Contrôle et caractérisation de structures multicouches par ondes acoustiques guidées générées et détectées par laser // control and characterization of multilayer structures using guided acoustic waves generated and detected by laser

Topic description

La génération et la détection d'ondes acoustiques par laser présentent de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles basées sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques. Par exemple, l'absence de contact facilite la caractérisation d'échantillons de petites tailles et/ou de géométries complexes.
Cette thèse s'inscrit dans le développement de nouvelles approches opto-acoustiques pour le contrôle et la caractérisation non destructive de revêtements, en s'appuyant sur une exploitation théorique et expérimentale approfondie des ondes guidées obtenues par Ultrasons Laser. En effet, l'étude des films constitue aujourd'hui un enjeu scientifique et technologique majeur dans de nombreux domaines : transports, énergie, microélectronique, ingénierie des surfaces où la compréhension fine des propriétés mécaniques et des interfaces demeure un verrou.
Sur le plan théorique, la thèse développera un formalisme unifié de la génération thermoélastique et de la propagation des ondes guidées dans des structures multicouches, intégrant les éventuels effets de couplage et de rigidité interfaciale. Ce cadre sera exploité dans des méthodes inverses fondées sur l'analyse de la dispersion modale et des champs mesurés, afin d'identifier quantitativement les propriétés mécaniques effectives des revêtements. L'ambition est de dépasser les approches classiques de contrôle ultrasonore pour proposer une métrologie optique ouvrant de nouvelles perspectives en caractérisation avancée des matériaux stratifiés.
L'étude expérimentale proposée reposera entre autres sur l'utilisation de sources thermoélastiques optiques non conventionnelles, obtenues par des distributions spatiales élaborées de l'excitation laser. Ces sources « exotiques » permettront de contrôler de manière inédite la génération des ondes guidées, en favorisant sélectivement certains modes et en façonnant leur contenu fréquentiel et directionnel. La détection des champs de déplacement ultrasonores sera notamment effectuée par interférométrie holographique, offrant une mesure à haute résolution spatio-temporelle, particulièrement adaptée à l'analyse modale.
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Laser-based generation and detection of acoustic waves offer numerous advantages over conventional methods using piezoelectric transducers. For example, the non-contact approach makes it easier to characterize small samples and/or complex geometries.
This thesis focuses on the development of new opto-acoustic methods for the nondestructive testing and characterization of coatings, based on an in-depth theoretical and experimental exploitation of guided waves obtained via Laser Ultrasonics. Indeed, the study of thin films represents a major scientific and technological challenge nowadays across various fields including transport, energy, microelectronics, surface engineering where a detailed understanding of mechanical properties and interfaces remains a key bottleneck.
On the theoretical level, this thesis will develop a unified formalism for the thermoelastic generation and propagation of guided waves in multilayered structures, incorporating potential coupling effects and interfacial stiffness. This framework will be exploited in inverse methods based on the analysis of modal dispersion and measured fields to quantitatively identify the effective mechanical properties of the coatings. The ambition is to move beyond classical ultrasonic testing approaches to propose an optical metrology that opens new perspectives in the advanced characterization of stratified materials.
The proposed experimental study will rely, among others, on the use of non-conventional thermoelastic optical sources, obtained through elaborate spatial distributions of the laser excitation. These 'exotic' sources will allow for unprecedented control over guided wave generation by selectively favoring specific modes and shaping their frequency and directional content. The detection of ultrasonic displacement fields will notably be performed using holographic interferometry, offering high spatio-temporal resolution measurement particularly suited for modal analysis.
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Début de la thèse : 01/10/
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Enseignement supérieur