La polarisation est une des propriétés physiques de la lumière, modifiée lors d’une interaction entre celle-ci et la matière, mais indétectable à l’œil nu et aux capteurs d’image standards. Des imageurs polarimétriques ont été conçus de longue date pour permettre d’analyser cette information et mettre en évidence des contrastes invisibles aux imageurs standard. L’Institut Foton développe depuis plusieurs années une technique d’imagerie polarimétrique, inspirée d’approches optique-hyperfréquence, dite par « brisure d’orthogonalité ». La première partie de ce travail de thèse détaille un protocole de calibration rigoureux de la chaîne d’acquisition/démodulation cohérente, et valide une imagerie sélective de propriétés polarimétriques des échantillons imagés dite brisure d’orthogonalité « induite ». Par ailleurs, en imagerie cohérente, un des phénomènes physiques macroscopiques bien connu est celui de la dépolarisation spatiale (volumique et/ou surfacique) qui demeure un sujet d’investigation à l’échelle « locale », c’est-à-dire à l’échelle des grains de speckle (tavelures) formés lors de la diffusion lumineuse cohérente par un objet complexe et désordonné. Ainsi, pour mieux comprendre ce mécanisme, nous présentons les améliorations (instrumentales, méthodologiques et en termes de traitement de données) que nous avons apportées à un banc d’imagerie polarimétrique de Stokes de champ de speckle hautement résolu existant au sein de l’Institut FOTON. Nous démontrons que l’optimisation du protocole d’acquisition portant sur le choix des états d’analyse et de la méthode d’estimation permet une détermination précise et rapide de l’information polarimétrique, plus robuste notamment aux imperfections expérimentales (erreurs systématiques). Des expériences similaires ont démontré l’existence d’un phénomène dit de « repolarisation », où la lumière résultante d’une source cohérente dépolarisée avec un milieu dépolarisant/diffusant se retrouve localement partiellement polarisée. En combinant le banc d’imagerie et l’approche d’imagerie optique-hyperfréquences par brisure d’orthogonalité, nous sommes parvenus à mesurer des contrastes polarimétriques dit de brisure d’orthogonalité, inédits à l’échelle du champ de speckle. Ces nouveaux contrastes couplés à l’imagerie de Stokes classiques nous permettent d’apporter une interprétation expérimentale nouvelle et éclairante du phénomène de « repolarisation ».

Dans cette thèse, nous présentons la conception et le développement de deux nouveaux instruments afin d’optimiser les conditions expérimentales pour des applications d'astrophysique de laboratoire. L’objectif est d’étudier les processus collisionnels en phase gazeuse d'intérêt astrochimique à basse température en utilisant la technique CPUF (chirped pulse in uniform flow). Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet CRESUCHIRP, un programme pluriannuel visant à construire un nouvel appareil CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) couplé à deux spectromètres CP-FTmmW (Chirped-Pulse Fourier Transform mm-Wave) dans le but de déterminer les rapports de branchement des réactions d’intérêt astrochimique. Bien que la spectroscopie CP-FTmmW soit très bien adaptée aux applications à basse température, son efficacité est affectée par de nombreuses difficultés techniques, la plus notable étant l'élargissement collisionnel, un phénomène induit par les collisions qui atténuent le signal moléculaire des espèces étudiées. Une série de mesures spectroscopiques avec un spectromètre en bande Ka a été réalisée à température ambiante pour évaluer son impact en utilisant deux molécules d'intérêt astrochimique, l’acrylonitrile et le benzonitrile sont mis en collisions avec l’hélium. Les résultats illustrent la nécessité d'optimiser l'environnement du CRESU pour permettre une détection quantitative des produits de réaction. Dans ce travail, nous présentons le développement de l'appareil SKISURF (SKImmed uniform SUpeRsonic Flow), où le flux CRESU est échantillonné via un skimmer dans un processus d'expansion secondaire, ayant lieu dans un environnement à température et pression beaucoup plus basses en créant des conditions favorables pour la détection du signal moléculaire. Un spectromètre en bande E est utilisé pour la caractérisation et la réalisation des premières mesures du rapport de branchement de la réaction CN+ éthylène à 35 K, le sondage a été effectué à une température de ~ 5 K. Un système d’une tuyère de Laval pulsée a été conçu, construit et caractérisé comme deuxième technique pour augmenter la sensibilité du CPUF. Il repose sur la pulsation des jets du CRESU à une fréquence synchronisée à l’aide d'un hacheur aérodynamique placé en amont de la tuyère de Laval ce qui permet d'augmenter l'efficacité du pompage et de réduire l'effet de pression. Il permet également de générer des flux à des températures beaucoup plus basses que celles de l'appareil CRESU classique, jusqu'à ~ 6 K. Le système présente aussi un avantage économique car il réduit la quantité de gaz et d'espèces consommés. Les aspects de la conception et la caractérisation à l'aide de méthodes numériques et expérimentales des instruments nouvellement développés sont évoqués.

La séparation des hydrocarbures par adsorption utilisant les MOFs assistée par pression mécanique a été étudiée en utilisant la simulation moléculaire. Nous nous sommes concentrés sur MIL-140B et ZIF-8 où ont exploré plusieurs mécanismes microscopiques de séparation. Nous avons utilisé une technique de simulation intitulé Hybrid Osmotic Monte Carlo pour moduler la pression du gaz et la flexibilité de la structure induite par la pression mécanique externe en même temps. Avec l’application de la pression mécanique externe, nous avons pu augmenter de 80 % la sélectivité pour les isomères de l'hexane dans le MIL-140B et de 40 % pour le mélange binaire d’hexane linéaire / monobranché dans le ZIF-8. Nous avons également étudié la diffusion lente des hydrocarbures butane/butène dans ZIF-8, où la simulation dynamique moléculaire nous a aidés à avoir une vision de l’échelle atomistique. Nos résultats fournissent un nouveau concept de processus d'adsorption/séparation des MOF.

Le rayonnement THz permet un large spectre d’application dans le domaine de l’optique ultra rapide et notamment dans les expériences dîtes pompe-sonde. Cependant, l’accessibilité de source de rayonnement THz intense en laboratoire est encore restreinte. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles sources au laboratoire. Dans cette thèse, une source THz basée sur le redressement optique dans le cristal de LiNbO3 utilisant la technique du front d’onde inclinée a été développé et caractérisé. Le rayonnement THz associé à cette source est un simple cycle dont la durée est proche de la ps. Ce rayonnement peut donc être utilisé afin d’appliquer des champs électriques excédent les 500KV/cm sur une durée suffisamment importante pour permettre les mouvements des molécules ou des atomes. Cet aspect permet d’utiliser le rayonnement THz comme une pompe dans les expériences pompe-sonde. De plus, le spectre associé au rayonnement THz permet de réaliser la spectroscopie basse fréquence qui n’est pas accessible autrement. Un dispositif expérimental de spectroscopie du domaine temporelle a été également développé afin d’obtenir le spectre THz des matériaux. Ces deux aspects du rayonnement THz ont été utilisé sur un système à transition de spin le Fe(phen)2(NCS)2. L’intrication des degrés de liberté électronique et structurel de ce composé rend particulièrement intéressante l’utilisation du rayonnement THz. En effet, le champ électrique THz permet d’agir sur la structure du composé et ainsi d’induire des changements dans l’absorption optique. De plus, les basses fréquences du rayonnement THz permettent de compléter les études des mouvements collectifs des molécules dans le cristal ou phonon. Nous avons ainsi pu observer les premières modulations de transmission optique dans ce composé utilisant une pompe THz. De plus, la source THz développée dans cette thèse a permis d’observer des pics d’absorptions qui n’avait pas été mesuré auparavant. Ce travail de thèse a ainsi pu démontrer l’importance du rayonnement THz dans la physique ultra rapide moderne.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un VECSEL pompé électriquement (EP-VECSEL) mono-fréquence fonctionnant en régime classe A faible bruit et l’étude des boites quantiques (BQs) pour la réalisation d’un VESCEL pompé optiquement (OP-VECSEL) bi fréquence. Ces dispositifs émettent à 1.5 µm. En intégrant une zone active pompé électriquement à base de puits quantiques (PQs) dans une cavité courte (1 cm) et de grande finesse, nous avons pu démontrer pour la première fois avec ce type de laser le régime classe A. En régime mono fréquence, la puissance optique maximale obtenue est de 3 mW. Cela nous a permis de mesurer un niveau de bruit d’intensité relatif (RIN) faible de - 160 dB/Hz limité par le bruit de grenaille sur une large bande passante allant de 2 MHz à 20 GHz. La compacité, la faible consommation de puissance et le faible bruit de ce laser présentent un intérêt certain dans des domaines tels que l’optique micro-ondes ou les télécommunications cohérentes. Dans le cadre de cette étude, nous avons également étudié un VECSEL bi-fréquence à base de BQs, afin de réaliser une mesure directe de la constante de couplage de Lamb C. Des premières mesures ont permis de caractériser ce dispositif en régime multimode. Un effet de filtrage des modes longitudinaux a été constaté lié au dissipateur de chaleur de diamant intracavité collé sur la puce. L’oscillation de deux polarisations linaires orthogonales, nécessaires à la mesure de la constante de couplage, a également été obtenue expérimentalement. Ces mesures ont permis d’établir que le gain accessible sur le dispositif à BQs ne permettait pas pour l’instant de compenser toutes les pertes optiques introduites par les éléments intracavité du banc expérimental dédié pour la mesure de la constante de couplage. Cette étude reste à finaliser pour pouvoir conclure sur l'intérêt des BQs pour la réalisation des lasers bifréquences.

Ce travail a pour objectif d’améliorer et de valider un modèle éléments finis (MEF) de simulation de vibrations, développé avec la société APTIV, permettant de calculer les déplacements relatifs à la zone de contact, dans un premier temps. Le second objectif est de proposer une approche prédictive des performances des connecteurs électriques, en combinant les résultats de la simulation/test et le profil de vibration du constructeur automobile. Cette étude s’appuie sur une campagne expérimentale et sur une modélisation par élément finis utilisant le code LS-DYNA. L’environnement automobile dans lequel les connecteurs sont placés, est soumis à de hautes vibrations. Ces vibrations issues lors du fonctionnement du véhicule (moteur, turbine ou encore aux chocs de roulage) entraînent des micro-déplacements (quelques micromètres) à l’interface de contact électrique. Or, un déplacement relatif de l’ordre des quelques micromètres entre les différents composants des connecteurs est largement suffisant pour engendrer une dégradation à l’interface de la zone de contact électrique. Dans ce contexte, ces travaux de recherche ont été abordés selon trois axes. Le premier axe a permis une étude complète une étude sur la réponse dynamique du connecteur, les mesures et calculs des mouvements des éléments constituant le connecteur ainsi que les déplacements relatifs entre les contacts clip/languette suite à différentes séries d’essais et par simulations numériques. Un calcul de la fonction de transfert (FT) des mouvements relatifs entre les contacts mâle/femelle est proposé. Le second axe a permis, quant à lui, de caractériser des performances électriques du connecteur. Pour cela, une série d’essais d’endurance électrique est réalisée uniquement sur les terminaux. Dans le dernier axe, une approche portant sur la prévision de performance de connecteurs soumis à un profil vibratoire du type constructeur automobile a été proposée. Cette approche est établie par une corrélation entre la fonction de transfert de mouvement relatif, l’endurance électrique et le profil de vibratoire.

La compréhension des mécanismes régissant la formation des molécules organiques complexes dans le milieu interstellaire et les atmosphères planétaires froides repose notamment sur l’exploration de processus ioniques en conditions extrêmes. Le dispositif expérimental CRESU-SIS, développé pour étudier les réactions ion-neutres en phase gazeuse à basse températures, est en mesure de répondre à ce défi. Cet instrument unique, qui combine une source d’ions sélective (SIS) au réacteur CRESU qui génère un écoulement supersonique uniforme de très basse température, permet de mesurer les coefficients de vitesse de réactions entre des ions et des molécules neutres et de déterminer les rapports de branchement entre les différentes voies de sortie. La réactivité des ions N2+, Ar+, et CH2CN+ avec des hydrocarbures (e.g CH4, C2H4…) a été étudiée expérimentalement et analysée à l’aide de calculs quantiques. La réaction entre N2+ et les isomères linéaires de C3H4 (allene et propyne) a été incluse dans un modèle photochimique pour l’atmosphère de Titan.

Les biocapteurs sont des dispositifs servant à détecter la présence de biomolécules dans un milieu de détection, qui peut être un liquide ou un gaz. L’utilisation de l’optique intégrée permet d’exploiter diverses interactions des biomolécules avec la lumière propagée dans des structures guidantes compactes et facilement réalisables, comme le sont les micro-résonateurs. Dans cette thèse, nous utilisons du silicium poreux dans la fabrication de nos transducteurs optiques composant les biocapteurs. Il s’agit d’un matériau biocompatible présentant une surface spécifique importante sur laquelle peuvent être greffées des molécules. Il permet aussi d’exploiter la détection surfacique de biomolécules directement dans le volume du matériau de par sa nature poreuse. Le matériau a au préalable besoin de subir un procédé de biofonctionnalisation pour permettre l’infiltration de molécules dans les pores qui le compose. En utilisant un procédé de photolithographie, des micro-résonateurs sont fabriqués pour être utilisés comme transducteurs pour la détection surfacique de BSA. La présence de la protéine dans le milieu de détection va induire une modification quantifiable des propriétés des transducteurs et liée à la concentration de la BSA. Une sensibilité de plus de 1000 nm/UIR a pu être obtenue et se révèle meilleure que l’état de l’art. La réalisation d’une structure hybride à base de silicium poreux et de polymères est étudiée. L’avantage de l’utilisation couplée du silicium poreux et des polymères est de permettre la réduction des pertes de propagation tout en améliorant les performances de ce type de biocapteur.

Le transport d’une suspension à travers une membrane ou une constriction entraîne inévitablement son colmatage, dans les milieux industriels aussi bien que naturels. Ce processus est complexe et dépend de plusieurs paramètres physico-chimiques comme les interactions inter-particules, particules-paroi et hydrodynamiques, qui favorisent ou limitent le dépôt des particules, ainsi que du degré de confinement correspondant au rapport de la taille du pore sur celle de la particule W/D. Plusieurs études ont permis de comprendre le rôle de ces paramètres grâce à la microfluidique, cependant aucune n’a fait le lien entre la dynamique complète du colmatage et la chute de vitesse associée. L’objectif de ce travail est de comprendre comment le colmatage progressif d’un pore a lieu et quel est son impact sur l’écoulement à travers le milieu. Dans un premier temps, nous nous sommes limités à l’étude du colmatage d’un pore unique. Nous avons imagé la croissance du dépôt qui conduit à l’obstruction du pore, particule par particule, que nous avons relié à la chute de débit aux bornes du milieu, à partir des vitesses des particules. Nous avons constaté que des agrégats composés de microparticules sphériques sont systématiquement responsables des bouchons, alors qu’ils sont très peu représentés dans des suspensions monodisperses. Dans un second temps, nous avons étendu notre étude à un milieu poreux dont les pores sont interconnectés. Nous avons constaté une concentration des bouchons à l’entrée du milieu dont nous avons expliqué la présence par un modèle de colmatage prenant en compte uniquement la distribution de taille des agrégats et leur probabilité de capture. Pour finir, nous avons relié le degré de colmatage du milieu à la chute de débit associée et proposé un modèle hydrodynamique pour retrouver la chute de débit.

Dans le domaine aéronautique, la tendance actuelle est à l’électrification des différents composants d’avion jusque-là pneumatiques ou hydrauliques. Les réseaux électriques des avions doivent être adaptés pour fournir une puissance toujours plus importante. En particulier, les contacteurs jouent un rôle majeur dans ces réseaux. Ils doivent assurer la coupure et la mise sous tension. Un phénomène important qui peut mettre en péril la fiabilité de ces contacteurs est la soudure dynamique des contacts électriques. Cette soudure est le résultat des arcs de rebonds créés lors de la fermeture du contacteur. Un banc d'essai a été développé pour simuler les rebonds mécaniques afin de reproduire ces arcs d’une façon contrôlée. Quatre matériaux (l’Ag, l’AgSnO2 non dopé, l’AgSnO2 dopé en In2O3 et l’AgSnO2 dopé en Bi2O3) ont été testés avec ce banc afin de comparer leur comportement sur l’aspect soudure sous une tension de 115 Vrms et un courant de 750 Arms, pour différentes fréquences 50 Hz 400 Hz et 500 Hz. La fréquence de la tension peut avoir un effet sur les caractéristiques de la soudure, cela pouvant se traduire par un changement des caractéristiques de l'arc, en particulier son réamorçage. Ce ré-allumage implique que la durée d'arc totale reste équivalente au temps de rebond mécanique, sauf lors de l'utilisation d'électrodes en AgSnO2 dopé en Bi2O3 où l'arc mettant un certain temps à se ré-allumer, la durée totale de l’arc est plus courte. En conclusion, les contacts AgSnO2 dopé en Bi2O3 ont montré les plus faibles forces et taux de soudure, notamment à 500 Hz.