Le travail développé dans cette thèse vise l'étude de la génération photo-acoustique dans les microstructures. Des moyens de calcul sont développés pour représenter les différents mécanismes intervenant lors de l'interaction entre un faisceau laser rectiligne impulsionnel et la matière. Trois modèles multidimensionnels sont mis en oeuvre afin d'incorporer les effets thermo-élastique et de déformation électronique. Le premier considère l'effet de la pénétration optique sur la génération acoustique pour les milieux semi-transparents et transparents. Les formes d'ondes obtenues pour différentes directions d'observation ont ainsi permis d'interpréter les nouvelles contributions issues de la génération photo-acoustique simultanée dans toute l'épaisseur pour les milieux transparents. Dans le deuxième modèle, l'effet de la diffusion thermique est considéré en plus de la pénétration optique. La signature de la diffusion thermique sur les formes d'ondes se trouve sur les formes des précurseurs. Les effets électroniques sont ensuite pris en compte, en plus des effets photo-thermiques, par un modèle multidimensionnel pour des milieux semiconducteurs anisotropes. Ce dernier modèle considère un système partiellement couplé décrivant les ondes de plasma ( diffusion de la densité électronique), les ondes thermiques et les ondes acoustiques. Les formes d'onde obtenues pour un monocristal de silicium sont données pour différents niveaux d'énergie incidente à la longueur d'onde 1064 nm. L'évolution de ces formes d'ondes montre la dominance des effets photo-électroniques pour les bas niveaux d'énergie incidente. Puis, le problème inverse consistant en la mesure des coefficients d'élasticité à partir des signaux collectés, est considéré. La fiabilité de la mesure est discutée en regard des dimensions de la source: sa profondeur et sa largeur

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le rayonnement d’ultrasons générés par des sources laser linéiques ou ponctuelles dans des milieux anisotropes, de géométries planes monocouches ou bicouches ou de géométries cylindriques, et sur son application à la mesure du tenseur d’élasticité. Un dispositif classique d’ultrasons laser, constitué d’un laser YAG et d’une sonde interférométrique, permet d’étudier la réponse de cylindres de diamètres millimétriques à diferentes interactions laser-matière. Un dispositif d’acoustique picoseconde est aussi utilisé afin d’étudier la diffraction d’ondes acoustiques dans des films plans d’épaisseurs micrométriques. Des modèles numériques ont été développés pour rendre compte des signaux obtenus expérimentalement. L’influence des réflexions optiques sur les interfaces est notamment analysée. L’écriture des fonctions de directivité en milieux anisotropes pour des sources volumiques et l’étude des diagrammes de directivité correspondant apportent par ailleurs des renseignements qualitatifs nécessaire à l’interprétation des signaux.

NOUS NOUS ATTACHONS A IDENTIFIER PAR ULTRASONS LASER, LE TENSEUR D'ELASTICITE DE MILIEUX ANISOTROPES VISCOELASTIQUES. LA SIMULATION DE LA SIGNATURE ACOUSTIQUE (PROBLEME DIRECT) A TOUT D'ABORD ETE REALISEE POUR UN MILIEU ANISOTROPE VISCOELASTIQUE CONNU, DANS LE CAS D'UNE SOURCE RECTILIGNE IMPULSIONNELLE. LES FORMES D'ONDE OBTENUES POUR UN GRAND NOMBRE DE DIRECTIONS D'OBSERVATION ONT AINSI PERMIS D'INTERPRETER LE PROFIL DES SIGNAUX ENREGISTRES LORS DE L'EXPERIENCE. LA DONNEE DE CES FORMES D'ONDE SYNTHETIQUES A PAR LA SUITE AUTORISE L'IDENTIFICATION DES CONSTANTES D'ELASTICITE DU MILIEU A PARTIR DU CALCUL DES VITESSES DES ONDES (PROBLEME INVERSE). A CETTE FIN, L'EMPLOI D'UNE TECHNIQUE DE TRAITEMENT DES SIGNAUX, DE TYPE TRANSFORMEE EN ONDELETTES EST NECESSAIRE. COMME APPLICATION, LA RESOLUTION DU PROBLEME INVERSE POUR DES COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE A ETE MENEE AVEC SUCCES. IL CONCERNE L'IDENTIFICATION DES NEUF CONSTANTES D'ELASTICITE D'UN COMPOSITE A SYMETRIE ORTHOTROPE. CES COEFFICIENTS ETANT IDENTIFIES AVEC FIABILITE, LE PROCEDE EST RECONDUIT POUR DIFFERENTS PALIERS DE TEMPERATURE. L'EXPERIENCE MET EN LUMIERE L'ANISOTROPIE DES EVOLUTIONS DES COEFFICIENTS LORS D'UNE SOLLICITATION THERMIQUE. CES EVOLUTIONS SONT A CORRELER AVEC LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES DEUX CONSTITUANTS (RENFORT ET MATRICE) DU MATERIAU EN FONCTION DE LA TEMPERATURE.

L'OBJECTIF PRINCIPAL DE CE TRAVAIL EST LA CARACTERISATION MECANIQUE COMPLETE DE MATERIAUX COMPOSITES ANISOTROPES ELABORES SOUS FORME DE PLAQUES MINCES (QUELQUES MILLIMETRES) PAR MESURES DE VITESSES D'ONDES ULTRASONORES EN IMMERSION (GENERATION ET DETECTION CLASSIQUE PAR TRANSDUCTEURS PIEZO-ELECTRIQUES) ET SANS CONTACT (GENERATION ET DETECTION LASER). LA METHODE DE L'IMMERSION A INCIDENCE VARIABLE S'EST REVELEE TRES EFFICACE ET PERFORMANTE POUR LA DETERMINATION DES PROPRIETES ELASTIQUES DES MATERIAUX. SON POINT FORT EST SA CAPACITE, MOYENNANT DES TECHNIQUES D'OPTIMISATION, DE CARACTERISER LE COMPORTEMENT ELASTIQUE ANISOTROPE DE DIFFERENTS MATERIAUX COMPOSITES A SYMETRIE ORTHOTROPE, A PARTIR D'UNE SEULE PLAQUE A FACES PARALLELES. PAR AILLEURS NOUS AVONS ETUDIE LES INCERTITUDES SUR LES CONSTANTES D'ELASTICITE PAR UNE METHODE ORIGINALE BASEE SUR UNE CONCEPTION PROBABILISTE ET STATISTIQUE DES ERREURS DE MESURE. CETTE TECHNIQUE EST TRES PERFORMANTE POUR L'EVALUATION DES MATERIAUX THERMOSTRUCTURAUX A TEMPERATURE AMBIANTE, CEPENDANT ELLE TROUVE DE SERIEUSES LIMITATIONS POUR SUIVRE L'EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES EN FONCTION DE LA TEMPERATURE. DANS CE BUT, NOUS NOUS SOMMES INTERESSES AUX METHODES DE GENERATION LASER ET DE DETECTION SANS CONTACT. EN GENERANT LES ULTRASONS PAR UN IMPACT LASER ET LES DETECTANT AU MOYEN D'UN INTERFEROMETRE, NOUS AVONS ETUDIE LA PROPAGATION D'ONDES DANS UN COMPOSITE A MATRICE METALLIQUE RENFORCEE PAR DES FIBRES UNIDIRECTIONNELLES DE CARBONE. CES ESSAIS PRELIMINAIRES ONT ETE REALISES A TEMPERATURE AMBIANTE AFIN DE DETERMINER LES POTENTIALITES DE CETTE APPROCHE. EN SIMULATION, NOUS AVONS RESOLU LE PROBLEME INVERSE, A SAVOIR LA DETERMINATION DES CONSTANTES D'ELASTICITE A PARTIR DES VITESSES DE GROUPE

UN MODELE THEORIQUE DES ULTRASONS GENERES EN REGIME THERMOELASTIQUE ET D'ABLATION EST PRESENTE. CE MODELE EST VALABLE PAR DES MESURES INTERFEROMETRIQUES ET PIEZOELECTRIQUES DES DEPLACEMENTS GENERES PAR LASER DANS L'ACIER ET DANS L'ALUINIUM. DEUX EXEMPLES D'APPLICATION AU CONTROLE NON DESTRUCTIF SONT PRESENTEES: LA DETECTION D'UN DEFAUT DANS UN RAIL ET LA MESURE D'ANISOTROPIE DE TOLES LAMINEES.

LE BUT DE CE TRAVAIL EST L'EXAMEN DE LA GENERATION D'ULTRASONS PAR LASERS EN MODE THERMOELASTIQUE DANS LES MATERIAUX NON-CONDUCTEURS, EN VUE DE LA CARACTERISATION DE LEURS CONSTANTES PHYSIQUES. LES TRAVAUX PRESENTES DANS CETTE THESE ONT UN ASPECT THEORIQUE ASSEZ MARQUE, DE PAR LA DESCRIPTION ET L'UTILISATION DE DEUX NOUVEAUX MODELES D'ULTRASONS-LASER QUASI-ANALYTIQUES, CHACUN S'APPLIQUANT A UNE GEOMETRIE DIFFERENTE DE L'ECHANTILLON. LA FORME DU PRECURSEUR EMIS PAR LA PENETRATION OPTIQUE A ETE TOUT PARTICULIEREMENT ETUDIEE. LA PREMIERE PARTIE DU MANUSCRIT CONSISTE EN UN RAPPEL SUCCINCT DE L'ETAT ACTUEL DES CONNAISSANCES EN ULTRASONS PAR LASERS, AINSI QU'EN UNE REVUE NON-EXHAUSTIVE DES DIVERS MODELES D'ULTRASONS-LASER DEJA EXISTANTS. LA SECONDE PARTIE COMPREND L'ELABORATION D'UN MODELE D'ULTRASONS GENERES PAR DILATATION THERMIQUE DANS LE CAS D'UN ENSEMBLE LASER-ECHANTILLON AXISYMETRIQUE ET D'UN ECHANTILLON SEMI-INFINI. DANS LA TROISIEME PARTIE EST EXPOSE UN DEUXIEME MODELE CAPABLE DE CALCULER LES DEPLACEMENTS GENERES PAR LASER, DANS TOUT LE VOLUME D'UNE PLAQUE ET SUR SES SURFACES, DANS LE CAS OU LA LONGUEUR DE DIFFUSION THERMIQUE EST FAIBLE DEVANT LA PROFONDEUR DE PENETRATION OPTIQUE. CE MODELE A ETE CONFRONTE AVEC SUCCES A L'EXPERIENCE. L'ETUDE EXPERIMENTALE EST EXPOSEE DANS LA QUATRIEME PARTIE. ELLE CONSISTAIT ESSENTIELLEMENT A PRECISER LES PERFORMANCES D'UN LASER A GAZ CARBONIQUE DE FAIBLE ENERGIE PAR IMPULSION, COMME LASER DE GENERATION POUR LA CARACTERISATION D'UN MATERIAU CERAMIQUE NON-CONDUCTEUR, L'OXYDE DE ZINC. IL EST APPARU QUE CE TYPE DE LASER ETAIT BIEN ADAPTE A LA MESURE DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DE CETTE CERAMIQUE PARTICULIERE, ET PROBABLEMENT DE TOUS LES MATERIAUX NON-CONDUCTEURS POSSEDANT UNE PROFONDEUR DE PENETRATION OPTIQUE IMPORTANTE

LA GENERATION ET DETECTION LASER D'ULTRASONS DANS LES MILIEUX ANISOTROPES EST ETUDIEE EN VUE D'APPLICATIONS POUR LA CARACTERISATION SANS CONTACT DES PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX. L'ETUDE DE LA PROPAGATION DES ONDES ACOUSTIQUES GENEREES PAR CE TYPE DE SOURCE AMENE LOGIQUEMENT A L'ANALYSE DES FONCTIONS DE GREEN. A CETTE FIN, LA REPONSE ELASTODYNAMIQUE D'UN DEMI-ESPACE ANISOTROPE ASSUJETTIE A UNE SOURCE RECTILIGNE OU PONCTUELLE EST OBTENUE PAR LA METHODE DE CAGNIARD-DE HOOP. LES ONDES TRANSITOIRES DE SURFACE SONT EXAMINEES ET NOTAMMENT LA FOCALISATION TRIDIMENSIONNELLE DE L'ONDE DE RAYLEIGH QUI APPARAIT POUR CERTAINS MILIEUX ANISOTROPES EST MISE EN EVIDENCE A TRAVERS UN CALCUL ORIGINAL DU DEPLACEMENT DE LA SURFACE SOUMISE A UNE FORCE PONCTUELLE. CE TYPE DE CALCUL ANALYTIQUE ET L'ANALYSE DES POINTS SINGULIERS DANS LE PLAN COMPLEXE DES LENTEURS DE PHASE DES ONDES ULTRASONORES S'AVERENT PRECIEUX POUR L'ECRITURE DE FORMULATIONS ADAPTEES A LA RESOLUTION DE PROBLEMES INVERSES PAR GENERATION ET DETECTION LASER D'ULTRASONS. CES PROBLEMES INVERSES CONSISTENT A DETERMINER LES CONSTANTES D'ELASTICITE DE MATERIAUX A PARTIR DE MESURES DE VITESSES DE PHASE OU DE GROUPE DES ONDES ULTRASONORES TRANSITOIRES DE VOLUME OU DE SURFACE. LA DETERMINATION COMPLETE DU TENSEUR D'ELASTICITE DE MATERIAUX ANISOTROPES EST ALORS OBTENUE PAR CETTE TECHNIQUE SANS CONTACT. IL EST ALORS ENVISAGEABLE DE DETERMINER LES PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX THERMOSTRUCTURAUX DANS LEURS CONDITIONS D'UTILISATION, SOIT A DES TEMPERATURES TRES ELEVEES.