Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Élargissement inhomogène des raies spectrales“

De nouveaux matériaux inorganiques actifs au laser, dopés avec des ions de thulium et d'holmium, ont été étudiés pour leur potentiel dans les lasers à accord large et ultrarapides fonctionnant dans la gamme spectrale infrarouge à ondes courtes de 2 à 3 μm. Les lasers émettant dans cette gamme spectrale trouvent de nombreuses applications, notamment dans les systèmes de télédétection par laser, la détection de gaz et la médecine. Ils sont utilisés comme systèmes amplificateurs pour la génération d’harmoniques d’ordre élevé, la génération de térahertz, et la conversion ultérieure de fréquence dans la région infrarouge moyen.La présente thèse de doctorat établit des relations entre les propriétés structurelles des matériaux cristallins d'oxydes et de fluorures, sous forme de monocristaux et de céramiques transparentes, et les propriétés spectroscopiques des ions dopants de thulium et d'holmium, ainsi que leurs caractéristiques laser, qui sont essentielles pour le développement des lasers. De plus, les processus physiques sous-jacents à un comportement laser inattendu sont révélés. Cette étude systématique des matériaux laser permet d'identifier les compositions les plus prometteuses pour le développement de lasers à large accordabilité et à impulsions ultracourtes.Cette étude se concentre principalement sur des matériaux présentant un élargissement spectral inhomogène significatif, se traduisant par des spectres d'absorption et d'émission larges et sans structure des ions dopants. Afin de promouvoir cet effet, plusieurs stratégies ont été envisagées, notamment l'agrégation d'ions de terres rares, le désordre de la structure locale, le désordre de composition dans les composés à solution solide et les bandes latérales de phonons résultant des interactions électron-phonon.La formation d'agrégats de thulium et d'holmium dans des cristaux de fluorure de calcium permet une opération laser efficace et à accord large autour de 2,1 μm. Une étude spectroscopique polarisée des propriétés d'émission des ions d'holmium dans des cristaux désordonnés d'aluminate de terres rares met en lumière ses propriétés spectrales à large bande et le rôle de l'émission assistée par multiphonons, qui se produit au-delà des transitions électroniques, dans les émissions laser inattendues observées dans les lasers à verrouillage de modes. Dans les céramiques à solution solide sesquioxyde du système ternaire yttria-lutécia-scandia dopées avec des ions de thulium, il existe une variation forte et presque linéaire de la force du champ cristallin avec la taille moyenne du cation formant l'hôte. Cette relation permet de personnaliser à la fois la position et la largeur de la bande d'émission au-delà de 2 μm en ajustant de manière appropriée la composition de l'hôte. Des opérations laser très efficaces des sesquioxydes dopés au thulium et à l'holmium autour de 2,1 μm et 2,3 μm ont été démontrées
Novel laser-active inorganic materials doped with thulium and holmium ions have been investigated for their potential in broadly tunable and ultrafast lasers operating in the short-wave infrared spectral range of 2 to 3 μm. Lasers emitting within this spectral range find numerous applications, including light detection and ranging systems, gas sensing, medicine. They are used as amplifying systems for high harmonic generation and terahertz generation, and further frequency conversion into the mid-infrared region.The present PhD thesis establishes relationships between the structural properties of oxide and fluoride crystalline materials, in the form of single crystals and transparent ceramics, and the spectroscopic properties of thulium and holmium dopant ions, along with their laser characteristics, which are essential for laser development. Moreover, the physical processes underlying unexpected laser behaviour are revealed. This systematic study of laser materials allows for the identification of the most promising compositions for the development of broadly tunable and ultrashort pulse lasers.This study mainly focuses on materials that exhibit significant inhomogeneous spectral line broadening, resulting in broad and structureless absorption and emission spectra of the dopant ions. In order to promote this effect, several strategies have been considered, including rare-earth ion clustering, local structure disorder, compositional disorder in solid-solution compounds, and phonon-sidebands arising from electron-phonon interactions.The formation of thulium and holmium clusters in calcium fluoride crystals enables efficient and broadly tunable laser operation around 2.1 μm. A polarized spectroscopic study of the emission properties of holmium ions in disordered calcium rare-earth aluminate crystals sheds light on its broadband spectral properties and on the role of multiphonon assisted emission, which occurs beyond electronic transitions, in unexpected laser emissions observed in mode-locked lasers. In solid-solution sesquioxide ceramics of the yttria-lutetia-scandia ternary system doped with thulium ions, there is a strong and nearly linear variation of the crystal-field strength with the mean size of the host-forming cation. This relationship allows for the customization of both the position and width of the emission band above 2 μm by appropriately adjusting the host composition. Highly efficient laser operations of thulium- and holmium-doped sesquioxides around 2.1 μm and 2.3 μm have been demonstrated

Calcul prédictif fiable des coefficients d'élargissement des raies d'absorption infrarouge de la vapeur d'eau perturbée par n::(2) et o::(2) au voisinage de la température ambiante ainsi qu'a haute température. Analyse détaillée des mécanismes de relaxation rotationnelle responsables des comportements observes. Extension au cas de 2 molécules toupie asymétriques

Après avoir posé le formalisme de base nécessaire pour la modélisation des profils de raies, ce travail examine l'effet Zeeman dans le cas général d'un émetteur arbitraire. Un modèle qui retient simultanément l'effet Stark et l'effet Zeeman est ensuite proposé, et appliqué, à plusieurs émetteurs dans les plasmas. Nous avons étudié par exemple les profils des raies d'émission Dα et D[delta] du deutérium, et de la raie 9-4 de He+, en prenant en compte les effets Doppler, Zeeman et Stark. Une étude a été menée sur un spectre du carbone neutre afin de caractériser la température des atomes au bord du plasma. Les spectres sont observés dans le visible par une visée parallèle à un neutraliseur du divertor ergodique du Tokamak Tore supra. Une analyse de l'importance relative de ces effets a été faite dans les conditions de densité (10[19] < Ne <10[20] m[-3]) et de température (10 < Te < 50 eV) que l'on rencontre dans les plasmas de bord du Tokamak Tore-Supra. Nous montrons que pour certaines conditions de plasma, la largeur de ces raies dépend à la fois de la température de l'émetteur, du microchamp électrique local du plasma, et du champ magnétique.

Ce travail a été consacré à l'étude des mécanismes collisionnels sur les profils des raies spectrales de la branche Q (bande fondamentale) de H2 sous l'influence de plusieurs perturbateurs (H2, He, Ne, Ar, Xe, N2 et H2O). Les expériences ont ete réalisées par spectroscopie Raman stimulé dans un large domaine de températures (de 296 k a 995 k pour certains mélanges) et a des densités voisines de 10 amagat. Ce travail a été fortement motivé par le diagnostic de la température dans un moteur fusée qui sera effectue par spectroscopie CARS a l'ONERA. Dans un premier temps, nous avons fait l'étude de la raie Q(1) de H2 perturbé par plusieurs gaz rares lourds (Ne, Ar et Xe); deux anomalies ont alors ete observées. En effet, les profils des raies sont asymétriques pour les mélanges très dilués en H2; par ailleurs, l'élargissement total ne varie pas linéairement avec la concentration du perturbateur. Ces phénomènes inhabituels (non observés pour d'autres molécules) ont été correctement décrits par deux modèles dans lesquels le déplacement collisionnel dépend du module des vitesses de la molécule radiative. Dans cette interprétation, l'élargissement total a deux contributions: l'élargissement collisionnel (homogène) et l'élargissement inhomogène (dû à une forte dépendance du déplacement en fonction de la température et à un différentiel de masse élevé entre la molécule radiative et le perturbateur). Ces modèles ont également permis d'interpréter les résultats obtenus pour le système H2-N2, où une non linéarité de l'élargissement total en fonction de la concentration a été observée. Par la suite, une étude des raies Q(J) (J=0 à 5) a été menée pour les systèmes H2-H2, H2-He et H2-H2O. Les anomalies precédemment décrites n'ont pas été observées pour le mélange H2-He; nous avons montré qu'il était cependant possible qu'un élargissement inhomogène contribue a l'élargissement total de la raie. Par ailleurs, pour ces systèmes, nous avons determiné les taux de transferts rotationnels inélastiques et le taux de déphasage vibrationnel élastique. Enfin, quel que soit le perturbateur, nous avons établi que le déplacement collisionnel des raies de H2 varie linéairement avec la racine de la température (exprimée en Kelvin)

Cette these repose sur une etude theorique et numerique de l'effet stark electronique. L'objectif de ce travail est d'apporter une meilleure description des mecanismes d'elargissement electronique afin de permettre une meilleure analyse des profils de raies experimentaux. Precisement, on s'interesse a certaines conditions de plasmas pour lesquelles des mesures experimentales recentes de raies d'emission de l'hydrogene suggerent que la validite des modeles collisionnels binaires standards devient discutables. C'est le cas des series de balmer et de paschen a nombre quantique principal eleve (n superieur a 8), observees dans certains plasmas de divertor des tokamaks, et des raies balmer alpha et paschen alpha, observees dans certains plasmas de decharges, de relativement hautes densites et faibles temperatures electroniques. En utilisant une approche en champ total, faisant intervenir le champ electrique cree par l'ensemble des electrons interagissant simultanement avec l'emetteur, nous proposons un modele d'elargissement electronique specifique a chacun des deux cas. Nous avons utilise une technique de simulation numerique, basee sur une methode de dynamique moleculaire, permettant d'acceder aux proprietes statistiques du champ electronique ainsi que d'obtenir des profils electroniques de reference. Les comparaisons avec les resultats obtenus par la simulation numerique ainsi que ceux obtenus experimentalement valident l'utilisation de tels modeles d'elargissement electronique. Nous presentons aussi une large etude sur les raies des series de balmer et de paschen a n eleve, qui conduit a une methode precise et rapide de diagnostic de densites electroniques dans les plasmas de divertors des tokamaks.

Pour interpréter les processus de collisions moléculaires, des modèles simples considèrent une relaxation collisionnelle des cohérences qui se présente sous une forme purement exponentielle. Le mécanisme d'élargissement correspondant se traduit par une forme de Lorentz qui se combine à l'élargissement doppler pour donner un profil de Voigt. En réalite, de tels modèles négligent la dépendance des taux de relaxation et de déplacement de fréquence de raie avec la vitesse relative des molécules partenaires, un effet qui conduit à un rétrécissement et une asymétrie du profil. Dans ce travail, l'effet de la distribution des vitesses sur les profils de raies a été étudié en utilisant les techniques des transitoires cohérents. Le modèle purement analytique qui a été développé pour modéliser les signaux temporels observes n'est autre que la transformée de Fourier du profil de Voigt généralisé (profil de Voigt dépendant de la vitesse). Les expériences ont été réalisées dans le domaine millimétrique sur la transition de rotation J=0-->1 de HC15N. L'influence de la température sur les taux de relaxation observés a été systématiquement étudiée dans l'intervalle 130-300 Kelvin. Ces expériences mettent en évidence des formes de raies qui s'écartent fortement du modèle habituel de Voigt : les rétrécissements et asymétries observes sont fortement corrélés avec le rapport des masses des partenaires de collision et dépendent du type d'interaction intermoléculaire mise en jeu. A partir d'une analyse détaillée des résultats obtenus sur la dépendance en température, combinée à des calculs théoriques bases d'une part sur le formalisme semi-classique d'Anderson-Tsao-Curnutte-Frost et d'autre part sur la diffusion moléculaire, nous avons montré que : dans le cas de collisions avec des atomes de gaz rares ou des molécules diatomiques, le rétrécissement des profils de raies est causé simultanément par l'influence de la distribution des vitesses sur les taux de relaxation et par les changements de vitesse induits par collision. Dans le cas de collision avec des molécules polaires, le rétrécissement et l'asymétrie observés sont bien expliqués par la dépendance des taux de relaxation et de déplacement de fréquence de raie avec les vitesses moléculaires.

Ce travail presente la mise en oeuvre d'un diffractometre de laboratoire a optique parallele et de methodes d'analyse microstructurale par diffraction des rayons x adaptees aux materiaux ceramiques nanometriques. Nous avons etudie les aberrations instrumentales du montage ainsi que leurs effets sur la precision angulaire et en intensite et propose differentes methodes de correction. Une etude complete des erreurs de statistique d'echantillon a revele les problemes poses par les faibles dimension et divergence equatoriale du faisceau incident. La fonction de resolution instrumentale a ete decrite a l'aide de cinq aberrations physiques et geometriques : les dimension et divergence equatoriales du faisceau incident, la resolution spatiale du detecteur, la dispersion spectrale et la transparence de l'echantillon. Le profil instrumental quant a lui a ete parfaitement modelise par une technique de simulation par suivi de rayons qui prend en compte tous les rayons emis par la source et atteignant le detecteur. Cette methode permet d'accommoder parfaitement la dissymetrie des raies due a la divergence axiale des rayons. La resolution angulaire est proche du dixieme de degre. L'analyse fine des profils de raies, associee a l'utilisation de la methode de rietveld et de methodes de regularisation, nous a permis : - de determiner la morphologie et la distribution en taille de particules nanometriques d'aerogel d'oxyde de titane anatase en fonction de la temperature de calcination des poudres ; - de mettre en evidence des differences de comportement vis a vis de la cristallisation de deux precurseurs sol-gels de la zircone, en etudiant notamment l'evolution des microdeformations et de la tetragonalite du reseau cristallin avec la dimension des grains ; - de mesurer les contraintes residuelles dans un materiau composite particulaire de spinelle-zircone.

Le travail presente aborde deux aspects de la spectroscopie moleculaire a haute resolution. La premiere partie, realisee dans le cadre d'un contrat esa, est consacree a l'etude des profils d'absorption de raie, dans le domaine millimetrique, de molecules ayant un role important dans la chimie de l'atmosphere terrestre, a savoir : co, n#2o, h#2o (par ses formes h#2#1#6o et h#2#1#8o), et o#3. L'analyse des figures experimentales a mis en defaut la forme de voigt, couramment utilisee pour decrire les profils d'absorption lorsque l'effet doppler ne peut-etre neglige. Dans le cas de co, n#2o, et o#3 sont mis en evidence, a partir du modele de galatry, un effet de retrecissement de dicke et, parfois, un phenomene d'asymetrie des formes de raie. Les coefficients d'elargissement collisionnel avec n#2 et o#2 comme gaz perturbateurs, sont determines pour quatre temperatures comprises entre 250 k et 350 k. La dependance en temperature de ces coefficients est etablie. Les resultats obtenus sont avantageusement compares aux valeurs theoriques issues du formalisme de robert et bonamy et, a celles issues d'autres techniques d'investigation. Dans la deuxieme partie de ce travail, une analyse est faite des spectres millimetriques de rotation, dans l'etat fondamental de vibration, d'un grand nombre d'especes isotopiques du chloroforme et du cyanosilane. Differentes approches de la structure a l'equilibre de ces molecules, combinant a la fois resultats experimentaux et calculs ab initio, sont presentees.

Cette these presente l'instrument arome, embarque en ballon stratospherique, depuis sa conception, sa mise en configuration de vol jusqu'au traitement et a l'exploitation des donnees astrophysiques qu'il a permis d'acquerir. Il a ete construit afin de mesurer l'emission diffuse en provenance du milieu interstellaire, dans des bandes d'emission infrarouges situees a 3. 3, 6. 2, 7. 7, 8. 6 et 11. 3 micron. Ces bandes deja observees dans des nebuleuses particulieres sont attribuees a des modes de vibration de molecules polycycliques aromatiques (pahs). Trois vols accomplis entre 1987 et 1990 ont permis la premiere detection de la raie a 3. 3 micron de l'emission diffuse de la galaxie. Le projet arome, ses objectifs, sa conception technique, les etalonnages, ainsi que les procedures necessaires a sa mise en configuration de vol sont decrits. Un logiciel permettant la restitution d'images fondee sur une methode dite de maximum d'entropie a ete developpe afin d'attenuer des oscillations parasites apparaissant autour du pic central de l'emission. Sa mise en uvre a fourni notamment une amelioration de la resolution spatiale du signal comparativement a celle obtenue avec des methodes plus conventionnelles. L'application de cette procedure a ete faite sur des observations concernant la region d'orion. L'interpretation astrophysique de ces donnees met en evidence l'augmentation du rapport des flux rayonnees respectivement dans la raie a 3. 3 micron et dans la bande spectrale a 12 micron, avec la distance aux etoiles excitatrices. Cette variation pourrait s'interpreter par une variation des taux soit d'hydrogenation des pahs, soit de leur metallisation