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.

Les problèmes liés à l'équilibre sont diagnostiqués à l'aide de systèmes de cartographies des pressions plantaires ou de plateformes de force mesurant le déplacement du centre de pressions. Ces systèmes professionnels sont restreints à une utilisation en milieu médical, et on constate qu'aucun dispositif de surveillance de l'équilibre ne donne entière satisfaction en termes de mobilité et d'acceptabilité. Dans le contexte de la télémédecine et de l'e-santé, notre objectif a consisté à développer des outils pour la surveillance ambulatoire de l'équilibre postural, et contribuer à la compréhension du contrôle de l'équilibre. Nous avons d'abord entrepris une étude théorique de la faisabilité de la mesure des pressions plantaires et du déplacement dynamique du centre de pression, à partir d'un nombre très réduit de capteurs. Nous avons proposé pour cela un modèle mécanique simplifié du pied, ainsi que les hypothèses spécifiques à ces applications. Le modèle décrit la relation physique entre la posture du pied et la répartition des pressions plantaires suivant ses caractéristiques biomécaniques. Sur la base d'un prototype de semelle instrumentée à 3 capteurs uniquement, nous avons vérifié expérimentalement la capacité du système et des méthodes à générer le stabilogramme et les cartographies de pressions plantaires. Ceux-ci ont été comparés à un système matriciel de référence, et caractérisés en termes d'incertitude dans le cas du pied normal en position debout et durant la marche. Les stabilogrammes ainsi mesurés peuvent être analysés pour caractériser la signature de l'équilibre. Nous proposons un modèle spécifique à trois dimensions, décrivant la dynamique de l'équilibre et permettant d'identifier, par simulation, les principaux paramètres physiologiques qui assurent le maintien de l'équilibre postural.

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 lasers ytterbium sont très utilisés pour la génération d'impulsions courtes et en particulier pour la spectroscopie "dual-comb". Dans ces travaux de thèse, nous avons développé expérimentalement des architectures de lasers à solides dopés ytterbium dans différentes matrices cristallines telles que : Yb:YAG, Yb:Lu:YAG, Yb:Na:CNGG et Yb:CaF_2. Dans ces milieux actifs quasi-isotropes, deux états propres de polarisations orthogonales peuvent osciller simultanément et générer deux trains d'impulsions qui peuvent être synchrones ou asynchrones, selon le type d'architecture de cavité. Nous montrons dans un premier temps, que l'orientation de la polarisation de la pompe est un moyen efficace de contrôle des puissances dans les lasers ytterbium bipolarisation. Les résultats expérimentaux obtenus sont ensuite confrontés à un modèle tenant compte de l'anisotropie de pompage, ainsi que de la saturation croisée dans le milieu actif. Dans un deuxième temps, nous démontrons expérimentalement un double peigne de fréquences dont les trains d'impulsions sont synchrones dans les lasers Yb:YAG et Yb:Lu:YAG bipolarisations à verrouillage de modes passif contenant deux lames quart d'ondes intracavité. Enfin, l'obtention d'un double peigne de fréquences bipolarisations asynchrones dans le laser Yb:YAG ainsi que l'accordabilité des taux de répétition a été démontré.

Pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux par indentation sphérique, nous proposons dans ce travail différentes définitions de déformations représentatives. L’application de ces définitions de déformations représentatives doit se faire en identifiant en premier lieu, les paramètres mécaniques de la loi d’Hollomon qui aboutissent aux grandeurs physiques les plus proches du matériau indenté à caractériser. Une fois ces paramètres identifiés, les déformations représentatives sont obtenues à partir du calcul du gradient des grandeurs mesurées en fonction des paramètres mécaniques identifiés. Nous nous sommes appuyés sur le modèle dérivable de Lee et al. pour appliquer nos définitions de déformations représentatives. Les résultats montrent, malgré les limitations du modèle reconstruit, qu’il est possible de retrouver des points, de coordonnées (contraintes représentatives; déformations représentatives), très proches de la loi d'écrouissage obtenues par essais de traction. Enfin, nous proposons nos propres modèles numériques dérivables permettant de prédire les grandeurs physiques d’indentation sphériques avec grande précision pour les matériaux métalliques et nous l'appliquons avec succès à la caractérisation mécanique de matériaux métalliques.

L'auto-assemblage est une technique de structuration qui permet de contrôler la forme et la construction de systèmes organisés à différentes échelles de longueur. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'auto-organisation de films de savon formés dans des milieux confinés et structurés. Les supports de séchage sont constitués d'un réseau de plots cylindriques en PDMS dont les positions peuvent varier et ainsi permettre le contrôle de la structure finale. Nous avons étendu une étude préexistante en réseaux carrés à des réseaux rectangulaires pour créer une anisotropie de manière à orienter les films dans des directions préférentielles. Nous avons pu montrer que les films de savon s'alignaient toujours dans la direction pour laquelle la distance entre les plots était la plus courte, et ce pour seulement 5 à 10% de différence de distance entre les axes. En outre, l'augmentation de l'épaisseur des plots permet de rendre plus brusque la transition (2%) entre désordre et alignement des films. Ces résultats ont été complétés par des simulations numériques permettant de modéliser l'ensemble des séchages. Nous avons enfin pu effectuer des expériences de séchage complémentaires dans des réseaux en losanges et dans des réseaux quasicristallins. La forme des plots a également été modifiée de façon à créer un contraste visuel du dépôt de séchage.

La recombinaison dissociative (RD) est le processus dans lequel un ion moléculaire positif se recombine avec un électron et se dissocie après en fragments neutres. Parmi les différents types de réactions entre ions moléculaires et électrons, la RD mérite une attention particulière à cause du rôle important qu'elle joue dans les plasmas à basse température et de faible densité, telles que celles rencontrées dans les ionosphères planétaires et les nuages interstellaires. En dépit de l'apparente simplicité de la RD, son étude s'est avéré difficile aussi bien du point de vue expérimental que théorique. Afin d'apporter plus de lumière sur ce processus, la technique de la post-décharge en écoulement a été introduite et a été largement utilisée ces dernières décennies. La présente thèse est dédiée aux études expérimentales de la réaction RD, à l'aide du spectromètre de masse à sonde Langmuir (FALP-MS) en post-décharge en écoulement, à l'Université de Rennes 1, à Rennes, en France. Nous avons étudié la réaction RD à température ambiante a été étudiée pour les ions moléculaires d'acétone ( ) et les cations de diméthylamine cations ( ainsi que les vitesses de réaction des cations de triméthylamine ( cations, et nous avons obtenu des valeurs avec des incertitudes de of ± 30 %. De plus, nous avons étudié l'attachement électronique à la diméthylamine neutre et nous avons trouvé une constante de vitesse de = 4.81 x 10-10 cm3 s-1. Un nouveau système d'injection pour l'anneau de stockage électrostatique de KACST a été conçu et construit dans le laboratoire de l'IPR à Rennes. Le couplage de la source d'ions avec un analyseur de masse quadripolaire et l'utilisation d'un système de vannes pulsées assurant un pompage différentiel entre différentes régions de la ligne d'injection constitue une méthode nouvelle dans le contexte d'un anneau de stockage. Le but final de ce projet est l'étude des réactions à ions lourds tels que les ions moléculaires biologiques.

Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonants.

Le développement de capteurs pour la détection de molécules présentes en très faible concentration est un enjeu sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux micro-résonateurs cascadés ou insérés dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est mis en place. Son efficacité est démontrée par la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux polymères qui possède des performances dans l’état de l’art. Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement. L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les performances de ces dispositifs. Enfin la mise en œuvre et les premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés.

Cette thèse porte sur l'étude des transitions de phase dans les analogues du bleu de Prusse MnFe et CoFe, à l'équilibre thermique ainsi que photo-induites. La transition de phase à l'équilibre thermique du système MnFe est analysée expérimentalement et théoriquement à l'aide d'un modèle type Landau. Il prend en compte deux paramètres d'ordre : l'instabilité électronique sans brisure de symétrie due au transfert de charge (TC) et la brisure de symétrie. Ce modèle général s'applique à différents types de systèmes, y compris les matériaux spin-crossover, pour lesquels une instabilité électronique et une brisure de symétrie se couplent à la déformation volumique. L'étude de diffraction des rayons X au synchrotron de l'ESRF du processus photoinduit, à l'aide d'une seule impulsion laser ns à l'intérieur de l'hystérésis, met en évidence un processus de nucléation de phase. Les experiences de diffraction des rayons X résolue en temps, réalisées en dehors de l'hystérésis, montrent que l'état électronique de TC photo-induit est de longue durée de vie, en raison de son piégeage structural, et que les deux paramètres d'ordre se découplent dans la dynamique hors équilibre. Des études femtoseconde utilisant le XANES au X-FEL LCLS et la spectroscopie optique, couplées à des calculs DFT, ont permis de caractériser le processus de transfert de charge photo-induit et ses échelles de temps pertinentes. Les résultats sur CoFe répondent à une question de longue date concernant la force motrice du processus, en déterminant le mécanisme comme étant un transfert de charge induit par transition de spin. La dynamique photo-induite dans le système MnFe, étudiée par spectroscopie optique femtoseconde, présente des caractéristiques similaires, avec différentes voies de photo-commutation suivant la longueur d’onde d’excitation.