Dissertationen zum Thema „Rayonnement proche infrarouge“

Le rayonnement atmosphérique appelé nightglow est un phénomène se produisant à haute altitude (environ 90 km). Il consiste en l’émission d’un rayonnement suite à la désexcitation de certaines molécules et atomes (OH, Na, O2 et O). Il se répartit sur une large gamme spectrale, en particulier dans l’infrarouge et se propage jusqu’au niveau du sol. Le rayonnement nightglow constitue un marqueur important pour la haute atmosphère, permettant de remonter à la température, mais également à de nombreux phénomènes dynamiques comme les marées atmosphériques ou les ondes de gravité. Sa propagation au niveau du sol permet l’éclairage de scène terrestre et ainsi la vision nocturne à l’aide de caméras proche infrarouge. Afin de mieux connaître les fluctuations de ces émissions en fonction du temps à différentes échelles et en différents lieux sur la planète, la thèse s’est axée sur une étude observationnelle et une étude théorique. L’étude observationnelle a produit une climatologie à grande échelle par l’extraction du rayonnement issu des données de l’instrument GOMOS. Les campagnes de mesures réalisées au sol ont quant à elles mis en avant certains aspects dynamiques importants comme les marées et les ondes de gravité. Pour reproduire le rayonnement nightglow, il a été nécessaire de modéliser les réactions chimiques des nombreuses espèces présentes à haute altitude, le chauffage, la photodissociation de certaines molécules par le rayonnement solaire et la propagation du rayonnement vers le sol. Certains processus dynamiques ont été inclus comme la diffusion moléculaire, la diffusion turbulente et une paramétrisation des marées. Enfin, les résultats du modèle sont comparés aux observations satellitaires ainsi qu’au niveau du sol et des tests de sensibilité sont effectués pour estimer la réponse du rayonnement aux différents modules du modèle
The nightglow is an atmospheric radiation which occurs at high altitude (around 90 km). It comes from the desexcitation of specific molecules and atoms (OH, Na, O2 and O). It spreads over a wide spectral band, especially in the infrared and propagates to the ground level. The nightglow emission is an important mark for the high atmosphere, as it allows the retrieval of the temperature and many dynamic processes such as atmospheric tides or gravity waves. Its propagation to the ground level allows the illumination of terrestrial scene and therefore the night vision with the use of near infrared cameras. In order to have a better knowledge of the emission fluctuations as a function of time for various scales and at various locations, the work is focused on an observational and theoretical study. The observational study produced large scale climatology with the extraction of nightglow emission from GOMOS data. On the other hand, ground measurements highlighted some dynamical aspects such as tides and gravity waves. To model the nightglow emission, it has been necessary to take into account the chemical reactions of the species available at high altitude, the heating, the photodissociation process and the propagation of the emission to the ground. Selected dynamical processes have been included, such as the molecular and turbulent diffusion, and a tide parameterization. Finally, the results of the model are compared to the satellite and ground observations and sensitivity tests are run to estimate the response of the emission to the various modules of the model

Mon projet porte sur l'élaboration d'un microscope optique en champ proche (SNOM) sans ouverture fonctionnant dans le domaine de l'infrarouge et utilisant le rayonnement synchrotron de l'ESRF comme source de lumière infrarouge. Ce rayonnement a deux particularités bien adaptées aux études spectroscopiques: c'est une source de lumière blanche couvrant la bande du proche infrarouge de 5 a 15 um alors que les sources lasers accordables sont encore en développement. Il est très brillant et stable, a la fois dans le temps et dans j'espace. [DPG005] Une fois élaboré, le microscope sera applique a la spectroscopie infrarouge - essentiellement vibrationnelle - et le diagnostic des matériaux et des nanostructures qui sont d'intérêt actuel pour l'industrie micro et nanoélectronique [RCB +02]. Comme mon projet est très instrumental, le début a été consacré a la conception de tout un système de microscopie, a partir du zéro et avec tout le matériel nécessaire disponible a la fin de la première année. La seconde année a été consacrée a l'intégration et la mise en œuvre du dispositif expérimental, a la compréhension de ses fonctionnalités et a des essais de validation du nouveau outil. Après nous nous sommes pleinement engages dans la recherche et la compréhension de cet outil unique. Nous avons commencé par quelques résultats préliminaires, puis cela a été essentiellement une question de temps expérimental alloué pour obteni~ les résultats que nous avions visés. Notre configuration est unique et donc les travaux que nous avons pour référence sont ceux de groupes utilisant les mêmes techniques d'exploitation dans des conditions très différentes [WFA03; FWA05a; FWLA04; RGEH05; Hil04; GAS +OOb; Suk04; TKH04]. Notre principale difficulté est de détecter un signal faible. Je montrerai plus loin quelques calculs qui nous y ont fait croire. Notre groupe de référence a réussi a le faire dans des conditions plus simples que les nôtres, mais il est utile de rappeler que cela leur a pris 3 ans pour adapter la sensibilité de leur installation, ce qui concerne que ce sont des techniques très dures. Notre idée de départ était d'utiliser le rayonnement synchrotron comme source de lumière dans l'infrarouge en raison de ses caractéristiques. Il s'agit d'une source de lumière blanche, avec toutes les longueurs d'onde présentes en même temps, nous permettant d'effectuer une spectroscopie, ce qui signifie que nous obtiendrons une information chimique sur l'échantillon [Hil04; MGCS04]. Telle est la grande nouveauté en comparaison avec les autres travaux. Il s'est avéré que la lumière est assez faible ce qui rend la recherche du signal difficile. Notre installation doit alors être testée avec un laser, qui est de plusieurs ordres de grandeur plus puissant que le rayonnement synchrotron, et qui pourrait être un bon outil de débogage. Cela semble une bonne alternative pour mieux comprendre les points essentiels qui doivent être améliores dans notre système. Les lasers a utiliser pourraient être visible, infrarouge (C02), ou accordable. Pour la spectroscopie, les lasers accordables sont non seulement moins stables mais ils sont aussi plus limités dans la gamme spectrale sur la partie infrarouge proche du spectre, que le rayonnement synchrotron. Le synchrotron de l'ESRF est mon laboratoire d'accueil, et j'ai travaillé en collaboration avec le CEA-LETI pour le développement de cet outil
My project is concerned with the development of an infrared aperture- less scanning near-field optical microscope (SNOM) that will use the syn- chrotron radiation of the ESRF as source of infrared light. This radiation has two main particularities well-suited to spectroscopic studies: this is a white source of light covering the near infrared band from 5 to 15 J. . Lm where tunable laser sources are still under development and it is very bright and stable, both in time and space [DPG005]. Once developed, the microscope will be applied to the infrared spectroscopy - essentially vibrational - and di- agnosis of materials and of local nanostructures which are of current interest to the micro and nanoelectronic industry [RCB+ 02]. As my project is very instrumenta~ the beginning was dedicated to the conception of a microscope system, starting with nothing and having all the needed materials at the end of the flfst year. The second year was dedicated to the integration and implementation of the experimental setup, to the understanding of its functionalities and to trials for validating the new too\. Afterwards we were fully committed to researching and understanding this unique too\. We have started with sorne preliminary results and then it would essentially be a question of allocated experimental time until obtain- ing the resuhs that we had aimed for. Our setup is unique and therefore the works we have for reference are from groups using the same techniques operating under very different con- ditions [WF A03; FW A05a; FWLA04; RGEH05; Hil04; GAS+ OOb; Suk04; TKH04] Our main difficulty is in detecting a weak signa~ which we had expected to succeed. 1 will show later sorne calculations that made us believe so. One of our reference groups managed to do it in simpler conditions than ours, but it is worth recalling that it took them 3 years to adjust their setup sensitivity, thereby conflfffiing that these are very hard techniques. Our starting idea was of using synchrotron radiation as illuminating source in the infrared range because of its characteristics. This is a white light source, with all the wavelengths present at the same time, allowing us to perform spectroscopy, meaning that we will obtain chemical information of the sample [Hil04; MGCS04]. This is the big novelty comparing with the other works. It turned out that the light is rather weak which makes the search for the signal a difficult task. Our setup should then be tested with a laser, which is several orders of magnitude more powerful than the synchrotron radiation, and what might be a good debugging too\. This seems a good alternative to better understand what are the critical points that must be improved in our system. The lasers to use could be visible, infrared (C02 ), or tunable. For spec- troscopy, the tunable lasers are not only less stable but they are also more restricted in the spectral range to the very near infrared part of the spectrum than the synchrotron radiation. The ESRF synchrotron facility is my home lab, and 1 have worked in collaboration with the CEA-LETI for the development ofthis tool

Différents nanocristaux de composés semiconducteurs à base d’argent émettant dans le proche-infrarouge ont été synthétisés et caractérisés dans le cadre de ce projet. La synthèse de nanocristaux d’AgInSe2 de phase orthorhombique à partir d’un complexe Ag-In-thiolate sera d’abord présentée. L’évolution des ratios Ag:In:Se déterminés par spectroscopie dispersive en énergie des rayons-X montre que le mécanisme de formation de ce matériau implique l’incorporation progressive d’In3+ via échange cationique partiel sur des nanocristaux d’Ag2Se. Les nanocristaux obtenus ont aussi été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-visible, spectrofluorimétrie, diffraction des rayons-X et microscopie électronique à transmission. Selon les conditions réactionnelles, les nanocristaux peuvent être de forme sphérique, pyramidale, ou prismatique et émettent entre 800 nm et 1300 nm avec un rendement quantique allant jusqu’à 21%. Ces nanocristaux ont ensuite été recouverts d’une coquille de ZnS. Deux méthodes ont été utilisées : une à haute température et une à la température de la pièce. En utilisant la méthode à haute température, une coquille équivalente à 2 monocouches de ZnS a pu être ajoutée. Un décalage hypsochrome, une diminution de la largeur à mi-hauteur ainsi qu’une augmentation du rendement quantique de photoluminescence ont été observés. Cela a été associé à la diffusion du zinc à l’intérieur des nanocristaux. Avec la méthode à la température de la pièce, jusqu’à 3 monocouches de ZnS ont été ajoutées. Dans ces conditions, seul un léger décalage bathochrome de la photoluminescence a été observé. L’ajout d’une coquille a pu être confirmé par spectroscopie dispersive en énergie des rayons-X. Les nanocristaux recouverts de ZnS ont ensuite été encapsulés dans un copolymère amphiphile et dispersés en milieu aqueux, tout en conservant une bonne photoluminescence. Afin d’étudier les effets de la composition des nanocristaux, des solutions solides de CuxAg1-xInSe2 ont été obtenues en adaptant le protocole de synthèse des nanocristaux d’AgInSe2. Les nanocristaux obtenus après 60 minutes de réaction à 200°C ont une longueur d’onde d’émission allant progressivement de 1112 nm à 1450 nm pour des compositions entre AgInSe2 et Cu0.6Ag0.4InSe2. Dans le cas des nanocristaux de Cu0.8Ag0.2InSe2 et de CuInSe2, un important déplacement de la photoluminescence aux environs de 700 nm a été observé, probablement en raison de la plus petite taille des nanocristaux obtenus. Selon la composition, leur rendement quantique de photoluminescence varie entre 6% et 20%. En diffraction des rayons-X, on remarque un décalage progressif des pics vers les plus grands angles avec l’augmentation du ratio Cu:Ag ainsi qu’une diminution de l’intensité des pics caractéristiques de la phase orthorhombique, suggérant la miscibilité des solutions solides. Afin de montrer la versatilité de la méthode de synthèse développée, des nanocristaux d’AgInTe2 ont été obtenus en remplaçant le séléniure de tributylphosphine, utilisé dans la synthèse d’AgInSe2, par le tellurure de trioctylphosphine. Des nanocristaux émettant entre 1095 nm et 1160 nm ont ainsi été obtenus. Toutefois, ces cristaux ont une forme sphérique allongée et ont, au mieux, un rendement quantique de photoluminescence de 0,06%. En ajoutant de l’acétate de zinc au début de la synthèse, un décalage de la photoluminescence vers le bleu a été observé et le rendement quantique a pu être augmenté jusqu’à 3,4%. Finalement, les propriétés optiques des nanocristaux d’Ag2Se seront présentées. L’ajout d’une coquille d’Ag2S afin d’en augmenter le rendement quantique de photoluminescence a d’abord été tenté. Une importante diminution ainsi qu’un décalage bathochrome de la photoluminescence ont plutôt été observés. Afin de mieux comprendre ces résultats, l’étude des propriétés des cœurs d’Ag2Se a été nécessaire. Des nanocristaux d’Ag2Se avec un rayon allant de 0,95 nm à 4,7 nm ont donc été synthétisés et analysés par spectroscopie d’absorption UV-visible. L’énergie de la première transition observée tend vers 1,1 eV avec l’augmentation de la taille des nanocristaux, ce qui est significativement plus élevé que la valeur attendue de 0,15 eV. Leur concentration a été déterminée par analyse thermogravimétrique, permettant ainsi de calculer leur coefficient d’extinction molaire à différentes longueurs d’onde. Pour la première transition observée, cette valeur est proportionnelle à r02.7±0.2, alors qu’elle suit éventuellement la loi de puissance cubique classique prédite avec r0 à plus haute énergie.
Different near-infrared emitting silver-based semiconductor nanocrystals were synthesized for this project. First, orthorhombic AgInSe2 nanocrystals synthesized from an Ag-In-thiolate complex will be presented. Evolution of the Ag:In:Se ratio measured by energy-dispersive X-ray spectroscopy shows progressive incorporation of In3+ in Ag2Se seeds via progressive partial cation-exchange reaction. The resulting nanocrystals were studied by UV-visible absorption spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Depending on the reaction conditions, the nanocrystals can be spherical, pyramidal or prismatic and emit between 800 nm and 1300 nm with a photoluminescence quantum yield up to 21%. The nanocrystals were then covered with a ZnS shell. Two different methods were used: one at high temperature and one at room temperature. Two ZnS monolayers were added with the high temperature method. A hypsochromic shift, a narrowing of the FWHM and an increase in the photoluminescence quantum yield were observed. It was associated with diffusion of Zn inside the nanocrystals. With the room temperature method, up to three ZnS monolayers were added, but only a small bathochromic shift was observed. The presence of a shell was confirmed by energy-dispersive X-ray spectroscopy. The ZnS-covered nanocrystals were then encapsulated in an amphiphilic copolymer and dispersed in water, while maintaining a good photoluminescence. In order to study the effects of the nanocrystals’ composition, CuxAg1-xInSe2 solid solutions were obtained by adapting the synthesis protocol of AgInSe2 nanocrystals. Nanocrystals with a composition between AgInSe2 and Cu0.6Ag0.4InSe2 have shown progressive bathochromic shift of their photoluminescence, from 1112 nm to 1450 nm. An important shift of the photoluminescence around 700 nm was observed for Cu0.8Ag0.2InSe2 and CuInSe2, most likely due to the smaller size of the resulting nanocrystals. Depending on their composition, the photoluminescence quantum yield can be between 6 and 20%. X-ray diffraction patterns have shown a progressive shift towards larger angles with increasing Cu:Ag ratios and decrease in the intensity of the peaks characteristic of the orthorhombic phase. In order to show the versatility of this method, AgInTe2 nanocrystals were also synthesized by replacing tributylphosphine selenide, used for the synthesis of AgInSe2 nanocrystals, with trioctylphosphine telluride. Nanocrystals emitting between 1095 nm and 1160 nm were obtained. However, they had an elongated spherical shape and their best measured photoluminescence quantum yield was only 0.06%. By adding zinc acetate at the beginning of the synthesis, a blueshift of the photoluminescence was observed and the quantum yield was increased up to 3.4%. Finally, the optical properties of Ag2Se nanocrystals will be presented. In order to increase their photoluminescence quantum yield, the synthesis of an Ag2S shell was attempted. However, a decrease in photoluminescence and an important bathochromic shift were observed instead. To understand the results, a study of the Ag2Se cores properties was necessary. Ag2Se nanocrystals with an average radius between 0.95 nm and 4.7 nm were synthesized and analyzed by UV-visible absorption spectroscopy. The energy of the first observed transition tends towards 1.1 eV, which is significantly higher than the expected value of 0.15 eV. Their concentration was determined by thermogravimetric analysis, allowing the determination of their molar extinction coefficient at different wavelengths. At the first transition, this value is proportional to r02.7±0.2 and eventually follows the classically predicted cubic power law with r0 at higher energies.

Deux contraintes fondamentales limitent la précision de l'interférométrie ir des tavelures. La première est liée à la méconnaissance des propriétés statistiques de la turbulence atmosphérique, la deuxième est due à l'insuffisance théorique actuelle en matière de physique de la formation stellaire ou de celle de la formation de poussières dans les enveloppes circumstellaires. Une réponse au premier problème est l'abandon de l'interférométrie dans le plan image au profit du plan pupille. Pour le deuxième on peut avoir recours à des télescopes à pupille diluée. On discute de ces différentes méthodes et du couplage entre hautes résolutions spatiale et spectrale.

Les photocatalyseurs tels que l’oxyde de zinc (ZnO) peuvent minéraliser les polluants organiques toxiques et persistants dans les eaux usées. Ils ne sont cependant pas efficients dans les eaux très contaminées, suite à la nécessité d’une activation par une lumière UV qui n’y pénètre que faiblement. Dans ce projet, il est envisagé de surmonter les limites des photocatalyseurs évoqués par le développement de composites UCNP@SiO2@ZnO : avec (i) UCNP un coeur d’upconversion LiYF4:Yb3+,Tm3+ ayant le rôle de produire in situ de l’UV sous une excitation proche IR, (ii) @SiO2 un enrobage de silice ultrafin protégeant l’UCNP du milieu environnant et facilitant le dépôt de (iii) @ZnO, une couche de ZnO dont le rôle est de dégrader les polluants organiques, une fois activée par l’UV localement émis depuis l’UCNP. Après l’obtention des UCNPs par décomposition thermique, diverses méthodes de synthèse ont été employées pour former UCNP@SiO2@ZnO : @SiO2 par microémulsion en phase inverse ou par une méthode de Stöber modifiée, et @ZnO par hétérocoagulation ou par voie hydrothermale assistée par micro-ondes. Les propriétés luminescentes des UCNPs, avant et après enrobage de silice, ont été étudiées. La formation d’une coquille de ZnO a premièrement été réalisée sur des nanoparticules de silice modèles, avant transposition pour la préparation des UCNP@SiO2@ZnO d’intérêt. La morphologie tout comme les propriétés optiques, électroniques et photocatalytiques ont été caractérisées à chaque étape. Une compréhension des relations structure-propriétés dans UCNP@SiO2@ZnO a été conduite afin d’augmenter la synergie entre les trois composantes et d’obtenir des propriétés résultantes optimales
Photocatalysts such as zinc oxide (ZnO) can mineralize toxic and persistent organic pollutants present in wastewaters. Unfortunately, these photocatalysts loose part of their effectiveness because they need to be activated by UV light, which has a limited penetration depth in highly contaminated wastewaters. In this project, we envision to adress the limitations of classical photocatalysts by the development of UCNP@SiO2@ZnO composites that enclose : (i) UCNP: a LiYF4:Yb3+,Tm3+ core that enables the in situ generation of UV light under NIR illumination, (ii) @SiO2, a thin silica coating, whose role is to protect the UCNP core from photocatalytic corrosion and to allow the growing of (iii) @ZnO, a high surface area ZnO shell with tunable morphology, whose role is to decompose the organic pollutant upon activation by the UV-light emitted from the UCNP core. Once the UCNPs are obtained by thermal decomposition, they were encapsulated in a silica shell using reverse microemulsion or a modified Stöber process. The luminescence properties of the UCNPs, before and after silica coating, were investigated. Finally, the ZnO overcoating was formed either by heterocoagulation or by microwave-assisted hydrothermal synthesis. The methods were first optimized on model silica nanoparticles, before transposition to UCNP@SiO2 for the preparation of UCNP@SiO2@ZnO. The morphologies as well as the optical, electronic and photocatalytic properties of the resulting particles were caracterized at each step. An understanding on structure-properties relationship was conducted to improve the synergy between each layer and get optimal photocatalytic properties

Pour les décharges longues dans les tokamaks comme ITER, il est important de surveiller la température de surface des composants face au plasma (CFPs) par l'utilisation de diagnostics de thermographie infrarouge (IR). En thermographie IR, la température de surface des CFPs est basée sur la loi de Planck ou loi du corps noir. Les campagnes de Tore Supra ont montré que la luminance spectrale de ces surfaces, s'écartait de la loi du corps noir. La déformation spectrale de la luminance rend difficile la mesure des températures et compromet l'estimation de la densité de puissance des flux qui est déposée sur les CFPs. L'objectif de ce travail de thèse consistait à reproduire, caractériser et expliquer la déformation spectrale de la luminance. L'hypothèse retenue est un effet d'inhomogénéité surfacique de température. Cette hypothèse implique que la luminance mesurée est la contribution de plusieurs températures.

Les dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III ont des propriétés très intéressantes pour l’optoélectronique et la photonique dans l’infrarouge. Les hétérostructures formées par l’AlN et le GaN ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction de 1.75 eV et permettent donc de couvrir les deux extrémités du spectre électromagnétique infrarouge. Ces matériaux sont en outre caractérisés par des temps de relaxation ISB extrêmement courts et sont par conséquent des candidats potentiels pour le développement de composants optoélectroniques ultrarapides aux longueurs d’onde des télécommunications. D’autre part, grâce à l’énergie du phonon LO élevée dans ces matériaux, ces hétérostructures ouvrent la voie vers la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à la température ambiante. Dans ce contexte, je présente dans une première partie de ma thèse une étude théorique et expérimentale du transport électronique dans des hétérostructures GaN/Al(Ga)N simples comme les diodes tunnel résonnantes (DTRs) et plus complexes comme les multi-puits quantiques. La modélisation du transport quantique dans les DTRs AlGaN/GaN m’a permis de mettre en évidence la dépendance de résonance quantique du signe de la tension appliquée et de la composition des barrières. Du point de vue expérimental, je montre que le comportement électrique instable dans ces dispositifs est dû aux défauts dans le matériau. Dans les structures à multi-puits, je présente la première évidence expérimentale d’un transport tunnel résonnant reproductible. Dans une deuxième partie, je propose et développe plusieurs principes originaux de détecteurs à cascade quantique (QCD)s GaN/AlGaN entre 1 et 2 μm fonctionnant à la température ambiante. Je montre en utilisant des techniques de mesure de spectroscopie femtoseconde qu’ils sont intrinsèquement ultrarapides (picoseconde). Je développe aussi des micro-QCDs qui présentent une bande passante au-delà des 40 GHz. La conception des QCDs à plus grandes longueurs d’onde est discutée. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je présente une étude spectroscopique dans le THz de superréseaux à base de GaN. Je montre que l’utilisation de puits quantiques à marche de potentiel permet d’accorder l’absorption ISB dans le THz. Je présente ensuite la première démonstration de l’électroluminescence intersousbande de 2 à 9 THz
Intersubband devices based on III-nitrides have interesting properties for optoelectronics and photonics applications in the infrared. The heterostructures of these materials have a large conduction band offset of 1.75 eV and therefore allow covering the whole infrared electromagnetic spectral range. Furthermore, these materials are characterized by extremely short ISB relaxation times and are, consequently, potential candidates for the development of ultrafast optoelectronic devices at the fiber optics telecommunication wavelengths for fiber optics or for free space communication. On the other hand, thanks to the large LO phonon energy in these materials, these heterostructures offer the possibility of fabricating compact THz lasers operating at room temperature. In this context, I firstly present in this manuscript a theoretical and an experimental study of the electronic transport in simple AlGaN/GaN heterostructures namely resonant tunneling diodes and more complex structures such as multi-quantum wells based on III-nitrides. The modeling of the transport in RTDs shows the dependency of the current resonances on the sign of the applied voltage as well as the height of the double barrier. I also demonstrate that the experimentally observed electrical instabilities in these devices are due to the defects in the material. In the multiple quantum well structures, I give the first evidence of reproducible resonant tunneling transport. In chapter 3, I propose and develop several principles of quantum cascade detectors in the near infrared between 1 and 2 μm operating at room temperature. I demonstrate, using time-resolved bias-lead monitoring technique, that they are intrinsically very fast (picosecond). I also develop micro - QCD devices that have a -3 dB cut-off frequency beyond 40 GHz. The design of QCDs operating at longer wavelengths is discussed. In the last part of the manuscript, I present a spectroscopic study of GaN superlattices with ISB transitions in the far-infrared. I show that the utilization of step quantum wells allows to tune the ISB absorption frequency to the THz. I finally present the first demonstration of the intersubband electroluminescence from 2 to 9 THz in these structures

Les nitrures d’éléments III (III-N) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de dispositifs intersousbandes (ISB) : leur discontinuité de potentiel élevée en bande de conduction (1.75 eV) leur permet de couvrir une grande gamme de longueur d’onde du proche infrarouge jusqu’au Térahertz (THz), et enfin l’énergie élevée de phonon optique (90meV) laisse entrevoir la possibilité de réaliser des sources émettant dans le THz tout en fonctionnant à température ambiante. Mes travaux portent sur les détecteurs à cascade quantique (QCD) et sur les lasers à cascade quantique (QCL) à base de III-N fonctionnant dans le THz.Dans un premier temps, j’expose les concepts, la réalisation et la caractérisation de plusieurs détecteurs à cascade quantique (QCDs) à base de nitrures (AlGaN/GaN) fonctionnant dans le proche IR entre 1 et 2 µm.. Ensuite, je propose la conception de dispositifs devant fonctionner dans le THz. Je commence par décrire les difficultés inhérentes à l’obtention de transitions ISB dans la gamme THz dans les puits de nitrures polaires et je propose une approche pour les contourner. Je détaille après la conception de QCDs devant fonctionner à 5 et 6 THz. Puis, je propose une structure de QCL devant émettre à 2.5 THz.En parallèle, j’ai aussi travaillé sur les oxydes d’éléments VI (II-VI). Ces matériaux possèdent les mêmes avantages que les nitrures d’éléments III. J’ai caractérisé une série d’échantillons épitaxiés contenant des puits de ZnO/ZnMgO. Les mesures attestent de la présence d’une transition ISB et m’ont permis de donner une estimation de la discontinuité en bande de conduction, valeur jusque-là très mal connue
Nitrides are promising materials for producing intersubband devices (ISB): their high potential discontinuity in conduction band (1.75 eV) allows them to cover a wide wavelength range from near infrared to terahertz (THz), and finally the high energy optical phonon (90 meV) suggests the possibility of producing sources emitting THz while operating at room temperature. My research focuses on quantum cascade detector (QCD) and quantum cascade lasers (QCL) based on III-N operating in the THz.First, I outline the concepts, realization and characterization of several quantum cascade detectors (QCDs) based on nitrides (AlGaN / GaN) operating in near infrared between 1 and 2 microns. Then, I propose design of devices working in the THz range: I describe difficulties inherent in getting ISB transitions in THz fields in polar nitride quantum well. I detail the design of QCDs operating at 5 and 6 THz. Then I worked on QCL operating at 2.5 THz.In parallel, I also worked on VI elements oxides (II-VI). These materials have the same benefits as III nitrides. I characterized a series of samples containing quantum wells ZnO / ZnMgO. Measurements show the presence of ISB transitions and allow me to provide an estimation of the conduction band offset, which value was not well known prior to this work

Dans un tokamak, les composants faisant face au plasma absorbent et evacuent, en continu, des flux de puissance tres importants. L'objectif essentiel de ce travail a consiste a developper un systeme de mesure de temperature par cameras ccd, dans le proche infrarouge (890nm). A l'aide des lois du rayonnement et de mesures experimentales, nous avons etabli une procedure de transcription du signal de la camera, en temperature de l'objet observe. Elle permet d'evaluer les performances et les limites de ce systeme dans les conditions extremement severes d'exploitation de l'environnement d'un tokamak. Cette analyse montre qu'en situation quasi-ideale (en laboratoire), la plage des temperatures de surface mesurables s'etend de 600c a 2500c. En revanche, lorsque le flux thermique observe traverse un milieu perturbateur, tel qu'un plasma de densite moyenne (6. 10#1#9 m#-#3), les temperatures inferieures a 900c ne sont plus accessibles. Pour exploiter les images fournies par les cameras ccd, des outils de traitement specifiques, developpes autour du systeme d'acquisition ont ete mis en place sous ms windows. Ils permettent d'extraire les informations essentielles des images, de detecter des formes caracteristiques dans le plasma ou de realiser un examen photometrique conduisant a l'evaluation des temperatures de surface a surface a partir de l'ensemble des indications de la prise de vue. Cette etude se termine par l'analyse des processus d'echauffement des composants en contact avec le plasma, et plus particulierement d'un element essentiel de tore supra: le limiteur median activement refroidi pendant les chocs. A partir d'une description de la topologie magnetique et d'une modelisation du plasma de bord, une prediction de la repartition de la puissance sur cet element a ete developpee, puis validee a partir des donnees experimentales de la calorimetrie

De récentes études ont montré que les ondes électromagnétiques, proche d'une structure diffusante telle qu'une pointe de microscope à force atomique (AFM), peuvent être diffusées et détectées en champ lointain. Ainsi, la détection d'ondes de surface par microscopie optique en champ proche (SNOM) est une technique prometteuse dans le cadre des mesures thermiques aux petites échelles. Une telle technologie prend alors le nom de microscope TRSTM (Thermal Radiation Scanning Tunnelling Microscopy). Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit se scinde en deux étapes. La première a trait à nos travaux expérimentaux basés sur le montage d'un dispositif TRSTM. Nous en décrivons les différentes composantes, ainsi que les difficultés rencontrées liées à son fonctionnement. En outre, divers outils numériques, destinés à détecter et extraire tout signal périodique utile, sont développés. La seconde étape se concentre sur nos travaux numériques. Nous y proposons un modèle de diffusion d'ondes électromagnétiques basé sur la FDTD (Finite-Difference Time-Domain) et la transformation champ proche/champ lointain. Ce modèle a été validé par l'étude de dipôles, puis de sphères dispersives à proximité d'un substrat diélectrique. Alors, un certain nombre de simulations de diffusion d'ondes évanescentes par une pointe, de diverses formes et de divers matériaux, proche d'une interface, est présenté.

Cette thèse s’intéresse aux conséquences de l’interaction sonde-échantillon sur la formation des images en microscopie de champ proche à sonde diffusante (s-NSOM). A cette fin, un modèle analytique couramment utilisé est détaillé avant de présenter une méthode électromagnétique plus rigoureuse basée sur l’emploi de fonctions de Green dyadiques. Dans ces deux approches, les diagrammes de rayonnement du système sonde-échantillon sont obtenus et la dépendance du signal aux permittivités de la sonde et de l’échantillon est discutée. Expérimentalement, deux systèmes NSOM ont été mis en oeuvre. Le premier dans l’IR moyen, le second dans le proche IR. Dans l’IR moyen, différents réseaux sub-λ ont été imagés avec des sondes de différentes tailles. Une nette inversion de contraste est observée en deçà d’une certaine taille de sonde. Ce résultat suggère que des résonances induites par la sonde ont été observées, en accord avec la valeur de la fonction diélectrique de la nano-sonde, calculée via le spectre détaillé des modes phononiques en centre de zone. Si dans l’IR moyen les fortes variations de permittivité sont propices aux cartographies d’indice, dans le proche IR une grande partie des applications NSOM concerne la caractérisation de composants optiques intégrés où le but est plutôt d’imager le champ se propageant dans ces composants. Dans une dernière partie nous développons l’utilisation d’une sonde hybride flexible et nous caractérisons un guide d’onde à échange d’ions. La réponse en polarisation de ces sondes développées est alors étudiée
The probe-sample interaction in scattering type Near-field Scanning Optical Microscopy (s-NSOM) is investigated theoretically and experimentally. To understand this interaction, a commonly used analytical model is detailed as well as a more rigorous method based on a dyadic Green functions. In the simplest cases, both approaches give similar radiation patterns of the coupled probe-sample and the signal dependence to the probe and sample permittivities is then discussed. The case of tipenhanced resonances is notably highlighted. Experimentally, two s-NSOM setups were considered, one in the mid-IR spectral range and one in the near IR. In the former case, we have imaged several sub-λ gratings for different probe sizes. Interestingly, contrast inversions are obtained when the size is decreased suggesting that tip-induced resonances have been observed for the sharpest probe. Such behavior is in agreement with the probe permittivity value calculated via a model based on an elastic continuum medium theory recently developed to take into account phonon confinement. While in mid-IR, the large variation of the dielectric function induced by phonon resonances is favorable to refractive index mapping, in the near-IR most of the application is related to the characterization of integrated optical devices where the goal is mainly to image the field propagating inside the structures. Flexible hybrid probes have been fabricated and used to characterize an ion exchange waveguide. The polarization response of the nano-probes is studied experimentally. The Green technique is used to explain the observed trend

La maladie de Parkinson est la seconde pathologie neurodégénérative la plus fréquente après la maladie d’Alzheimer. Elle se manifeste par une mort progressive et continue des neurones dopaminergiques de la voie nigro-striée, accompagnée de troubles moteurs et non moteurs lourdement handicapants. La maladie de Parkinson touche près de 6,3 millions de personnes dans le monde, avec une répartition homogène sur l’ensemble de la planète. Il existe plusieurs thérapeutiques permettant de diminuer les symptômes des malades, dont les plus efficaces sont la dopa-thérapie et la stimulation cérébrale profonde. Toutefois, à ce jour, aucune stratégie visant à protéger les neurones dopaminergiques de la dégénérescence n’a démontré son efficacité chez l’humain. En parallèle, un nombre grandissant d’études montre le potentiel cytoprotecteur d’une illumination proche infrarouge. Récemment, plusieurs études ont démontré le potentiel neuroprotecteur de cette gamme de lumière sur des modèles rongeurs de la maladie de Parkinson. L’objectif du présent travail est de confirmer ce potentiel et d’optimiser son efficacité afin de préfigurer l’essai clinique à venir. Pour ce faire, avec les modèles MPTP souris et 6-OHDA unilatéral rat, nous avons étudié la faisabilité d’une illumination intracérébrale chronique, l’influence de la longueur d’onde, de la fenêtre temporelle de traitement (pré-, post-traitement), de la quantité globale d’énergie optique apportée (continu vs discontinu, nombre de flashs lumineux, énergie d’un seul flash), de la durée d’un flash et de la puissance optique appliquée sur l’efficacité thérapeutique. Nous démontrons ici la faisabilité d’une illumination intracérébrale chronique et son potentiel neuroprotecteur. Nous montrons par ailleurs que les longueurs d’onde 670 et 810 nm protègent toutes deux les neurones dopaminergiques dans nos modèles d’étude. Nous montrons une mise en place rapide des mécanismes de protection (< 20 min), et un maintien dans le temps pendant au moins 48 heures. De plus, nous observons qu’une illumination discontinue est préférable à une illumination continue. La quantité globale d’énergie optique appliquée semble ne pas avoir de rôle significatif sur l’efficacité du traitement. En revanche, il existe un seuil bas pour la puissance optique, qui semble régie par un effet « tout-ou-rien ». L’efficacité thérapeutique est également liée à la durée d’un flash lumineux, par « un effet en cloche », Tous ces résultats sont en adéquation avec la littérature scientifique qu’ils confirment et complètent. Couplés aux travaux sur primates non humains de mon équipe d’accueil, ils serviront de base de travail à la conception du futur essai clinique
Parkinson’s disease is the second most common neurodegenerative disease, after Alzheimer disease. It is characterized by a slow, continuous death of dopaminergic neurons in the nigrostriatal pathway, followed by severe motor and non-motor symptoms. Parkinson’s disease affects 6.3 million peoples, with a homogeneous distribution worldwide.There are several symptomatic strategies applied in clinic, such as the dopa-therapy (gold standard) and the deep brain stimulation. However, theses therapeutical approaches are not neuroprotective. Indeed, to date, there is no strategy able to effectively slow or rescue the course of the disease. Alternatively, a growing number of studies show the cytoprotective potential of a near infrared illumination. Recently, several studies showed the neuroprotective potential of these wavelengths in rodent models of Parkinson disease.The aim of this work is to confirm and optimize the efficacy of a near infrared treatment in Parkinson’s disease, as the first step for the future clinical trial.We used the MPTP mice and the 6-OHDA unilateral rat models to assess the feasibility and the effectiveness of an intracerebral chronical illumination. We also measured the influence of the wavelength, the time window (pre-, post-treatment), the global optical energy delivered (continuous vs discontinuous, number of flashs, energy of one flash), the duration of one flash and the optical power on the therapeutical efficacy.We demonstrate here the feasibility of an intracerebral chronical illumination and its neuroprotective potential. We show that the 670 and 810 nm wavelengths both protect the dopaminergic cells in the rodent models, and produce a quick activation of the protective mechanisms (< 20 min). The neuroprotective effect stays effective at least 48 hours after the illumination. Moreover, we show that a discontinuous illumination seems better than a continuous one. The global optical energy delivered has no significant influence on the efficacy. In contrast, the optical power has an everything-or-nothing effect. The therapeutic efficacy is also flash duration dependent (bell effect).All these results confirm and complete the scientific literature. Together with the work on non-human primates from my team, these results will be useful to design the future clinical trial

La miniaturisation des transistors atteignant aujourd’hui des tailles de l’ordrede la dizaine de nanomètres a introduit des problèmes de contrôle de la chaleuraux courtes échelles. Ce défi industriel, parmi d’autres, a permis l’émergencede l’étude des transferts thermiques à l’échelle nanométrique. Un des axes derecherche de cette thématique concerne le rayonnement de champ proche. Ils’agit de comprendre le comportement des ondes thermiques sur des distancesinférieures à leur longueur d’onde. A cette échelle les ondes contenant la densitéénergétique la plus importante sont des ondes évanescentes, confinées ensurface. Le phonon-polariton de surface (PPS) en est un type : c’est une ondeévanescente se propageant à la surface de matériaux polaires et diélectriques.L’objectif de ce travail de thèse est d’examiner la propagation de PPS le longde la surface de tubes de verre micrométriques, et de montrer en quoi cettegéométrie favorise le transfert de chaleur par le biais de ces ondes.Une étude théorique a été menée pour justifier l’utilisation de ce guide d’ondesde chaleur dont la conductivité thermique peut être jusqu’à doublée grâce auxPPS. La présence des PPS est ensuite détectée expérimentalement. En effetla diffraction de ces ondes à la pointe du tube est décelée par un ensemblemicroscope-spectromètre à transformée de Fourier IR. Le spectre du rayonnementobtenu prouve la diffraction de PPS grâce à leurs signatures spectralesspécifiques
Miniaturization of transistors, whose sizes reach a few tens of nanometers nowadays,implies new problems of heat control at very short scales. This big challenge among others enabled the emergence of nanoscale heat transfer as a new research domain. Near-field heat transfer is one of the axis of this thematic.It concerns the behavior of thermal waves at a scale shorter than their wave lengths.Under these conditions the waves with the highest energy density are evanescent, that is confined at the surface. Surface phonon-polariton (SPhP) is a particular case of an evanescent wave propagating at the surface of a polar dielectric material. This PhD work consists in examining SPhP propagation along the surface of micrometric glass tubes and in proving the ability of these waves to enhance heat transfer in these systems.A theoretical analysis has been carried out to justify the use of such heat waveguides whose thermal conductivity can be doubled due to SPhP. The experimental detection of those waves based on their diffraction at the tip of the glass tubes is then presented. This emission is measured thanks to the assembly of a microscope and a Fourier-transform IR spectrometer. The presence of SPhPs is proved through measured spectra exhibiting their characteristic spectral signature

L’objectif de cette thèse est de développer un nouveau matériau photopolymère pouvant être microstructuré dans la gamme de longueur d'onde du proche infrarouge (NIR). Le but final de ce travail est de proposer des solutions innovantes pour l'intégration de micro-optique sur les VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), sources lumineuses miniaturisées utilisées dans de nombreuses applications en optique, photonique, capteurs ou biologie. Le verrou technologique principal a consisté à développer et étudier le photopolymère adéquat pour la microfabrication déclenchée par le VCSEL. La difficulté principale tient à la longueur d'onde de photopolymérisation qui est fixé par le VCSEL et qui a obligé à développer un système moléculaire nouveau pour une polymérisation radicalaire à 780 et 850 nm. Une part importante du travail a consisté à étudier les mécanismes photophysiques et photochimiques des matériaux permettant de proposer des systèmes efficaces, sur le plan de la photophysique, de la photochimie de photopolymérisation et également une approche originale a été développée pour appréhender de façon quantitative les phénomènes de diffusion du colorant dans la matrice polymère. Sur la base des systèmes moléculaires proposés, la démonstration de l'intégration de microlentilles sur VCSEL par ce procédé innovant a pu être démontré. Les VCSELs lentillés ont été caractérisés et des propriétés très intéressantes pour la focalisation ont été démontrées
The objective of this thesis is to develop a new photopolymer material that can be microstructured in the wavelength range of near-infrared (NIR). The ultimate aim of this work is to propose innovative solutions for micro-optical integration on VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). These miniaturized light sources are used in many applications in optics, photonics, sensors or biology. The main technological challenge was to develop and explore a new photopolymer compatible with a microfabrication initiated by the VCSEL. The main difficulty was to develop a new molecular system for radical polymerization at 780 and 850 nm, which is the wavelength emitted by the VCSEL. An important part of the work consisted to study the photophysical and photochemical mechanisms of this photopolymer in order to provide efficient systems in terms of photophysics, photochemistry of the photopolymerization. An original approach was developed to quantitatively apprehend the phenomena dye diffusion in the polymer matrix. Based on the proposed molecular systems, demonstrating the integration of microlenses on VCSELs by this innovative process could be shown. The lensed VCSELs have been characterized and very interesting properties for focusing have been demonstrated

Les travaux présents dans ce mémoire concernent l'imagerie par voie optique proche infrarouge dans un milieu qui diffuse la lumiere. L'application visee est une imagerie in vivo de l'intérieur des tissus biologiques. Deux techniques expérimentales différentes, opérant en configuration de retrodiffusion, ont ete développées. Leur principe commun est la sélection temporelle de la lumière revenant de l'objet éclaire. Pour la première technique, l'amplification paramétrique optique en régime femtoseconde a permis la réalisation d'une porte temporelle de 200 femtosecondes. Les images résolues temporellement sont obtenues a la cadence vidéo, directement a deux dimensions. Le choix d'un accord de phase non colineaire de type ii permet a la fois l'optimisation de la résolution spatiale latérale et l'obtention des images résolues temporellement sur fond noir. Les performances de cette technique ont été évaluées a travers différents milieux artificiels, liquides ou solides, qui diffusent plus ou moins fortement vers l'avant. Pour la seconde technique, une diode superluminescente remplace avantageusement la source laser femtoseconde de la technique precedente. C'est alors la faible longueur de cohérence temporelle de la source lumineuse qui permet la selection temporelle du signal lumineux grâce a une mesure interferometrique. Pour cette technique, connue sous le nom de tomographie optique cohérente (oct), nous avons mis en uvre un système de détection hétérodyne en modulant la phase du faisceau signal grâce a l'effet electro-optique. Des images de tissus biologiques, acquises point par point, ont pu ainsi être réalisées : par exemple une coupe longitudinale d'un il de lapin et une image 2d, perpendiculairement a sa surface, d'un oignon.

L'Optique Adaptative (OA) est une technologie mature qui permet de corriger les effets de l'atmosphère sur la formation des images. Les futurs systèmes nécessitent toutefois des développements dans le domaine de l'astronomie afin d'augmenter la couverture du ciel. L'avènement des matrices de PhotoDiodes à Avalanche (APD) est en ce sens prometteur, en permettant l'analyse de front d'onde faible flux du visible au proche infra-rouge. D'autres domaines cherchent également à bénéficier de l'OA, tels que la surveillance de l'espace ou les télécommunications optiques en espace libre. L'intégration du banc d'OA ODISSEE à l'OCA offre un accès au ciel pour valider les nouveaux concepts dans chacun de ces domaines. Nous présentons dans ce mémoire la démarche suivie afin d'étalonner et optimiser le banc. Une analyse fine des sources d'erreur est réalisée à partir d'une caractérisation complète du système et de ses résultats en fonctionnement, appuyée par une modélisation au préalable recalée. Ces travaux permettent de guider les améliorations futures du banc en termes d'optimisation, et représentent de plus un gain en opérabilité dans les domaines de la surveillance et des télécommunications, où ODISSEE a acquis un statut unique en Europe. Parallèlement, nous préparons la mise en oeuvre en analyse de front d'onde d'un détecteur APD, autour de l'étude de la caméra RAPID. Il s'agit d'étudier l'impact en OA des défauts de cosmétique, et du bruit spatial fixe. Nous en proposons une modélisation et simulons sa propagation. Ces travaux ouvrent la voie à la conception d'un ASO RAPID optimisé, exploitant l'avancée majeure pour l'OA que constitue cette nouvelle génération de détecteurs
Adaptive Optics (AO) allows the correction of the atmospheric effects on the images. This technic is today mature in astronomy. However the future systems require more advanced developments to increase sky coverage. In that, recent Avalanche PhotoDiodes (APD) arrays are promising by providing possible low flux wave-front sensing from visible to near infra-red. Other applications are also searching for take advantage of AO, like space observation or free space optical telecommunications. The integration of the ODISSEE AO bench at the OCA provides a sky acces for new concepts validation in many fields. We present in this PhD thesis the approach to calibrate and optimize the bench. We carry out a detailed analysis of error sources from a complete characterization of the system and of its results in operation, supported by a fitted modeling. These works enable guide future bench optimization works, and represent a gain in terms of operability for space observation and telecom, where ODISSEE has an unique status in Europe. In parallel we prepare the implementation of APD array for Wave-Front Sensing (WFS), by studying the RAPID camera. This involves analysing the impact of cosmetic and Fixed Pattern Noise (FPN) propagation on WFSensing in AO. Therefore we propose a FPN modeling and its propagation in AO. These works allow to design an optimize a RAPID wave-front sensor, taking advantage of the major breakthrough of APD arrays for AO

Après une étude théorique, puis modélisée, de l'analyse d'une image dans le plan focal d'un télescope par un détecteur à deux dimensions (chapitre 1) et un bref rappel de physique du solide (chapitre 2) on étudie un détecteur infrarouge bidimensionnel de 32x32 l'IRCCD. La description d'une caméra astronomique basée sur ce détecteur, et des choix effectués dans sa réalisation est donnée (chapitre 3). L'attention est portée sur les problèmes de l'observation sous fort flux de photons du fond. Un chapitre entier est consacré à une étude détaillée de l'IRCCD et de ses caractérisriques (chapitre 4). On décrit ensuite l'ensemble du système monté sur télescope, ainsi que les procédures d'observation adoptées (chapitre 5). Quelques résultats de mesure et de calibration sur télescope sont proposés. Le dernier chapitre est consacré à la présentation de résultats astrophysiques préliminaires.

Le développement de sources lasers monomodes et accordables constitue un enjeu important dans plusieurs domaines en fort développement telle que la métrologie, les senseurs optiques, la spectroscopie, le traitement optique de l'information ou la médecine. Dans cette thèse nous faisons le point sur les limites des technologies actuelles, puis nous montrons comment les surpasser à travers la conception et l'étude physique de lasers à semiconducteur de haute cohérence émettant dans l'infrarouge. Nous nous intéressons particulièrement aux VECSEL dans le but d'obtenir un fonctionnement monofréquence accordables et robustes. Nous traitons de la conception et de la caractérisation de ces lasers, depuis l'optimisation du milieu à gain jusqu'à l'élaboration de prototypes laser fonctionnels. Nous effectuons ensuite une étude approfondie des propriétés physiques de la source. Les différents sujets abordés traitent de nombreux aspects de l'optoélectronique tels que la physique du solide, l'optique traditionnelle et quantique, la technologie des matériaux, la thermique, ect. Les travaux présentés ici ouvrent la voie à de nombreux développements liés aux VECSEL et à leurs applications.

Nous couplons des sources de rayonnement infrarouge et un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) avec un microscope optique en champ proche (SNOM) à pointe diffusante pour sonder les propriétés optiques locales de la matière avec une résolution spatiale sub-longueur d'onde.Nous étudions l'émission thermique de champ proche d'un échantillon constitué d'une couche d'or recouvrant partiellement du carbure de silicium, puis d'un empilement de nano-couches semi-conductrices. Nous révélons expérimentalement la présence d'ondes de surface se propageant aux différentes interfaces de ces échantillons, en imagerie et en spectroscopie. Nous sondons l'évolution spatiale du spectre de la densité locale d'états électromagnétiques grâce à l'imagerie hyperspectrale super-résolue de l'émission thermique de champ proche. Nous montrons que la résolution spatiale et le contraste entre les structures diminuent lorsque la distance à laquelle la sonde effectue les balayages augmente.Nous couplons notre SNOM et un FTIR avec le rayonnement synchrotron et démontrons la capacité d'un tel couplage de mener des études de nanospectroscopie dans l'infrarouge moyen en l'illustrant sur les échantillons précédemment mentionnés. Nous démontrons l'imagerie térahertz super-résolue à l'aide du rayonnement synchrotron.Nous étudions expérimentalement l'influence de l'illumination sur les images obtenues en SNOM et montrons que la détection de l'émission thermique de champ proche permet d'obtenir des images exemptes de distorsions et donc plus simples à interpréter que celles obtenues en utilisant un laser monochromatique ou l'émission thermique de champ lointain. Nous développons un mode d'imagerie 3D
We couple infrared sources with a scattering near-field scanning optical microscope (SNOM) combined with a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) in order to probe the local optical properties of matter with sub-wavelength spatial resolution. We study the near-field thermal emission of a surface made of silicon carbide and gold, and then of a semiconductor-based multilayer. We reveal experimentally the presence of surface waves propagating at the different interfaces of these samples, by imaging and spectroscopy. We probe the spatial evolution of the electromagnetic local density of states spectrum thanks to super-resolved hyperspectral imaging of the near-field thermal emission. We show that spatial resolution and contrast between the structures decrease as the distance at which the probe performs the scans increases. We couple our SNOM and FTIR with synchrotron radiation and demonstrate the capability of such coupling to perform nanospectroscopy studies in the mid-infrared range by investigating the samples mentioned above. We demonstrate super-resolved terahertz imaging using synchrotron radiation. We experimentally study the influence of the illumination on the images obtained in SNOM and show that the detection of the near-field thermal emission provides distortion-free images and therefore are easier to interpret than those obtained using a monochromatic laser source or far-field thermal emission. We also develop a 3D imaging technique

Ce memoire presente des etudes magneto-optiques realisees dans le proche infrarouge de systemes bidimensionnels construits a partir des alliages cdhgte ou gainas. Les structures symetriques cd#yhg#1#-#yte/cd#xhg#1#-#yte ont ete etudiees sous champ magnetique (0,20 t) en luminescence et en abosorption. Les variations de formes quadratiques de la position des raies de luminescence sous champ montrent que la transition observee dans ce type de systemes fait intervenir une forte energie de liaison entre les porteurs des bandes de conduction et de valence. Nous l'avons d'ailleurs interpretee comme une transition entre donneurs et accepteurs distribues aleatoirement dans les structures. Les structures symetriques al#yin#1#-#yas/ga#xin#1#-#xyas/al#yin#1#-#yas dopees donneurs si dans les barrieres et accepteurs be au centre des puits ont permis de nombreuses analyses sous champ magnetique. Le comportement d'un gaz bidimensionnel d'electrons cree par les techniques de dopage a ete ainsi etudie a travers la recombinaison radiative entre les electrons libres et les trous lies aux accepteurs be. Les oscillations du rayon de bohr des accepteurs, causees par les variations du pouvoir d'ecrantage du gaz d'electrons 2d ont ete tres bien mises en evidence : l'etude des spectres en fonction de la temperature et du facteur de remplissage, l'evolution en fonction du champ de l'intensite totale du niveau de landau n = o montrent que pour les facteurs de remplissage pairs, l'efficacite d'ecrantage du gaz 2d presente des minimums relatifs qui generent des minimums dans les variations du rayon de bohr. Les variations du premier moment et du second moment du spectre soulignent l'interet des etudes magnetooptiques dans le cas de la transition electrons-accepteurs pour mesurer les gaps entre chaque niveau de landau apparaissant dans les etats de l'effet hall quantique.

L'étude du comportement électromagnétique des détecteurs infrarouge à puits quantiques (QWIPs et QCDs) est longtemps resté insuffisant, le développement de ces détecteurs depuis une dizaine d'années s'étant surtout orienté sur l'optimisation du transport dans la couche active. Ce n'est que très récemment qu'un formalisme adéquat au traitement du champ proche a été mis en œuvre pour modéliser ces réseaux. L'étude du réseau de couplage sur ces structures peut désormais bénéficier des travaux de recherche récents sur la plasmonique et les métamatériaux. L'enjeu de ces recherches est de dépasser la simple fonction de couplage et d'imaginer des structures optiques assurant des fonctions supplémentaires. Nous démontrons notamment la possibilité de discriminer la polarisation de l'émission corps noir avec un réseau unidimensionnel. En se basant sur les propriétés de dispersion des interfaces métal/diélectrique structurées, présentant une bande interdite photonique, nous avons réussi à concentrer l'intégralité du signal incident dans une distance inférieure au quart de la longueur d'onde. Nous proposons d'utiliser cette structure sur des pixels implantés pour augmenter le rapport signal à bruit. Nous proposons trois solutions technologiques de contact supérieur permettant de remplir aux mieux son double rôle : électrique et optique. Nous nous intéressons également à la modification du photocourant due à la présence d'impuretés dans les puits. Ces travaux devraient permettre à la fois une optimisation plus efficace du couplage électromagnétique ainsi qu'à plus long terme, la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques intégrées au pixel.

Les nuages sont l'une des principales sources d'incertitudes de la prévision du climat futur de la Terre. L'étude présentée vise à développer des méthodes affinant la description tant macrophysique que microphysique des nuages à partir de mesures aéroportées. Ces méthodes peuvent être à terme appliquées à des mesures spatiales du type de celles du train de l'espace, l'A -train. A cet effet, les mesures de deux radiomètres (POLDER et MiniMIR) et d'un lidar (LEANDRE) acquises pendant la campagne aéroportée FRENCH/DIRAC sont exploitées. Une méthode d'absorption différentielle est développée et utilisée pour corriger les mesures des deux radiomètres POLDER et MiniMIR de l'absorption par les gaz atmosphériques. POLDER, avec son large champ de vue, effectue une mesure radiométrique multidirectionnelle. La luminance multidirectionnelle d'une scène nuageuse est obtenue en la suivant sur plusieurs acquisitions successives de l'instrument. POLDER et LEANDRE permettent une évaluation de l'altitude des nuages. Le lidar fournit l'information la plus précise et peut permettre de discriminer les sommets et les bases de plusieurs couches nuageuses
Par des méthodes stéréoscopiques ou basées sur l'absorption par le dioxygène, POLDER fournit une information sur l'altitude des nuages. Celle-ci est moins précise mais présente l'avantage de rendre compte du large champ spatial couvert par l'instrument. Les mesures polarisées de POLDER ou de LEANDRE permettent une estimation de la phase thermodynamique des nuages, mais par commodité, une méthode simple basée sur le rapport des luminances mesurées dans le visible et le moyen infrarouge par MiniMIR est développée et privilégiée dans cette étude. Finalement, une méthode d'estimation optimale est développée et mise en œuvre pour déterminer l'épaisseur optique des nuages et la dimension des particules qui les constituent à partir de mesures passives dans le visible et dans le moyen infrarouge. Comparée aux méthodes précédemment développées au laboratoire, cette méthode permet d'obtenir des précisions similaires sur les paramètres nuageux déterminés. Toutefois, elle offre l'avantage d'exploiter naturellement les mesures multidirectionnelles de POLDER ainsi que d'autres informations ou données auxiliaires. De part sa modularité, cette méthode pourrait permettre d'exploiter en synergie les mesures de l'A-train

Ce travail est une contribution à l'étude spectroscopique de deux gaz d'origine anthropique pour lesquels la modélisation de la signature infrarouge pourra permettre une quantification dans rejets dans l'atmosphère. L'hexafluorure de soufre (SF₆) est principalement rejeté par l'industrie électrique, qui l'utilise comme isolant gazeux et sa concentration augmente rapidement dans l'atmosphère (de l'ordre de 7 % par an). C'est un gaz à effet de serre puissant listé dans le protocole de Kyoto car ses absorptions intenses vers 10 μm placées dans une fenêtre de transparence atmosphérique et sa durée de vie élevée dans la haute atmosphère(environ 3200 ans) lui confèrent un coefficient de transfert radiatif exceptionnellement élevé (Global Warming Potential, ou GWP égal à 23900 fois celui du dioxyde de carbone, CO₂). La détection et la quantification de ce gaz par sa signature infrarouge via des mesures par satellite nécessitent une très bonne modélisation des spectres d'absorption, incomplètement connus. SF6 est un molécule lourde qui présente un grand nombre de niveaux vibrationnels de basse énergie, donnant lieu à des bandes chaudes dans le domaine des absorptions atmosphériques autour de sa vibration fondamentale la plus intense et celles-ci impliquent des états excités peu ou pas caractérisés. Ainsi, à température ambiante, seules 32 %des molécules se trouvent dans l'état vibrationnel de base. Les bases de données actuelles ne contiennent que les données des bandes de vibration fondamentales. Pour pallier ce manque, il est donc nécessaire d'observer un certain nombre de transitions depuis l'état fondamental vers les niveaux excités de basse énergie servant d'état initial aux bandes chaudes et d'acquérir des données permettant de modéliser aussi les niveaux à deux quanta de vibration constituant les niveaux d'arrivée de ces bandes chaudes.Ce travail est une contribution à l'étude spectroscopique de deux gaz d'origine anthropique pour lesquels la modélisation de la signature infrarouge pourra permettre une quantification dans rejets dans l'atmosphère. L'hexafluorure de soufre (SF6) est principalement rejeté par l'industrie électrique, qui l'utilise comme isolant gazeux et sa concentration augmente rapidement dans l'atmosphère (de l'ordre de 7 % par an). C'est un gaz à effet de serre puissant listé dans le protocole de Kyoto car ses absorptions intenses vers 10 μm placées dans une fenêtre de transparence atmosphérique et sa durée de vie élevée dans la haute atmosphère(environ 3200 ans) lui confèrent un coefficient de transfert radiatif exceptionnellement élevé (Global Warming Potential, ou GWP égal à 23900 fois celui du dioxyde de carbone, CO₂). La détection et la quantification de ce gaz par sa signature infrarouge via des mesures par satellite nécessitent une très bonne modélisation des spectres d'absorption, incomplètement connus. SF₆ est un molécule lourde qui présente un grand nombre de niveaux vibrationnels de basse énergie, donnant lieu à des bandes chaudes dans le domaine des absorptions atmosphériques autour de sa vibration fondamentale la plus intense et celles-ci impliquent des états excités peu ou pas caractérisés. Ainsi, à température ambiante, seules 32 %des molécules se trouvent dans l'état vibrationnel de base. Les bases de données actuelles ne contiennent que les données des bandes de vibration fondamentales. Pour pallier ce manque, il est donc nécessaire d'observer un certain nombre de transitions depuis l'état fondamental vers les niveaux excités de basse énergie servant d'état initial aux bandes chaudes et d'acquérir des données permettant de modéliser aussi les niveaux à deux quanta de vibration constituant les niveaux d'arrivée de ces bandes chaudes
This work is a contribution to the spectroscopic study of two gases of anthropogenic origin for which the modeling of the infrared signature may allow a quantification in releases in the atmosphere. Sulfur hexafluoride (SF₆) is mainly rejected by the electrical industry, which uses it as a gaseous insulator and its concentration increases rapidly in the atmosphere (of the order of 7 per cent per year). It is a potent greenhouse gas listed in the Kyoto Protocol because its intense absorption around 10 μm issituated in a window of atmospheric transparency and its lifetime in the upper atmosphere (approximately 3200 years) confers an exceptionally high radiative transfer coefficient (Global WarmingPotential, or GWP equal to 23900 times that of carbon dioxide,CO2). The detection and quantification of this gas by its infrared signature via satellite measurements requires a very accurate modeling of the absorption spectra, incompletely known. For SF₆,in particular because of the fact that this heavy molecule presents a large number of vibrational levels of low energy, there exist hotbands in the region of atmospheric absorption around its most intense fundamental absorption (v₃); these involve excited states little or not characterized. Thus, at ambient temperature, only 32% of the molecules are located in the vibrational ground state. Current databases contain only data for the fundamental vibrationband. To compensate for this lack, it is therefore necessary toobserve a number of transitions from the ground state to the excited levels of low energy used corresponding to initial states of the hot bands and to acquire data for modeling also levels with two quanta of vibration constituting the upper levels of arrival of thes ehot bands.This work is a contribution to the spectroscopic study of two gases of anthropogenic origin for which the modeling of the infrared signature may allow a quantification in releases in the atmosphere.Sulfur hexafluoride (SF₆) is mainly rejected by the electricalindustry, which uses it as a gaseous insulator and its concentration increases rapidly in the atmosphere (of the order of 7 per cent peryear). It is a potent greenhouse gas listed in the Kyoto Protocolbecause its intense absorption around 10 μm is situated in awindow of atmospheric transparency and its lifetime in the upper atmosphere (approximately 3200 years) confers an exceptionally high radiative transfer coefficient (Global Warming Potential, orGWP equal to 23900 times that of carbon dioxide, CO2). The detection and quantification of this gas by its infrared signature via satellite measurements requires a very accurate modeling of theabsorption spectra, incompletely known. For SF6, in particular because of the fact that this heavy molecule presents a largenumber of vibrational levels of low energy, there exist hot bands in the region of atmospheric absorption around its most intensefundamental absorption (v3); these involve excited states little or not characterized. Thus, at ambient temperature, only 32 % of themolecules are located in the vibrational ground state. Current databases contain only data for the fundamental vibration band. Tocompensate for this lack, it is therefore necessary to observe a number of transitions from the ground state to the excited levels oflow energy used corresponding to initial states of the hot bands andto acquire data for modeling also levels with two quanta ofvibration constituting the upper levels of arrival of these hot bands

Les propriétés exceptionnelles de photoluminescence des nanoparticules up-conversion (UCNP), qui émettent de la lumière visible tout en étant éclairées par un rayonnement proche infrarouge (NIR), ont suscité l'intérêt des chercheurs du monde entier et inspiré de nombreuses applications bioanalytiques. Leur émission anti-Stokes, leur longue durée de vie de luminescence, les bandes d'absorption et d'émission étroites et multiples et leur excellente photostabilité permettent une détection multiplexée et sans bruit de fond dans des objets biologiques épais. L'émission est contrôlée par un équilibre subtil entre de nombreuses voies radiatives et non radiatives, comprenant les transferts d'énergie entre les sensibilisateurs et les activateurs et les effets d'extinction dus à la matrice hôte et à la surface. L'ensemble de ces processus explique la réponse hautement non linéaire des émissions en fonction de la puissance d'excitation. Cependant, malgré de nombreuses études dans ce domaine, la rationalisation de la dynamique de ces transferts d'énergie au sein de ces nanoparticules reste encore un défi, alors qu'elle contrôle leurs temps de vie de luminescence (montée et déclin) et leur rendement d'émission. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier la photo-dynamique qui a lieu dans différents types d'UCNPs afin de décrire les voies énergétiques complexes qui régissent leurs propriétés d'émission en solution et au niveau de la particule unique.Tout d'abord, des UCNPs ultra-petites dopées par de l'Ytterbium (Yb, sensibilisateur) et du Thulium (Tm, activateur) ont été considérées. Ces particules, par leur petite taille, possèdent un nombre réduit d'activateurs, ce qui permet de sélectionner le nombre de processus contrôlant leur émission : grâce à une probabilité limitée de relaxation croisée entre les activateurs, la dynamique de la redistribution de l'énergie dans le réseau cinétique des activateurs est grandement simplifiée. Un examen minutieux de ces UCNP ultra-petites en solution a donc été possible en utilisant différents schémas d'irradiation (continue, impulsion nanoseconde, impulsion ms carrée, excitations médiées par le sensibilisateur ou directes par l'activateur). En particulier, la transition de phase α-β se produisant pendant la procédure de synthèse a pu être mise en évidence par l'augmentation soudaine de la durée de vie de l'état excité 3H4. En outre, nous avons également abordé l'influence de la concentration d'Yb et du revêtement de surface avec une coquille sur la dynamique d'émission des différents états excités du Tm.Pour étudier l'émission au niveau de la particule unique, nous avons développé un nouveau microscope confocal basé sur une excitation NIR à impulsions carrées de l'ordre de la milliseconde et une caméra CCD intensifiée afin de mesurer des spectres résolus dans l'espace et dans le temps. Nous discutons ici de deux applications de ce nouvel outil : (i) nous avons d'abord étudié les propriétés d'émission des assemblages de UCNPs à base de Thulium et d'Erbium (cœur et cœur-coquille). Selon l'arrangement spatial des particules à l'échelle nanométrique, nous avons pu démontrer que la dynamique d'émission des particules uniques, des monocouches 2D ou des agrégats 3D diffère en termes de rapports de bandes d'émission dépendants de la puissance et de durées de vie. (ii) nous avons examiné des systèmes hybrides composés d'UCNP uniques et de films organiques à base de pérylène en termes de spectres d'émission et de durées de vie afin d'étudier la nature des transferts d'énergie de l'UCNP vers la partie organique en fonction de la nature de l'état excité de l'émetteur
The unique photoluminescent properties of upconversion nanoparticles (UCNPs), which emit visible light while being illuminated by near infrared (NIR) radiation, have sparked the interest of researchers worldwide and inspired many bioana¬lytical applications. Their anti-Stokes emission, long luminescence lifetime, narrow and multiple absorption and emission bands, and excellent photostability enable background-free and multiplexed detection in thick biological objects. Emission is controlled by a balance of numerous radiative and non radiative pathways, including energy transfers between sensitizers and activators and quenching effects due to the host matrix and surface. Altogether, these processes account for the highly nonlinear response of the emissions to the excitation power. However, despite numerous studies in this field, rationalizing the dynamics of these energy transfers within these nanoparticles still remains a challenge, albeit it controls their time-dependent luminescence (rise and decay) and their emission yield. The purpose of this thesis is thus to investigate the photo-dynamics taking place in different types of UCNPs in order to disentangle the complex energy pathways driving their emission properties at ensemble and single particle levels.First, ultrasmall UCNPs doped with Ytterbium (Yb, sensitizer) and Thulium (Tm, activator) were considered. These particles, due to their tininess (<3nm), have a reduced number of activators, which allows selecting the number of processes controlling their emission: thanks to a limited probability of activator cross relaxation, the dynamics of the energy redistribution in the activator kinetic network is greatly simplified. A minute examination of these ultrasmall UCNP in solution was thus possible using different irradiation schemes (continuous wave, nanosecond pulse, pulse square, sensitizer-mediated or direct activator excitations). In particular, the α-to-β phase transition occurring during the synthesis procedure could be evidenced by the sudden increase of the 3H4 excited state lifetime. Additionally, we also addressed the influence of Yb concentration and surface coating with a shell on the emission dynamics of the different Tm excited states.To study the emission at the single particle level, we have developed a new confocal microscope based on a millisecond-square pulse NIR excitation and an intensified gated CCD camera in order to measure space- and time-resolved spectra. We discuss here two applications of this new tool: (i) we first investigated the emission properties of Tm- and Er-based core and core-shell UCNPs assemblies. According to the nanometric spatial arrangement of the particles, we could demonstrate that the emission dynamics of single particles, 2D monolayers or 3D aggregates differ in terms of power-dependent emission band ratios and lifetimes. (ii) we examined hybrid systems composed of single UCNPs and perylene-based organic films in terms of emission spectra and lifetimes in order to study the nature of the energy transfers from the UCNP to the dye according to the nature emitter excited state

Malgré les avancées significatives dans la recherche en physique de l'atmosphère au cours des dernières décennies, de nombreuses incertitudes subsistent concernant notre compréhension du changement climatique. Les connaissances actuelles indiquent que les nuages jouent un rôle majeur dans ces incertitudes, en raison des interactions complexes impliquant les aérosols, la vapeur d'eau, les nuages, la circulation atmosphérique globale, la convection et les précipitations. La vapeur d'eau joue un rôle essentiel dans la formation et le développement des nuages, en particulier ceux issus de phénomènes convectifs qui, eux-mêmes, redistribuent la vapeur d'eau dans l'atmosphère par le biais d'échanges entre les nuages et leur environnement proche. Par conséquent, une compréhension plus approfondie de la teneur en vapeur d'eau au-dessus et autour des nuages est nécessaire pour améliorer notre compréhension des interactions entre la vapeur d'eau et les nuages, et aider la communauté scientifique à mieux contraindre les modèles de type LES et les modèles numériques de prévisions du temps. Notre recherche s'inscrit dans le cadre de la mission spatiale C³IEL, dont l'objectif est d'améliorer nos connaissances sur l'enveloppe 3D des nuages convectifs, leurs vitesses de développement horizontale et verticale, le contenu en vapeur au-dessus et autour, ainsi que l'activité électrique associée à ces systèmes convectifs. Au cours de cette thèse, notre attention s'est portée sur l'obtention du contenu intégré en vapeur d'eau en présence de nuages à partir d'observation satellite. La restitution de cette quantité a été effectuée grâce à une approche probabiliste Bayésienne : la méthode d'estimation optimale. Jusqu'à présent, peu d'études ont explicitement démontré la faisabilité d'une telle inversion en cas de ciel nuageux, en raison de la pénétration et diffusion du rayonnement dans le nuage qui augmente le nombre de paramètres intervenant dans la relation entre les luminances et le contenu en vapeur d'eau.Des simulations de transfert radiatif ont été effectuées dans les trois bandes spectrales SWIR défini pour l'étude du contenu en vapeur d'eau dans le contexte de la mission C³IEL, suivant l'hypothèse d'une atmosphère constituée de couches plans-parallèles homogènes afin de générer des jeux de luminances synthétiques pour tester l'algorithme d'inversion développé au cours de cette thèse. L'application de notre algorithme d'inversion en conditions idéalisées a permis de montrer la faisabilité de la restitution du contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus du nuage, situé au-dessus de l'océan à partir des luminances dans le SWIR, avec une précision de l'ordre de 1 kg/m² lorsque le nuage est optiquement dense. Cependant, la précision de cette restitution diminue à mesure que l'épaisseur optique du nuage diminue. L'application de l'algorithme sur des profils de vapeur d'eau réalistes, c'est-à-dire présentant des profils verticaux nuageux non homogènes, a montré que le contenu intégré en vapeur d'eau au-dessus de nuages d'eau liquide était restituable avec un biais positif, lié à la pénétration dans la nuage, de l'ordre de 2,18 kg/m², c'est-à-dire du même ordre de grandeur que ceux obtenus dans des travaux antérieurs en conditions de ciel clair. En présence de nuages de convection contenant de l'eau liquide et de la glace, caractérisés par une épaisseur géométrique importante et donc une altitude de sommet élevée, avec une épaisseur optique très élevée et des contenus en vapeur d'eau très faibles, l'algorithme d'inversion que nous avons développé ne permet pas de réaliser une restitution valable. Des pistes d'améliorations sont donc proposées afin d'améliorer les restitutions du contenu en vapeur d'eau dans des cas réalistes et de définir la limite restituable pour le contenu en vapeur d'eau
Despite significant advances in atmospheric physics research over the past few decades, many uncertainties persist regarding our understanding of climate change. Current knowledge indicates that clouds play a major role in these uncertainties due to complex interactions involving aerosols, water vapor, clouds, global atmospheric circulation, convection, and precipitation. Water vapor plays a crucial role in clouds formation and development, especially those resulting from convective phenomena that redistribute water vapor in the atmosphere through exchanges between clouds and their immediate environment. Therefore, a better understanding of water vapor content above and around clouds is necessary to improve our comprehension of interactions between water vapor and clouds and to help the scientific community better constrain LES models and numerical weather forecasting models. Our research is part of the C³IEL space mission, which aims to enhance our knowledge of the 3D envelope of convective clouds, their horizontal and vertical development velocities, the water vapor content above and around clouds, and the electrical activity associated with these convective systems. The focus of this thesis concerns the retrieval of integrated water vapor content in the presence of clouds from satellite observations. This retrieval was achieved through a Bayesian probabilistic approach: the optimal estimation method. So far, few studies have explicitly demonstrated the feasibility of such inversion under cloudy atmosphere because of the complexity related to the penetration and scattering of radiation within the cloud. This increases the number of parameters involved in the relationship between radiance and water vapor content.Radiative transfer simulations were conducted in the three SWIR spectral bands defined for the study of water vapor content in the context of the C³IEL mission. The atmosphere was assumed to be composed of homogeneous plan-parallel layers, and synthetic radiance datasets were generated for testing the retrieval algorithm developed in this thesis. The feasibility of retrieving integrated water vapor content above a cloud and over the ocean from SWIR radiances was shown with a precision of approximately 1 kg/m² for optically dense clouds. However, the precision of this retrieval decreases as the cloud optical thickness decreases. Tests were then realized with realistic water vapor and cloud extinction profiles that present non-homogeneous cloudy vertical profiles. This shows that integrated water vapor content above liquid water clouds could be retrieved with a positive bias related to cloud penetration of approximately 2.18 kg/m². This value is of the same order of magnitude than those obtained in previous work under clear-sky conditions. In the presence of convective clouds containing both liquid and ice water, characterized by a significant vertical extension and thus a high top altitude, very high optical thickness and very low water vapor content, the retrieval algorithm does not succeed to provide a valid retrieval. Suggestions are therefore proposed to improve water vapor content retrievals in realistic cases and define the retrievable limit for water vapor content

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif, Sagittarius A*. Sa proximité en fait un laboratoire privilégié pour étudier les phénomènes d’accrétion à l’œuvre autour des trous noirs et contraindre le cycle d’activité de ces astres. Sgr A* est actuellement extrêmement peu lumineux et malgré des sursauts d’activité quotidiens sa luminosité demeure au moins huit ordres de grandeur en dessous de sa luminosité d’Eddington. Cet objet est ainsi l’un des trous noirs supermassifs connus les moins lumineux. Les mécanismes radiatifs à l’origine des variations quotidiennes observées ne sont pas clairement identifiés. Nous présentons les résultats d’une campagne d’observation multi-longueurs d’onde visant à mesurer le spectre de ces événements simultanément en rayons X et en infrarouge proche, à l’aide de l’observatoire XMM-Newton et de l’instrument VLT/NACO. Les données infrarouges obtenues grâce à la technique de spectro-imagerie en bande large ont permis d’étudier la variabilité du spectre de Sgr A* en infrarouge. Les incertitudes liées aux erreurs systématiques sont encore importantes mais les premiers tests réalisés semblent indiquer que l’indice spectral pourrait dépendre de la luminosité du trou noir. Sur des échelles de temps plus grandes, nous montrons également que Sgr A* n’a pas toujours été aussi peu actif. Des traces de son activité passée sont en effet visibles dans la matière moléculaire directement autour du trou noir, notamment sous la forme d’un rayonnement réfléchi visible dans la raie de fluorescence du fer à 6.4 keV. Nous avons réalisé une étude complète et systématique des variations de cette émission détectée dans la zone moléculaire centrale en utilisant les observatoires Chandra et XMM-Newton. Nos résultats confirment que Sgr A* a connu des sursauts intenses au cours des derniers siècles, au moins six ordre de grandeur en dessus de la luminosité actuelle. En particulier, nous avons mis en évidence, pour la première fois, la présence de deux événements transitoires distincts de relativement courte durée, probablement liés à des événements catastrophiques. Ces résultats constituent une première étape pour relier l’activité de ce trou noir spécifique aux autres noyaux de galaxie présents dans l’Univers
Sagittarius A⋆ is the supermassive black hole at the Galactic center. Due to its proximity, this specimen is an excellent laboratory to study the accretion processes occurring around black holes and to constrain the duty cycle of these objects. Sgr A* is currently extremely faint and despite the detection of daily flares, its luminosity remains at least eight orders of magnitude below its Eddington luminosity, making this specimen one of the least luminous known supermassive black holes. The radiative processes responsible for the daily variations of its luminosity have not been clearly identified yet. We present the results of a multi-wavelength campaign observing Sgr A* simultaneously in X-rays and in the near-infrared, using the XMM-Newton observatory and the VLT/NACO instrument. We studied the spectral variability of Sgr A* using the infrared data we obtained through a spectro-imaging technique. Uncertainties linked to the systematic errors are still large but the first tests applied seem to show that the spectral index of Sgr A* could depend on the black hole luminosity. On longer timescales, we demonstrate that Sgr A* experienced a higher level of activity in the recent past. Indeed, echoes of its past activity can be detected in the molecular material surrounding the black hole. They are traced by a strong signal in the iron fluorescence line at 6.4 keV. We achieved a complete and systematic study of this variable emission detected from the central molecular zone, using Chandra and XMM-Newton observatories. Our results confirm that Sgr A* experienced intense flares in the past few centuries, with a luminosity at least six orders of magnitude higher than its current one. In particular, we highlight for the first time the existence of two distinct transient events of relatively short duration, which are probably due to catastrophic events. These results are the first step needed to include Sgr A*’s activity into a broader understanding of the galactic nuclei

L'antagonisme entre les besoins croissants d'énergie au niveau mondial et l'obligation de ralentir le réchauffement climatique fait partie des défis auquel l'humanité fait face. Dans le but d'assurer un confort thermique suffisant, les domaines de l'habitat, de l'automobile ou encore des bâtiments agricoles consomment de grandes quantités d'énergie. Pour réduire ces besoins, une des solutions proposées vise à améliorer l'isolation thermique de ces bâtiments grâce à l'utilisation de matériaux innovants. Un des objectifs majeurs est d'améliorer l'isolation des fenêtres qui représentent une partie importante des pertes énergétiques. Les recherches décrites dans cette thèse ont permis de développer des matériaux transparents aux rayonnements solaires visibles tout en étant des boucliers efficaces contre les rayonnements ultra-violets et proche-infrarouges. De tels matériaux sont le fruit de la combinaison entre des motifs à clusters de métaux de transition présentant des propriétés d'absorption recherchées et une matrice hôte permettant la mise en forme de ces matériaux (processabilité). La synthèse, ainsi que la méthodologie de modulation des propriétés d'absorption et d'intégration des clusters dans différentes matrices de type sol-gel ou polymères sont présentées. Un intérêt tout particulier est porté sur les relations qui s'établissent entre la structure des motifs à clusters et leurs propriétés d'absorption grâce aux comparaisons faites entre des études expérimentales et des études de chimie quantique utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). In fine, l'augmentation du niveau de compréhension des relations structures-propriétés d'absorption des motifs à clusters étudiés permettra d'envisager l'étude de nouvelles compositions pour des matériaux encore plus efficaces à l'avenir pour le contrôle solaire
The antagonism between growing global energy needs and the obligation to slow the global warming is one of the challenges humanity faces. In order to ensure sufficient thermal comfort, the housing, automotive or agricultural buildings sectors are major energy consumers. To reduce these needs, one of the proposed solutions aims to improve the thermal insulation of these buildings through the use of innovative materials. One of the major objectives is to improve the insulation of the windows which represent a significant part of the energy losses. The research described in this thesis has made it possible to develop transparent materials for visible solar radiation while being effective shields against ultraviolet and near-infrared radiation. Such materials are the result of the combination between transition metal cluster patterns having desired absorption properties and a host matrix for shaping these materials (processability). The syntheses as well as the methodology for modulating the absorption and integration properties of clusters in different sol-gel or polymer matrices are presented. Of particular interest is the relationship between the structure of cluster pattern and their absorption properties through comparisons between experimental studies and quantum chemistry studies using density functional theory (DFT). In fine, the increase in the level of understanding of the structure-absorption properties of the clusters studied will make it possible to consider the study of new compositions for even more efficient materials in the future for solar control

Les phonons polaritons de surface (SPhPs) sont des ondes électromagnétiques de surface évanescentes générées par le couplage phonon-photon et se propageant le long d’une interface entre un milieu polaire (tel que SiO2 et SiC) et un diélectrique. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à de possibles applications des SPhPs pour améliorer les performances thermiques des nanosystèmes, en focalisant leur énergie thermique avec des micro- et nanostructures, en réduisant leurs angles de diffraction à travers des ouvertures sub-longueur d’onde, et en démontrant leur émission thermique cohérente large-bande. Nous avons aussi effectué des mesures par microscopie spectrophotométrique infrarouge de micro-objets et démontré l’excitation thermique de modes de grandes longueurs de propagation dans un large domaine spectral. Nos résultats sont obtenus sur des bases à la fois théoriques, de simulations numériques et expérimentales. Ces travaux sont pertinents dans les domaines liés au transfert thermique, à l’optique infrarouge, au rayonnement thermique de champ proche, à la microscopie infrarouge, et à la polaritonique
Surface phonon-polaritons (SPhPs) are evanescent electromagnetic surface waves generated by the phononphoton coupling and that propagate along the interface of a polar medium (such as SiO2 and SiC) and a dielectric one. In this work, we investigate possible applications of SPhPs for enhancing the thermal performance of micro- and nanoscale devices, focusing of thermal energy with micro-structures, decreasing the diffraction angles of infrared radiation on subwavelength apertures, and demonstrating broadband coherent thermal emission. We also perform infrared spectroscopy microscopy measurements of microscale objects and demonstrate long-range thermally excited surface modes in a broad frequency range. The results presented in this thesis can have possible applications in fields related to heat transfer, infrared optics, near-field thermal radiation, infrared microscopy, and polaritonics

Les travaux présentés dans cette thèse CIFRE, liant le CRAN et le CRITT Bois d'Epinal dans le cadre du projet ANR-OPTIFIN, contribuent au développement d'une chaîne de traitements pour la segmentation texture des images multimodales de pièces de bois en chêne. L'idée est de combiner des techniques d'acquisition multimodale dans le visible et le proche infrarouge (NIR) à des méthodes d'analyse de texture par matrices de covariance et de segmentation texture dans la variété Riemannienne, pour la détection des singularités et la discrimination du grain du bois. Dans le premier chapitre, nous dressons un état de l'art sur l'inspection automatisée des pièces de bois ; en portant une attention particulière aux essences de bois feuillus (e.g. chêne) dont l'inspection demeure encore un problème non résolu. Le deuxième chapitre porte sur la mise en place de la plate-forme d'imagerie multimodale (PIM) et la calibration des images couleur, niveaux de gris, directe et scatter dans le visible et des cartes d'abondance, obtenues à partir des images hyperspectrales NIR. Nous proposons une méthodologie originale pour les images scatter en optimisant les paramètres d'acquisition sur les pièces de bois en chêne. Le troisième chapitre concerne l'étude du recalage des images monomodales et multimodales et l'application d'une méthode pour la suppression de leur fond. Dans le quatrième chapitre, nous proposons une méthodologie d'analyse texture basée sur la fusion par matrices de covariance des images multimodales et/ou de leurs images texturales (LBP, nriLBP, GLCM et Gradient). Nous exploitons les matrices de covariance par des méthodes de clustering par K-moyennes et de classification supervisée par k-ppv, étendues au cas Riemannien, pour la segmentation. Dans le dernier chapitre sont présentés les résultats garantissant une segmentation pertinente et rapide des matrices de covariance. Ils sont obtenus après avoir déterminé les meilleurs paramètres de réglages des K-moyennes. Les résultats du clustering laissent apparaître que l'utilisation des images multimodales seules conduit à une segmentation optimale des singularités compactes. Ils montrent aussi l'importance de l'intégration des images texturales dans les jeux de modalités pour obtenir une meilleure segmentation des singularités de type région. Pour le grain du bois, une segmentation efficace est obtenue en utilisant les images texturales seules. Enfin, nous proposons d'appliquer les k-ppv dans la variété Riemannienne sur les modalités sélectionnées pour obtenir une segmentation plus précise
The work presented in this CIFRE thesis, associating CRAN and CRITT Bois for the ANR-OPTIFIN project, contributes to the development of an image processing chain for the texture segmentation of multimodal images of sawn oak timber pieces. The idea is to combine multimodal acquisition techniques in visible and near-infrared (NIR) range with texture analysis methods using covariance matrices and texture segmentation methods in the Riemannian manifold, for the detection of singularities and discrimination of wood grain. In the first chapter, we present a state of the art on automated inspection of wood pieces; with a special focus on hardwood species (e.g. oak) for which inspection is still an open problem. The second chapter deals with the implementation of the multimodal imagery platform (PIM) and the calibration of color, grayscale, direct and scatter images in the visible range and abundance maps, obtained from NIR hyperspectral images. We propose an original methodology for the scatter images by optimizing the acquisition parameters on sawn oak timber pieces. The third chapter concerns the study of the registration of monomodal and multimodal images and the application of a method for the suppression of their background. In the fourth chapter, we propose a texture analysis methodology based on the fusion of multimodal images and/or their textural images (LBP, nriLBP, GLCM and Gradient) by covariance matrices. We exploit the covariance matrices by K-means clustering andk-ppv supervised classification methods, extended to the Riemannian case, for segmentation. In the last chapter, we present results ensuring a relevant and fast segmentation of the covariance matrices. They are obtained after having determined the best parameters for the K-means setting. The clustering results show that the use of multimodal images alone leads to an optimal segmentation of compact singularities. They also show the importance of integrating textural images in the modality sets to obtain a better segmentation of regional type singularities. For wood grain, an efficient segmentation is obtained by using only textural images. Finally, we propose to apply k-ppv in the Riemannian manifold on the selected modalities to obtain a more accurate segmentation

En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge
On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross- coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides. The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen. The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared

En raison de l’omniprésence des hétérocycles azotés et de leurs propriétés biologiques, une attention particulière est accordée au développement de méthodologie pour leur synthèse et leur fonctionnalisation. L’étude de la fonctionnalisation d’énamides constitue une thématique importante car ces motifs s’avèrent être des outils synthétiques polyvalents permettant d’accéder à des dérivés hétérocycliques complexes. Les réactions de couplage Pd-catalysées constituent une méthode de choix rapide et efficace pour la synthèse d'énamides, notamment à partir de phosphates d'énols issus de lactames, d’imides ou d’amides. Le premier chapitre de ce travail porte sur le couplage organopalladié C-P de phosphines boranes secondaires chirales ou achirales avec des phosphates d’énols. Ce couplage C-P original, réalisé dans des conditions douces, conduit aux énamido-phosphines boranes correspondantes et offre de nombreuses possibilités pour la constitution d’une librairie de phosphines originales. Parallèlement à ce travail, l’addition nucléophile d’anions phosphures sur divers ène-carbamates acycliques conduit à des acides alpha-aminés béta-phosphorés originaux, porteurs d’un carbone quaternaire en alpha de l’azote. Le deuxième chapitre de la thèse porte sur la préparation et la caractérisation de chromophores organiques originaux basés sur un noyau pyrazinique et qui sont susceptibles de présenter des propriétés de fluorescence. Ces composés sont conçus pour former des nouveaux systèmes sensibilisateurs de cations de lanthanides, et être utilisés comme sensibilisateurs organiques pour l'imagerie moléculaire dans le proche infrarouge
On account of the ubiquity of nitrogen heterocycles and their biological properties, the great attention is paid to developing methodologies of their synthesis and functionalization. For this purpose, the study of functionalization of enamides constitutes an important topic due to the utility of these motifs in the construction of complex heterocyclic derivatives. Palladium-catalyzed reactions of cross- coupling are rapid and efficient methods of choice for synthesis of enamides particularly starting from enol phosphates derived from lactams, imides or amides. The first chapter of the thesis evokes the original C-P coupling reaction of chiral and achiral secondary phosphine boranes with different enol phosphates in mild reaction conditions, leading to corresponding enamido-phosphine boranes. This methodology permits the construction of libraries of novels phosphines. Also, the reaction of nucleophilic addition of phosphide anions onto various enecarbamates acyclic was elaborated, giving an access to original beta-phosphino alpha-amino acids, bearing the quaternary carbon on alpha position to nitrogen. The second chapter is devoted to the preparation and characterization of organic chromophores based on the pyrazinic core, which are likely to exhibit the fluorescence properties. These compounds were designed to form new sensitizing systems for lanthanide cations and could be used as organic sensitizers for molecular imaging in near infrared

Les microscopes en champ proche optique à pointe diffusante conventionnels (aSNOM) se composent généralement de trois éléments indispensables. Une illumination externe de type laser qui permet la génération d’un champ électromagnétique au niveau de la surface de l’échantillon. Une sonde locale de taille sub-longueur d’onde qui diffuse localement les ondes évanescentes présentes sur la surface tout en remplissant son rôle de pointe de microscope à force atomique. Et enfin un détecteur optique. Le tout est supervisé par une électronique de contrôle qui assure l’asservissement de la sonde et ses déplacements. De tels systèmes permettent l’acquisition de la topographie et de la réponse optique d’un échantillon à la longueur d’onde du laser d’excitation avec une résolution proche de 50nm. Nous avons développé un microscope à pointe diffusante opérant dans la gamme d’énergie infrarouge 6µm-12µm et qui fonctionne sans aucune source externe. Dans ce dispositif, baptisé TRSTM (thermal radiation scanning tunnelling microscope), l’échantillon est chauffé jusqu’à une température de 180°C et devient lui-même la source du rayonnement électromagnétique du dispositif. Le TRSTM sonde la densité locale d’états électromagnétiques à la surface de la structure. L’étude d’îlots d’or déposés sur du carbure de silicium (SiC) a permis de révéler par mesure directe la présence de phonons-polaritons sur le SiC et de mettre en évidence la cohérence du rayonnement thermique en champ proche associée à la présence de plasmons de surface sur l’or. Nous avons poussé l’étude en nous intéressant à la dépendance du signal en fonction de la distance pointe – surface et confronté les données expérimenta
We present a novel setup based on apertureless near-field scanning optical microscopy (ANSOM) designed for detecting infrared thermal radiation at the surface of a photonic structure with a resolution far beyond the diffraction limit which is close to 5µm in the infrared frequencies). This new instrument is a powerful means to obtain optical information with a resolution equal to 100nm. The system is based on a home-made ANSOM. It is an atomic force microscope (AFM) combined with infrared optics. The AFM uses a tungsten tip in tapping mode to provide a topographic image of the sample and to scatter evanescent waves. As the sample is heated by a hot plate, temperature excites thermal radiation from the surface, which is scattered by the AFM tip in the near-field. Light scattered by the tip is then collected and focused on an infrared detector, producing a near field infrared thermal image. We performed observations on gold geometric patterns deposited on a SiC substrate. The sample is heated up to 180°C. We imaged interferences of gold plasmons and demonstrated the first direct experimental proof of the spatial coherence of thermal radiation in near field. We also realized study of the surface of an quantum cascade laser. These devices present an evanescent field at their top surface proportional to the field present inside the cavity. By scattering this evanescent field, our system gives access to the Fabry-Perot interference fringes inside the laser cavity

Mon projet porte sur l'elaboration d'un microscope optique en champ proche (SNOM) sans ouverture fonctionnant dans le domaine de l'infrarouge et utilisant le rayonnement synchrotron de l'ESRF comme source de lumiere infrarouge. Ce rayonnement a deux particularites bien adaptees aux etudes spectroscopiques: c'est une source de lumiere blanche couvrant la bande du proche infrarouge de 5 a 15 microns alors que les sources lasers accordables sont encore en developpement. Il est tres brillant et stable, a la fois dans le temps et dans l'espace. Une fois elaboree, le microscope sera appliquee a la spectroscopie infrarouge - essentiellement vibrationelle - et le diagnostic des materiaux et des nanostructures qui sont d'inter^et actuel pour l'industrie micro et nanoelectronique [RCB+02]. Comme mon projet est tres instrumental, le debut a ete consacre a la conception de tout un systeme de microscopie, a partir du zero et avec tout le materiel necessaire disponible a la n de la premiere annee. La seconde annee a ete consacree a l'integration et la mise en oeuvre du dispositif experimental, a la comprehension de ses fonctionnalites et a des essais de validation du nouveau outil. Apres nous nous sommes pleinement engages dans la recherche et la comprehension de cet outil unique. Nous avons commence par quelques resultats preliminaires, puis cela a ete essentiellement une question de temps experimental alloue pour obtenir les resultats que nous avions vises. Notre conguration est unique et donc les travaux que nous avons pour reference sont ceux de groupes utilisant les m^emes techniques d'exploitation dans des conditions tres dierentes. Notre principale diculte est de detecter un signal faible. Je montrerai plus loin quelques calculs qui nous y ont fait croire. Notre groupe de reference a reussi a le faire dans des conditions plus simples que les notres, mais il est utile de rappeler que cela leur a pris 3 ans pour adapter leur sensibilite a l'installation, ce qui conrme que ce sont des techniques tres dur. Notre idee de depart etait d'utiliser le rayonnement synchrotron comme source de lumiere dans l'infrarouge en raison de ses caracteristiques. Il s'agit d'une source de lumiere blanche, avec toutes les longueurs d'onde presentes en meme temps, nous permettant d'eectuer une spectroscopie, ce qui signie que nous obtiendrons une information chimique sur l'echantillon [Hil04; MGCS04]. Telle est la grande nouveaute en comparison avec les autres travaux. Il s'est avere que la lumiere est assez faible ce qui rend la recherche du signal dicile. Notre installation doit alors etre testee avec un laser, qui est de plusieurs ordres de grandeur plus puissant que le rayonnement synchrotron, et qui pourrait etre un bon outil de debogage. Cela semble une bonne alternative pour mieux comprendre les points essentiels qui doivent etre ameliores dans notre systeme. Les lasers a utiliser pourraient etre visible, infrarouge (CO2), ou accordable. Pour la spectroscopie, les lasers accordables sont non seulement moins stables mais ils sont aussi plus limites dans la gamme spectrale sur la partie infrarouge proche du spectre, que le rayonnement synchrotron. Le synchrotron de l'ESRF est mon laboratoire d'accueil, et j'ai travaille en collaboration avec le CEA-LETI pour le developpement de cet outil.