Thèses sur le sujet « Moyen IR »

La sonde atomique tomographique est un instrument d’analyse de la matière à trois dimensions avec une résolution atomique. Cet instrument s’appuie sur l’effet de champ électrique généré à l’extrémité d’un échantillon taillé sous la forme d’une aiguille nanométrique pour faire évaporer les atomes de surface qui sont collectés par un détecteur à deux dimensions. La mesure du temps de vol des ions dont l’évaporation est déclenchée par une impulsion électrique ou optique permettent de remonter à la composition chimique en plus de la localisation 3D des atomes. Dans les sondes atomiques actuelles, l’évaporation atomique est déclenchée par un laser ultrarapide émettant dans l’UV. Cependant, l’interaction de la lumière UV avec la matière induit un échauffement thermique qui limite la résolution en masse de l’instrument et empêche son exploitation pour l’analyse de matériaux fragiles comme les composants biocompatibles. Ces travaux de thèse visent à étudier des solutions pour favoriser l’évaporation rapide tout en inhibant les effets thermiques indésirables dans le cadre d’une sonde atomique laser. Notre approche consiste à exploiter des impulsions ultracourtes dans le domaine du moyen infrarouge ou du THz en raison de leur grande énergie pondéromotrice associée à une faible énergie de photon. Ce manuscrit rapporte sur le développementd’un banc de génération et caractérisation d’impulsions THz intenses. Le couplage de ces rayonnements avec une nano-pointe métallique polarisée négativement a permis de caractériser le champ proche induit à la surface de la nano-pointe qui est fortement modifié par l’effet d’antenne de cette dernière. La deuxième partie rapporte sur le développement d’une source laser ultrarapide de haute cadence accordable dans le moyen infrarouge autour de 3 mm en exploitant des fibres en verre fluoré
The atome probe tomography is an instrument for analyzing matter in three dimensions with atomic resolution. This instrument relies on the effect of an electric field generated at the end of a sample cut into the shape of a nanoscale needle to evaporate the surface atoms which are collected by a two-dimensional detector. The measurement of the time of flight of the ions whose evaporation is triggered by an electrical or optical pulse makes it possible to measure the chemical composition in addition to the 3D localization of the atoms. In current atome probes, atomic evaporation is triggered by a high-speed laser emitting in the UV. However, the interaction of UV light with matter induces thermal heating which limits the mass resolution of the instrument and prevents its use for the analysis of fragile materials such as biocompatible components. This thesis work aims to study solutions to promote rapid evaporation while inhibiting unwanted thermal effects of the laser in atome probe. Our approach consists in exploiting ultrashort pulses in the mid-infrared or THz domain due to their high ponderomotive energy associated with low photon energy. This manuscript reports on the development of a bench for the generation and characterization of intense THz pulses. Coupling these radiations with a negatively polarized metallic nanotip has made it possible to characterize the near field induced at the surface of the nanotip, which is strongly modified by the antenna effect. The second part reports on the development of an ultra-fast laser source tunable in the mid-infrared around 3 mm using fluoride glass fibers

Ce manuscrit décrit l’étude et la mise en œuvre d’une source laser ultrarapide à taux de répétition élevé dans l’infra-rouge moyen, pour des applications à la physique des champs forts et à la spectroscopie moléculaire multidimensionnelle. Cette source est basée sur le phénomène d’amplification paramétrique optique à dérive de fréquence, qui permet la génération d’impulsions de quelques cycles optiques.Tout d’abord, nous présentons les applications de ces sources, ainsi que leurs paramètres importants, débouchant sur un cahier des charges pour la source à l’étude. Un état de l’art des sources paramétriques présentées dans la littérature scientifique nous permet ensuite d’appréhender la diversité des architectures et des performances atteintes. En particulier, nous soulignons les points cruciaux que sont la nature et les performances du laser de pompe, le mécanisme de génération du signal à amplifier, ainsi que la robustesse de la synchronisation temporelle entre le signal et la pompe.Nous étudions ensuite la possibilité d’émettre un signal autour de la longueur d’onde de 1,55 µm à partir d’impulsions femtoseconde de pompe à 1,03 µm par génération de supercontinuum dans un cristal massif de YAG. Nous menons ainsi une étude détaillée des propriétés de la partie infra-rouge du supercontinuum obtenu, en termes de contenu spectral, cohérence, propriétés statistiques tir à tir et long terme, et propriétés spatiales. Cette étude nous permet de conclure sur la validité de cette approche pour générer le signal à amplifier.Nous arrivons donc à définir une architecture inédite basée sur l’utilisation d’un laser de pompe basé sur un amplificateur à fibre dopée ytterbium de forte énergie délivrant des impulsions de 300 fs 400 µJ à la cadence de 125 kHz. La durée courte rendue possible par le choix de cette technologie de pompe nous permet de bénéficier d’un certain nombre d’avantages importants : la génération efficace de supercontinuum autour de 1,55 µm, ce qui entraine une synchronisation temporelle très robuste entre pompe et signal. D’autre part le couple étireur – compresseur est constitué de simples lames de matériaux massifs, ce qui permet une grande efficacité et une gestion simplifiée de la phase spectrale. Enfin, la courte durée de pompe augmente le seuil de dommage en intensité crête, ce qui permet l’utilisation de cristaux non linéaires courts et augmente la bande spectrale d’amplification. Des expériences supplémentaires sont menées pour étudier les phénomènes limitant la puissance au sein des cristaux de MgO:PPLN. Les étages d’amplification sont tous réalisés en géométrie colinéaire, ce qui permet d’utiliser le signal et l’idler sans introduction de chirp angulaire. Toutes ces caractéristiques permettent la génération de deux faisceaux en sortie portant des impulsions de 50 fs 20 µJ à 1550 nm et 70 fs 10 µJ à 3,1 µm
This thesis describes the design and construction of an ultrafast high repetition rate laser source in the mid-IR, for applications in strong-field physics and multidimensional molecular spectroscopy. This source is based on optical parametric chirped-pulse amplification, allowing the generation of few-cycle pulses.We first present some applications of these lasers, along with important parameters, to define specifications for the considered source. We then briefly outline the state of the art of similar ultrafast sources described in the literature, to highlight the variety of architectures and performances. In particular, several key points are identified, namely the nature and performances of the pump laser source, the method to generate a seeding signal, and the robustness of temporal synchronization between pump and signal pulses.We proceed to study the possibility of emitting a seed signal around 1.55 µm wavelength by supercontinuum generation in a bulk YAG crystal from femtosecond pump pulses at 1.03 µm. A detailed analysis of the properties of the infrared spectral content of the supercontinuum is carried out, focusing on spectral bandwidth, coherence, shot-to-shot and long term stability, and spatial properties. This work allows us to conclude that supercontinuum generation is a valid approach to generate the seed signal.This leads us to define a novel architecture built around an ytterbium-doped fiber femtosecond pump source delivering 300 fs 400 µJ pulses at a repetition rate 125 kHz. The short pump pulse duration compared to bulk Yb:YAG or Nd:YVO4 based systems results in a number of important advantages. First, it allows efficient seeding at 1550 nm using supercontinuum generation directly from the pump pulses in a bulk YAG crystal, resulting in extremely robust passive pump – signal synchronization. The short pump pulse duration also allows the use of millimeter to centimeter lengths of bulk materials to provide stretching and compression for the signal and idler, which minimizes the accumulation of higher-order spectral phase. Finally, the shorter pump pulse duration increases the damage peak intensity, permitting the use of shorter nonlinear crystals to perform the amplification, which increases the spectral bandwidth of the parametric process. Additional experiments are performed to sort out the phenomena that limit power scaling in MgO:PPLN crystals. The OPCPA stages are all operated in collinear geometry, allowing the use of both signal and idler without the introduction of angular chirp on the latter. These points result in the dual generation of 70 fs 23 µJ signal pulses at 1550 nm and 60 fs 10 µJ idler pulses at 3070 nm from a simple setup

La photonique silicium (Si) est apparue comme l'une des technologies les plus prometteuses pour réaliser des puces photoniques ultra-denses, grâce à la maturité de l'industrie du Si, à la grande taille des wafers et aux propriétés optiques du Si et des matériaux connexes. L'un des principaux défis qui restent à relever est l'intégration de sources lasers à haute performance sur Si. En particulier, les lasers à semi-conducteurs III-V sont très efficaces et leur intégration monolithique sur Si, c'est-à-dire l'intégration directe par épitaxie, est considérée comme la voie la plus prometteuse vers la fabrication de puces photoniques Si à faible coût et à grande échelle. Parmi les diverses applications de la photonique Si, la détection optique dans le moyen infrarouge est très demandée pour des applications sociétales, environnementales ou médicales, entre autres. Les lasers à base de GaSb sont apparus comme une technologie capable de couvrir la gamme du moyen infrarouge. L'objectif de ma thèse est l'intégration diode lasers à base de GaSb sur des circuits photoniques intégrés Si (PIC). A cette fin, j'ai d'abord étudié la dégradation de la performance du laser causée par des dislocations provenant de la croissance épitaxiale III-V-sur-Si. Ensuite, j'ai démontré la fabrication de ces lasers sur un PIC Si avec des performances similaires à celles des lasers discrets sur Si. En outre, le couplage de lumière entre les lasers et des guides d'ondes à base de SiN a été démontré. Enfin, j'ai étudié des nouvelles approches pour augmenter l'efficacité du couplage. J'ai développé le process de fabrication d'une nouvelle approche prometteuse qui ouvre la voie à d'autres recherches visant à atteindre des efficacités de couplage élevées. Dans l'ensemble, ces résultats représentent une étape importante vers l'intégration monolithique de lasers sur des PICs Si pour des capteurs dans le moyen infrarouge compacts et économiques
Silicon (Si) photonics has emerged as one of the most promising technologies for the realization of ultra-dense photonic chips thanks to the mature Si industry, the large wafer size and the optical properties of Si and related materials. One of the major remaining challenges is the integration of high-performance light sources on Si. In particular, III-V semiconductor lasers are very efficient and their monolithic integration on Si, i.e. direct integration via epitaxy, is considered the most promising route to low-cost and large-scale fabrication of Si photonic chips. Among the various applications of Si photonics, optical sensing in the mid-IR is in high demand for societal, environmental or medical applications, among others. GaSb-based lasers have emerged as a technology capable of covering the mid-IR wavelength range. Therefore, the objective of my thesis is to integrate GaSb-based diode lasers on Si photonic integrated circuits (PICs). To this aim, I first investigated the degradation of laser performance caused by threading dislocations arising from the III-V-on-Si epitaxial growth. I then demonstrated the fabrication of these lasers on a Si PIC with similar performance to that of discrete lasers on Si. In addition, light coupling between the lasers and SiN-based waveguides was demonstrated. Finally, I investigated alternative approaches to increase the coupling efficiency. I developed the fabrication process of a new promising approach which paves the way for further investigations aimed at achieving high coupling efficiencies. Altogether, these results represent a significant step towards the monolithic integration of lasers on Si PICs for cost-effective and compact mid-IR sensors

Les phenomenes d'emission spontanee et d'emission laser infrarouge sont etudies sur des heterostructures a base de cdhgte placees au sein d'une microcavite fabry-perot. La zone active a base d'alliages de semiconducteurs cdhgte, est realisee par epitaxie par jets moleculaires. L'optimisation des conditions de croissance de la zone active est egalement decrite. Les miroirs interferentiels de bragg sont realises par evaporation, par faisceau d'electrons, de materiaux dielectriques yf 3/zns a haut contraste d'indices. Les miroirs sont deposes apres epitaxie et apres elimination du substrat. Un procede technologique d'elaboration specifique a donc ete mis au point pour la realisation d'emetteurs infrarouges photopompes a microcavite resonante. En premier lieu les proprietes specifiques des microcavites (redistribution spatiale et spectrale des modes) sont etudiees en regime d'emission spontanee et optimisees en vue d'extraire le maximum d'energie. Une analyse detaillee de divers dessins de structure est presentee et les resultats experimentaux (a temperature ambiante) sont compares aux modeles theoriques. Un optimum d'extraction de la lumiere est experimentalement observe en fonction du pouvoir reflecteur du miroir de sortie. Des rendements quantiques externes de l'ordre de 10 3 sont mesures. Ensuite sous plus forte excitation optique, le fonctionnement d'emetteurs a microcavite en regime d'emission stimulee est montre. Plusieurs types de structures lasers a cavite verticale et a emission de surface (vcsel) sont caracterises. Des lasers emettent jusqu'a temperature ambiante vers 1. 37 et 1. 57 micrometres. Une temperature caracteristique t 0 de 174 k a ete mesuree a 1. 57 micrometres. Il s'agit de la premiere obtention de vcsel en cdhgte emettant a temperature ambiante. Un autre type de structure emet vers 2. 63 micrometres jusqu'a 190 k avec un t 0 de 113 k.

Les travaux relatés dans ce manuscrit concernent l’étude expérimentale des fibres microstructurée ou fibre à cristaux photonique (FCP) en verre de chalcogénures. Ce sont des matériaux originaux qui présentent un large domaine de transparence dans le moyen infrarouge, de forts indices de réfractions linéaires et non linéaires. Les FCP sont une nouvelle catégorie de fibres optiques possédant des propriétés de propagation originales. Une méthode efficace pour purifier ces verres est mise au point, une faible atténuation (<1 dB/m) des fibres mono-indice est ainsi obtenue. On démontre ensuite la faisabilité et la reproductibilité de la méthode de fabrication des FCP en verre de chalcogénures, développée durant cette étude. Des caractérisations optiques dans le proche et moyen infrarouge sont effectuées et comparées aux simulations numériques. Des effets non linéaires tels que de la diffusion Raman sont caractérisés à 1. 55 µm. Leur ampleur témoigne de l’intérêt d’associer ces matériaux avec ces fibres spéciales. Finalement les premières fibres microstructurées à cœur creux en verre de chalcogénures sont fabriquées
The work reported in this thesis deals with the experimental investigation of chalcogénide glasses microstructured fibres also known as photonic crystal fibre (PCF). Chalcogenide glasses are original materials with a large transparency window in the mid-infrared, high linear and non linear refractive indices. PCF are a new class of optical fibres which show novel optical properties and lead to great interest in the scientific community. First of all an efficient way of purification of these glasses is developed, as a result single index fibres with low attenuation are obtained (<1 dB/m). Then, the chalcogenide glasses FCP fabrication process we developed during this work is demonstrated to work and to be repeatable. Near and mid infrared optical characterizations are made on these fibres and compared to numerical simulations. Non linear effects as Raman scattering or self phase modulation are demonstrated at 1. 55 µm. Their strength shows the advantages of the chalcogenide glasses and PCF combination. Finally the first hollow core chalcogenide glasses PCF are fabricated and a pretty good control of their geometry is obtained

Dans cette etude sont montrees les potentialites de l'analyse en composantes principales (acp) et de l'analyse factorielle discriminante (afd) pour l'interpretation des spectres de reflexion proche et moyen infrarouges. L'acp realise un modele spectral: elle decompose les spectres en une somme de profils spectraux caracteristiques. Une nouvelle methode, l'acp sous contraintes d'orthogonalite (acpco) est introduite. L'acpco est une acp dans laquelle certains profils sont imposes. Les proprietes de l'afd appliquees aux variables issues de l'acp sont mises en evidence, permettant ainsi le calcul des spectres discriminants. A partir d'une collection de semoules modele, l'afd est utilisee pour prevoir des groupes de taille de particules et de teneur en eau. Les spectres discriminants montrent des bandes d'absorption attribuables a l'etat de l'eau (libre ou liee). L'acpco permet de corriger les deformations spectrales correspondantes en imposant les spectres discriminants comme profils spectraux. Une collection de spectres proche infrarouges de pommes est etudiee par acp. Leurs varietes et le russeting sont calcules par afd. Les spectres discriminants permettent d'en donner une interpretation biochimique

Le marche actuel des detecteurs infrarouges propose un large choix de composants repondant aux differentes applications modernes. Parmi ceux ci, les detecteurs schottky sur silicium allient un faible cout de fabrication et d'utilisation, et de grands formats de matrices. Leur domaine de detection est generalement la bande 3-5m ou leurs performances restent limitees. Pour profiter des avantages du silicium, d'autres composants ont ete developpes sur ce materiau afin de detecter dans la gamme 8-12m tout en gardant des performances elevees. L'objet de cette etude est donc la realisation et la caracterisation de detecteurs a base de silicium dont le principe de detection, comme pour les jonctions schottky, est la photoemission interne. Le principal d'entre eux est le detecteur hip base sur l'heterostructure sige/si. Nous en presentons une etude complete ou sont detailles son principe de fonctionnement, ses proprietes materiau liees a l'heterojonction sige/si ainsi que les modeles des caracteristiques electro-optiques. Puis nous exposons la technique de croissance de l'alliage sige et le procede technologique retenus pour la realisation de nos composants, tous deux etant caracterises a l'aide de differentes techniques (diffraction rx, sims, mesures hall, observations tem et meb). A partir des caracteristiques electro-optiques mesurees sur l'ensemble des composants hip realises, nous avons observe les differentes influences des parametres technologiques et materiau, et determine le potentiel de ce type de structure. En complement nous avons aborde trois autres types de detecteurs a base de silicium qui chacun presentent une specificite particuliere

Dans le domaine des lasers, il existe une demande importante concernant la mise au point de sources capables d'emettre dans la bande spectrale s'etendant de 3 a 5 m, pour la detection de gaz et certaines applications militaires. A l'heure actuelle, les sources laser disponibles dans cette fenetre de transparence de l'atmosphere sont constituees d'oscillateurs parametriques optiques (o. P. O) ou de diodes lasers a multipuits quantiques. Dans l'objectif de developper des sources compactes et susceptibles de fonctionner en continu a temperature ambiante, nous avons explore la voie des materiaux solides dopes par des ions optiquement actifs. Apres avoir justifie le choix du cscdbr#3 dope avec des terres rares, ce manuscrit decrit la synthese et la caracterisation physique de ce materiau, dont les inconvenients majeurs s'averent etre la faible conductivite thermique et la grande fragilite mecanique. L'elaboration et la mise en place des divers procedes de synthese sous forme de poudre, ainsi que la croissance de lingots monocristallins et le conditionnement du materiau sont decrits. Excites dans le proche infrarouge entre 800 et 1000 nm, les cristaux de cscdbr#3 : tr (tr = pr, nd, dy, ho, er, tm) presentent de nombreuses bandes d'emission couvrant l'ensemble de la gamme spectrale 3-5m et meme au dela. Ces resultats originaux s'expliquent par la faible energie de phonons de la matrice. Neanmoins, bien qu'etant une condition necessaire, cette propriete peut, comme l'a revele l'etude des dynamiques de transitions, etre nefaste a l'obtention d'une emission stimulee en continu. On constate en effet souvent, qu'elle induit des durees de vie importantes des niveaux recepteurs de ces transitions, et peut egalement limiter l'efficacite de pompage, lorsque celui ci ne s'effectue pas directement sur le niveau emetteur.

Les plasmas d’air à pression atmosphérique ont de nombreuses applications. Nous pouvons par exemple citer les applications biomédicales, le traitement des matériaux, la bio-décontamination environnementale et la combustion assistée par plasma. La polyvalence des décharges plasma résulte de leur capacité à produire des densités élevées d’espèces actives, sans toutefois chauffer substantiellement le gaz. Les décharges nanosecondes répétitivement pulsées (NRP) ont particulièrement reçu une grande attention en raison de leur capacité à produire des densités électroniques élevées, qui conduisent à la création de fortes densités d’espèces actives telles que l’oxygène atomique (O). Par ailleurs, des mesures de spectroscopie d’émission ont montré que des états excités du monoxyde d’azote (NO) sont produits par les décharges NRP opérant dans l’air ou dans des mélanges combustibles. Bien que les décharges NRP aient déjà fait l’objet de plusieurs investigations, les mécanismes cinétiques conduisant à la production de NO sont toujours incertains. C’est la motivation première des travaux menés dans le cadre de cette thèse. En outre, les décharges NRP se sont avérées produire une grande quantité d’oxygène d’atomique, espèce de grande importance pour la combustion assistée par plasma. Il a été en particulier démontré que grâce à la production élevée d’espèces actives, les décharges NRP peuvent stabiliser efficacement des flammes pauvres, à pression atmosphérique. Cependant la production de NO par les décharges NRP et les flammes stabilisées à l’aide des décharges NRP reste à étudier. Cela constitue le second objectif de cette thèse. Les mesures in-situ de densités absolues de NO dans les décharges plasmas et/ou en combustion sont très difficiles. Les techniques de fluorescence telle que la fluorescence induite par laser (LIF) nécessitent de complexes méthodes de calibration. Ces techniques requièrent également la connaissance des taux de quenching des états excités (en particulier à pression atmosphérique). Or ces taux de quenching sont très fortement dépendants de la température, de la nature des espèces en présence et de leur densité, et peuvent donc énormément différer entre un plasma opérant dans l’air et en combustion. D’autres techniques telles que l’utilisation des sondes à chimiluminescence sont tout aussi sujettes aux problèmes de calibration et de quenching des états excités tandis que les mesures ex-situ à l’aide d’analyseurs à gaz réalisant de l’absorption dans l’UV et l’IR peuvent conduire à des erreurs, surtout lorsqu’il s’agit de mesurer des radicaux. Dans cette étude, nous avons développé la spectroscopie d’absorption par laser à cascade quantique (QCLAS), pour des mesures in-situ de densités de NO dans l’air et en combustion. Cette technique permet de surmonter les difficultés des autres méthodes par utilisation d’une spectroscopie rotationnelle-vibrationnelle de haute résolution spectrale (10-3 cm-1). La QCLAS a les avantages d’être spectralement sélective, d’avoir une grande sensibilité et de ne pas nécessiter de calibration. Deux dispositifs expérimentaux ont été développés pour mesurer des densités de NO et des températures (1) dans une décharge NRP dans l’air, avec une résolution spatiale de 300-µm, et (2) en aval de la décharge NRP opérant dans l’air et dans des flammes méthane/air assistée par plasma, par utilisation d’une cellule multi-passages. [...]
Atmospheric pressure plasmas have numerous potential applications. These applications include for instance biomedicine, material processing, environmental biodecontamination and plasma-assisted combustion. The versatility of plasma discharges results from their ability to produce high quantities of active species without increasing the temperature of the gas appreciably. Nanosecond Repetitively Pulsed discharges (NRP) have received great attention owing to their capacity to generate high electron densities, which lead to the creation of a high density of active species such as atomic oxygen. Optical Emission Spectroscopy (OES) showed that excited nitric oxide (NO) was released by NRP discharges in air or in air/fuel mixtures.Although NRP discharges have already been the object of several investigations, the kinetic mechanisms of NO production by NRP discharges at atmospheric pressure remain somewhat unclear. This is one of the motivations for the investigations conducted in this thesis. In addition, NRP discharges were found to produce large amounts of atomic oxygen, which is of great interest for applications such as plasma-assisted combustion. It was shown in particular that thanks to this high production of active species, NRP discharges can effectively stabilize lean flames at atmospheric pressure. However, the production of NO in NRP discharges and in plasma-stabilized flames remains to be investigated. This is the second purpose of this thesis.Absolute and in-situ NO density measurements in atmospheric pressure plasma or/and flame environments are very challenging. Fluorescence-based techniques such as Laser Induced Fluorescence (LIF) require complex calibration methods. These techniques also require the knowledge of the quenching rates of the excited states (particularly at atmospheric pressure), which strongly depend on the temperature, density and nature of the species and can be very different for plasma or/and flame environments. Other techniques, such as chemiluminescence probe sampling also have quenching and calibration issues, and ex-situ UV and IR absorption-based gas analyzers can lead to errors, in particular for radicals.In this study, we developed Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy (QCLAS) for in-situ nitric oxide absolute density measurements in open-air and in combustion environments. This technique overcomes the difficulties of the previous ones by using high-resolution (10-3 cm-1) rotational-vibrational absorption spectroscopy. This technique presents the advantages of high spectral selectivity, no calibration requirement, and high sensitivity. Two experimental setups were developed to measure NO densities and temperature, (1) within a NRP discharge in air, with 300-µm spatial resolution, and (2) downstream of NRP discharges in air and in plasma-assisted methane/air flames, using multi pass cell. [...]

La mesure des concentrations d’espèces à l’état de trace, susceptibles d’avoir un impact notable sur la santé, le climat ou la stabilité de la couche d’ozone constitue un véritable défi. Les prochaines missions spatiales, prévues à haute sensibilité, apporteront un progrès si et seulement si les paramètres spectraux nécessaires sont disponibles. Pour certaines espèces d’intérêt atmosphérique telles que le chlorure de nitryle (ClNO₂), le phosgène (Cl₂CO) et le nitrate de chlore (ClONO₂), les données spectroscopiques sont incomplètes ou quasiment inexistantes. Le défi dans cette thèse consiste à obtenir des paramètres spectroscopiques (positions et intensités de raies ou sections efficaces d’absorption) pour ces espèces, en vue des applications atmosphériques. Cependant, hormis Cl₂CO, la spectroscopie de ClNO₂₂ et ClONO₂ est rendue difficile par leur synthèse chimique très complexe, leur réactivité avec les métaux et les matériaux organiques et leur instabilité en présence de lumière et chaleur. De plus, ces molécules sont assez lourdes (présence du chlore avec ses deux isotopomères) et présentent des spectres denses et assez compliqués par de nombreuses perturbations qui affectent les niveaux de vibration-rotation.Dans le cas de ClNO₂, des spectres ont été enregistrés dans la gamme 300 – 900 cm-1 avec de meilleures conditions expérimentales (haute résolution, basse température, long parcours, faible pression) en utilisant le rayonnement synchrotron de la ligne AILES à SOLEIL. Des modélisations précises des régions à 370 et 790 cm-1 ont été effectuées. Ces régions pourront être exploitées pour une future télédétection atmosphérique par spectroscopie IRTF respectivement par les instruments FORUM et IASI-NG. Les vibrations de basse énergie de ClONO₂ jamais observées à haute résolution avant ce travail ont également été mesurées. Une première modélisation de la région de la torsion vers 120 cm-1 est présentée dans cette thèse. L’analyse de ces vibrations sera utile pour modéliser les bandes chaudes dans les fenêtres atmosphériques où ClONO₂ est actuellement détecté, et in fine permettra d’aboutir à une restitution bien plus précise du profil de concentration de ClONO₂. Concernant Cl₂CO, des sections efficaces ont été mesurées au LISA, d’une part, à température ambiante pour clarifier les données des travaux antérieurs et, d’autre part, dans les conditions stratosphériques en soutien à la télédétection satellitaire
Measuring concentrations of trace species that may have a significant impact on health, climate or the stability of the ozone layer, is a serious challenge. Future space missions, planned at high sensitivity, will bring progress if and only if the necessary spectral parameters are available. For some species of atmospheric interest such as nitryl chloride (ClNO₂), phosgene (Cl₂CO) and chlorine nitrate (ClONO₂), spectroscopic data are incomplete or almost non-existent. The challenge in this thesis is to get spectroscopic parameters (line positions and intensities or absorption cross sections) for these species in support of atmospheric applications. However, apart from Cl₂CO, spectroscopy of ClNO₂ and ClONO₂ is made difficult by their very complicated chemical synthesis, their reactivity with metals and organic materials, and their instability in the presence of light and heat. Moreover, these molecules are quite heavy (presence of chlorine with its two isotopomers) and exhibit dense spectra that are quite complicated by numerous perturbations affecting vibration-rotation levels.In the case of ClNO₂, spectra were recorded in the range 300 – 900 cm-1 with much improved experimental conditions (high resolution, low temperature, long path, low pressure) using the synchrotron radiation of the AILES beamline at SOLEIL. Precise modelling of the 370 and 790 cm-1 regions has been performed. These regions could be used for a future atmospheric remote sensing by FTIR spectroscopy respectively by FORUM and IASI-NG instruments. The low energy vibrations of ClONO₂ that have been never observed at high resolution before this work were also measured. A first modelling of the torsional region around 120 cm-1 is presented in this thesis. The analysis of these vibrations will be useful for the modelling of hot bands in the atmospheric windows where ClONO₂ is currently detected, and in fine will lead to a much more precise retrieval of the ClONO₂ concentration profile. Regarding Cl₂CO, cross sections have been measured at LISA, on one hand, at room temperature to compare data with previous works and, on the other, in stratospheric conditions to support satellite remote sensing applications

L'augmentation des émissions de CO2 entraîne un réchauffement de la planète préjudiciable aux équilibres écologiques terrestres. Dans ce contexte, le stockage de CO2 dans des formations géologiques terrestres et sous-marines se pose comme un moyen intéressant de limiter les conséquences de ces émissions. Cependant cette solution nécessite une surveillance continue afin de détecter d'éventuelles fuites au niveau d'une zone de stockage. Les travaux de thèse présentés concernent le développement d'un capteur optique en fibre de chalcogénures pour la détection de CO2 gazeux fonctionnant dans le moyen infrarouge. Cette détection est basée sur un phénomène de luminescence, jouant le rôle de source déportée et partiellement absorbée en présence de CO2. Le développement de ces fibres optiques a demandé un important travail en sciences des matériaux et en caractérisation spectroscopique. Un prototype a été fabriqué et utilisé avec succès sur le terrain lors de campagnes de mesure menées in-situ
The increase of CO2 emissions causes global warming harmful to ecological balances in earth. In this context, CO2 storage in geological formations is an interesting way to limit the consequences of these emissions. However, this solution requires continuous monitoring to detect possible leaks at storage area. The presented work involves the development of an optical fiber sensor based on chalcogenide glasses for the CO2 gas detection operating in the infrared. This detection is based on a luminescent phenomenon, acts as a remote source and partly absorbed in the presence of CO2. The development of these fiber optic asked important work in materials science and spectroscopic characterization. A prototype was manufactured and successfully used in the field during measurement campaigns in situ

La mesure des profils verticaux de concentration de traces de gaz atmosphériques permet de mieux comprendre la pollution de l'air, la destruction de l'ozone et le changement climatique. Elle permet aussi de valider les modèles chimiques proposés et les observations par satellite. À ce titre, le Radiomètre Hétérodyne Laser (RHL) offre des avantages certains en termes de résolution spectrale, de sensibilité et de résolution verticale élevées. Sa taille relativement compacte, permettant un déploiement pour des applications sur le terrain, est un atout supplémentaire. L'objectif de cette thèse consiste à développer un instrument RHL entièrement transportable pour la télédétection au sol, dans le domaine de l'infrarouge moyen (mi-IR), de gaz à l'état de traces présents dans la colonne atmosphérique. Afin de tester notre appareil et de caractériser ses performances, un récepteur RHL mi-IR a été mis au point comme Preuve de Concept (PdC). Il a été validé sur la plate-forme QualAir de l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC) associé à un héliostat de la station TCCON-Paris. Ainsi, le spectre d'absorption du CH₄ présent dans la colonne atmosphérique a été extrait du rayonnement solaire à l'aide de notre récepteur RHL. Il est en bon accord avec le spectre mesuré par la station TCCON-Paris. L'instrument LHR mi-IR entièrement transportable mis au point dans le cadre de cette thèse possède un fort potentiel d'utilisation dans la mesure des profils verticaux de concentration d'espèces clés atmosphériques. Il peut potentiellement être positionné sur des engins spatiaux, sur des plates-formes aéroportées ou au sol
The measurement of vertical concentration profiles of atmospheric trace gases provides a better insight into air pollution, ozone destruction and climate change as well as a way to validate chemical models and satellite observations. To that end, laser heterodyne radiometer (LHR) offers significant benefits in terms of high spectral resolution, high sensitivity and high vertical resolution in conjunction with a compact instrumental size deployable for field applications. The aim of this thesis is to develop a fully transportable mid-infrared (mid-IR) LHR instrument for ground-based remote sensing of key trace gases in the atmospheric column. In order to test our design and characterize its performance, a proof of concept (PoC) mid-IR LHR receiver was first developed. Its field test was carried out on the QualAir platform of the University Pierre et Marie Curie (UPMC) with the help of a heliostat of the TCCON-Paris station (TCCON : Total Carbon Column Observing Network). LHR absorption spectrum of CH₄ in the atmospheric column was extracted from the solar radiation using the developed ground-based LHR receiver and it is good agreement with the spectrum measured by the TCCON-Paris station. After this field test validation, a fully transportable mid-IR LHR instrument was developed and deployed on the roof of the IRENE platform of the University of Littoral-Côte d'Opale (ULCO) in Dunkirk. LHR spectrum of CH₄ and N₂O in the atmospheric column was measured and in good agreement with the TCCON FT-IR spectrum of CH₄ and N₂O, as well as in good agreement with the atmospheric transmission modelling. The fully transportable mid-IR LHR instrument developed in this PhD work has high potential use in measurement of vertical concentration profiles of key atmospheric species on spacecraft, on airbone or on ground-based platform

Les travaux présentés ici concernent les échanges de chaleur entre une tôle métallique et un moule en béton réfractaire ou en acier inoxydable sont abordés pour des températures comprises entre 600 et 1000°C, voire plus. Ces échanges sont décomposés en deux étapes : une phase d’approche sans contact dite radiative qui nécessite la détermination des propriétés radiatives des solides en présence puis une phase avec contact : détermination d’une Résistance Thermique de Contact (ou « RTC ») à haute température. Pour décrire ces deux étapes, deux nouveaux moyens expérimentaux ont été étudiés et développés :a) Un banc de mesure directe de l’émissivité à chaud a été développé afin d’étudier la phase sans contact. Une enceinte elliptique utilisant le principe d’un four à images a permis d’obtenir des températures élevées (jusqu’à 1250°C) ainsi que des vitesses de chauffe élevées (>11°C/s) sur les échantillons à caractériser. Une instrumentation permettant de réaliser des mesures d’émissivité spectrale et totale a également été développée. La méthodologie de mesure a été validée en choisissant le platine comme matériau de référence, de par sa bonne stabilité chimique, la faible dépendance de ses propriétés avec la température et des propriétés bien documentées. L’émissivité du TA6V et de l’Inconel 625 en fonction de la température ([600 ; 1000]°C) et du temps de chauffage (jusqu’à 5 heures) a ensuite été étudiée. b) Le développement d’un banc de mesure de la RTC à haute température a permis quant à lui d’étudier la phase avec contact. Ce moyen a pour objectif de mesurer la RTC entre des couples de matériaux métal/métal (TA6V ou Inconel 625 /Inox 310) ou métal/céramique (TA6V ou Inconel 625 /Béton réfractaire) pour des pressions allant jusqu’à 4MPa. L’approche adoptée a été de disposer une pastille métallique représentant la tôle (TA6V ou Inconel 625) entre deux barreaux représentant l’outil (Inox 310 ou béton réfractaire), eux-mêmes, amarrés à une machine de traction. Le chauffage a été réalisé en introduisant le barreau supérieur dans un four résistif porté à 1000°C maximum. L’instrumentation du barreau inférieur a permis de déterminer le flux de chaleur conductif traversant ainsi que sa température de surface, ce qui a permis de mesurer la RTC sur une gamme thermique comprise entre 450 et 800°C et une gamme de pression de contact comprise entre 0,1 et 4MPa. Les résultats obtenus à l’aide de ces deux bancs peuvent être intégrés dans des simulations numériques de formage, pour calculer des recettes de lampes. Ces valeurs ont conduit au formage réussi de de 4 tôles successives en TA6V avec de bonnes conformités géométriques et microstructurales
The present work deals with the high temperature heat transfers involved in sheet/die contact within hot forming processes. The investigated heat ranges lie between 600°C and 1000°C while the study materials are namely TA6V and Inconel 625 (for the sheet) and AISI 310 stainless steel and refractory concrete (for the die). Under such industrial configuration, the heat transfers can be split in two steps: i) a gap closing phase during which the radiative property of the contact pair prevail and ii) a solid contact phase during which the conductive properties are involved and more precisely the thermal contact resistance (TCR). This twostep approach allows a separate investigation of both phenomena which are herein studied by the mean of two dedicated experimental means: a) The gap closing phase is studied through an emissivity measurement setup dedicated to high temperature. The chosen setup is inspired from elliptical oven setups. Its features include a heating rate over 11°C/s and a maximal in-service temperature of 1250°C. The related measurement instruments selection and design are also part of the presented work. The metrological aspects along with the uncertainty quantification are performed through the use of a reference material: pure platinum. This latter has proven worthy by its ability to sustain very high temperature while remaining free from oxidation. In addition, platinum’s optical properties are well documented throughout the scientific literature which provides solid comparisons with other published results. Finally, the construction of an emissivity database is presented for the two sheet materials of the study: TA6V and INCONEL 625. b) The solid contact phase is studied through a second tailor made experimental setup dedicated to TCR measurements. The proposed features include the ability to study metal contact pair (AISI 310 vs. TA6V/INCONEL 625) or ceramic vs. metal contact (Concrete vs. TA6V/INCONEL 625) for temperature as high as 800°C. The whole setup can be inserted within a classical tensile device in order to load the contact interfaces at stress levels similar to those involved in metal forming processes (here up to 4MPa). In practice, a circular sample cut from the studied sheet metals is clasped in between two cylindrical bars made of AISI 310 or concrete. The upper bar is then heated up by the mean of a resistive oven in order to generate a directional heat flux throughout the material interfaces. A suited measurement instrumentation then allows the assessment of the TRC for each contact pair for temperature ranging from 450°C to 800°C and pressure ranging from 0.1MPa to 4MPa. The results obtained from these two setups have built up a material database that was then use to simulate industrial hot forming operations. The process parameters retrieved from these simulation were used as input in an actual forming process and has led to the successful manufacturing of four parts all of which satisfying the quality requirements in term of geometry and microstructure

Cette these de doctorat concerne la conception de nouveaux oscillateurs parametriques optiques (opo) avec comme objectif l'amelioration des proprietes spatiales et spectrales des faisceaux generes par rapport aux dispositifs actuels. L'originalite de ces dispositifs repose sur l'utilisation de cristaux non lineaires de geometrie cylindrique. Une methode originale d'usinage en cylindres de mono-cristaux orientes a ete developpee : les cristaux ainsi usines presentent des caracteristiques de cylindricite et de poli sur la tranche compatibles avec leur utilisation dans un dispositif resonant. Les geometries de cavite permettant un couplage optimum entre les ondes dans l'opo sont definies en prenant en compte les specificites liees a l'insertion intra-cavite d'un cristal non lineaire cylindrique : ces dispositifs imposent un controle rigoureux de la focalisation du rayonnement incident. Cette etape a permis la realisation d'un opo en regime impulsionnel pompe a 1064nm en quasi-accord de phase dans un cristal de ppktp cylindrique, permettant une accordabilite continue du signal sur une plage spectrale de 523nm. De meme, l'accordabilite angulaire d'un opo en accord de phase de type i dans un cristal de ktp a ete demontree sur 31,5\, ce qui correspond a environ 3 fois la gamme angulaire exploitable avec un cristal parallelepipedique. Une methode originale pour la caracterisation de faisceaux gaussiens a ete appliquee a la mesure du facteur de qualite (m 2) du faisceau signal emis par cet opo. Ces mesures ont conduit au developpement d'un modele simple qui definit les geometries de cavite permettant d'obtenir un affinement spatial de l'onde resonante dans la cavite de l'opo. L'application de ce modele a debouche sur la realisation d'un opo accordable en accord de phase emettant un faisceau signal dont le facteur de qualite m 2 est inferieur a 1,5 sur toute la plage angulaire consideree.

Interprétation de données vibrationnelles obtenues sur les aluminés béta par des calculs de champ de force. Calcul des déplacements quadratiques moyens dans les aluminés béta. Les mécanismes de conduction ont été utilisés par diffusion quasi élastique de neutrons et calorimétrie adiabatique. Le calcul des intensités raman sur un cristal de ga::(2)o::(3) est en bon accord avec l'experience