Développement de méthodes opto-acousto-optiques pour l’imagerie tridimensionnelle de matériaux par ondes nanoacoustiques de compression et cisaillement

Imaging techniques, used to probe material properties at the nanometric scale, have been developed for many years in the aim of providing tools for the diagnostics in the material and medical science fields. Such nanoscale studies are important for the comprehension of macro-scale properties from the nanoscale structure of materials. The use of ultrafast lasers to generate nanoscale acoustic pulses is coupled to the time-domain Brillouin scattering (TDBS) detection technique to monitor the propagation of acoustic pulses in transparent samples. This PhD thesis focused on the development of a step-by-step signal processing procedure for revealing the 3-D reconstruction of the samples from TDBS scans. The procedure is divided in three steps: a first one to extract the acoustic content from reflectivity signals, a second step to compute the time-frequency evolutions of the acoustic content and finally a third step to shape the structure of the scanned samples from the results of the second step. The developed processing method has been employed to investigate the 3-D structure of two transparent polycrystalline materials: a high-pressure water (H2O) ice and a cerium dioxide, or ceria (CeO2), samples. The 3-D imaging of a buried inclined boundary between two grains in the ceria scan justified the extension of the TDBS theory to the case of acoustic pulse refraction with non-collinear probe light and acoustic pulse propagation directions.Des techniques d’ imagerie permettant de sonder les propriétés des matériaux à l’ échelle nanométrique ont été développées depuis de nombreuses années dans le but de fournir des outils de diagnostic dans les domaines de la science des matériaux et de la médecine. Ces études à l'échelle nanométrique sont importantes, car elles permettent de comprendre les propriétés macroscopiques des matériaux à partir de leur structure nanométrique. L'utilisation de lasers ultrarapides pour générer desimpulsions acoustiques nanométrique est couplée à la technique de détection de la diffusion Brillouin résolue en temps (TDBS) pour mesurer la propagation de ces impulsions dans des matériaux transparents. Cette thèse de doctorat s'est concentrée sur le développement d'une procédure de traitement du signal étape par étape dans le but de reconstruire la structure des échantillons en 3-D à partir des scans TDBS. La procédure est divisée en trois étapes : la première permet d'extraire le contenu acoustique des signaux, la seconde donne accès aux évolutions temps-fréquence du contenu acoustique et enfin la troisième forme la structure des échantillons scannés à partir des résultats de la deuxième étape. La méthode de traitement mise au point a été utilisée pour étudier la structure tridimensionnelle de deux matériaux polycristallins transparents : une glace d’ eau (H2O) à haute pression et un polycristal de dioxyde de cérium, ou céria (CeO2). L’ image 3-D de ceria met en évidence une frontière inclinée entre deux grains, justifiant l'extension de la théorie TDBS pour le cas de la réfraction des impulsions acoustiques, où les directions de propagation du laser sonde et des impulsions acoustiques ne sontplus colinéaires