Dissertations / Theses on the topic 'Focusing wave'

Cette thèse est consacrée à l’étude du comportement global des solutions de l’équation des ondes énergie-critique. On s’intéresse tout spécialement à la description de la dynamique du système dans l’espace de l’énergie. Nous développons une variante de la méthode d’énergie qui permet de construire des solutions explosives de type II, instables. Ensuite, par une démarche similaire, nous donnons le premier exemple d’une solution radiale de l’équation des ondes énergie-critique qui converge dans l’espace de l’énergie vers une superposition de deux états stationnaires (bulles). En appliquant notre méthode au cas de l’équation des ondes des applications harmoniques (wave map), nous obtenons des solutions de type bulle-antibulle, en toute classe d’équivariance k > 2. Pour l’équation des ondes énergie-critique radiale, nous étudions également le lien entre la vitesse de l’explosion de type II et la limite faible de la solution au moment de l’explosion. Finalement, nous montrons qu’il est impossible qu’une solution radiale converge vers une superposition de deux bulles ayant les signes opposés
In this thesis we study the global behavior of solutions of the energy-criticalfocusing nonlinear wave equation, with a special emphasis on the description of the dynamics in the energy space. We develop a new approach, based on the energy method, to constructing unstable type II blow-up solutions. Next, we give the first example of a radial two-bubble solution of the energy-critical wave equation. By implementing this construction in the case of the equivariant wave map equation, we obtain bubble-antibubble solutions in equivariance classes k > 2. We also study the relationship between the speed of a type II blow-up and the weak limit of the solution at the blow-up time. Finally, we prove that there are no pure radial two-bubbles with opposite signs for the energy-critical wave equation

Analytical solutions for the linear and nonlinear shallow-water wave equations are developed for evolution and runup of tsunamis &ndash
long waves&ndash
over one- and two-dimensional bathymetries. In one-dimensional case, the nonlinear equations are solved for a plane beach using the hodograph transformation with eigenfunction expansion or integral transform methods under different initial conditions, i.e., earthquake-generated waves, wind set-down relaxation, and landslide-generated waves. In two-dimensional case, the linear shallow-water wave equation is solved for a flat ocean bottom for initial waves having finite-crest length. Analytical verification of source focusing is presented. The role of focusing in unexpectedly high tsunami runup observations for the 17 July 1998 Papua New Guinea and 17 July 2006 Java Island, Indonesia tsunamis are investigated. Analytical models developed here can serve as benchmark solutions for numerical studies.

A new concept for extracting renewable power has been developed at KTH Electric Power and Energy Systems, this time regarding wave power. Unlike other wave energy converters this concepts generator opens up the possibility to be operative also during low speed and at the same time preserve high power density and efficiency. This solution needs to be sealed since its components don’t withstand the ambient environment; this is therefore the purpose of the project. Several problems exist with the sealing solutions that currently are available, that is why it exists a need to produce a custom sealing solution for this concept. Some of the problems are, for example, leakage and fatigue failure that lead to unacceptably short life expectancy. The issues discussed in the report and the project, are whether there are any loads acting on the seal that are specifically critical, if there is any way to easily reduce these, if there are any solutions that are denser than the current ones (which also have approved properties of strength and life expectancy as a result of the requirements imposed on them), if these solutions would be applicable in all seas and if these solutions are also economically applicable. To answer this, most conceptualizations have been conducted using brainstorming where potential solutions were evaluated based on the extensive information retrieval, to finally reach out and outline the most promising final concepts. These were then modeled using the 3D-modeling software Solid Edge to finally be analyzed using the Ansys software. The results and conclusions from both the search for information and the detailed analyzes were that the critical loads are stresses that arise from compression, expansion and bending of the buoy, which can be reduced by creating an inner structure in the seal which causes loads to occur more continuously. There are also sealing solutions that are completely dense as they enclose the part of the wave power concept that needs to be sealed, so-called gaiter solutions. In addition, these solutions are applicable in all seas, both from a material perspective, but also from a dimensioning one such as the possibility of adjusting the length of the seal during the manufacture along varying wave heights of where it is to be applied. Regarding the last question, which addresses economic applicability, no sufficiently accurate results could be generated and hence no conclusions could be drawn.
Ett nytt koncept för att utvinna förnyelsebar energi har framtagits på KTH Elkraftteknik, denna gång handlar det om vågkraft. Till skillnad från flera andra vågkraftverk så öppnar detta koncepts nyframtagna generator upp för möjligheten att vara verksamt även vid låga hastigheter samtidigt som det bibehåller hög krafttäthet samt verkningsgrad. Denna lösning av generatorn är i behov av att tätas då dess ingående komponenter inte tål den omgivande havsmiljön, detta är därför syftet med projektet som genomförts. Flertalet problem existerar med de lösningar som för nuvarande finns att tillgå, varför det finns behov av att ta fram en skräddarsydd tätningslösning till detta koncept. Dessa problem är exempelvis läckage och utmattningsbrott vilka leder till att livslängden hos tätningarna blir oacceptabelt kort. De frågeställningar vilka i rapporten och projektet behandlas är ifall det finns några belastningar verkande på tätningen som är specifikt kritiska, ifall det finns något enkelt sätt att reducera just dessa, ifall det finns några lösningar som är tätare än de som finns att tillgå idag (som också har godkända egenskaper gällande hållfasthet och livslängd till följd av de krav som ställs på dem), ifall dessa lösningar skulle vara applicerbara i alla hav och ifall dessa lösningar är ekonomiskt tillämpbara. För att besvara detta har flertalet konceptgenereringar utförts med hjälp av brainstorming där potentiella lösningar utvärderats baserat på en omfattande informationssökning, för att till sist komma fram till och skissera upp de mest lovande slutkoncepten. Dessa modellerades därefter upp med hjälp av 3D-modelleringsprogrammet Solid Edge för att slutligen analyseras med programvaran Ansys. Resultaten och slutsatserna från både informationssökningen och de utförliga analyserna var att de kritiska belastningarna är de spänningar vilka uppstår till följd av kompression, expansion och böjning av bojen, vilka kan reduceras genom att skapa en inre struktur i tätningen som leder till att belastningarna sker mer jämnt. Det finns även tätningslösningar vilka är helt täta då de inkapslar den del av vågkraftskonceptet som behöver tätas, så kallade damasklösningar. Dessa lösningar är dessutom applicerbara i alla hav både ur ett perspektiv gällande material men också ett dimensioneringsmässigt sådant, där möjligheten finns att justera tätningens längd vid tillverkningen utefter den varierande våghöjden där denna ska appliceras. Gällande den sista frågan vilken behandlar den ekonomiska tillämpbarheten kunde inga tillräckligt träffsäkra resultat genereras och därav inga slutsatser dras.

La cascade d’énergie qui a lieu dans les océans, depuis les grandes vers les petites échelles, est capitale pour comprendre leur dynamique et le mélange irréversible associé. Les attracteurs d’ondes internes font partie des mécanismes conduisant potentiellement à une telle cascade. Dans ce manuscrit, nous étudions expérimentalement les attracteurs d’ondes internes, dans une cuve trapézoïdale remplie d’un fluide stratifié linéairement en densité. Dans cette géométrie, les ondes peuvent être focalisées vers un cycle limite : l’attracteur. Nous montrons que la formation de l’attracteur est purement linéaire : des petites échelles sont donc créées grâce à la focalisation des ondes. Les principales caractéristiques de l’attracteur dépendent uniquement de la géométrie trapézoïdale de la cuve. A l’échelle de l’océan, nous montrons que les attracteurs d’ondes internes sont très probablement instables. En effet, ceux-ci sont sujets à une instabilité de résonance triadique, qui transfère de l’énergie depuis l’attracteur vers un couple d’ondes secondaires. Cette instabilité et ses principales caractéristiques sont décrites en fonction de la géométrie du bassin. Pour des expériences de longue durée, l’instabilité produit plusieurs paires d’ondes secondaires, créant une cascade d’instabilités triadiques et transférant l’énergie injectée à grandes échelles vers des échelles plus petites. Nous montrons, pour la première fois de façon expérimentale, de très fortes signatures de turbulence d’ondes internes. Au delà de cet état, la cascade atteint un régime de mélange partiel du fluide stratifié. Cet ultime régime apparait indépendant de la géométrie trapézoïdale du bassin, et donc, universel. Cette thèse est complétée par une étude sur la masse ajoutée et l’amortissement par émission d’ondes d’objets oscillant horizontalement dans un fluide stratifié en densité. Cela a des applications concernant la conversion de l’énergie des marées en ondes internes
A question of paramount importance in the dynamics of oceans is related to the energy cascade from large to small scales and its contribution to mixing. Internal wave attractors may be one of the possible mechanisms responsible for such a cascade. In this manuscript, we study experimentally internal wave attractors in a trapezoidal test tank filled with linearly stratified fluid. In such a geometry, the waves can form closed loops called attractors. We show that the attractor formation is purely linear: small scales are thus created by wave focusing. The attractor characteristics are found to only depend on the trapezoidal geometry of the tank. At the ocean scale, we show that attractors are very likely to be unstable. Indeed, internal wave attractors are prone to a triadic resonance instability, which transfers energy from the attractor to a pair of secondary waves. This instability and its main characteristics are described as a function of the geometry of the basin. For long-term experiments, the instability produces several pairs of secondary waves, creating a cascade of triadic interactions and transferring energy from large-scale monochromatic input to multi-scale internal-wave motion. We reveal, for the first time, experimental convincing signatures of internal wave turbulence. Beyond this cascade, we have a mixing regime, which appears to be independent of the trapezoidal geometry and, thus, universal. This manuscript is completed by a study on added mass and wave damping coefficient of bodies oscillating horizontally in a stratified fluid, with applications to tidal conversion

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 1998.
Includes bibliographical references (p. 60).
Acoustic Non-Destructive Testing (NDT) has a long history of applications in fatigue monitoring, fault testing, and more recently production control. A very large family of manufactured and raw materials consist of thin layers. Some examples include rolled aluminum, window glass, plywood, automobile bodies, plane wings, silicon wafers, bridge support beams, and paper. These layers can be viewed and modeled as acoustic waveguides. This thesis will present the framework in which to analyze such layers. To this end, analytic solutions to the plane wave displacement and stress fields in a single layer monoclinic material will be presented The propagation, frequency, and dispersive characteristics of transmitted signals can be analyzed to determine various elastic properties of the layer or to identify faults. Wavelet (time-frequency), Fourier (frequency), and signal matching (time) techniques will be developed to analyze and extract features and properties of signals. Several experimental examples will be presented.
S.M.

Three-dimensional linear ray theory is used to investigate internal waves interacting with a Lamb-Chaplygin pancake vortex dipole. These interactions involve waves propagating in the same (co-propagating) and opposite (counter-propagating) horizontal directions as the dipole translation. Co-propagating internal waves in the vertical symmetry plane between the vortices of the dipole can approach critical levels where the wave energy is absorbed by the dipole or where the waves are overturned and possibly break. As wave breaking cannot be simulated with this linear model, changes in wave steepness are calculated to aid in estimating the onset of breaking. Counter-propagating internal waves in the vertical symmetry plane can experience horizontal and vertical reflections, including turning points similar to waves in two-dimensional steady shear. Wave capture is also a possible effect of either type of interaction, depending on initial wave properties and positioning relative to the vortex dipole. Away from the vertical symmetry plane, a spanwise converging (focusing) and diverging (defocusing) of wave energy is observed in co- and counter-propagating interactions as symmetric off-center rays interact with the dipole's individual vortices. Some off-center rays experience multiple horizontal refractions similar to wave trapping.

Wireless Power Transfer has become a promising technology to overcome the limits of wired solutions. Within this framework, the objective of this thesis is to study a WPT link at millimeter waves involving a particular type of antenna working in the radiative near-field, known as Bessel Beam (BB) Launcher. This antenna has been chosen for its peculiarity of generating a Bessel Beam which is by nature non-diffractive, showing good focusing and self-healing capabilities. In particular, a Bull-Eye Leaky Wave Antenna is designed and analysed, fed by a loop antenna and resonating at approximately 30 GHz. The structure excites a Hybrid-TE mode showing zeroth-order Bessel function over the z-component of the magnetic field. The same antenna is designed with two different dimensions, showing good wireless power transport properties. The link budgets obtained for different configurations are reported. With the aim of exploiting BB Launchers in wearable applications, a further analysis on the receiving part is conducted. For WPT wearable or implantable devices a reduced dimension of the receiver system must be considered. Therefore, an electrically large loop antenna in planar technology is modified, inserting phase shifters in order to increase the intensity of the magnetic field in its interrogation zone. This is fundamental when a BB Launcher is involved as transmitter. The loop antenna, in reception, shows a further miniaturization level since it is built such that its interrogation zone corresponds to the main beam dimension of transmitting BB Launcher. The link budget is evaluated with the new receiver showing comparable results with respect to previous configurations, showing an efficient WPT link for near-field focusing. Finally, a matching network and a full-wave rectifying circuit are attached to two of the different receiving systems considered. Further analysis will be carried out about the robustness of the square loop over biological tissues.

Les travaux présentés dans cette thèse sont une contribution à l’étude des systèmes d’imagerie active en bande millimétrique et plus spécifiquement sur les parties antennaires et le traitement de signal. Ces travaux ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre Canon Research Center France et l’ETR. Une première étude a porté sur les antennes focalisantes et plus spécifiquement sur la lentille de Fresnel avec un procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice qui a permis d’améliorer l’efficacité (59%) et la largeur bande de fréquence (75-110 GHz). Cette antenne a été utilisée sur un système rotatif pour imager une scène réelle extérieure. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception d’une configuration Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (entrées multiples, sorties multiples) grâce notamment à l’utilisation d’un dispositif compressif passif 4×1 permettant de réduire, par compression, le nombre de chaînes RF. Ces chaînes sont décompressées par post-traitement. Le dispositif, placé à l’émission, a été associé avec un scanner qui permet de synthétiser un réseau d’antennes à la réception. Cette configuration a permis de générer virtuellement un réseau de plus grande taille, permettant d’améliorer la résolution azimutale du système tout en limitant le nombre de chaînes RF. Cette configuration est utilisée pour imager une scène en chambre anéchoique afin de valider le concept. Pour améliorer encore plus la résolution du système avec un nombre limité de chaînes RF, l’étude d’algorithmes de haute-résolution, ou méthodes d’estimation spectrales, sont utilisés dans des configurations à large bande de fréquences pour imager des cibles en champs proche. L’association de la configuration MIMO, du dispositif compressif passif et des méthodes d’estimation spectrales permet d’améliorer la résolution du système tout en limitant le nombre de chaînes RF nécessaire
The broad topic of the presented Ph.D. thesis consists in the contribution to the study of Radar imaging systems at millimeter-wave and more specifically to the antennas and signal processing. These works have been carried out during a partnership between Canon Research Center France and IETR. A first study on focusing antennas, particularly on Fresnel lens antennas, thanks to a technological process to manufacture inhomogeneous materials, has allowed to improve the efficiency and the frequency bandwidth. The antenna has been mounted on a rotary system to image a real outdoor scene. Then, the study has been focused on the realization of a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) configuration notably using a 4 × 1 passive compressive device allowing to reduce, by compression, the number of radiofrequency (RF) chains. The chains are decompressed by post-processing. The device, used at the transmitting part, is associated with a scanner that synthetizes a receiving array of antennas. This configuration allows to generate a large virtual array, to improve the azimutal resolution of the system while maintaining acceptable the number of RF chains. This configuration has been used to image a scene in an anechoid chamber to validate the concept. To further improve the spatial resolution of the system for a given number of RF chains, the study of high resolution algorithms, or spectral estimation methods, are used to image scenes in near field and wide-band configurations. The combination of MIMO configurations, the passive compressive device and the spectral estimation methods have allowed to drastically improve the spatial resolution of the radar imaging system while limiting the number of RF chains

In the disertation, the self-focusing phenomenon of intense femtosecond light pulses in media with cubic nonlinearity is investigated and the origin of formation of light filaments is revealed. In this work, new measurement techniques are introduced and applied experimentally, which allowed high resolution temporal, spatial and spectral mapping of light wave-packet dynamics during the nonlinear propagation in transparent media, and enabled to observe and make accurate quantitative evaluation of the ultrafast change of medium properties. By means of high temporal (20 fs) and spatial (1 μm) resolution laser 3D mapping technique, it was shown that the initial Gaussian wave packet during self-action in Kerr media redistributes its energy in a way that in spatio-temporal domain the wave packet takes a complex X-type intensity distribution. This transformation is universal and is determined by temporal and spatial spectral broadening (as a consequence of self-focusing and self phase modulation), conical emission (as a consequence of four-wave mixing) and nonlinear losses caused by multiphoton absorption. By means of imaging spectrometer technique it was shown that in the medium with normal group velocity dispersion the far-field angular spectrum of the wave packet takes a characteristic X shape, whereas in anomalous group velocity dispersion regime – a characteristic O shape. In both cases the localization of the wave packet is observed, however the quantitative differences of the... [to full text]
Disertacijoje nagrinėjamas intensyvių femtosekundinių šviesos impulsų fokusavimosi reiškinys kubinio netiesiškumo terpėse bei atskleidžiama šviesos gijų formavimosi prigimtis. Darbe yra pasiūlytos ir eksperimentiškai realizuotos šviesos bangų paketų registravimo metodikos, kurios leidžia su didele skyra fiksuoti laikinę, erdvinę bei spektrinę šviesos bangų paketų dinamiką netiesinio sklidimo metu, taip pat stebėti bei itin tiksliai kiekybiškai įvertinti terpės savybių sparčius pokyčius. Pasitelkus didelės laikinės (20 fs) ir erdvinės (1 μm) skyros lazerinės tomografijos metodiką, parodyta, kad pradinio Gauso formos bangų paketo energija saviveikos Kero terpėje metu persiskirsto taip, kad erdvėlaikyje jis įgauna sudėtingą X tipo intensyvumo skirstinį. Ši transformacija yra universali, ir ją nulemia laikinis ir erdvinis spektro plitimas (dėl fokusavimosi ir fazės moduliavimosi), kūginė spinduliuotė (dėl keturbangio maišymosi) bei nuostoliai dėl daugiafotonės sugerties. Remiantis atvaizduojančio spektrometro metodika parodyta, kad formuojantis šviesos gijai normalios grupinių greičių dispersijos terpėje bangų paketo tolimojo lauko kampinis spektrinis skirstinys yra X formos, o anomalios grupinių greičių dispersijos terpės atveju – O formos. Abiem atvejais stebima bangų paketo lokalizacija, tačiau kiekybinius kampinių spektrinių skirstinių skirtumus nulemia keturbangio dažnių maišymo fazinio sinchronizmo sąlygos. Ir galiausiai, naudojant didelės laikinės (23 fs) ir erdvinės (1,5... [toliau žr. visą tekstą]

Les ondes de choc de cisaillement dans les solides quasi-incompressibles sont un type d'onde peu exploré car accessible à la mesure seulement depuis une douzaine d'années. Elles se distinguent des ondes de choc de compression par leur non-linéarité cubique au lieu de quadratique. Les faibles vitesses des ondes de cisaillement, de l'ordre du mètre par seconde, permettent notamment d'atteindre des régimes assez fortement non linéaires sur de faibles distances, et de contrebalancer l'absorption relativement importante dans ces milieux. A notre connaissance, ces ondes ont été étudiées presque exclusivement en ondes planes. Or, la focalisation est un phénomène fondamental dans la physique des ondes et ses applications. C'est cette focalisation que l'on s'est attaché à étudier spécifiquement ici, tant du point de vue théorique et numérique, qu'expérimental. L'objectif était de mettre en évidence la focalisation des ondes de choc de cisaillement. Ce travail est en particulier motivé par son application potentielle en biomécanique. On a ici fait l'hypothèse que les ondes de choc de cisaillement pourraient jouer un rôle dans la formation de certaines lésions cérébrales suite à un traumatisme crânien, la géométrie du crâne induisant leur focalisation. Ces considérations nous ont conduits à dimensionner les phénomènes étudiés en conséquence, en termes de fréquence, d'amplitude et de géométrie. La focalisation a ainsi été montrée dans le cas d'un gel simulant un tissu biologique. Les comparaisons avec le modèle théorique et numérique se sont avérées favorables. Pour approfondir l'analyse de l'hypothèse, il resterait à prouver que ces ondes de choc peuvent induire des lésions
Shear shock waves in quasi-incompressible soft solids have been observed experimentally only twelve years ago. They differ from compression shock waves because their nonlinearity is cubic instead of quadratic. Velocities of shear waves are small, of the order of the meter per second, and thus induce a strong nonlinear behavior over small distances. This allows to counter-balance the quite strong absorption in such media. To our knowledge, these shear shock waves have been studied only for plane waves. However, focusing is a fundamental phenomenon in the wave physics and its applications. This is why our objective is to investigate the focusing of shear waves theoretically, numerically, and experimentally. This work was in particular motivated by a potential application in biomechanics. We have hypothesized that shear shock waves could play a role in the formation of some traumatic brain injuries, the geometry of the skull producing the focusing effect. These hypotheses have governed our studies for the choice of the different parameters such as the frequency, the amplitude and the geometry. The focusing has been demonstrated in a biological tissue-mimicking gel. Comparisons with the theoretical and numerical model have shown a good agreement. Further studies should concern the possible formation of lesions by shear shock waves

This work is a numerical and analytical study of wave motion through dynamic materials (DM). This work focuses on showing several results that greatly extend the applicability of the checkerboard focusing effect. First, it is shown that it is possible to simultaneously focus dilatation and shear waves propagating through a linear elastic checkerboard structure. Next, it is shown that the focusing effect found for the original €œperfect€� checkerboard extends to the case of the checkerboard with smooth transitions between materials, this is termed a functionally graded (FG) checkerboard. With the additional assumption of a linear transition region, it is shown that there is a region of existence for limit cycles that takes the shape of a parallelogram in (m,n)-space. Similar to the perfect case, this is termed a €œplateau€� region. This shows that the robustness of the characteristic focusing effect is preserved even when the interfaces between materials are relaxed. Lastly, by using finite volume methods with limiting and adaptive mesh refinement, it is shown that energy accumulation is present for the functionally graded checkerboard as well as for the checkerboard with non-matching wave impedances. The main contribution of this work was to show that the characteristic focusing effect is highly robust and exists even under much more general assumptions than originally made. Furthermore, it provides a tool to assist future material engineers in constructing such structures. To this effect, exact bounds are given regarding how much the original perfect checkerboard structure can be spoiled before losing the expected characteristic focusing behavior.

Cette thèse comporte deux parties indépendantes. Dans la première, à l'aide d'un réseau de transducteurs, nous cherchons à émettre dans un milieu contenant des obstacles diffractants dont nous ignorons les positions une onde venant focaliser en espace et en temps au voisinage d'un de ces obstacles. La solution proposée ici est basée sur la méthode DORT (Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel) qui conduit à des propriétés de focalisation spatiale en régime harmonique. Cette dernière consiste à effectuer une décomposition en valeurs singulières (SVD) de l'opérateur de diffraction qui à une distribution de signaux envoyés aux transducteurs associe la mesure de l'onde diffractée. Dans le cadre du modèle asymptotique petits obstacles de Foldy-Lax (justifié ici dans le cas bidimensionnel), nous montrons comment synchroniser les signaux fournis par la méthode DORT en introduisant une SVD particulière liée au caractère symétrique de l'opérateur de diffraction. Notre méthode est justifiée par des arguments théoriques et une étude numérique. La seconde partie est dédiée à un problème de transmission entre un diélectrique et un métamatériau. La question qui est posée ici consiste à étudier la validité du principe d'amplitude limite (PAL) dans un tel milieu. Ce principe définit le régime périodique établi comme le comportement asymptotique en temps long d'un système soumis à une excitation périodique. Nous proposons ici une réponse dans le cas d'un dioptre plan entre un diélectrique et un métamatériau particulier (modèle de Drude). Dans un tel cadre, les équations de Maxwell sont reformulées en une équation de Schrödinger dont nous réalisons l'analyse spectrale complète. Notre étude permet de voir que le PAL est vérifié sauf à une fréquence particulière, appelée fréquence plasmon, pour laquelle les rapports des valeurs prises par la permittivité et par la perméabilité de part et d'autre l'interface sont égaux à -1. Cette fréquence correspond à une résonance du système et la réponse à une telle excitation croît linéairement en temps
This thesis consists of two independent parts. In the first one, we consider a reference medium, containing some scatterers whose positions are unknown. Using an array of transducers, our goal is to generate an acoustic wave that would focus in space and in time near one of these scatterers. The technique proposed here is based on DORT method (French acronym for Decomposition of the Time Reversal Operator) which leads to space focusing properties in the frequency domain. It consists in a singular value decomposition (SVD) of the scattering operator, that is, the operator which maps the input signals sent to the transducers to the measure of the scattered wave. In the context of the Foldy-Lax approximation (which is justified here in 2D), by introducing a particular SVD related to the symmetry of the scattering operator, we show how to synchronize the time-harmonic signals derived from the DORT method to achieve space-time focusing. Theoretical properties and a numerical study justify our approach. The second part is devoted to a transmission problem between a dielectric and a metamaterial. The question we consider is the following : does the limiting amplitude principle hold in such a medium? This principle defines the stationary regime as the large time asymptotic behavior of a system subject to a periodic excitation. An answer is proposed here in the case of a two-layered medium composed of a dielectric and a particular metamaterial (Drude model). In this context, we reformulate the time-dependent Maxwell's equations as a Schrödinger equation and perform its complete spectral analysis. As an application of this study, we show finally that the limiting amplitude principle holds except for a particular fequency, called the plasmonic frequency, characterised by a ratio of permittivities and permeabilities equal to -1 across the interface. This frequency is a resonance of the system and the response to this excitation blows up linearly in time

Questa tesi si concentra sul comportamento di strutture immerse e sulla loro interazione con fenomeni ondosi oceanici allo scopo di modificarne l’ampiezza in superficie. Si suppone che queste strutture siano disposte sul fondale marino secondo schemi geometrici ricorrenti, per esempio lenti. Opportune disposizioni strutturali possono indurre un’interferenza costruttiva sulle onde di superficie, le quali presentano tipicamente un carattere pseudo-periodico nel tempo e nello spazio aumentandone così l’ampiezza. Noto che l’energia delle onde di superficie è proporzionale alla loro ampiezza, i risultati proposti in questa ricerca possono essere utilizzati per migliorare, in maniera del tutto sostenibile, l’efficienza dei dispositivi che sfruttano il moto ondoso per l’estrazione di energia rinnovabile, anche noti come energy harvesters. Per questi ultimi infatti l’efficienza della conversione dell’energia dipende dalla variazione altimetrica fra la cresta e il ventre dell’onda. Nello studio del problema, si considereranno le equazioni classiche di Navier-Stokes applicate al caso di fondali medio bassi (shallow waters). Successivamente teorie complesse per lo studio di sistemi periodici (già utilizzate in altri campi come la fisica quantistica e l’elettromagnetismo), verranno applicate per descrivere l’interazione tra le onde e il fondale periodico. Tale formulazione consentirà di progettare le strutture sul fondale capaci ottimizzare l’ampiezza dell’onda rispetto al caso di fondale indisturbato.

Dans la communauté maritime, le terme de "vague scélérate" est utilisé pour les vagues dont la hauteur dépasse le double de la hauteur significative de l'état de mer ambiant, et qui apparaissent plus fréquemment que prédit par la distribution de Rayleigh pour les hauteurs de vagues, fondée sur une hypothèse d’état de mer gaussien. En domaine océanique, des vagues scélérates ayant causé des pertes de vies humaines et de graves dommages ont été massivement signalées au cours des dernières décennies. Dans les zones côtières, une bathymétrie irrégulière peut également provoquer des vagues extrêmes du fait des interactions entre le fond marin et les vagues. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur trois mécanismes ou scénarios d'interactions vagues-fond pouvant entraîner la formation de vagues extrêmes. Le premier scénario est un phénomène de résonance, connu sous le nom de résonance de Fabry-Perot, qui peut se développer lorsque des vagues monochromatiques se propagent sur une bathymétrie comportant deux zones d'ondulations sinusoïdales sur un fond par ailleurs plat. Dans la zone du résonateur située entre les deux zones de rides, une augmentation significative de la hauteur de l'onde incidente peut être obtenue si la condition de résonance est satisfaite. En comparant des simulations numériques avec une condition limite de fond exacte ou approchée et une solution analytique linéaire asymptotique, nous observons un décalage de fréquence de résonance pour la condition de résonance dans les cas où le rapport entre l'amplitude des ondulations et la profondeur de l'eau est grand : la résonance se produit pour un nombre d'onde plus petit que celui prévu par la théorie analytique approchée. Cet effet de décalage de fréquence de résonance joue un rôle secondaire pour la résonance de Bragg, mais il s'avère très important pour la résonance de Fabry-Perot. Le second scénario correspond aux instabilités des trains de houle modulés en amplitude, appelés communément « breathers », qui se propagent sur des fonds irréguliers. Trois types de profils bathymétriques sont étudiés expérimentalement et numériquement avec un modèle entièrement non-linéaire et avec l'équation non-linéaire (cubique) de Schrödinger. Cette étude a permis de montrer que pour de faibles profondeurs et pour certaines conditions, l’amplitude de la modulation peut atteindre deux fois l’amplitude du train initial. Cette amplification en faible profondeur résulte de mécanismes qui n’existent pas en profondeur constante. Les influences des paramètres pouvant affecter la dynamique des breathers, y compris le paramètre du breather d’Akhmediev, la profondeur d'eau, la cambrure de l’onde porteuse, la période de la vague et les pentes du fond sont analysées. Le troisième scénario correspond à des trains de vagues irrégulières unidirectionnelles se propageant sur des profils de fond côtier variables. Lorsqu'un état de mer incident en condition d’équilibre passe sur une barre ou une marche submergée, une dynamique de non-équilibre apparaît et force l'état de mer à un nouvel équilibre compatible avec la profondeur finie, caractérisé par des statistiques fortement non-gaussiennes et une probabilité accrue d'occurrence de vagues extrêmes. La combinaison d'expériences à grande échelle et de simulations complètement non-linéaires permet de mieux comprendre la réponse dynamique du train de vagues. Les données obtenues ont été analysées en profondeur en utilisant une combinaison d'approches spectrales, bispectrales et statistiques
In the maritime community, the term "rogue wave" or “freak wave” is used for waves whose wave height exceeds twice the significant wave height of the ambient sea state, and which appear more frequently than predicted by the Rayleigh distribution for wave height based on a Gaussian sea state hypothesis. In the oceanic domain, rogue waves that have caused loss of lives and severe damage have been widely reported in recent decades. In coastal areas, irregular bathymetry can also trigger such high extreme waves due to seabed-wave interactions. In this thesis, we focus on three mechanisms or scenarios of wave-bottom interactions that can lead to the formation of high waves.The first scenario is a resonance phenomenon, known as Fabry-Perot resonance, which can develop when monochromatic waves propagate over a bathymetry with two areas of sinusoidal undulations on an otherwise flat bottom. In the resonator zone located between the two areas of ripples, a significant increase in the height of the incident wave can be obtained if the resonance condition is met. By comparing numerical simulations with either exact or approximated bottom boundary condition and an asymptotic linear analytical solution, we observe a shift of the resonance frequency at the resonance condition for cases where the ratio between the amplitude of the ripples and the water depth is large: resonance occurs for a smaller wave number than predicted by the approximate analytical theory. This downshift effect of resonance frequency plays a secondary role for Bragg resonance, but it is very important and sensitive for Fabry-Perot resonance.The second scenario corresponds to the instabilities of amplitude modulated wave trains, commonly called "breathers", which propagate over irregular bottoms. Three types of bathymetric profiles are studied experimentally and numerically with a fully nonlinear model and with nonlinear (cubic) Schrödinger equation. This study has shown that for shallow depths and for certain conditions, the amplitude of the modulation can reach twice the amplitude of the initial train. This shallow depth amplification results from mechanisms that do not exist at constant depth. The influences of parameters that can affect the dynamics of breathers, including the Akhmediev breather parameter, water depth, steepness of the carrier wave, wave period and bottom slopes are analysed.The third scenario corresponds to unidirectional irregular wave trains propagating on variable coastal bottom profiles. When an incident sea state in equilibrium condition passes over a submerged bar or step, non-equilibrium dynamics appear and force the sea state to a new equilibrium compatible with the finite depth, characterized by highly non-Gaussian statistics and an increased probability of extreme wave occurrence. The combination of large-scale experiments and fully nonlinear simulations allows a better understanding of the dynamic response of the wave train. The resulting data were analysed in depth using a combination of spectral, bispectral and statistical approaches

Šviesos netiesinio fokusavimosi reiškinys tyrinėjamas jau nuo pat lazerio sukūrimo. Ypatingai aktyviai nagrinėjamas šviesos gijų susidarymas bei jų dinamika skirtingos fazinės būsenos medžiagose. Šviesos gijos įdomios tuo, kad šviesa jose sklinda beveik nepatirdama difrakcijos ir dispersijos. Mokslininkai pasiūlė nemažai šviesos gijos taikymų, kaip pvz. atmosferos sluoksnių spektrinė analizė, atosekundinių impulsų generacija inertinėse dujose ar bangolaidžių užrašymas kietose skaidriose terpėse. Šviesos saviveikos metu pradinė bangų paketų forma erdvėje bei laike gali stipriai pakisti. Standartiniai impulsų charakterizavimo metodai, kurie remiasi erdvėje integruotų autokoreliacinių ir kryžminių koreliacinių funkcijų matavimu, įgalina gauti tik dalinę informaciją apie vykstančias šviesos impulso bei terpės savybių transformacijas ir jų fizikinę prigimtį. Todėl, norint gerai įvaldyti minėtus taikymus bei suprasti vykstančius fizikinius reiškinius, visiškam šviesos impulsų sąveikos su medžiaga ir šviesos gijų formavimo proceso charakterizavimui reikalingi nauji matavimo metodai, kuriuos pasitelkus būtų galima išmatuoti bangų paketo intensyvumo pasiskirstymą trijų matmenų erdvėje bet kuriuo laiko momentu bei registruoti momentinius terpės struktūros pokyčius. Antra vertus, šviesos ir medžiagos sąveikos procesai yra labai spartūs, tad jų tyrimui reikalinga labai didelė tiek erdvinė (μm eilės), tiek laikinė (fs eilės) skyra. Šiame darbe pasiūlėme didelės laikinės (20 fs) ir... [toliau žr. visą tekstą]
In the disertation, the self-focusing phenomenon of intense femtosecond light pulses in media with cubic nonlinearity is investigated and the origin of formation of light filaments is revealed. In this work, new measurement techniques are introduced and applied experimentally, which allowed high resolution temporal, spatial and spectral mapping of light wave-packet dynamics during the nonlinear propagation in transparent media, and enabled to observe and make accurate quantitative evaluation of the ultrafast change of medium properties. By means of high temporal (20 fs) and spatial (1 μm) resolution laser 3D mapping technique, it was shown that the initial Gaussian wave packet during self-action in Kerr media redistributes its energy in a way that in spatio-temporal domain the wave packet takes a complex X-type intensity distribution. This transformation is universal and is determined by temporal and spatial spectral broadening (as a consequence of self-focusing and self phase modulation), conical emission (as a consequence of four-wave mixing) and nonlinear losses caused by multiphoton absorption. By means of imaging spectrometer technique it was shown that in the medium with normal group velocity dispersion the far-field angular spectrum of the wave packet takes a characteristic X shape, whereas in anomalous group velocity dispersion regime – a characteristic O shape. In both cases the localization of the wave packet is observed, however the quantitative differences of the... [to full text]

La thèse vise à étudier l’efficacité et la précision des solveurs NS et SWENSE pour simuler des structures fixes et flottantes. Les deux solveurs sont basés sur OpenFOAM et sont couplés indépendamment avec HOS pour la générationd’onde en termes de domaine et d’approche de décomposition fonctionnelle. Les solveurs sont testés pour trois applications. Les première et deuxième applications présentent l’interaction d’ondes de focalisation avec des cylindresfixes et mobiles et la troisième est l’interaction d’ondes régulières et irrégulières avec la sousstructure de type OC3 Hywind SPAR. Les méthodes et paramètres de génération d’ondes pour les solveurs NS et SWENSE sont discutés endétail pour les ondes régulières, irrégulières et focalisées. Pour vérification, l’incertitude du cas est quantifiée à l’aide de l’approche d’extrapolation de Richardson et validée avec les mesures expérimentales. Une réduction significative de lataille du maillage est prévue dans les deux approches. Pour l’étude de l’interaction des ondes de corps flottant, les amarres sont modélisées de deux façons : en considérant les lignes d’amarrage comme un ressort linéaire avec une raideur de ressort définie et un couplage avec un modèle d’amarrage dynamique (MoorDyn). Les résultats numériques de l’élévation de surface, des mouvements du corps et des tensions d’amarrage sont validés par rapport aux expériences menées dans le projet SOFTWIND, et l’efficacité et la précision des deux solveurs sont comparées
The thesis aims to study the effectiveness and accuracy of the NS and SWENSEbased solvers for simulating fixed and floating structures. Both solvers are OpenFOAM-based and are independently coupled with HOS for wave generation in terms of domain and functional decomposition approach. The solvers are tested for three applications. The first and second applications present the focusing wave interaction with fixed and moving cylinders and the third is the interaction of regular and irregular waves with the OC3 Hywind SPAR type substructure. The wave generating methods and parametersfor NS and SWENSE solvers are discussed in detail for regular, irregular, and focused waves. For verification, the case’s uncertainty is quantified using the Richardson extrapolation approach and validated with the experimental measurements.A significant reduction in the mesh size is predicted in both approaches. For the floating body wave interaction study, the moorings are modelled in two ways: by considering the mooring lines as a linear spring with defined spring stiffnessand coupling with a dynamic mooring model (MoorDyn). The numerical results of surface elevation, body motions, and mooring tensions are validated against the experiments carried out in the SOFTWIND project, and the efficiency andaccuracy of the two solvers are compared

Cette thèse porte sur l’étude numérique et expérimentale de l’utilisation de métamatériaux pour le contrôle des ondes à la surface de l’eau. Dans la première partie, nous avons montré comment focaliser les ondes à la surface de l’eau en utilisant une analogie existant avec des métamatériaux électromagnétiques de permittivité diélectrique quasi nulle qualifiés de ”epsilon-near-zero”. Cela a permis d’adapter le motif de phase à l’interface circulaire entre deux domaines présentant un contraste élevé de profondeur d’eau. L’analogie a donné lieu a un comportement fortement non linéaire des ondes, qui se manifeste par la génération d’une cascade de points focaux associés à des sous-multiples de longueurs d’onde par rapport à l’onde incidente. La deuxième application envisagée des métamatériaux pour les ondes à la surface est de rendre invisible les défauts géométriques d’un guide pour un observateur situé en champ lointain. Dans le premier projet lié au cloaking, des guides d’onde possédant différentes sections transverses ont été analysés. L’efficacité de la bathymétrie, donnée par la cartographie conformationnelle, a été evaluée numériquement en termes de propriétés de diffusion. Dans le second projet, nous avons montré numériquement comment rendre invisible un cylindre qui est décalé de l’axe d’un guide d’onde. Utiliser une bathymétrie de cloaking lisse autour du cylindre permet de reduire de manière significative la dispersion dans une large gamme de frequences. Des experiences réalisées avec des bathymétries conformes aux simulations ont confirmé une augmentation de la transmission par rapport à un scenario de référence avec fond plat
This thesis presents numerical and experimental results concerning usage of metamaterials for water waves control. Two applications were considered. Firstly, we showed how to focus water waves using analogy to a group of metamaterials called epsilon-near-zero. This allowed to tailor phase pattern at the circular interface between two domains with high contrast in water depth. The analogy resulted in highly nonlinear behaviour of waves, manifested by sub-wavelength cascade of focal spots with respect to the incident wave. The second considered application of metamaterials for water waves was hiding (cloaking) defects in a waveguide from the far-field observer. In the first project, related to cloaking, waveguide with varying cross-sections was analyzed. The efficiency of bathymetry, rendered by conformal mapping, was evaluated in terms of scattering properties. The influence of water waves dispersivity on the cancellation of scattering was also determined. Cloaking properties of the obtained bathymetry were experimentally confirmed using a wave packet characterized by broadband spectrum. In the second project, we showed how to cloak a cylinder that is shifted from the centreline of a waveguide. Smooth cloaking bathymetry surrounding a cylinder was able to significantly reduce the scattering in broad range of frequencies. The experimental counterparts confirmed increase in transmission with respect to a reference case with flat bathymetry. The remainder of the thesis presents novel method for the analysis of fringe profilometry images. Performance of the new method was compared to the Fourier Transform Profilometry. We obtained significant enhancement in spectral capabilities

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Dissertacao (Mestrado)
IPEN/D
Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Cette thèse présente les contributions de l'auteur au domaine des ondes non-diffractives. Essentiellement, les ondes non diffractives sont des faisceaux électromagnétiques qui rayonnent une énergie localisée avec une variété d'applications pratiques potentielles. Le travail présenté dans cette thèse peut être divisé en deux parties. Dans la première partie, un nouveau concept de synthèse de lanceurs de faisceaux de Bessel/ondes X à profil spline a été proposé. Tout d'abord, un outil basé sur l'adaptation de mode est présenté. L'outil est capable d'évaluer les paramètres S, les diagrammes de rayonnement en champ proche et lointain de structures métalliques à symétrie azimutale. Ensuite, des lanceurs métalliques à faisceau de Bessel/ à impulsion sont synthétisés à l'aide de cet outil ad hoc. Le concept a été validé expérimentalement en fabriquant et en mesurant un lanceur pour fonctionner dans une gamme de fréquences de 75 à 105 GHz. Le lanceur est la première démonstration d'un lanceur d'ondes X à de telles fréquences. Dans la deuxième partie, nous avons étudié l'utilisation d'ondes non diffractives pour le transfert d'énergie sans fil. Tout d'abord, l'utilisation de faisceaux de Bessel-Gauss pour le WPT est étudiée. Les performances supérieures des faisceaux de Bessel-Gauss par rapport aux faisceaux de Bessel sont démontrées. Un lanceur Bessel-Gauss a été conçu pour valider cette affirmation. Le coefficient de transfert de puissance du lanceur dépasse 50 % pour les distances dépassant sa portée de non diffraction
This thesis present the author’s contributions to the field of non-diffractive waves. Essentially, non-diffractive waves are electromagnetic beams that radiate localized energy with a variety of potential practical applications. The work presented in this thesis can be divided into two parts. In the first part, a novel concept of synthesizing metallic spline profiled Bessel beam/X-wave launchers has been proposed. First, an ad-hoc tool based on mode matching is presented. The tool is capable of evaluating the S parameters, near-, and far-field radiation patterns of metallic structures with azimuthal symmetry. Then, metallic Bessel beam/X-wave launchers are synthesized using the ad-hoc tool. The concept has been experimentally validated by manufacturing and measuring an X-wave launcher operating in a 75-105 GHz frequency range. The fabricated launcher is the first experimental demonstration of an X-wave launcher at such frequencies. In the second part, we have investigated the use of non-diffractive waves for wireless power transfer. First, the use of Bessel-Gauss beams for WPT is investigated. The superior performance of Bessel-Gauss beams compared to Bessel beams is demonstrated. A Bessel-Gauss launcher has been designed for validating this claim. The power transfer coefficient of the launcher exceeds 50% for distances exceeding its non-diffractive range

Disertacija yra skirta išnagrinėti ir paaiškinti impulsinių šviesos pluoštų parametrinio stiprinimo metu vykstančius reiškinius. Ypatingas dėmesys yra skiriamas erdvinei-laikinei impulsinio šviesos pluošto dinamikai stiprinimo metu. Visi nagrinėjamų reiškinių tyrimai buvo atliekami taikant skaitmeninio modeliavimo metodus. Modelyje panaudotos lygtys buvo išvestos iš Maksvelo lygčių, išsamiai aptariant lygčių išvedimo metu daromas prielaidas. Naudojantis pateiktu modeliu buvo gauti skaitmeniniai rezultatai, kurie parodė, jog nekolineariame parametriniame stiprintuve, kuomet kaupinimo ir signalinio impulsų frontai nėra sutapatinti, signalinis impulsas tampa pakrypęs ir be kampinės dispersijos taip pat įgyja ir erdvinį čirpą. Nustatyta, kad indukuotų erdvinės ir kampinės dispersijų mažėjimo sparta, didinant signalinio impulso laikinį čirpą, yra skirtinga. Pagrindiniai šio teorinio tyrimo rezultatai buvo patvirtinti eksperimentiškai. Taip pat šioje disertacijoje yra pristatomas naujas ir universalus impulsinių kūginių bangų parametrinio stiprinimo metodas, kuriame sustiprinti impulsai patys susispaudžia laike ir erdvėje paprasčiausiai sklisdami laisvoje erdvėje. Šis metodas leidžia formuoti didelio smailinio intensyvumo invariantiškus bangų paketus, galinčius nusklisti daugelį Relėjaus nuotolių norimoje medžiagoje. Priešingai nei įprastame čirpuotų impulsų stiprinimo metode, šis metodas nereikalauja impulsų spaustuvo, o tai žymiai palengvina parametrinį kelių optinių ciklų... [toliau žr. visą tekstą]
This thesis is aimed to provide an extensive picture of the phenomena encountered in optical parametric amplification of pulsed light beams. The particular attention is paid for the spatio-temporal dynamics of the pulsed light beams being amplified. All the research has been done by means of numerical methods. The equations used in the model were derived from the Maxwell’s equations and the assumptions made along the derivation of equations were discussed. Using the presented model it has been numerically demonstrated, that in noncollinear optical parametric amplifier, when pulse fronts of pump and signal are not matched, the signal pulse becomes tilted and aside from angular dispersion acquires a spatial chirp. It has been shown, that the magnitudes of the induced spatial and angular dispersions decrease at different rates with the increase of the signal pulse temporal chirp. The main results of this study were verified experimentally. Additionally, in this thesis we have proposed a novel and versatile method for pulsed conical wave parametric amplification with subsequent spatio-temporal compression during propagation in free space. It allows to form ultra-intense and propagation invariant wave-packets capable to propagate over many Rayleigh range in the desired material. In contrast to ordinary chirped-pulse amplification technique it does not require a pulse compressor, thus greatly facilitates the parametric amplification of few-cycle light pulses.

This thesis is aimed to provide an extensive picture of the phenomena encountered in optical parametric amplification of pulsed light beams. The particular attention is paid for the spatio-temporal dynamics of the pulsed light beams being amplified. All the research has been done by means of numerical methods. The equations used in the model were derived from the Maxwell’s equations and the assumptions made along the derivation of equations were discussed. Using the presented model it has been numerically demonstrated, that in noncollinear optical parametric amplifier, when pulse fronts of pump and signal are not matched, the signal pulse becomes tilted and aside from angular dispersion acquires a spatial chirp. It has been shown, that the magnitudes of the induced spatial and angular dispersions decrease at different rates with the increase of the signal pulse temporal chirp. The main results of this study were verified experimentally. Additionally, in this thesis we have proposed a novel and versatile method for pulsed conical wave parametric amplification with subsequent spatio-temporal compression during propagation in free space. It allows to form ultra-intense and propagation invariant wave-packets capable to propagate over many Rayleigh range in the desired material. In contrast to ordinary chirped-pulse amplification technique it does not require a pulse compressor, thus greatly facilitates the parametric amplification of few-cycle light pulses.
Disertacija yra skirta išnagrinėti ir paaiškinti impulsinių šviesos pluoštų parametrinio stiprinimo metu vykstančius reiškinius. Ypatingas dėmesys yra skiriamas erdvinei-laikinei impulsinio šviesos pluošto dinamikai stiprinimo metu. Visi nagrinėjamų reiškinių tyrimai buvo atliekami taikant skaitmeninio modeliavimo metodus. Modelyje panaudotos lygtys buvo išvestos iš Maksvelo lygčių, išsamiai aptariant lygčių išvedimo metu daromas prielaidas. Naudojantis pateiktu modeliu buvo gauti skaitmeniniai rezultatai, kurie parodė, jog nekolineariame parametriniame stiprintuve, kuomet kaupinimo ir signalinio impulsų frontai nėra sutapatinti, signalinis impulsas tampa pakrypęs ir be kampinės dispersijos taip pat įgyja ir erdvinį čirpą. Nustatyta, kad indukuotų erdvinės ir kampinės dispersijų mažėjimo sparta, didinant signalinio impulso laikinį čirpą, yra skirtinga. Pagrindiniai šio teorinio tyrimo rezultatai buvo patvirtinti eksperimentiškai. Taip pat šioje disertacijoje yra pristatomas naujas ir universalus impulsinių kūginių bangų parametrinio stiprinimo metodas, kuriame sustiprinti impulsai patys susispaudžia laike ir erdvėje paprasčiausiai sklisdami laisvoje erdvėje. Šis metodas leidžia formuoti didelio smailinio intensyvumo invariantiškus bangų paketus, galinčius nusklisti daugelį Relėjaus nuotolių norimoje medžiagoje. Priešingai nei įprastame čirpuotų impulsų stiprinimo metode, šis metodas nereikalauja impulsų spaustuvo, o tai žymiai palengvina parametrinį kelių optinių ciklų... [toliau žr. visą tekstą]

La plupart des développements récents dans la transmission d'énergie sans fil utilisant des ondes électromagnétiques se concentre sur les systèmes de récupération de l'énergie électromagnétique par les systèmes sans fil, tels que les réseaux WiFi. Cependant, la nature intermittente et imprévisible de ces sources ambiantes rend la récupération d'énergie critique pour certaines applications. Dans ce contexte, le transfert d'énergie sans fil sur des distances considérables grâce aux micro-ondes permet le réveil à distance et l'alimentation durable des dispositifs électroniques se trouvant dans une myriade d'applications omniprésentes dans un mode de vie en évolution constante. L'alimentation d'un dispositif électronique sans fil élimine la nécessité de batterie, ce qui réduit sa taille et son coût. Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans la thématique de la Transmission d'Énergie Sans Fil (TESF) dans les milieux intérieurs. Dans les scénarios où l'énergie est transmise volontairement par des microondes, les systèmes utilisant des ondes continues ne sont pas nécessairement les plus efficaces. L'objectif est de réaliser un système complet de TESF avec la focalisation des ondes électromagnétiques (EM) sur le récepteur afin d'augmenter le rendement du transfert énergétique global. Les études présentées durant cette thèse montrent que la technique du Retournement Temporel (RT) se trouve être optimale pour la focalisation des ondes EM. Sa mise en œuvre s'effectue en deux phases. Dans une première phase dite phase d'apprentissage, une impulsion de faible énergie est transmise par une antenne à un autre endroit du milieu. L'antenne réceptrice enregistre un signal constitué d'une succession d'impulsions retardées, plus ou moins atténuées, et liées aux réflexions dans le milieu. Dans une deuxième phase, appelée phase de focalisation, un signal de haute énergie construit à partir du retournement temporel du signal enregistré est transmis par l'une des antennes. À l'aide de cette approche, il en résulte que le signal retourné temporellement se focalise spatio-temporellement sur l'antenne réceptrice sous forme d'une onde pulsée (PW). Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la TESF. Au niveau du circuit récepteur, la rectenna (antenne-redresseur) est le dispositif permettant de capter et convertir les PW focalisées en tension continue. Dans ce projet de recherche, une nouvelle rectenna à base des diodes Schottky avec une architecture de doubleur de courant a été conçue, développée et optimisée afin de garantir les performances optimales de conversion des PW. Des mesures expérimentales réalisées démontrent un fonctionnement très performant prédit par la procédure de conception. De plus, les performances obtenues se distinguent parfaitement vis-à-vis de résultats recensés dans l'état de l'art, ce qui fait de ces travaux une innovation
Most recent developments in Wireless Energy Transmission (WET) using electromagnetic (EM) waves focus on designing systems to recover the electromagnetic energy lost by common wireless systems such as Wi-Fi networks. However, the intermittent and unpredictable nature of these ambient sources makes harvesting energy critical for some applications. Hence, the WET over considerable distances using microwaves appears in this context allowing the remote wake-up and wireless powering of electronic devices in a myriad of applications that are a part of the constantly evolution of the way of life. Wireless powering of an electronic device eliminates the need of the battery, which reduces its size and cost. The work presented in this thesis belong to the WET in indoor environments field. When energy is voluntarily transmitted by microwaves, systems using continuous waves are not necessarily the most efficient. The aim of this research project is to achieve a complete WET system by focusing of EM waves at the receiver in order to increase the overall energy transfer efficiency. The studies presented during this thesis show that the time reversal technique (TR) is optimal for the focusing of EM waves. The procedure is carried out in two stages. In the first stage called \textit{learning stage}, a low energy pulse is transmitted by an emitting antenna. Another antenna placed in other location in the medium receives and records a signal made of a succession of delayed pulses, more or less attenuated, and related to reflections on the environment. In a second stage called \textit{focusing stage}, a high-energy signal constructed from the time reversal of the recorded signal is transmitted by one of the antennas. Using this technique, it results that the temporally inverted signal focuses spatio-temporally on the receiving antenna in the form of a Pulsed Wave (PW). These properties are particularly important for the WET. At the receiver circuit, the \textit{rectenna} (rectifying antenna) is the device for capturing and converting focused PW to DC voltage. In this research project, we introduce a novel rectenna design based on Schottky diodes with a current-doubler topology designed, developed and optimized to ensure optimum conversion performance of PW. Experimental measurements demonstrate good performance predicted by the design procedure. Moreover, the performances obtained are perfectly distinct from those found in the state of the art, making this work an innovation in WET domain

Les matériaux à gradient d'indice de réfraction (GRIN) présentent des propriétés mécaniques variant en temps ou/et en espace. Ils ont été testés pour des applications prometteuses dans de nombreuses applications d'ingénierie, comme pour le contrôle santé structurale ou la surveillance de structure (SHM), le contrôle des vibrations et bruit, la récupération d'énergie, etc. D'un autre côté, les matériaux piézoélectriques offrent la possibilité de réaliser des cellules composites dont les propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en ligne. Motivé par ces deux approches, cette thèse étudie la mise en œuvre de structures GRIN adaptatifs pour le contrôle des ondes élastiques. Deux types de structures GRIN adaptatifs sont étudiés dans ce travail. Le premier exemple concerne la mise en œuvre d'une lentille piézoélectrique dans une plaque. Il est composé de patchs piézoélectriques shuntés, collés périodiquement en surface du guide d'ondes. Les circuits de shunt utilisés permettent d'émuler une capacité négative (NC). En accordant les valeurs de NC on peut ajuster l'indices de réfraction du milieu à l'intérieur de la lentille piézoélectrique et pour satisfaire une fonction sécante hyperbolique. Les résultats numériques montrent que les lentilles piézoélectriques peuvent alors focaliser les ondes de flexion de la plaque sur les points focaux. La lentille piézoélectrique est efficace dans une grande bande de fréquences et efficace dans une grande plage de fonctionnement. Ainsi elle peut focaliser des ondes sur différent points par simple ajustement des valeurs de NC réalisés par le circuit. Cette focalisation adaptative la rend très intéressante pour de nombreuses applications comme la récupération d'énergie ou le SHM. La mise en œuvre de ces techniques pour la récupération d'énergie est discutée dans cette thèse. Le second exemple concerne l'étude d'une structure dont les propriétés mécaniques sont contrôlées en temps et en espace. En particulier, une modulation périodique permet de créer une onde artificielle se propageant dans la structure. L'interaction avec des ondes mécaniques entraîne une rupture de réciprocité visible dans un diagramme de bande non symétrique. De nombreux phénomènes inhabituels sont observés dans ce type de structures variables : fractionnement des fréquences, conversion d'ondes et transmission unidirectionnelles. Deux types de conversion fréquentielle sont démontrés et expliqués. Le premier est induit par la transmission d'énergie entre les différents modes Bloch et le second type est dû à la diffusion de Bragg dans les structures modulées. La transmission unidirectionnelle des ondes pourrait être exploitée pour réaliser des diodes dans des systèmes infinis ou semi-infinis. Cependant, la transmission unidirectionnelle n'existe pas dans les systèmes finis en raison des phénomènes de conversion de fréquence
GRadient INdex (GRIN) media are those whose properties smoothly vary in space or/and time. They have shown promising effects in many engineering applications, such as Structural Health Monitoring (SHM), vibration and noise control, energy harvesting, etc. On the other hand, piezoelectric materials provide the possibility to build unit cells, whose mechanical properties can be controlled on-line. Motivated by these two facts, adaptive GRIN structures, which can be realized using shunted piezoelectric materials, are explored in this dissertation to control guided elastic waves. Two types of adaptive GRIN structures are studied in this work. The first type is a piezo-lens. It is composed of shunted piezoelectric patches bonded on the surfaces of plates. To control the mechanical properties of the piezoelectric composite, the piezoelectric patches are shunted with Negative Capacitance (NC). By tuning the shunting NC values, refractive indexes inside the piezo-lens are designed to satisfy a hyperbolic secant function in space. Numerical results show that the piezo-lens can focus waves by smoothly bending them toward the designated focal point. The piezo-lens is effective in a large frequency band and is efficient in many different working conditions. Also the same piezo-lens can focus waves at different locations by tuning the shunting NC values. The focusing effect and tunable feature of piezo-lens make it useful in many applications like energy harvesting and SHM. The former application is fully discussed in this thesis. The focusing effect at the focal point results in a known point with high energy density, therefore harvesting at the focal point can yield more energy. Besides, the tunable ability makes the harvesting system adaptive to environment changes. The second type is the time-space modulated structure. Its properties are modulated periodically both in time and space. Particularly, the modulation works like a traveling wave in the structure. Due to the time-varying feature, time-space modulated structures break the reciprocity theorem, i.e., the wave propagation in them is nonreciprocal. Many unusual phenomena are observed during the interaction between waves and time-space modulated structures: frequency splitting, frequency conversion and one-way wave transmission. Two types of frequency conversion are demonstrated and explained. The first type is caused by energy transmission between different orders Bloch modes. The second type is due to the Bragg scattering effect inside the modulated structures. The one-way wave transmission could be exploited to realize one-way energy insulation in equivalent infinite or semi-inffnite systems. However, the one-way energy insulation fails in finite systems due to the frequency conversion phenomenon

L'objectif de la thèse a été de mettre en place dans un premier temps des modèles analytiques et statistiques permettant d'évaluer les performances d'un système à retournement temporel de fortes-puissances puis de les vérifier grâce à des mesures.Des campagnes de mesures ont alors permis de vérifier les modèles. Des simulations numériques ont aussi montrées les possibilités offertes par un tel système.En parallèle, des travaux sur l'impact des antennes dans une chambre réverbérantes ont été menés afin d'évaluer les performances d'un système ayant plusieurs sorties.Les résultats de thèses ont permis l'élaboration de nouvelles métriques des performances du système.Le développement d'un prototype a nécessité la conception et la réalisation de chacune des branches du système complet.Les premières campagnes de mesures ont permis la validation complète des modèles
A main aspect of this work has been to develop analytical and statistical models of the power efficiency of a time-reversal amplification system (TRAS).It is also important to evaluate the efficiency of a reverberation chamber. This allows quantifying the power received by one or more antenna when the reverberation chamber is excited. This factor is important when considering construction of the most efficient chamber for time-reversal amplification.Measurements assessing the loading effect of antennas in reverberation chambers when the field can be considered diffused were also undertaken. The study focuses on the evaluation of the varying quality factor when adding loaded antennas in the chamber.Another focus of this work is to evaluate the ratios between signals during calibration and focusing phase. An important aspect of the studies presented in this work thus concerns evaluation of the maximum value of the impulse response in a complex propagation system.We also present the power gain of time-reversal techniques and its statistical advantages compared to a classic use of a reverberation chamber.The development of a prototype required the design and implementation of each of the branches of the complete systems.The first measurement campaigns allowed the complete validation of the models

Avec la multiplication des transmissions sans fil et l'augmentation de la taille des données à transférer, il est devenu primordial d’augmenter le débit et donc de monter en fréquence. C'est pour cela que la bande des 60 GHz (57-66 GHz) a été allouée mondialement. A cause de la forte atténuation et de la coupure éventuelle du lien émission/réception du fait de la présence humaine, les antennes à 60 GHz doivent être très souvent reconfigurables. C’est dans cette optique que Canon Research Center France et l’IETR se sont associés pour mener à bien ce travail de thèse. Un nouveau procédé de fabrication de matériau à gradient d’indice a été développé. Le fait de presser un échantillon de matériau composite contenant de l’air permet d’augmenter sa masse volumique et donc sa constante diélectrique. Cette dernière est donc contrôlable par simple pression à une température optimisée. Grâce à ce procédé, divers antennes et composants à gradient d’indice ont été réalisés. L’étude s’est principalement focalisée sur la lentille de Luneburg, qui présente une loi d’indice radiale et qui possède une infinité de points focaux autour de la lentille. Cette lentille a été réalisée avec une variation d’indice progressive et est alimentée tout d’abord par un guide d’onde ouvert. L’étude s’est ensuite focalisée sur la conception de sources intégrées afin de pouvoir les positionner côte à côte et permettre d’obtenir le dépointage du faisceau. Pour ce faire, l’utilisation de guides diélectriques intégrés rayonnant (RSIW) a été étudiée. Deux sources passives sont conçues avec respectivement une transition ligne/fente/guide et une transition avec plongeur dans le guide rayonnant. Par la suite, une troisième source a été conçue utilisant un substrat unique avec une transition ligne coplanaire/plongeur/guide afin de simplifier la technologie de réalisation. Enfin, deux prototypes actifs ont été conçus afin de faire une communication complète à 60 GHz. Des puces réceptrices intégrées de chez Hittite ont été utilisées afin d’alimenter les sources rayonnantes qui illuminent la lentille de Luneburg. L’objectif in fine était d’obtenir trois faisceaux dirigés dans des directions distinctes. Enfin, une première contribution à l’étude d’antennes en bande submillimétrique est effectuée avec la réalisation d’un cornet, d’une antenne à polarisation circulaire et d’une antenne de focalisation en champ proche
With the increase of wireless communications and the required bite rate of data, it needs to increase the working frequency up to the millimeter wave range. For that purpose, the 60 GHz bandwidth (57-66GHz) has been unlicensed all over the world. Because of the loss and possible non-line-of-sight communication, the antennas should have beam scanning properties. Therefore, the Canon Research Center France and the IETR have run a study (PhD) to fulfill this project. A new technological process has been developed in order to manufacture inhomogeneous materials. By pressing a composite foam material sample, it will expel the air from the sample and so, increase its density and its relative permittivity. Using this process, several antennas and components have been manufactured. A particular focus has been done on the Luneburg lens antenna. This one has a radial index law and has infinity of focal points around the lens. This lens has been manufactured with a smooth gradient index law and first fed by an open-ended waveguide to validate the technological process. Secondly, integrated sources have been studied in order to place them side by side and to allow scanning the main beam direction. Thus, the use of Radiating Substrate Integrated Waveguide (RSIW) appears to be the solution. Two passives sources have been realized. The first one is a RSIW fed by a coupling slot from a microstrip line and the second one is a RSIW fed by a coaxial probe from a first thin SIW. A thirdly RSIW has been studied fed by a coplanar line and a coaxial probe and to simplify the manufacturing. Finally, two active antennas prototypes have been realized to perform a complete communication at 60 GHz. Complete integrated chips from the Hittite company have been used to feed the RSIW which illuminate the Luneburg lens. The objective was to implement a beam scanning antennas with three distinct beam directions. Lastly, a preliminary contribution to the sub-millimeter antennas has been performed with the manufacturing of a horn, a circular polarization antenna and a near-field focusing antenna

Thesis (Honors)--Ohio State University, 2005.
Title from first page of PDF file. Document formattted into pages: contains 23 p.; also includes graphics. Includes bibliographical references (p. 22-23). Available online via Ohio State University's Knowledge Bank.

La capacité de certains matériaux à changer d'état fondamental sous excitation laser a ouvert un champ de recherche autour de la manipulation de leurs propriétés par la lumière. Les processus chimiques et physiques mis alors en jeu sont riches et complexes. Dans ce contexte, le rôle prédominant de la coopérativité élastique pour l’amplification et la stabilisation de la transition a été mis en évidence récemment dans un matériau à transitions de spin irradié par laser. Ces observations font apparaître la perspective de commuter de façon permanente certaines propriétés des matériaux par des ultrasons non-linéaires, des ondes de choc excitées par laser.Dans un premier temps, nous introduisons le dispositif expérimental d’imagerie mono-coup résolu en temps, associée à la technique de focalisation des ondes de chocs excitées par laser au niveau de la surface de l’échantillon. La séparation spatiale des régions irradiées par le laser et influencées par les ondes de choc propagatives permet de discerner clairement les changements du matériaux induits uniquement par les ondes de choc. Dans un second temps, nous présentons nos résultats expérimentaux en lien avec cette technique innovante, aux matériaux dont les changements de phases impliquent un changement de volume macroscopique (systèmes spin-crossover, isolants de Mott). Des analyses post-mortem des échantillons ont permis de confirmer, dans certaines conditions expérimentales, une modification permanente de la phase du matériau par action de l'onde de choc. Ces résultats ouvrent des perspectives pour la généralisation à de nombreux matériaux du phénomène de coopérativité élastique donnant lieu à des transition permanent
The ability of certain materials to change its ground state due to laser excitation has arisen a lot of opportunities for light-control of material properties. The field of photo-induced phase transitions counts a rich variety of chemical and physical processes triggered by light-matter interactions involved during the phase transition process. Recently it was reported that elastically driven cooperativity leads to the amplification of spin state in molecular crystals and prolonged the lifetime of the transient state with an ultra-short laser pulse. The cooperative response appears during the propagation of non-linear coherent strain waves, in other words shock waves, coupled with the order parameter field. Shock waves can be seen as a new challenging pathway to achieve a permanently switched state with appropriate excitations.First, we introduce time-resolved single-shot imaging combined with the laser shock focusing technique that makes it possible to generate, acoustically focus, and directly visualize under a microscope shock waves propagating and focusing along the sample surface. The spatial separation of the laser-influenced and strain-influenced regions makes it possible to disentangle the material changes produced solely by the shock waves. Second, we present experimental results involving the shock-focusing technique to materials undergoing phase transitions linked with a macroscopic change of their volume (spin-crossover systems, Mott insulators). Post-mortem analyses of the samples confirm permanent phase transition under specific experimental conditions. These innovative results open doors for a generic elastically driven cooperativity

Although the physical characteristics of surfing breaks are well described in the literature, there is little specific research on surfing and coastal management. Such research is required because coastal engineering has had significant impacts to surfing breaks, both positive and negative. Strategic planning and environmental impact assessment methods, a central tenet of integrated coastal zone management (ICZM), are recommended by this thesis to maximise surfing amenities. The research reported here identifies key oceanographic considerations required for ICZM around surfing breaks including: surfing wave parameters; surfing break components; relationship between surfer skill, surfing manoeuvre type and wave parameters; wind effects on waves; currents; geomorphic surfing break categorisation; beach-state and morphology; and offshore wave transformations. Key coastal activities that can have impacts to surfing breaks are identified. Environmental data types to consider during coastal studies around surfing breaks are presented and geographic information systems (GIS) are used to manage and interpret such information. To monitor surfing breaks, a shallow water multibeam echo sounding system was utilised and a RTK GPS water level correction and hydrographic GIS methodology developed. Including surfing in coastal management requires coastal engineering solutions that incorporate surfing. As an example, the efficacy of the artificial surfing reef (ASR) at Mount Maunganui, New Zealand, was evaluated. GIS, multibeam echo soundings, oceanographic measurements, photography, and wave modelling were all applied to monitor sea floor morphology around the reef. Results showed that the beach-state has more cellular circulation since the reef was installed, and a groin effect on the offshore bar was caused by the structure within the monitoring period, trapping sediment updrift and eroding sediment downdrift. No identifiable shoreline salient was observed. Landward of the reef, a scour hole ~3 times the surface area of the reef has formed. The current literature on ASRs has primarily focused on reef shape and its role in creating surfing waves. However, this study suggests that impacts to the offshore bar, beach-state, scour hole and surf zone hydrodynamics should all be included in future surfing reef designs. More real world reef studies, including ongoing monitoring of existing surfing reefs are required to validate theoretical concepts in the published literature.

The small dispersion limit of the focusing nonlinear Schroödinger equation (fNLS) exhibits a rich structure with rapid oscillations at microscopic scales. Due to the non self-adjoint scattering problem associated to fNLS, very few rigorous results exist in the semiclassical limit. The asymptotics for reectionless WKB-like initial data was worked out in [KMM03] and for the family q(x, 0) = sech^(1+(i/∈)μ in [TVZ04]. In both studies the authors observed sharp breaking curves in the space-time separating regions with disparate asymptotic behaviors. In this paper we consider another exactly solvable family of initial data, specifically the family of centered square pulses, q(x; 0) = qx[-L,L] for real amplitudes q. Using Riemann- Hilbert techniques we obtain rigorous pointwise asymptotics for the semiclassical limit of fNLS globally in space and up to an O(1) maximal time. In particular, we find breaking curves emerging in accord with the previous studies. Finally, we show that the discontinuities in our initial data regularize by the immediate generation of genus one oscillations emitted into the support of the initial data. This is the first case in which the genus structure of the semiclassical asymptotics for fNLS have been calculated for non-analytic initial data.

Nonlinear, nonlocal optical media has emerged as an ideal setting for experimentally observing and studying spatial optical solitary waves which otherwise cannot occur in Kerr media. Of particular interest is the eventual application to all-optical circuits. However, there is considerable work left to do on the theoretical end before this is a possibility. In this thesis we consider three problems. The first is how to solve the governing equations for optical beam propagation in the particular medium of the nematic liquid crystal (NLC), which is used as a prototypical example, exactly and approximately. In this respect we provide the first known, explicit solutions to the model as well as a comprehensive assessment on how to use variational, or modulation theory, in this context. This leads to the discovery of a novel form of bistability in the system, which shows there are two stable solitary wave solutions for a fixed power or L2 norm. We then consider how to approximate solutions for optical solitary waves propagating in a more general class of nonlocal nonlinear media using asymptotic methods. This is a long open problem and is resolved in the form of a simple to implement method with excellent accuracy and general applicability to previously intractable models. We conclude with the discovery and characterization of an instability mechanism in a coupled, defocussing nonlinear Schrodinger system. We show there is no stable, coupled, localized solution. This result is compared with the more well-studied bright solitary wave system and physical and mathematical explanations are offered.

On s'intéresse dans cette thèse à trois modèles d'équations hamiltoniennes dispersives non linéaires : l'équation de Schrödinger cubique défocalisante sur le cercle, filtrée par le projecteur de Szegö, qui enlève tous les modes de Fourier strictement négatifs (NLS--Szegö cubique), l'équation de Schrödinger quintique focalisante filtrée par le projecteur de Szegö sur la droite (NLS--Szegö quintique) et l'équation de Benjamin--Ono (BO) sur la droite. Comme pour les deux modèles précédents, l'équation de BO peut encore s'écrire sous la forme d'une équation de Schrödinger quadratique filtrée par le projecteur de Szegö. Ces trois modèles nous donnent l'occasion d'étudier les propriétés qualitatives de certaines ondes progressives, le phénomène de croissance des normes de Sobolev, le phénomène de diffusion non linéaire et certaines propriétés d'intégrabilité de systèmes dynamiques hamiltoniens. Le but de cette thèse est de comprendre l'influence des opérateurs de Szegö (non locaux) sur les équations de type Schrödinger, et d'adapter les outils liés à l'espace de Hardy sur le cercle et sur la droite. On applique aussi la méthode de forme normale de Birkhoff, l'argument de concentration--compacité, qui est précisé à travers le théorème de d'ecomposition en profils, et la transformée spectrale inverse pour résoudre ces problèmes. Dans le troisième modèle, la théorie de l'intégrabilité permet de faire le lien avec certains aspects algébriques et géométriques
We are interested in three non linear dispersive Hamiltonian equations: the defocusing cubic Schrödinger equation filtered by the Szegö projector on the torus that cancels every negative Fourier modes, leading to the cubic NLS--Szegö equation on the torus; the focusing quintic Schrödinger equation, which is filtered by the Szegö projector on the line, leading to the quintic NLS--Szegö equation on the line and the Benjamin--Ono (BO) equation on the line. Similarly to the other two models, the BO equation on the line can be written as a quadratic Schrödinger-type equation that is filtered by the Szegö projector on the line. These three models allow us to study their qualitative properties of some traveling waves, the phenomenon of the growth of Sobolev norms, the phenomenon of non linear scattering and some properties about the complete integrability of Hamiltonian dynamical systems. The goal of this thesis is to investigate the influence of the Szegö projector on some one-dimensional Schrödinger-type equations and to adapt the tools of the Hardy space on the torus and on the line. We also use the Birkhoff normal form transform, the concentration--compactness argument, refined as the profile decomposition theorem, and the inverse spectral transform in order to solve these problems. In the third model, the integrability theory allows to establish the connection with some algebraic and geometric aspects

It is well known that direct surface waves of large earthquakes are capable of triggering shallow earthquakes and deep tremor at long-range distances. Recent studies have shown that multiple surface waves circling the earth could also remotely trigger microearthquakes. However, it is still not clear whether multiple surface waves returning back to the main shock epicenters could also trigger/modulate aftershock behavior. Here we conduct a study to search for evidence of such triggering by systematically examining aftershock patterns of earthquakes with magnitude ≥ 8 since 1990 that produce observable surface waves circling the globe repeatedly. We specifically examine the 2011 M9 Tohoku-Oki event using a composite catalog of JMA, HiNet and newly detected events obtained by waveform cross correlation. We compute the magnitude of completeness for each sequence, and stack all the sequences together to compute the seismicity and moment rates by sliding data windows. The sequences are also shuffled randomly and these rates are compared to the actual data as well as synthetic aftershock sequences to estimate the statistical significance of the results. Our results suggest that there is some moderate increase of early aftershock activity after a few hours when the surface waves return to the epicentral region. However, we could not completely rule out the possibility that such an increase is purely due to random fluctuations of aftershocks or caused by missing aftershocks in the first few hours after the mainshock.

L'objectif général est de développer un nouvel outil numérique dédié à la focalisation en 3D de l'énergie en zone de champ très proche par un système antennaire. Cet outil permettra de définir la distribution spatiale complexe des champs dans l'ouverture rayonnante afin de focaliser l'énergie sur un volume quelconque en zone de champ réactif. L'hybridation de cet outil avec un code de calcul dédié à l'analyse rapide d‘antennes SIW par la méthode des moments permettra de synthétiser une antenne SIW ad-hoc. Les structures antennaires sélectionnées seront planaires comme par exemple les antennes RLSA (Radial Line Slot Array). Les dimensions de l'antenne (positions, dimensions et nombre de fentes) seront définies à l'aide des outils décrits ci-dessus. Les résultats numériques ainsi obtenus seront validés d'abord numériquement par analyse électromagnétique globale à l'aide de simulateurs commerciaux, puis expérimentalement en ondes millimétriques (mesure en zone de champ très proche). Pour atteindre ces objectifs, nous avons défini quatre tâches principales : Développement d'un outil de synthèse de champ dans l'ouverture rayonnante (formulation théorique couplée à une méthode dite des projections alternées) ; développement d'un outil de calcul rapide (sur la base de traitements par FFT) du champ électromagnétique rayonné en zone de champ proche par une ouverture rayonnante, et retro-propagation ; hybridation de ces algorithmes avec un code de calcul (méthode des moments) en cours de développement à l'IETR et dédié à l'analyse très rapide d'antennes en technologie SIW ; conception d'une preuve ou plusieurs preuves de concept, et validations numérique et expérimentale des concepts proposés
With the demand for near-field antennas continuously growing, the antenna engineer is charged with the development of new concepts and design procedures for this regime. From the microwave and up to terahertz frequencies, a vast number of applications, especially in the biomedical domain, are in need for focused or shaped fields in the antenna proximity. This work proposes new theoretical methods for near-field shaping based on different optimization schemes. Continuous radiating planar apertures are optimized to radiate a near field with required characteristics. In particular, a versatile optimization technique based on the alternating projection scheme is proposed. It is demonstrated that, based on this scheme, it is feasible to achieve 3-D control of focal spots generated by planar apertures. Additionally, with the same setup, also the vectorial problem (shaping the norm of the field) is addressed. Convex optimization is additionally introduced for near-field shaping of continuous aperture sources. The capabilities of this scheme are demonstrated in the context of different shaping scenarios. Additionally, the discussion is extended to shaping the field in lossy stratified media, based on a spectral Green's functions approach. Besides, the biomedical applications of wireless power transfer to implants and breast cancer imaging are addressed. For the latter, an extensive study is included here, which delivers an outstanding improvement on the penetration depth at higher frequencies. The thesis is completed by several prototypes used for validation. Four different antennas have been designed, based either on the radial line slot array topology or on metasurfaces. The prototypes have been manufactured and measured, validating the overall approach of the thesis

La révolution en cours des outils optogénétiques - des protéines photosensibles génétiquement induites qui peuvent activer, inhiber et enregistrer l'activité neuronale - a permis d'ouvrir une nouvelle voie pour relier l'activité neuronale et la cognition. Néanmoins, pour profiter au mieux de ces outils nous avons besoin de méthodes optiques qui peuvent projeter des schémas d'illumination complexes dans le cerveau. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur deux nouveaux systèmes complémentaires pour la stimulation de l'activité neuronale. Le premier système combine des déflecteurs acousto-optiques et une illumination Gaussienne à faible ouverture numérique pour produire une photo activation rapide des outils optogénétiques. La capacité d'accès aléatoire du système permet de délivrer des séquences d'illumination spatialement et temporellement complexes qui simulent avec succès les schémas physiologiques de l'activité des fibres moussues dans des tranches de cerveaux. Ces résultats démontrent que les schémas de stimulation optogénétique peuvent être utilisés pour recréer l'activité en cours et étudier les microcircuits du cerveau dans un environnement physiologique. Alternativement, l'holographie générée par ordinateur (HGO) permet d'améliorer grandement les stimulations optogénétiques en répartissant efficacement la lumière sur plusieurs cibles cellulaires simultanément. Néanmoins, le confinement axial se dégrade pour des schémas d'illuminations larges. Afin de d'améliorer ce point, l’HGO peut être combinée avec une technique de focalisation temporelle qui confine axialement la fluorescence sans dépendre de l'allongement latéral. Les précédentes configurations maintiennent l'excitation non linéaire à un unique plan focal spatiotemporel. Dans cette thèse, je décris deux méthodes différentes qui permettent de dépasser ces limitations et de permettre la génération de schémas focalisés tridimensionnellement, à la fois spatialement et temporellement
The ongoing revolution of optogenetic tools – genetically encoded light-sensitive proteins that can activate, silence and monitor neural activity – has opened a new pathway to bridge the gap between neuronal activity and cognition. However, to take full advantage of these tools we need optical methods that can deliver complex light patterns in the brain. During my doctorate, I worked on two novel and complementary optical systems for complex spatiotemporally neural activity stimulation. The first system combined acousto-optic deflectors and low numerical aperture Gaussian beam illumination for fast photoactivation of optogenetic tools. The random-access capabilities of the system allowed to deliver complex spatiotemporal illumination sequences that successfully emulated physiological patterns of cerebellar mossy fiber activity in acute slices. These results demonstrate that patterned optogenetic stimulation can be used to recreate ongoing activity and study brain microcircuits in a physiological activity context. Alternatively, Computer Generated Holography (CGH) can powerfully enhance optogenetic stimulation by efficiently shaping light onto multiple cellular targets simultaneously. Nonetheless, the axial confinement degrades for laterally extended illumination patterns. To address this issue, CGH can be combined with temporal focusing that axially confines fluorescence regardless of lateral extent. However, previous configurations restricted nonlinear excitation to a single spatiotemporal focal plane. In this thesis, I describe two alternative methods to overcome this limitation and enable three-dimensional spatiotemporal focused pattern generation

[EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range.
[ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de
[CAT] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen
Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463
TESIS
Premiado

The development of techniques targeting the manipulation of particles of different

sizes - mostly in the nano to millimeter scale - when dispersed in a carrier medium, is an increasingly important topic in many fields such as biotechnology,nanotechnology, medicine, biophysics and environmental monitoring and remediation. The underlying rationale for using such techniques stands in the sometimes compelling requirements of avoiding clogging as in micro/nano channel flows, of limiting sedimentation and wall interactions in particle/cell counting, of enhancing particle-surface interaction as in bio-sensing or of facilitating characterization and sorting as in bio-physical applications. Being developed in the frame of a Belgian national project devoted to the characterization and counting of pollutant in water media by digital holographic microscopy, this thesis tackles a peculiar class of particle manipulation techniques, commonly known as Focusing. The main goal of focusing is to avoid at best wall particle interactions and sedimentation, prevalent issues for dispersions owing in micro/mini-channels especially for applications such as optical characterization and counting.

The main attention was given to two flow focusing techniques - Hydrodynamic and Acoustic Focusing - for their wide range applicability and cost effectiveness. Hydrodynamic Focusing consists in controlling the position and spreading of the sample under investigation by means of a so-called sheath flow. A low-cost, nevertheless effective, prototype has been conceived, designed, manufactured and tested. It allowed for controlling the spreading of the sample stream and achieving a focusing ratio accounting for only 4% of the original stream width.

Acoustic Focusing takes advantage of the time-averaged pressure fields induced by the creation of standing waves in channels to manipulate and focus the dispersed particles. In the frame of this thesis, several devices have been developed using square cross section glass mini-channels. Aside from the cost-effectiveness, particles where focused in a somehow unexpected but high reproducible 3D matrix-like structure. A novel numerical model has also been implemented in order to study the conditions leading to the 3D structure formation. A good agreement between experimental and numerical results was found./Ce projet de thèse portant sur la manipulation de micro-particules dans des minicanaux s'inscrit dans le développement de cellules de flux pour des applications biologiques, qui est l'une des problématiques du projet HOLOFLOW, soutenu par

la région de Bruxelles Capitale. Les cellules de flux doivent permettre l'observation et la reconnaissance des micro-organismes vivants dans une large gamme de dimensions (de quelques microns à 1mm) avec la microscopie holographie digitale.

La problématique d'observation et de manipulation des microorganismes en flux est liée au clogging (bouchage) et à la sédimentation qui limitent la durée de vie des cellules d'observation. Ce projet de thèse s'inscrit dans cette problématique et propose deux axes d'étude pour limiter l'interaction entre organismes et canaux, la focalisation hydrodynamique, basée sur le guidage de flux, et la focalisation acoustique, basée sur la manipulation des particules.

La focalisation hydrodynamique est une technique basée sur l'injection différentiée de l'échantillon à observer et d'un fluide support. La différence des vitesses d'injection des flux permet de contrôler la dispersion des particules afin d'optimiser leur observation. Dans le cadre de cette thèse, un prototype à bas-coût a été développé et construit, permettant de focaliser les particules dans un faisceau jusqu'à 4% de leur faisceau incident.

La focalisation acoustique utilise la création d'une onde acoustique stationnaire afin de regrouper les particules en suspension au centre du canal. Au cours de cette thèse, plusieurs prototypes ont été réalisés, mettant en évidence la formation de motifs tridimensionnaux. Un model numérique a été spécialement développé afin d'étudier les conditions de génération de ces motifs, et de nombreuses expériences ont été menées afin de s'assurer de leur reproductibilité. Une bonne adéquation entre la position des particules mesurée et calculée numériquement a été démontrée.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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