Dissertations / Theses on the topic 'Pression de radiation acoustique et optique'

Ces travaux sont consacrés à l'étude de la déformation d'interfaces liquides planes par la pression de radiation acoustique. Deux configurations expérimentales sont étudiées, selon que la vitesse du son du liquide d'où vient l'onde est plus grande ou plus petite que la vitesse du son de la seconde phase liquide. Ces travaux de recherche fondamentale ont pour objectif de comprendre les différentes formes complexes observées : jets, déformations en forme de doigts, tétines. Cela est rendu possible par le développement d'un modèle de couplage entre la propagation de l'onde et la déformation de l'interface. Ce modèle est notamment utile pour la compréhension et la caractérisation de colonnes liquides à la fois créées et stabilisées par la pression de radiation acoustique. Pour chacune des études, un parallèle est fait entre les déformations d'interfaces par un faisceau ultrasonore focalisé et par un faisceau laser continu
Acoustic radiation pressure allows us to remotely create and manipulate liquid objets. Using a highly focused transducer, which emitted field is studied, we can create large aspect ratio and complex liquid interface deformations. This fundamental research aims at understanding these various objects. For this purpose, we developed a theoretical model taking into account the coupling between the wave propagation and the deformation of the interface. This model allows us to predict the characteristics of liquid columns both formed and stabilized by the acoustic radiation pressure. A study of acoustic liquid jets is performed as well. Moreover, we characterize finger-shaped andpacifier-shaped objects as piles of acoustic waveguides. The acoustic wave creates a liquidobject self-adapted to its propagation. For each of these studies, we compare deformationsobtained via the acoustic radiation pressure and the electromagnetic radiation pressurefrom a continuous laser beam

L'optomécanique en cavité est le domaine qui étudie les interactions réciproques entre la lumière et les degrés de liberté mécaniques d'une cavité optique. Ce couplage optomécanique permet de mesurer précisément, mais aussi de contrôler le mouvement d'un résonateur mécanique. Ce travail de thèse concerne l'étude des effets optomécaniques des disques en GaAs. Les disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant à la centaine de MHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité. L'interaction optomécanique dans les disques GaAs repose majoritairement sur la pression de radiation, l'électrostriction et l'effet photothermique. Nous formulons un modèle analytique permettant de décrire le couplage optique-mécanique via ces trois vecteurs. Nous présentons le dispositif expérimental permettant de sonder les effets optomécaniques en soulignant les améliorations notables apportées durant cette thèse. Les techniques de fabrication des échantillons et de la fibre effilée sont décrites ainsi que les mesures de mouvement brownien. Dans le but d'améliorer les performances de notre dispositif, nous nous sommes intéressés aux différents mécanismes de dissipation optiques et mécaniques. Ces études, en permettant une meilleure compréhension du système, ouvrent la voie à des améliorations ultérieures. Enfin nous présentons la mise en auto-oscillation du résonateur optomécanique, phénomène rendu possible par les améliorations technologiques mises en place. A haute puissance optique, un phénomène non-linéaire nouveau apparait, baptisé auto-modulation de l'auto-oscillation, mettant en jeu la dynamique de porteurs libres créés par l'absorption à deux photons
Cavity optomechanics is the field that studies reciprocal interactions between light and the mechanical degrees of freedom of an optical cavity. This optomechanical coupling allows us to precisely measure but also control a mechanical resonator displacement. This thesis work deals with the study of optomechanical effects in GaAs disks. These disks are both optical resonators supporting whispering gallery modes and mechanical resonators oscillating at frequencies as high as hundreds of MHz. Optomechanical interactions in these disks rest mainly on radiation pressure, electrostriction and photothermal effects. We formulate an analytical model describing the optomechanical coupling through those three vectors. We present the experimental setup used to probe optomechanical effects, highlighting the significant improvements brought during this thesis. Samples and tapered fiber fabrication techniques are described as well as Brownian motion measurements. In order to improve our device performance, we investigated optical and mechanical dissipation channels. These studies, by allowing a better understanding of the system, pave the way to further improvements. Finally, we present the self-oscillation regime of the optomechanical resonator, a regime achieved thanks to technical improvements in the setup. At high optical power, a new nonlinear phenomenon appears, called self-modulation of the self-oscillation, involving free carriers dynamics, created by two photon absorption

Nous avons étudié expérimentalement la statique et la dynamique des déformations d'interfaces fluides induites par la pression de radiation acoustique d'un faisceau focalisé. Deux situations expérimentales ont été plus particulièrement étudiées : – nous avons réalisé un travail de métrologie pour tester pour la première fois la validité de l'expression de la pression de radiation acoustique sur des interfaces acoustiquement transparentes. Ce test a nécessité de mettre au point une technique de mesure de tension interfaciale in situ et sans contact utilisant la pression de radiation acoustique et de modéliser précisément la dynamique de la déformation d'interface. – lorsque l'interface liquide est parfaitement réfléchissante, une cavité acoustique se forme entre l'interface et l'émetteur, qui induit un fort couplage entre la propagation des ondes ultrasonores et la déformation de l'interface. Nous avons montré que ce couplage donne lieu à des phénomènes d'hystérésis, d'atténuation d'ondes capillaires par rétroaction passive, et d'oscillations spontanées de l'interface liquide.

Nous avons étudié expérimentalement la statique et la dynamique des déformations d'interfaces fluides par la pression de radiation acoustique d'un faisceau focalisé. Deux situations expérimentales ont été plus particulièrement étudiées : - Nous avons réalisé un travail de métrologie pour tester pour la première fois la validité de l'expression de la pression de radiation acoustique sur des interfaces acoustiquement transparentes. Ce test a nécessité de mettre au point une technique de mesure de tension interfaciale in situ et sans contact utilisant la pression de radiation acoustique et de modéliser précisément la dynamique de la déformation d'interface. -Lorsque l'interface liquide est parfaitement réfléchissante, une cavité acoustique se forme entre l'interface et l'émetteur, qui induit un fort couplage entre la propagation des ondes ultrasonores et la déformation de l'interface.

On présente une expérience de mesure optique de la position d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse, constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé sur un résonateur sub-millimétrique en silicium. On a mesuré son bruit thermique sur une large plage de fréquences et étudié les caractéristiques de ses modes propres de vibration qui ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). Une force électrostatique permet de tester sa réponse mécanique et de le refroidir en utilisant un processus de friction froide. On a aussi démontré un refroidissement par pression de radiation dans une cavité désaccordée, un chauffage et même une instabilité dynamique. Ces techniques, associées à la cryogénie passive, devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental. On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique
We present a very sensitive optical measurement of the mechanical vibrations of a micro-mirror inserted in a high finesse Fabry-Perot cavity, made of a low-loss dielectric coating deposited on a sub-millimetric silicon etched resonator. We have measured the thermal noise of the resonator over a wide frequency range and characterized its eigenmodes which have high frequency resonances (1 MHz) and low effective masses (100 µg). With an electrostatic force, we have tested its mechanical response and cooled it with a cold damping technique. We have also demonstrated a new cooling mechanism, induced by radiation pressure in a detuned cavity, and even observed an optomechanical instability at large intracavity power. These cooling mechanisms, combined with passive cryogenic techniques, may lead to the observation of the quantum ground state of the mechanical oscillator. An experimental study of the photothermal effect follows

La pression de radiation acoustique est la force moyenne qu'une onde peut exercer sur un obstacle. Initialement, la faible manifestation de cette force ne suggérait pas d'applications potentielles. Néanmoins, avec l'avènement de sources acoustiques de haute puissance, il a rapidement été envisagé de manipuler de petits objets à distance par pression de radiation. Depuis, c'est via l'excitation d'ondes stationnaires dans des cavités que cette méthodologie connait son essor. Parallèlement, la pression de radiation de la lumière a rapidement permis de piéger et de manipuler des petits objets. Grâce à un laser fortement focalisé, la pince optique a donné une grande flexibilité aux techniques de manipulation sans contact et est devenue un outil fondamental pour de nombreuses disciplines scientifiques. Cependant, les faibles forces développées, les importantes intensités lumineuses requises et la petite taille des objets sont d'importantes limites tout particulièrement pour leur application en biologie.A l'heure actuelle, il n'existe pas l'équivalent de la pince optique en acoustique utilisant un unique faisceau. Le travail présenté donne un ensemble d'éléments théoriques et expérimentaux profitables pour la compréhension de la pression de radiation en acoustique et le dimensionnement d'une pince acoustique utilisant un unique faisceau ultrasonore : le vortex acoustique. Ce travail esquisse l'ébauche d'une nouvelle méthode de manipulation sans contact donnant une véritable dextérité de préhension. Les faibles intensités nécessaires associées aux larges forces développées sauront se montrer attractives pour imaginer un large panel de nouvelles applications scientifiques
As an acoustic wave impinges an obstacle, a mean force is exerted on its surface. This so-called radiation pressure arises from the non linear interaction between the wave and the object.The early history of this force did not suggest any application of such a feeble effect. Nevertheless, as technological advances improved the prospects of new powerful sound sources, it was rapidly considered to use the acoustic radiation pressure as a mean of non-contact manipulation of small objects. Ever since, standing wave schemes excited in cavities has been the preferred strategy that is becoming considerably popular.In the same time, the radiation pressure of light was also recognised to trap and manipulate very small objects. Using a single focused laser beam, optical tweezers brought a great dexterity to non contact manipulation techniques and rapidly grew to become a fundamental tool in many scientific fields. However, the minuteness of the force, the high intensities required and the smallness of trappable objects are well-known limitations in particular for biological applications.Although optics and acoustics have shown many similarities, an acoustical analogue to optical tweezers using a single beam is yet to be demonstrated. Theoretical and experimental efforts are presented here and shed light on the underpinning mechanisms of single-beam acoustical tweezers. The analysis of a peculiar beam's radiation pressure, i.e. acoustical vortices, unveiled new characteristics for single-beam trapping. Our experimental demonstration along with the low intensities required and the large forces developed show promise for a wide spectrum of new scientific applications

On présente une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir inséré dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un traitement optique présentant peu de pertes déposé à la surface d'un résonateur de taille sub-millimétrique en silicium. On a mesuré le bruit thermique du résonateur sur une large plage de fréquences et déterminé les caractéristiques de ses modes propres de vibration: fréquence, facteur de qualité, masse effective, structure spatiale. Ces modes ont des fréquences de résonance élevées (1 MHz) et des faibles masses effectives (100 µg). On a appliqué une force électrostatique sur le micro-résonateur, ce qui a permis de tester sa réponse mécanique et de le refroidir par contrôle actif en mettant en oeuvre un processus de friction froide.

On a également mis en évidence un effet d'auto-refroidissement dû à la modification de la dynamique par la pression de radiation dans une cavité désaccordée. On a observé selon le désaccord un refroidissement et un chauffage du résonateur, qui conduit à forte puissance à une instabilité dynamique.

Ces techniques de refroidissement combinées à de la cryogénie passive devraient permettre de refroidir suffisamment le micro-résonateur pour observer son état quantique fondamental.

On présente enfin une étude expérimentale de l'effet photothermique et une mesure des dilatations induites par l'échauffement lié à l'absorption de lumière dans les traitements optiques.

Nous étudions les possibilités qu'offre une cavité à miroir mobile pour mesurer de très petits déplacements. L'utilisation d'une cavité optique de grande finesse permet d'observer le bruit thermique des miroirs, qui constitue une limitation importante des mesures de très grande sensibilité. Le miroir est également susceptible de se déplacer sous l'effet des fluctuations quantiques de la pression de radiation, ce qui mène à une Limite Quantique Standard dans une mesure de position. Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience, où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir arrière est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien de ce miroir avec une très grande sensibilité (2,75 x 10^-19 m/√Hz). Nous avons également étudié la possibilité de refroidir le miroir à l'aide de la pression de radiation d'un second faisceau modulé en intensité. Au voisinage de la résonance mécanique. on applique une force visqueuse supplémentaire sans bruit additionnel (friction froide). Nous avons observé une réduction du bruit thermique aussi bien à la fréquence de résonance mécanique qu'à basse fréquence. Une application potentielle d'un tel processus de refroidissement aux interféromètres gravitationnels est discutée.

Nous etudions les possibilites qu'offre une cavite a miroir mobile pour mesurer de tres petits deplacements. L'utilisation d'une cavite optique de grande finesse permet d'observer le bruit thermique des miroirs, qui constitue une limitation importante des mesures de tres grande sensibilite. Le miroir est egalement susceptible de se deplacer sous l'effet des fluctuations quantiques de la pression de radiation, ce qui mene a une limite quantique standard dans une mesure de position. Nous presentons les resultats obtenus dans notre experience, ou un faisceau laser est envoye dans une cavite a une seule entree-sortie, dont le miroir arriere est depose sur un resonateur mecanique. Nous avons observe le mouvement brownien de ce miroir avec une tres grande sensibilite (2,75 10 - 1 9 m/hz). Nous avons egalement etudie la possibilite de refroidir le miroir a l'aide de la pression de radiation d'un second faisceau module en intensite. Au voisinage de la resonance mecanique, on applique une force visqueuse supplementaire sans bruit additionnel (processus de friction froide). Nous avons observe une reduction du bruit thermique aussi bien a la frequence de resonance mecanique qu'a basse frequence. Une application potentielle d'un tel processus de refroidissement aux interferometres gravitationnels est discutee.

Ce manuscrit présente une étude de la pression de radiation acoustique induite par la propagation d'une onde ultrasonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement et d'analyser les conditions d'existence d'une pression quasi-statique induite par la propagation non linéaire d'un train d'ondes émis dans un liquide (eau) non confiné. A l'aide d'un modèle en ondes planes, nous interprétons la composante quasi-statique du déplacement auto-démodulé comme la valeur moyenne temporelle du déplacement. Cette démarche montre qu'en champ proche, une composante quasi-statique s'ajoute à la pression auto-démodulée historiquement introduite et qu'elle s'identifie à la pression de radiation de Rayleigh, usuellement introduite dans le cas d'une onde harmonique émise dans un fluide confiné. Celle-ci existe et peut être interprétée comme un effet de « champ proche ». En champ lointain, la pression de radiation est celle de Langevin.
Dans un solide mou (tissus biologiques) la pression de radiation est utilisée pour engendrer localement une onde de cisaillement. Etant donné leur très faible vitesse (quelques m/s), la propagation de ces ondes donne lieu à des phénomènes non linéaires très importants. Ceux-ci sont observés et mesurés, à l'aide du dispositif d'imagerie ultra-rapide développé au laboratoire pour les applications médicales (élastographie)

Ce travail de thèse est consacré à la manipulation et la déformation optique d'interfaces liquides molles, cela dans deux géométries fondamentales: plane et sphérique. Nous montrons alors que les déformations induites par pression de radiation optique permettent de déduire les propriétés des interfaces, comme la tension interfaciale par exemple. Dans le cadre de la déformation d'une interface liquide plane par pression de radiation, nous généralisons pour la première fois la manifestation électro-hydrodynamique des cônes de Taylor au régime optique, en montrant que des cônes liquides peuvent émerger sous fortes excitation laser. Nous avons alors caractérisé la morphologie de ces « cônes optiques » et nous montrons que l'angle de ces derniers dépend à la fois des paramètres de l'excitation laser mais aussi des caractéristiques des fluides. Une étude analytique ainsi qu'une étude numérique ont alors été menées afin de rendre compte des comportements observés.Afin d'étudier la déformation d'interfaces molles en géométrie sphérique, nous avons développé un double piège optique fibré en dispositif microfluidique dans une configuration inédite en termes de longueur d'onde excitatrice et de puissance laser. Nous avons alors appliqué notre dispositif à la déformation de vésicules en tant qu'objets modèles mous et nous montrons que notre double piège est bien adapté à la caractérisation rhéologique d'objets micrométriques déformables. Grâce à l'utilisation de faisceaux laser de forte puissance, nous mettons ici en évidence expérimentalement l'apparition d'un régime non-linéaire de déformation au sein de notre double piège optique
This thesis work is devoted to the optical manipulation and deformation of soft liquid interfaces, in two fundamental geometries: plane and spherical. We then show that the deformations induced by optical radiation pressure allow to deduce the properties of interfaces, such as interfacial tension for example. In the framework of the deformation of a plane liquid interface by optical radiation pressure, we generalize for the first time the electro-hydrodynamic manifestation of Taylor cones to the optical regime, showing that liquid cones can emerge under intense laser excitation.We then characterized the morphology of these "optical cones" and we show that their angle depends both on the parameters of the laser excitation and on the characteristics of the fluids. An analytical study as well as a numerical investigation were then conducted to account for the observed behaviors. In order to study the deformation of soft interfaces in spherical geometry, we have developed a fiber-based dual-beam optical trap in a microfluidic device in a novel configuration in terms of excitation wavelength and laser power. We then applied our device to the deformation of vesicles as soft model objects and we show that our dual-beam trap is well adapted to the rheological characterization of deformable micron-sized objects. Thanks to the use of high laser power beams, we experimentally highlight the appearance of a non-linear deformation regime within our double optical trap

Ces dernières années la zoologie de systèmes quantiques apprivoisés a vu l'entrée d'un nouveau membre. Dans le domaine des cavités optomécaniques on a démontré qu'il est possible d'amener des résonateurs micro et nanométriques vers leur état quantique fondamental. Ce fait est rendu possible par la capacité de ces cavités à refroidir optiquement les fluctuations browniennes des degrés de liberté mécaniques. Nous étudions des mécanismes non conventionnels de refroidissement optique dans des cavités optomécaniques. En particulier nous discutons comment les forces photothermiques (ou bolométriques) pourraient permettre d'atteindre l'état quantique fondamental d'un résonateur mécanique, et ce dans des régimes de paramètres où le refroidissement usuel par pression de radiation est limité. D'autre part la maturité expérimentale des cavités optomécaniques •Permet aujourd'hui d'explorer des régimes de couplage fort où un seul photon est suffisant pour perturber le résonateur mécanique au delà de ses fluctuations de point zéro. Suivant cette tendance nous présentons nos prédictions théoriques concernant un système qui combine l'électrodynamique quantique de cavité et l'optomécanique quantique. Nous démontrons que l'introduction d'un atome artificiel à deux niveaux dans la cavité optomécanique mène à des régimes de refroidissement et d'amplification inédits. Par ailleurs nous montrons comment la non-linéarité intrinsèque du système à deux niveaux permet d'atteindre des états non-classiques du résonateur mécanique
In recent years the zoology of tamed quantum systems has witnessed the arrival of a new member. In the field of optomechanical cavities it has been proven that it is possible to lead micro and nano mechanical resonators to their vibrational quantum ground state. This feat is made possible by the ability of optomechanical resonators to optically cool down the brownian motion of the mechanical degrees of freedom. We study the cooling mechanisms in optomechanical cavities subject to unconventional coupling schemes. In particular we discuss how pfiotothermal cooling leads the mechanical resonator to its ground state in regimes of parameters for which the more usual radiation pressure based cooling is unable to quench effectively enough the thermal brownian motion. On the other hand the maturity of experimental optomechanics has opened the path for the exploration of strong coupling regimes where a single photon is enough to modify the mechanical properties beyond the zero point fluctuations. Following this trend we present as well our predictions for a system combining quantum electrodynamics and quantum optomechanics. We show that by introducing an artificial two level atom inside the optomechanical cavity the cooling and amplification of mechanical motion are greatly modified. We also show how the intrinsic non-linearity of the artificial atom leads to non-classical states of the mechanical resonator

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Nous présentons une expérience visant à mettre en évidence ces limites, basée sur la détection ultra-sensible des déplacements d'un miroir mobile inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse. Grâce aux améliorations que nous avons apportées à ce dispositif, nous avons observé des corrélations entre un bruit classique d'intensité et la phase de faisceaux lumineux, induites par couplage optomécanique avec le miroir mobile. Nous décrivons les conditions expérimentales nécessaires pour prolonger ces expériences au niveau quantique, afin d'observer les corrélations optomécaniques produites par les fluctuations quantiques de la pression de radiation, mais aussi pour réaliser une mesure quantique non destructive de la lumière par des moyens purement mécaniques. Nous présentons également plusieurs conséquences de la pression de radiation que notre montage nous a permis de mettre en évidence : annulation de l'action en retour dans les mesures de longueur ou de force, refroidissement laser du miroir dans une cavité désaccordée, et enfin un effet dynamique de l'action en retour qui conduit à l'amplification d'un signal par la mise en mouvement du miroir. Cet effet, prédit dans le cadre de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles, devrait permettre d'améliorer la sensibilité au-delà de la limite quantique standard, qui devrait être atteinte dans les antennes gravitationnelles de seconde génération.

La théorie de Lorenz-Mie généralisée permet l'étude de la diffusion d'une particule sphérique homogène et isotrope, de position arbitraire dans un faisceau quelconque. Ce travail propose une double validation, numérique et expérimentale, de cette théorie, dans le cas d'un faisceau incident gaussien. Les résultats numériques de programmes de diffusion simple, bases sur la théorie de Lorenz-Mie généralisée, sont comparés à ceux obtenus à partir d'un modèle basé sur la diffraction, et à des diagrammes de diffusion expérimentaux, obtenus par lévitation optique. Une étude numérique de la pression de radiation appliquée à la lévitation optique, basée sur la théorie de Lorenz-Mie généralisée, est également proposée. Parmi les nombreuses applications possibles de la théorie de Lorenz-Mie généralisée, une étude de l'évolution du diagramme de diffusion d'une particule de Mie, lors de sa traversée d'un col de faisceau laser, est présentée

Ces travaux sont consacrés à l'étude numérique de la déformation de système fluides diphasiques par des ondes acoustiques ou électromagnétiques. Dans ce but, nous avons développé et utilisé une méthode numérique basée sur la méthode des éléments de frontières afin de résoudre simultanément l'équation d'Helmholtz scalaire et l'équation de Stokes afin de considérer en même temps la propagation d’onde dans le système et l'hydrodynamique de celui-ci. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la déformation d’interfaces initialement planes par deux types de contraintes induites par la propagation d’ondes. La première est la force de diffusion, une force volumique générée par la propagation d’une onde électromagnétique dans des fluides turbides qui permet d’induire des écoulements permanents. Ces derniers exercent alors des contraintes visqueuses sur l’interface et peuvent mener à l’instabilité de cette dernière et à la formation de microjets. Ces microjets ont été caractérisés numériquement en termes de formes et de débits. Par la suite, nous nous sommes concentrés sur les contraintes de pression de radiation acoustique et optique exercée sur l’interface. Nous avons démontré numériquement qu’il existait une certaine universalité entre les déformations induites par des ondes acoustiques ou optiques et que ces dernières se comportaient comme des guides d’ondes parfaitement adaptés à l’onde les ayant induits. Dans un second temps, nous avons porté notre attention sur la déformation d’interfaces initialement sphériques comme des gouttes ou des liposomes par des systèmes de pinces optiques ou d’étireurs optiques. Dans le cas des gouttes, nous avons retrouvé des comportements similaires à ce que nous avions obtenu sur des interfaces planes soit un couplage entre leurs déformations et la propagation des ondes à l’intérieur de celles-ci. Nous avons de plus caractérisé numériquement pour la première fois la déformation de liposomes dans un étireur optique et avons comparé ces résultats à de récentes études expérimentales menées au laboratoire. Ces premières études sont prometteuses quant à la microrhéologie de gouttes liquides ou de systèmes biologiques
We numerically studied the deformation of two-phase fluid systems under acoustical or electromagnetic stress. We developed and used a numerical method based on the boundary element method to solve simultaneously the scalar Helmholtz equation and Stokes equation to consider at the same time the wave’s propagation and the hydrodynamic of the system. On the first hand, we considered the deformation of initially flat interfaces actuated by two kinds of waves’ induced stresses. First, we studied the scattering force, a bulk force induced by the propagation and the scattering of an incident electromagnetic waves into a turbid liquid phase. This force leads to the formation of eddies which in turn induce viscous stresses on the interface. Under high laser power, the viscous stresses can destabilize the interface into liquid microjets. We characterized numerically the shapes and the fluid flow of these microjets. Then, we focused on the acoustic and electromagnetic radiation pressure at the fluid/fluid interface. We showed that the induced deformations can be described by a universal model and these deformations act as liquid waveguides who are matching perfectly the incident wave which has induced them. On the other hand, we studied the deformation of micrometric droplets and liposomes with optical tweezers and optical stretcher. For droplets, we retrieved similar behaviour than for flat interfaces i.e., a coupling between the deformation of the droplets and the propagation of the wave into the latter. Additionally, we numerically characterize for the first time the liposome deformation in an optical stretcher and compared our result with recent experiments carried out in the laboratory. These initial studies are promising for the microrheology of liquid drops or biological systems

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la cavitation acoustique dans l'eau et quelques autres liquides. Le 1er chapitre est consacré à une présentation des transitions de phase du premier ordre dans le régime métastable. Le 2e chapitre présente la théorie de nucléation classique, ainsi que le théorème de nucléation d'Oxtoby qui nous permet d'évaluer le volume de la bulle critique dans nos expériences. Puis un bilan expérimental de quelques méthodes pour étudier la cavitation est dressé. Nous présentons les singularités de l'eau par rapport aux autres liquides et montrons en quoi une étude de la limite de cavitation permettrait de les comprendre. Dans le 3e, nous présentons notre dispositif acoustique ainsi que la méthode de pression statique qui permet de déterminer la pression de cavitation. Nous présentons en détail l'hydrophone à fibre optique construit pour cette thèse sur le modèle de celui d'Eisenmenger, qui permet de mesurer la densité au seuil de cavitation. Les résultats et leur analyse sont présentés, pour l'eau, dans le 4e, pour le D2O, l'éthanol, l'heptane et le DMSO, dans le 5e chapitre. De l'étude de l'eau, il ressort que l'on est très loin de la théorie, et d'un type d'expérience. En revanche une modification par un facteur constant en température, de la tension de surface de l'eau permet de prédire nos résultats en pression, mais pas les volumes critiques de nucléation. Par ailleurs, l'étude dans les autres liquides montre que nous pouvons, par notre méthode, arriver à des résultats proches de la théorie, d'autant plus que la tension de surface du liquide étudié est faible.

L’occurrence d'instabilités de combustion de haute fréquence au sein des moteurs-fusées à ergols liquides peut s'avérer dommageable pour l'intégrité des systèmes propulsifs. Par conséquent, les acteurs du spatial souhaitent renforcer leur compréhension des mécanismes à l'origine de ces instabilités. Pour cela, la simulation numérique s'est révélée au fil du temps de plus en plus attractive. Dans le cas particulier d'un fonctionnement en régime subcritique, le comburant se trouve à l'état liquide dans la chambre de combustion. Pour reproduire fidèlement les écoulements associés à ce régime de fonctionnement, la simulation numérique doit pouvoir restituer les mécanismes d'interaction entre les perturbations acoustiques et le processus d'atomisation de la phase liquide, car ils peuvent influencer la stabilité de la combustion. Dans cette optique, cette étude consiste 1) à mettre en place une méthodologie de simulation numérique de jet diphasique atomisé sous excitation acoustique, 2) à valider la restitution de l'ensemble des mécanismes de réponse du jet aux ondes acoustiques, et 3) à s'appuyer sur les résultats des simulations pour progresser vers une meilleure compréhension des phénomènes physiques mis en jeu. La stratégie de simulation utilisée est basée sur le couplage entre une méthode à interface diffuse à 4 équations pour simuler le gaz et les plus grosses structures liquides de l'écoulement, et une approche statistique Eulérienne pour modéliser le spray de gouttes. Dans ces travaux, la simulation numérique d'un jet diphasique atomisé soumis à une excitation acoustique de haute amplitude montre une bonne restitution de l'aplatissement du cœur liquide et de son influence sur le processus d'atomisation du jet. Notamment, le cœur liquide est raccourci et le spray s'élargit dans la direction orthogonale à l'axe de propagation acoustique. Un couplage important d'ores et déjà observé expérimentalement entre le système d'injection et la cavité acoustique ainsi que son influence sur le processus d'atomisation de la phase liquide sont également reproduits. Enfin, une modélisation simplifiée de l'écoulement destinée à compléter les résultats des simulations révèle une déviation progressive du cœur liquide, et donc des gouttes issues de son atomisation, par la force de radiation acoustique. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des simulations réactives capables de reproduire fidèlement le comportement de flammes diphasiques sous perturbation acoustique en vue d'en étudier l'impact sur la stabilité de la combustion
The occurrence of high-frequency combustion instabilities in liquid-propellant rocket engines can be detrimental to propulsion systems. Consequently, space actors need to strengthen their understanding of the mechanisms that cause these instabilities. To this end, numerical simulation has become more and more attractive over time. Under subcritical operating conditions, the oxidizer inside the combustion chamber is in a liquid state. In such a case, numerical simulation must be able to reproduce every interaction mechanism between acoustics and the atomization of the liquid phase, because it may influence the combustion stability. In this perspective, this study consists in 1) setting up a methodology for the numerical simulation of an atomized two-phase jet under acoustic modulation, 2) validating the restitution of all the response mechanisms of the jet to acoustics, and 3) using the results of the simulations to progress in the understanding of the involved physical phenomena. The simulation strategy that is used is based on the coupling between a 4-equation diffuse interface method to simulate the gas and the largest liquid structures of the flow, and an Eulerian statistical approach to model the spray. In this work, the numerical simulation of an atomized two-phase jet subjected to a high amplitude acoustic modulation shows a good restitution of the flattening of the liquid core and its influence on the atomization process of the jet. In particular, the liquid core is shortened and the spray widens in one particular direction. The coupling between the injection system and the acoustic cavity and its influence on the atomization process of the liquid are also reproduced. Finally, a simplified modeling of the flow used to complement the simulation results reveals a progressive deviation of the liquid core, and therefore of the drops resulting from its atomization, by the acoustic radiation force. Thus, this work opens the way to reactive simulations capable of faithfully reproducing two-phase flames under acoustic disturbances in order to study their impact on combustion stability

Les isolants et les semi-conducteurs sont les principaux constituants des circuits intégrés, dont les performances croissantes sont notamment dus à la miniaturisation des composants, mais au prix d’une plus grande vulnérabilité : un champ électrique élevé favorise l’accumulation de charges, modifiant les caractéristiques du composant. Au contraire, les charges introduites par dopage contribuent à son bon fonctionnement. Pour une connaissance précise du profil de charges dans les isolants et les semi-conducteurs, un instrument de mesure directe et non destructive à l’échelle nanométrique est alors étudié dans ce mémoire. Une implémentation fondée sur une méthode pompe-sonde utilisant un laser femtoseconde permet d’obtenir une résolution spatiale inférieure à 50 nm. Une détection interférométrique ou électro-optique et l’accumulation d’un grand nombre de mesures sont nécessaires pour améliorer les signaux. Des mesures valident les premières étapes de la réalisation expérimentale.

Ce manuscrit présente une étude de l'interaction non-linéaire d'ondes élastiques et de différentes techniques dédiées à la mesure des propriétés non-linéaires des matériaux et des champs de pression. Nous développons l'analogie entre fluides et solides pour les ondes longitudinales dans l'approximation quadratique. L'interaction de deux ondes (30 et 2,5 MHz), analogue à une modulation de phase, permet de mesurer les coefficients de non-linéarité de différents matériaux, sur des échantillons d'environ 10 mm d'épaisseur. Les résultats obtenus dans les fluides, les gels et les solides, notamment grâce aux améliorations de l'électronique, montrent la souplesse de cette technique. L'élasticité spécifique des solides mous rend possible des expériences de génération d'harmonique et d'interaction d'onde de cisaillement, qui illustrent les caractéristiques de la non-linéarité cubique et confirment l'influence des effets de diffraction. Ces derniers sont responsables de l'apparition d'harmoniques paires. Le palpeur d'élastographie 1D constitue une configuration expérimentale qui nous rapproche des applications. L'interférométrie optique a été appliquée à la mesure de fortes pressions dans l'eau (à la focale de transducteurs de forte puissance) et de très faibles déplacements (induit par la contrainte de radiation à la surface des solides). Les améliorations de l'optique, de l'électronique et du traitement du signal rendent possible l'étude des phénomènes d'acoustique non-linéaire.

La reflexion d'un faisceau x ( 1 a) sur la surface d'un cristal piezoelectrique (linbo#3) excite par des ondes acoustiques s'accompagne de par et d'autre du faisceau reflechi de pics satellites intenses (15% de l'intensite du faisceau direct) dus a la rugosite sinusoidale de la surface. Un phenomene similaire s'observe autour des diffractions de bragg d'une multicouche deposee sur un cristal piezoelectrique dont la surface est parcourue par des ondes acoustiques. Nous avons montre que la position angulaire de ces pics satellites depend de l'angle d'incidence et du rapport des longueurs d'onde x et acoustique et pouvait donc etre modifiee en changeant la frequence acoustique. Ceci nous a conduit a developper une premiere application permettant le balayage spatial d'un faisceau x par variation de la frequence acoustique autour de la frequence de resonance de l'emetteur. Ce balayage a une ou deux dimensions si l'on associe deux deflecteurs acoustiques, peut atteindre 1 mm a une distance de 1 m du cristal avec une sensibilite de l'ordre du nanometre, bien inferieure aux dimensions actuelles des faisceaux (de l'ordre de 1 m#2). Nous avons mene une etude sur l'association d'un systeme electro-acoustique avec une optique focalisante (lentille de bragg-fresnel) pour obtenir des balayages de faisceaux focalises. Les utilisations possibles sont dans la microanalyse, la microscopie x et la lithogravure. La seconde application presentee dans cette these consiste a introduire une pulsation de la structure temporelle de l'onde acoustique afin d'obtenir une modulation temporelle de l'intensite des faisceaux x satellites. Une utilisation interessante est le selecteur haute frequence de pulses synchrotrons realise en synchronisant les pulses acoustiques sur la frequence des paquets d'electrons qui tournent dans l'anneau. Ce filtre temporel elimine 99% des photons indesirables. Ces faisceaux adaptables sont utiles pour les experiences resolues en temps

Les faisceaux de type feuille laser (faisceau gaussien de section elliptique), sont de plus en plus utilisés dans les applications des techniques de mesure pour élargir le domaine mesurable ou pour simplifier le traitement des signaux. Cette thèse concerne l'extension de la théorie de Lorenz-Mie généralisée (TLMG) à la diffusion des faisceaux feuilles laser par une particule sphérique et ses applications aux écoulements diphasiques. Une description mathématique du faisceau feuille laser est dérivée par deux méthodes différentes. L'intérêt de la TLMG dépend fortement de notre capacité pour calculer les coefficients gmn décrivant la forme du faisceau. Deux méthodes d'intégration, une interprétation localisée et une interprétation localisée intégrale pour le calcul des coefficients sont étudiées. L'outil théorique développé est alors applique à la discussion de la pression de radiation exercée sur une particule. La théorie de la diffusion de deux faisceaux est présentée et appliquée à l'évaluation d'un système de mesure réel. De plus, un modèle d'imagerie basé sur le TLMG est développé pour un objet localisé arbitrairement dans un faisceau (orienté ou polarisé arbitrairement). L'objet peut être une particule homogène ou concentrique, un trou ou une fente annulaire

Étude de l'estimation des flux du rayonnement solaire à partir de paramètres météorologiques et géophysiques faciles à évaluer, dans les conditions de la zone sahélienne de l'Afrique de l'ouest. Un nouveau capteur dénommé "bac solaire muni de réflecteurs" est proposé pour surmonter le handicap du faible échauffement du capteur plan classique en début de matinée, et permettant d'obtenir une température de 100**(O)C avant 10 heures