Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Compression d’impulsions“

Les lasers de durées ultra-courtes, de l’ordre de la centaine de femtoseconde, sont actuellement des outils incontournables pour bon nombres d’applications industrielles ou académiques. Cependant leurs durées restent limitées par la technologie même de ces dispositifs. Par ailleurs, le développement de nouvelles fibres optiques microstructurées offre un guidage d’impulsions de hautes énergies dans des milieux gazeux permettant de ce fait la génération d’effets non-linéaires moteurs aux dynamiques de compression et de post-compression. Les travaux de cette thèse s’inscrivent donc dans ce contexte. Les études de dynamiques de compression d’impulsions ultra-courtes sont ainsi présentées. Les démonstrations d’auto-compression et de post-compression ont été faites à des longueur d’ondes de 343 nm et 1030 nm pour des régimes d’énergies allant de quelques microjoules à plusieurs centaines de microjoules pour des puissances moyennes jusqu’à 100 W. Des compressions de facteur 29 sont présentées faisant passer des impulsions de 580 fs à 19 fs via une dynamique de compression solitonique. De plus, cette technologie s’est vu intégrée dans une plateforme industrielle installée chez différents clients
Ultra-short pulse laser, hundred femtoseconds, are currently an essential tool for many industrial or academic applications. However, their duration remains limited by the technology which composed this device itself. In addition, development of new microstructured optical fibers offers high-energy pulse guidance in gaseous media, thus allowing the generation of non-linear effects, key parameter for pulse compression and post-compression dynamics. The work of this thesis is therefore part of this context. Studies of ultra-short pulse compression dynamics are presented. Self-compression and post-compression are demonstrated at wavelengths ranging from 343 nm to 1030 nm with energy from few microJoules to several hundred microJoules and average power up to 100 W. Factor 29 of compressions are presented, with solitonic dynamic pulse with duration of 580 fs are compressed down to 19 fs. In addition, this technology has been integrated into an industrial platform installed at various customers' sites

La course vers les impulsions ultra-courtes et énergétiques est en plein essor avec le développement de nombreuses applications. Dans ce manuscrit, plusieurs méthodes de réduction de la durée d'impulsion énergétique sont étudiées. La mise en oeuvre d’un système de post-compression basé sur le principe de SPM-NER dans une lame de silice a tout d'abord permis de produire, à partir d'impulsions de 50 fs, des impulsions de 16 fs-5mJ. Dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle méthode de post-compression efficace basée sur l'ionisation d'un gaz rare dans un capillaire creux. Cette technique a permis d'obtenir à la fois des impulsions ultra-courtes et des énergies importantes (11 fs-13 mJ). Les résultats d'une modélisation réalisée au CEA/SPAM, en bon accord avec les résultats expérimentaux, ont permis d'approfondir la compréhension des divers mécanismes mis en jeu. Afin de produire des impulsions encore plus courtes, il est nécessaire de travailler directement dans les chaînes laser, en amont du système de post-compression. Le rétrécissement spectral par le gain dans leTi:saphir des chaînes laser, limite en général les durées des impulsions à 30 fs. Ce phénomène, étudié lors de cette thèse, a été compensé grâce à une modulation de perte spectrale (filtre) dans le pré-amplificateur (cavité régénérative), localisée au maximum de la courbe de gain. Des impulsions de l’ordre de 20 fs ont été obtenues. Ces études ont été complétées par une modélisation de l'amplification des impulsions qui s'est avérée en très bon accord avec les mesures expérimentales. La possibilité de combiner ces procédés permettra, àcourt terme, la production d'impulsions laser sub-10 fs énergétiques (~10 mJ) pour générer des impulsions XUV attosecondes isolées
High energy ultrashort pulses are highly desirable for many applications. In thismanuscript, we described several methods for pulse duration reduction at high energy. A postcompressionsystem, using SPM-NER in a fused silica plate, has firstly provided 16 fs-5mJpulses, from 50 fs pulses. In a second part, we present a new efficient post compressiontechnique, achieved through ionization of gas in a capillary. With this technique, ultrashortand high energy pulses have been reached (11 fs-13 mJ). Results from modeling done atCEA/SPAM, in good agreement with the experimental ones, have been used to understanddeeply all the involved mechanisms. In order to get even shorter pulses, it is incontrovertibleto work on the laser chain, in front of the post-compression systems. In general, due tospectral gain narrowing in Ti:Saphir laser chain, the pulse duration is limited to 30 fs. Thiseffect, investigated in this thesis, has been compensated by modulating the spectral losses(filter) in the pre-amplifier (regenerative cavity), localized at the gain curve maximum. Pulseduration in the order of 20 fs has been obtained. This study has been completed with a pulseamplification model that shows very good agreement with the experimental measurements.The possibility to combine these processes should generate, in the short term, high energy (10mJ) sub-10 fs laser pulses to produce isolated XUV attosecond pulses

Les plus brefs flashs de lumière qui puissent être produits en laboratoire actuellement ont des durées de quelques dizaines d'attosecondes (1 as = 10-18 s), et ne peuvent être créés que dans le domaine extrême-ultraviolet (XUV). Le développement de composants optiques capables de contrôler et de mettre en forme ce rayonnement attoseconde est crucial pour permettre à ces impulsions de se généraliser. Cette thèse porte donc sur l'étude et la réalisation de tels composants.Les impulsions attosecondes ont la particularité de comporter une dérivée de fréquence intrinsèque au processus utilisé pour leur génération. Cela a pour effet d'augmenter leur durée. Nous avons donc développé des miroirs multicouches capables d'induire une dérive de fréquence opposée sur les impulsions s'y réfléchissant, permettant ainsi de les compresser. En caractérisant les impulsions attosecondes réfléchies par ces miroirs, nous avons pour la première fois observé une telle compression des impulsions attosecondes. Nous avons également développé des miroirs multicouches théoriquement capables de compresser des impulsions sous la barre symbolique des 50 as, soit en dessous du record actuel de durée d'une impulsion lumineuse.La mesure de ces impulsions requiert leur focalisation dans un spectromètre. Or les miroirs focalisants généralement utilisés peuvent très rapidement introduire des aberrations géométriques. A l'aide de simulations numériques et d'une étude analytique, nous avons montré que ces aberrations pouvaient très fortement déformer la structure spatio-temporelle des impulsions attosecondes, provoquant une augmentation de leur durée. Enfin, nous avons montré que ces effets n'étaient pas pris en compte par les techniques actuelles de caractérisation d'impulsions attosecondes, cela pouvant amener à mesurer une impulsion attoseconde plus courte qu'elle ne l'est en réalité.

De nos jours, diverses sources de lumière dans différentes gammes de longueurs d’onde jouent un rôle important tant pour les industries modernes que dans la vie quotidienne des gens, notamment dans les domaines du laser, de la détection, du traitement médical, de la biologie, des télécommunications, etc. La voie cruciale vers la génération de lumière dans une gamme de longueurs d’onde ciblée repose sur l’optique non linéaire, qui se concentre sur l’interaction de la lumière intense avec la matière, entraînant une con- version de fréquence. Avec le réchauffement climatique au centre des préoccupations, la demande de solutions énergétiquement efficaces ne cesse de croître. Parallèlement, la tendance croissante vers les dispositifs portables appelle à des technologies non linéaires innovantes, intégrées et légères qui peuvent être mises en œuvre dans des supports mobiles tels que les humains, les voitures, les drones et les satellites. L’émergence de la photonique sur silicium, qui utilise des matériaux compatibles avec la technologie du silicium tels que le silicium (Si), le nitrure de silicium (Si₃N₄) et le germanium (Ge) pour fabriquer des composants optiques intégrés, répond à ces besoins.Grâce à son indice de réfraction élevé, son abon- dance sur Terre et ses procédés de fabrication matures hérités de l’industrie des semi-conducteurs, la photonique sur silicium permet la création de dispositifs photoniques à haute fonctionnalité avec des avantages clés : faible coût, faible consom- mation d’énergie et évolutivité. En particulier, la forte non-linéarité et le haut indice de réfraction peuvent considérablement réduire la consommation d’énergie nécessaire pour les applications d’optique non linéaire. Au cours de ma thèse, je me suis concentré sur l’exploitation d’un aspect de l’optique non linéaire dans la photonique sur silicium : la génération de supercontinuum (SCG), une source à large bande spectrale qui peut être adaptée à des applications médicales, de spectroscopie et de métrologie, dans les guides d’onde en Si₃N₄. J’ai travaillé à optimiser tous les aspects de la SCG au sein d’une plateforme intégrée en Si₃N₄ afin de créer une solution hautement personnalisable et économe en énergie. Mon objectif ultime était de développer une SCG avec des exigences de puissance de pompe réduites, en adéquation avec les récents progrès dans les lasers à verrouillage de mode intégrés, et de produire un spectre adapté à diverses applications dans les gammes visibles et NIR.Mon travail inclut la fabrication et la caractérisation des guides d’onde dans un premier temps. Différentes méthodes ont été développées pour carac- tériser les pertes de propagation, la géométrie des guides d’onde et la dispersion des guides d’onde.Ensuite, une nouvelle condition de quasi-accord de phase sera ajoutée à l’ingénierie de la dispersion actuelle, apportant une grande flexibilité pour contrôler l’élargissement spectral. La clé réside dans la modulation de dispersion importante et contrôlable par la variation de la largeur du guide d’onde. Troisièmement, la compression d’impulsion auto-similaire est proposée sur la plateforme en Si₃N₄, où l’impulsion est amplifiée et compressée. Des simulations ont été réalisées pour déterminer les paramètres adéquats permettant sa réalisation dans un guide d’onde de 5 cm de long, y compris le gain, la puissance initiale de la pompe, la dispersion et la forme initiale de l’impulsion. Un nouveau compresseur d’impulsion est finalement présenté pour démontrer le potentiel de compression d’impulsions atteignant moins de 200 fs.Ce travail se concentre sur la réalisation de la SCG dans une plateforme de photonique sur silicium. Les méthodes innovantes présentées dans ce manuscrit offrent le potentiel de réaliser un système SCG totalement intégré sur puce, avec un élargissement spectral adaptable à diverses applications
Nowadays, various light sources in different wavelength ranges serve an important role both for modern industries and people’s daily lives, including laser, detection, medical treatment, biology, telecommunications, and so on. The crucial way to achieve a light source in a targeted wavelength range lies in nonlinear optics, which are centered on strong light interacting with matters to trigger frequency conversion. With global warming at the forefront of concerns, there is a growing demand for energy-efficient alternatives to current solutions. In the same time, the trend towards portable devices is on the rise. This shift requires innovative, integrated, and lightweight nonlinear technologies. These technologies should be suitable for various moving carriers, including humans, cars, drones, and satellites. These challenges can be addressed by the emergence of silicon photonics. This technology utilizes silicon (Si) compatible materials such as silicon nitride (Si₃N₄) and germanium (Ge) to fabricate on-chip optical components.Due to its high refractive index, abundant quantity on Earth, and mature fabrication inherited from the semiconductor industry, silicon photonics enables the creation of high-functionality photonic devices with key advantages: low cost, low power consumption, and scalability. Particularly, the high nonlinearity, high refractive index can drastically decrease the power consumption needed for nonlinear optics applications. During my thesis, I focus on exploiting one aspect of the nonlinear optics on silicon photonics: supercontinuum generation (SCG), a broadband source, the spectrum of which can be tailored for medical use, spectroscopy and metrology, in Si₃N₄ waveguides. I focused on optimizing every aspect of SCG within an integrated Si₃N₄ platform to create a highly customizable and power-efficient solution. My ultimate goal was to develop an SCG with reduced pump power requirements, aligning with recent advancements in integrated mode-locked lasers, and to produce a spec- trum suitable for various applications in the visible and NIR ranges.My work includes the fabrication and characterization of the waveguide in the first place. Different methods are developed to characterize propagation loss, waveguide geometry and waveguide dispersion. Then, a novel quasi-phase-matching condition will be added to the current dispersion engineering, bringing huge flexibility to control the spectral broadening. The key lies on the controllable large dispersion modulation through waveguide width variation. Third, self-similar pulse compression is proposed to Si₃N₄ platform where the pulse is amplified and compressed. Simulations are made to find out the adequate parameters that enable the realisation in a 5-cm long waveguide, including the gain, initial pump power, dispersion and initial pulse shape. A novel pulse compressor is finally presented to show the potential of pulse compression reaching below 200 fs.This work focuses on the realization of SCG within a silicon photonics platform. The innovative methods presented in this manuscript hold the potential for the realization of a fully integrated on-chip SCG system, with spectral broadening that can be tailored for various applications

Les microalgues présentent un vrai potentiel d’innovation dans les principaux secteurs industriels tel que l’énergie, l’agroalimentaire, la cosmétique et la santé. Elles sont considérées comme étant la solution privilégiée pour répondre aux besoins énergétiques futurs et ainsi permettre une transition des énergies fossiles vers les énergies renouvelables. Néanmoins, les systèmes de production à grande échelle à partir de microalgues nécessitent encore des améliorations afin de les rendre économiquement compétitifs et durables tout en préservant l’environnement.Ainsi, l’objectif de cette thèse consiste à évaluer une nouvelle voie pour l’extraction de composés d’intérêt à partir de microalgues et de caractériser leur performance en termes d’efficacité d’extraction. L’utilisation combinée de champs électriques pulsés, et de compressions mécaniques (à travers un système microfluidique dédié) en tant que prétraitements à l’extraction de composés lipidiques, riches en énergie, produits par la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, a donc été étudiée. Les mécanismes mis en jeu, à l’échelle de la cellule, ont été mis en évidence.Ce projet de thèse s’est déroulé dans le contexte d’une collaboration entre les laboratoires SATIE de l’ENS Paris-Saclay et LGPM de CentraleSupélec Paris-Saclay.Les résultats obtenus ont permis de confirmer le potentiel des technologies utilisées dans l’amélioration du rendement d’extraction de l’huile algale. Cette étude démontre notamment le rôle important de la paroi cellulaire de l’algue en tant qu’obstacle à une extraction optimale. Une étude approfondie de sa réponse physiologique aux prétraitements et aux conditions de stress est proposée
Microalgae have a real potential in the innovation of the main industrial sectors such as energy, food, cosmetics and health. They are considered as a promising solution to meet future energy needs and thus enable a transition from fossil to renewable energies. Nevertheless, large scale production systems using microalgae still need improvements to become economically competitive and sustainable while preserving the environment.Thus, the aim of this thesis is to evaluate an innovative approach for the extraction of compounds of interest from microalgae and characterize their performance in terms of extraction efficiency. The effect of combining pulsed electric fields and mechanical compressions (through a dedicated microfluidic system) as pretreatments for the extraction of lipids, energy-rich compounds produced by the microalga Chlamydomonas reinhardtii, was therefore studied. The mechanisms involved, at the cellular scale, were highlighted.This project took place in the context of a collaboration between the laboratories SATIE of ENS Paris-Saclay and LGPM of CentraleSupélec Paris-Saclay.The obtained results have confirmed the potential of the technologies to improve the algal oil extraction. Furthermore, this study demonstrates the important role of the algae’s cell wall as an obstacle to an optimal extraction. A comprehensive study of the microalgae’s physiological response to pretreatments and stress conditions is proposed

Les procédés de traitement de surface sont utilisés à l'échelle industrielle pour améliorer les performances de pièces mécaniques en introduisant des contraintes résiduelles de compression. Cette mise en compression de surface permet de limiter l'amorçage et la propagation de fissures dans le matériau. Ceci permet d'augmenter de façon significative la durée de vie en fatigue des pièces mécaniques ainsi traitées. L'utilisation de ces procédés dans l'industrie a démontré leur efficacité, mais aussi leurs limitations et inconvénients. Les défauts récurrents consistent en une profondeur traitée faible, une dégradation de l'état de surface (rugosité), des difficultés de contrôle, une contamination du matériau traité, etc. Ces défauts ont conduit à l'élaboration de nouveaux procédés innovants qui permettent de meilleures performances en évitant certains des inconvénients succinctement évoqués. Parmi ces procédés innovants, le traitement de surface par impulsion électromagnétique semble particulièrement intéressant. Ce procédé met en œuvre un puissant champ magnétique transitoire pour engendrer des forces de Laplace dans une pièce métallique et induire des contraintes résiduelles. Il n'existe que peu d'informations dans la littérature et il n'existe aucun dispositif expérimental de ce procédé. Cette thèse est dédiée à la conception et la réalisation d'un prototype de mise en compression électromagnétique. Le premier chapitre de cette thèse est un état de l'art des technologies de mise en compression et du procédé de mise en compression par impulsion électromagnétique. Ainsi, les besoins de ce procédé sont identifiés et les technologies pouvant répondre à ces besoins sont explorées. Le deuxième chapitre, après une sélection de la structure globale du dispositif, va consister aux dimensionnements des éléments du prototype EMP. Cette étude commencera avec une étude sur l'inducteur qui va être utilisé avant de continuer sur le dimensionnement du stockage d'énergie et de l'interrupteur de décharge. Afin de valider le dimensionnement des composants précédents, une simulation électromagnétique 3D du système est réalisée. L'assemblage du prototype est présenté dans le troisième chapitre ainsi qu'une première campagne d'essai sur un alliage d'aluminium. Deux types d'éprouvettes sont testées : une éprouvette fine pour vérifier visuellement la mise en compression (essai Almen) et une éprouvette massive afin d'évaluer la profondeur traitée. Une modélisation multiphysique 3D du procédé est réalisée afin de corréler ces résultats avec l'expérience. Dans un dernier chapitre, une étude exploratoire est menée sur un matériau ferromagnétique, le mumétal, pour visualiser l'influence des contraintes résiduelles sur les propriétés magnétiques de ce dernier
Penning processes are widely used in industries to apply compressive residual stresses into the most solicited part of mechanical pieces. In that way, the compressive residual stresses limit the priming and the propagation of micro-cracks in the material. This increases significantly the lifespan of the treated mechanical piece under fatigue stresses. These existing peening processes have proved their efficiency and also their limitations and weaknesses. The main recurrent defaults are a shallow depth of treatment, a degradation of the surface condition, a random control of the treatment, a material contamination, etc. These problems have led towards the development of news innovative peening processes which allow better performance avoiding some previous defaults briefly evoked. Among these news processes, the electromagnetic peening process seems especially interesting. This process uses high energy electromagnetic fields to induce Lorentz forces into a metallic piece and thus residual stresses. Actually, there is not much information about this process in the literature and no prototype was ever built. The work of this thesis is dedicated to development and realization of an electromagnetic peening prototype. The first chapter of this thesis adresses the state of the art of major peening processes actually in industrial use. Next, the electromagnetic peening process, or EMP process, is described and the electrical needs are exposed. A second state of the art is made about the technological solutions to respond to the EMP needs. The second chapter is about the conception of the EMP prototype with the electrical structure adopted in the previous chapter. The first step is about the inductor sizing to generate an electromagnetic field sufficient enough for a peening application. Next, the storage system is designed depending on the inductor parameters and finally the closing switch is created considering the electrical parameters used for the EMP process. To validate the previous results, a 3D electromagnetic simulation is done. The prototype assembly is presented in the third chapter and also the first experimental test on the EMP prototype. To begin with, an aluminium alloy with low yield strength is selected to be treated. Two different samples forms are used, a thin one, to realize a similar test to the Almen test and thick one to check the EMP depth of treatment. A 3D multiphysics simulation of these experiments is made and these numeric results are next correlated to the experimental ones. In the fourth chapter, an exploratory study is realized on the effects of the residual stresses on magnetic properties of ferromagnetic material, the mumetal

Divers radars sont développés pour des besoins d’aide à la conduite automobile de sécurité mais aussi de confort. Ils ont pour but de détecter la présence d’obstacles routiers afin d’éviter d’éventuelles collisions. La demande actuelle en termes de capteurs radars pour l’automobile connaît une croissance importante et les technologies employées doivent garantir de bonnes performances dans un environnement dégradé par les signaux interférents des autres utilisateurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons au développement d’un système radar performant en tout lieu et en particulier dans un contexte multi-utilisateurs. A ce propos, nous proposons de nouvelles formes d’ondes qui se basent sur la combinaison des codes fréquentiels de Costas et d’autres techniques de compression d’impulsion en exploitant les signaux de Costas modifiés. La conception adoptée permet, grâce à la diversité introduite, de synthétiser un nombre important de formes d’ondes. Nous avons, ensuite, exploité deux approches d’estimation des paramètres des cibles. La première, plutôt classique, se base sur le traitement Doppler dans un train d’impulsions cohérent. La deuxième, récente dans le domaine automobile, se base sur la technique dite de « Compressed Sensing ». Une adaptation de ces algorithmes pour les signaux proposés a été discutée dans des environnements bruités et multi-cibles. L’ensemble de ces travaux contribue à explorer de nouvelles formes d’ondes, autres que celles utilisées dans les radars actuels et à proposer un traitement innovant en réception, adapté aux radars en général et à l’automobile en particulier
Several driver assistance radars are developed for security and comfort requirements. Their goal is among others to detect the presence of obstacles for collision avoidance. The current demand in terms of automotive radar sensors experience a significant growth and the technologies being employed must ensure good performances especially in an environment degraded by interfering signals of other users. In this thesis, we are interested in developing a radar system which is effective in all situations especially in a multi-user context. For this purpose, we propose novel radar waveforms based on the combination of frequency hopping Costas codes and other pulse compression techniques, using modified Costas signals. The design approach allows to synthesize a significant number of waveforms, thanks to the high diversity introduced. Afterwards, we have exploited two estimation of target parameters approaches. The first one, quite classic, is based on Doppler processing in a coherent pulse train. The second one, recent in the automotive field , is based on the Compressed sensing techniques. An adaptation of these algorithms to proposed signals is discussed in noisy and multi-target environments. All these works contribute in one hand to explore novel radar waveforms, complement to those currently used in automotive radars and in another hand to propose an innovative processing at the receiver level, suited to radar applications in general and automotive ones in particular