement bas. Pour cela on pompe un résonateur Brillouin non-réciproque ce qui génère une onde Stokes spectralement pure. L’ajout d’une boucle à verrouillage de phase qui contre-réagit sur la pompe permet alors d’éviter les sauts de modes du résonateur Brillouin tout en affinant spectralement le laser de pompe, produisant ainsi un effet d'auto-affinement en cascade. Dans ce manuscrit, nous étudions théoriquement et expérimentalement le système d’auto-affinement spectral laser assisté par effet Brillouin. La modélisation de l’ensemble de ses constituants par le biais du formalisme des fonctions de transfert est confortée par des validations expérimentales. Ces fonctions de transfert rendent compte de la réponse des différents éléments du système vis-à-vis des fluctuations de phase et d’amplitude. L’expression de la fonction de transfert du système complet est ensuite validée expérimentalement en comparant les prévisions théoriques aux mesures de fonction de transfert en boucle ouverte ainsi qu'en réponse indicielle. L’exploitation du modèle et de ses paramètres physiques ajustables permet alors de réduire davantage les fluctuations de fréquence pour un laser de pompe à état solide émettant à 1,54 \uD835\uDF07m. Cela nous permet notamment de mettre en évidence le fait que le résonateur Brillouin dans ces conditions de verrouillage de phase joue le rôle d'une référence optique. Les performances du système sont ensuite évaluées en dupliquant ce dernier et en mesurant dans le domaine micro- onde le battement entre les deux systèmes indépendants. Finalement, le principe du « buffer reservoir » est ajouté au système d’affinement spectral. Ce principe basé sur l’insertion d’un mécanisme d’absorption non-linéaire dans le laser de pompe permet de réduire l'excès de bruit d'amplitude aux oscillations de relaxations de 32 dB. Ainsi on supprime la principale source de bruit d’amplitude converti en bruit de phase dans le système.

Les modèles physiques visant à prédire les propriétés mécaniques et rhéologiques des mousses liquides sont encore en développement. Une échelle locale pertinente pour attaquer ce problème du point de vue hydrodynamique est la mousse liquide élémentaire : quelques films de savon reliés entre eux par un ou deux ménisques. Ces travaux portent sur les écoulements dans de tels systèmes, plus précisément sur les mouvements dans les plans de ses différents films de savon. Il comporte essentiellement trois contributions. La première porte sur le comportement élastique individuel des films sous étirement. Nous avons étendu un modèle connu à une gamme de chimie plus large et plus commune, et avons pu mesurer les modules élastiques effectifs de nos solutions. La seconde porte sur la mise en évidence et la quantification d'une tension de ligne d’origine purement capillaire dans le plan d'un film de savon d'épaisseur hétérogène. En modélisant les mouvements de relaxation dans le plan du film de savon, nous validons cette mesure inédite par un accord quantitatif avec la dynamique observée. Enfin, la troisième contribution porte sur les échanges de surfactants entre films de savon voisins lorsque la mousse élémentaire est soumise à une contrainte mécanique. Le résultat principal de cette partie, et de cette thèse, est que le ménisque séparant les films n'intervient pas dans cet échange. Ceci est une information importante qui permet de fermer un modèle théorique préexistant qui vise à prédire la viscosité effective des mousses liquides.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte des expériences d'astrophysique de laboratoire menées à l'Institut de Physique de Rennes, qui tentent de reproduire les conditions de basses températures (~10-50 K) du milieu interstellaire, afin de réaliser des mesures de cinétique réactionnelle avec des molécules d'intérêt pour l'astrochimie. L'objectif de cette thèse est le développement d'un spectromètre d'absorption infrarouge résolu en temps, pour sonder les écoulements supersoniques uniformes utilisés pour refroidir les molécules en phase gazeuse. Le spectromètre est basé sur un peigne de fréquences optiques, qui présente des dizaines de milliers de modes laser équidistants dans le domaine des fréquences, fournissant une large couverture spectrale, une haute résolution et une haute sensibilité, et permettant ainsi de détecter plusieurs espèces moléculaires simultanément. Pour augmenter encore la sensibilité de détection, le peigne de fréquences est couplé à une cavité optique. La détection à large bande de la lumière laser est réalisée avec un spectromètre à transformée de Fourier, qui peut opérer de manière résolue en temps, et est appliqué à une nouvelle approche de la spectroscopie de temps de déclin de cavité large bande avec un peigne de fréquences. La première démonstration d'un jet supersonique continu sondé par spectroscopie à transformée de Fourier basée sur un peigne de fréquences couplé à une cavité optique est également présentée.