Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lincoln Brum Leite Gusmao Pinheiro.pdf: 12018652 bytes, checksum: 549713a741e1a24e716f1b228a4d2109 (MD5) Previous issue date: 2010-04-09 / The effect of Er substitution on the mechanical properties of ab and a(b)c planes of melt-textured Y Ba2Cu3O7 is reported in the present work. The samples were characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, resistivity measurements and mechanical properties by instrumented indentation and conventional Vickers measurement. The X-ray pattern and EDS analysis revealed the presence of Y-123, Y-211 and BaCeO3. Er substitution did not affect the superconducting properties. No difference in hardness was observed for the ab and a(b)c-plane. Elastic modulus of the a(b)c-plane was 10 % higher than of the ab-plane. Difference in indentation fracture toughness obtained by conventional Vickers indentation of the ab and a(b)c-planes was observed. The 5 % Er addition did not affect significantly the mechanical properties of melt-textured samples when compared with pure melt-textured Y Ba2Cu3O7. We have also studied fluctuations on the electrical conductivity in the samples. Two samples with different disorder states were studied. To identify power-law divergences of the conductivity, the results were analyzed in terms of the temperature derivative of the resistivity (d=dT ) and of the logarithmic temperature derivative of the conductivity (d(ln)=dT ). For sample with extreme granularity, we have observed for J k ab configuration a regime corresponding to the exponent u 1:6 0:1. For homogeneous sample, the fluctuations above the critical temperature are highly anisotropic: Gaussian regimes are observed for J ab configuration and critical regimes for J k ab configuration. Also, the data showed the occurrence of a two-stage transition, but it was not observed power-law behavior in the regime of near-zero resistance state. / O presente trabalho apresenta o efeito da substituição do érbio nas propriedades mecânicas de amostras texturizadas de Y Ba2Cu3O7. As referidas propriedades foram estudadas tanto ao longo de planos paralelos ao plano de condução ab, quanto ao longo dos planos a(b)c. As amostras foram caracterizadas por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, análise EDS, medidas de resistividade elétrica e medidas de magnetização. As propriedades mecânicas foram estudadas por indentação instrumentada e microdureza Vickers. O padrão de difração de raios-X e a análise EDS revelaram a presença das fases Y-123, Y-211 e BaCeO3. Notouse que a substituição do érbio não afetou as propriedades supercondutoras. Não foi observada correlação entre a dureza e a orientação dos planos. Contudo, o módulo elástico mostrou-se anisotrópico, sendo 10 % maior no plano a(b)c que no plano ab. A tenacidade à fratura também apresentou anisotropia. A adição de 5 % de érbio não evidenciou nenhuma mudança significativa nas propriedades mecânicas, reproduzindo o conhecido para o YBCO puro texturizado. Também, foi estudado o efeito das flutuações térmicas sobre a condutividade elétrica das amostras. Foram investigadas duas amostras com graus de desordem diferentes. Para analisar as leis de potência que regem a divergência da condutividade elétrica, nessas mesmas duas amostras, foram usadas a derivada da resistividade em função da temperatura (d=dT ) e a derivada logarítmica da condutividade em relação à temperatura (d(ln)=dT ). Para a amostra extremamente granular, foi observado um regime do expoente u 1:6 0:1, para a configuração J k ab. Para a amostra homogênea, as flutuações acima da temperatura crítica mostraram-se fortemente anisotrópicas: regimes Gaussianos foram observados para a configuração J ab e regimes genuinamente críticos para J k ab. Os dados também evidenciaram uma transição que ocorre em dois estágios, entretanto, não foram identificados regimes em lei de potência na aproximação do estado de resistência nula.

L’étude des plasmas denses et tièdes est un domaine qui suscite aujourd’hui l’intérêt de nombreux groupes de recherche de part son large spectre d’applications. Ce régime de la matière, qui recouvre une densité proche de celle du solide et une température allant de 0.1 à une dizaine d’eV, est encore mal connu et présente une grande complexité de part son caractère partiellement dégénéré (électrons) et partiellement corrélé (ions). Afin d’explorer ce régime, nous proposons de le sonder par spectroscopie d’absorption X près des seuils grâce à une source X ultra-rapide (ps), intense, produite par laser. La spectroscopie d’absorption X près des seuils (XANES, EXAFS) est un diagnostic qui permet l’étude de la structure atomique locale de milieux éventuellement non-cristallins (solides, liquides, plasmas denses et tièdes). Elle nécessite l’utilisation de sources X de large bande spectrale ajustée au seuil d’absorption de l’élément étudié (...) / The possibility of producing, in a controlled way, matter at solid density (1-10 g/cm3) while maintaining it at temperatures ranging from 0.1 to 100 eV has been for a long time a desired goal. At the boundary between condensed matter and plasma physics, the study of matter in the Warm Dense Matter (WDM) regime involves, nowadays, many laboratories worldwide. This state is still poorly understood and presents a very complex character, being partly degenerated (electrons) and partly correlated (ions). To explore this regime, we proposed to probe WDM by X-ray absorption fine spectroscopy with an ultra-fast X-ray source (ps), produced by ultra intense lasers. X-ray absorption fine spectroscopy, specifically XANES and EXAFS spectroscopy, is a diagnostic tool that allows the study of local atomic structures, even in non-crystalline states (solid, liquid, WDM, plasmas). It requires the use of broadband X-ray sources adjusted on the x-ray absorption edge of studied element (...)

L'excitation optique résonante de systèmes atomiques permet de bénéficier d'une réponse non linéaire exacerbée, qui ouvre la voie au traitement de la lumière par la lumière, même à faible intensité lumineuse. Certaines interactions lumière matière cohérentes permettent en outre de s'affranchir de la forte absorption associée à la résonance. Dans cette thèse deux effets cohérents et résonants ont été explorés dans un cristal d'Y2SiO5 (YSO) dopé aux ions erbium, isotope 167 : les oscillations cohérentes de populations (OCP) et la transparence induite électromagnétiquement (TIE).<br /><br /> Les OCP ont lieu dans un système à deux niveaux, excité par un faisceau d'intensité lentement variable. Dans cette thèse, les OCP ont notamment été utilisées pour ralentir la vitesse de propagation de la lumière dans le cristal à 3 m/s. Nous avons également démontré le bénéfice que représente l'élargissement inhomogène pour ajuster ralentissement et transmission.<br /><br /> La TIE est obtenue dans un système à 3 niveaux dit ``en lambda'' en excitant la cohérence Raman entre les 2 niveaux fondamentaux par 2 faisceaux optiques cohérents. Lors de la caractérisation de la structure hyperfine de l'erbium 167 dans YSO par spectroscopie par résonance paramagnétique électronique et creusement spectral nous avons mis en évidence plusieurs systèmes en lambda, utilisables pour la TIE. Un dispositif expérimental basé sur le filtrage d'une bande latérale issu de la modulation d'amplitude d'un faisceau laser continu a permis d'observer la TIE pour la première fois dans la matière condensée à 1.536 micron.

Les ions erbium trivalents (Er3+) ont joué un rôle important dans le développement de la technologie des télécommunications optiques dans les dernières années. L'émission des ions Er3+ à 1.53?m est cruciale pour lestélécommunications optiques car cette émission correspond au minimum d'atténuation des fibres de silice utilisée pour transporter l'information. Malheureusement, la section efficace d'absorption des ions Er3+ est faible, de l'ordre de 10-21cm2. Pour cette raison, la sensibilisation des ions Er3+ par des espèces dont la section efficace d'absorption est élevée, comme les nano particules de silicium (Np-Si) par exemple, présente un intérêt majeur.<br>Plusieurs études ont été effectuées sur des couches minces de silice codopée par des Np-Si et des ions Er3+, mais plusieurs questions restent sans réponses. Par exemple, les mécanismes d'excitation et de désexcitation des ions Er3+, le faible pourcentage des ions Er3+ excités et l'environnement local des ions Er3+.<br>Nous avons utilisé une technique d'affinement de raie de fluorescence pour étudier l'environnement local des ions Er3+. Nous avons quantifié la largeur inhomogène de la transition 4I13/2--> 4I15/2 des ions Er3+ dans des couches minces de silice dopées par des Np-Si. Nous avons mis en évidence la présence d'un seul type de site. Une étude de la dynamique du niveau 4I13/2 nous a permis de proposer l'existence du phénomène de migration d'énergie entre les ions Er3+. Nous n'avons pas observé l'existence d'un transfert retour entre les ions Er3+ et les Np-Si. De plus, nous avons remarqué la présence d'une émission rapide (nanoseconde) dans le domaine de l'infrarouge. Nous avons attribué cette émission aux défauts liés aux Np-Si.

Le niobate de lithium dopé à l'erbium permet de tirer parti des propriétés optiques des ions terre rare et du fort coefficient électro-optique de la matrice. Il constitue ainsi un matériau prometteur pour la réalisation de lasers déclenchés monolithiques émettant vers 1,5 µm. En configuration guidée, l'obtention d'impulsions à forte puissance crête est en particulier envisageable à partir d'un pompage par diode laser du commerce et avec de faibles tensions de commande.<br />Dans cette perspective, un mécanisme prépondérant de réduction du gain aux fortes concentrations de dopant, caractéristique des cristaux dopés dans la masse, a été identifié et une méthode originale développée pour évaluer simplement ses effets de façon quantitative.<br />Ce mémoire souligne l'excellent accord entre les prévisions théoriques du modèle d'amplification optique mis en place puis adapté au cas de guides monomodes et les mesures réalisés sur les composants fabriqués dans le même temps par diffusion de bandes de titane dans des substrats dopés dans la masse et en surface.<br />Ceci a permis d'observer pour la première fois l'effet laser en continu dans des guides d'onde sur niobate de lithium dopé à l'erbium dans la masse et pompés par une diode à 1,48 µm. L'intégration de modulateurs électro-optiques a également conduit à l'observation d'impulsions déclenchées. Pour l'instant limitées par la puissance de pompe disponible, elles devraient pouvoir atteindre plusieurs centaines de watts de puissance crête avec des durées de quelques nanosecondes.

Le développement de sources multi-longueurs d'onde et accordables en longueur d'onde offre l'opportunité de faciliter le déploiement de systèmes de télécommunications par fibres optiques multiplexés en longueur d'onde et d'implanter une reconfiguration des réseaux au niveau optique. Dans ce contexte, le travail proposé étudie un laser à fibre en anneau incluant un amplificateur à fibre dopée erbium, comme milieu à gain, et un filtre de Lyot intégré sur niobate de lithium et accordable par voie électro-optique. Lorsque la commande du filtre est continue, on démontre, expérimentalement et numériquement, que la longueur d'onde d'émission de la source optique peut varier sur 18,8 nm avec des fluctuations de puissance inférieures à 3,6 dB. Par ailleurs, nous observons que la commutation de longueur d'onde est limitée par la réponse du milieu à gain. De plus, nous vérifions que l'emploi intra-cavité d'un modulateur en niobate de lithium permet de créer d'impulsions par mode déclenché ou synchronisation de modes et ne constitue qu'une nouvelle fonctionnalité intégrable sur la puce du filtre. Finalement, nous analysons le comportement du laser lorsque la commande du filtre varie. On parvient ainsi à générer des trains d'impulsions dont chacune possède sa propre longueur d'onde en appliquant des signaux "en escaliers" ou triangulaires de fréquence inférieure à quelques kilohertz. A plus haute fréquence, la modulation de la transmission du filtre par des signaux sinusoïdaux permet de créer des impulsions par un nouveau type de synchronisation de modes.

L'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour étudier les propriétés électroniques de nanograins de silicium incorporés dans une matrice de silice SiO2 dopée ou non avec de l'erbium. D'abord, nous nous sommes intéressés au matériau constitué de nanograins de silicium immergés dans différentes formes cristallines de SiO2. Nous avons construit plusieurs modèles (supercellules cubiques de taille différentes contenant un grain de silicium dont la taille est également variable). Nous avons ainsi étudié l'influence de plusieurs paramètres sur les propriétés électroniques: la taille des nanograins, les défauts à l'interface, la densité de nanograins par unité de volume de matériau et la phase cristalline de la matrice. Enfin, à partir des structures de nanograins obtenues précédemment, nous avons ajouté un atome erbium par supercellule. Nous avons exploré la stabilité de différentes positions de la terre rare ainsi que les propriétés électroniques du matériau afin d'envisager un mécanisme possible de transfert d'énergie entre un nanograin de silicium et un ion erbium.

Ce travail de thèse est dédié à l'étude des transitions radiatives dans les matériaux de nitrure et d'oxyde de silicium dopés aux ions de terres rares (Er3+, Nd3+). La caractérisation optique des films minces élaborés par évaporation thermique est basée sur la spectroscopie de photoluminescence. Les études menées s'inscrivent dans la recherche de processus d'excitation indirecte des ions Er3+ et Nd3+ dans des matrices à base de silicium. Dans les nitrures et oxynitrures de silicium, un processus de transfert d'énergie permettant l'excitation indirecte des ions Er3+ est mis en évidence. Pour les couches minces amorphes, le couplage est attribué à des états électroniques localisés dans la bande interdite de la matrice. Pour les films recuits à haute température, les nanocristaux de silicium (nc-Si) jouent un rôle majeur dans l'excitation indirecte de l'erbium. Dans les matrices d'oxyde de silicium, l'existence de processus d'excitations directe et indirecte des ions Nd3+ est démontrée. Pour les films amorphes, l'excitation indirecte du Nd se fait via des états électroniques localisés dans la bande interdite de la matrice. Pour les films recuits au-delà de 1000 °C, les nc-Si jouent le rôle de sensibilisateurs pour les ions Nd3+. Les résultats suggèrent que l'excitation indirecte des ions Nd3+ grâce aux états localisés dans la bande interdite de la matrice pourrait être plus efficace que l'excitation via les nc-Si.

La structure et la dynamique de modèles de verres à base de silice ont été étudiées à l'échelle microscopique par la méthode de la dynamique moléculaire. Pour ce faire, quatre modèles de potentiel effectif ont été testés dans les modélisations des caractéristiques structurales et des spectres vibrationnels de trois polymorphes cristallins de silice : quartz a, cristobalite a et faujasite. Alors que la structure des solides est bien décrite par les quatre modèles de champ de force, le champ de force de valence généralisé donne un meilleur accord pour les spectres vibrationnels de ces systèmes.<br />La dynamique de sous-structures dans la silice amorphe a été analysé en calculant le spectre de la coordonnée de respiration des anneaux à trois (3R) et quatre (4R) tétraèdres SiO₄ et de la manifestation spectrale de cette vibration dans le spectre Raman des verres modèles. Les résultats de modélisations montrent que le pic caract´éristique D2 à 625 cm^-1 dans le spectre peut être attribué au mouvement de respiration des anneaux 3R tandis qu'une telle attribution du pic D1 à 496 cm^-1 à la respiration des anneaux 4R est ambiguë.<br />L'étude de verres de silice dopés par les ions Er³⁺ indique la formation d'amas des ions de terre rare déjà à faible concentration. L'augmentation du taux de dopage entraine la formation d'amas d'ions liés par double ponts Er-O-Er et ces amas peuvent être considérés comme des précurseurs de la formation d'une phase Er₂O₃. L'analyse de la structure des verres montre l'accroissement important du nombre des anneaux 3R et 4R suite à la formation d'anneaux de compositions mixtes. A cause de la différence de la masse d'Er et Si et des constantes de force de liaisons, la dynamique des liaisons Er-O est découplée de celle de la matrice silicique. Ceci se manifeste par l'augmentation de l'intensité à basses fréquences dans la densité d'états vibrationnels des verres dopés.

I den här avhandlingen visas hur lasrar och optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan styras spektralt med hjälp av volymbraggitter. Volymbraggitter utgörs av ett periodiskt varierande brytningsindex som skrivits i ett fototermorefraktivt glas. Gittret reflekterar därmed en specifik våglängd som bestäms av perioden hos modulationen, och kan tillverkas med smal bandbredd och hög reflektans beroende på modulationens längd och styrka. En teoretisk modell har utvecklats för reflektiva volymbraggitters egenskaper om den infallande strålen har en större vinkelspridning än gittrets vinkeltolerans. Detta kan bl.a. inträffa i en laserkavitet där gittret används vid snett infall, och en teoretisk beskrivning är därför ett viktigt redskap för att kunna designa sådana lasrar. Spektral kontroll av ett antal fasta tillståndslasrar med hjälp av volymbraggitter har i försök påvisats, och lasern har därvid både kunnat avstämmas spektralt samtidigt som en avsmalnad spektral bandbredd erhållits. Lasern kan göras väldigt enkel genom att byta ut en av kavitetsspeglarna mot gittret. Tack vare gittrets goda spektrala urvalsmekanism kan lasern låsas var som helst i förstärkningsspektrumet. De tekniker och lasrar som demonstrerats experimentellt är följande: Lasring i en enda longitudinell mod erhölls både för en diodpumpad ErYb:glas-laser vid 1553 nm med ca 10 mW:s effekt och 90 kHz linjebredd samt för en diodpumpad Nd:GdVO4-laser vid 1066 nm med 0.85 W:s effekt. Lasrarnas våglängd kunde avstämmas över större delen av gittrets bandbredd på ca. 30 GHz. Genom att bygga Nd:GdVO4-lasern med en monolitisk kavitet kunde även en spektralt synnerligen stabil laser erhållas med under 40 MHz bandbredd. Tillämpningar för dessa lasrar finns både inom spektroskopi samt som källor för intrakavitetsfördubbling till synliga våglängder. Genom att använda gittret som inkopplingsspegel går det även att framställa lasrar med en väldigt låg kvantdefekt, som därför får minskad värmeutveckling i lasermediet. Detta medger i sin tur att lasrar med höga medeleffekter kan konstrueras, som kan användas bl.a. för olika former av materialbearbetning. I detta arbete har lasrar med låg kvantdefekt byggts med Yb:KYW som laserkristall; både en laser vid 998 nm på 3.6 W som diodpumpades vid 982 nm och med en bandbredd på 10 GHz, samt en laser vid 990 nm på 70 mW som pumpades av en Ti:safir-laser vid 980 nm. Om volymbraggittret används vid snett infall kan den reflekterade våglängden avstämmas genom att gittret roteras. Denna princip användes i en diodpumpad Yb:KYW-laser till att erhålla en brett avstämbar laservåglängd mellan 996 nm och 1048 nm med en maximal effekt på 3 W och med 10 GHz bandbredd. Genom att placera gittret i en retroreflektor kunde avstämningen göras utan att kaviteten behövde linjeras om. En laser som denna kan exempelvis användas för olika typer av materialkarakterisering och spektroskopi. Med optiska parametriska oscillatorer (OPO:er) kan laserljus omvandlas till nya våglängder. Därmed kan OPO:er användas som koherenta ljuskällor där inga effektiva lasrar existerar. OPO-processen kan göras effektiv om en pulsad pump används, och den genererade våglängden kan enkelt styras med hjälp av periodiskt polade (PP) icke-linjära kristaller, såsom PP-KTiOPO4, som användes i detta arbete. En nackdel med OPO:er är att i allmänhet är den genererade signalen tämligen spektralt bredbandig. Signalens bandbredd kan dock avsmalnas betydligt om ett spektralt filter såsom ett volymbraggitter används. Genom att byta ut en av speglarna i OPO-kaviteten mot gittret kan utformningen av OPO:n göras väldigt enkel. I en OPO med en signalvåglängd på 975 nm kunde en avsmalning av bandbredden till 50 GHz påvisas med hjälp av ett braggitter. Detta motsvarar 20 gångers minskning jämfört med om en konventionell spegel används. Som mest erhölls en pulsenergi på 0.34 mJ i signalen. Genom att rotera gittret kunde våglängden avstämmas 21 THz. För att förenkla avstämningen konstruerades även en OPO med gittret i en retroreflektor, samtidigt som kaviteten var av ringtyp. I denna OPO vid en våglängd på 760 nm och med en pulsenergi i signalen på upp till 0.42 mJ erhölls en bandbredd på 130 GHz och ett avstämningsområde på 2.6 THz. Slutligen har en OPO vid 1 µm konstruerats med ett gitter med en transversellt varierande period, s.k. chirp. Därigenom kan våglängden avstämmas väldigt enkelt genom att bara flytta gittret transversellt. En tillämpning av dessa OPO:er är såsom ljuskällor i olika typer av laserbaserade sensorer, i vilka en specifik och stabil våglängd erfordras. Dessutom kan de smalbandiga OPO:erna användas som första steg i ickelinjära processer i flera steg. Smal bandbredd är då viktig för effektiviteten i den påföljande ickelinjära omvandlingen i nästa steg. / The object of this thesis is to explore the usage of reflective volume Bragg gratings in photo-thermo-refractive glass for spectral control of solid-state lasers and optical parametric oscillators, to build tunable and narrowband coherent light-sources. In order to provide a design tool for use of reflective volume Bragg gratings in laser cavities, a theory was developed that describes the performance of the gratings if the incident beam has finite width with an angular spectrum that is comparable to the grating's angular acceptance bandwidth. Spectral control was demonstrated in a number of cw solid-state lasers, in terms of narrow bandwidth and tunable wavelength, by use of a volume Bragg grating. The design could be made very simple by replacing one of the cavity mirrors with the grating. Thanks to the grating's strong spectral selectivity, the lasers could be locked anywhere in the gain spectrum, while the laser bandwidth was substantially narrowed. In particular, the following lasers were demonstrated: Single-longitudinal-mode lasing in ErYb:glass at 1553 nm with 90 kHz linewidth and in Nd:GdVO4 at 1066 nm with a linewidth below 40 MHz. Very low quantum defect in Yb:KYW lasers, diode-pumped at 982 nm and lasing at 998 nm with 10 GHz bandwidth, as well as Ti:sapphire-pumped at 980 nm and lasing at 990 nm. An Yb:KYW laser that was widely tunable from 996 nm to 1048 nm with 10 GHz bandwidth. In nanosecond pulsed optical parametric oscillators (OPOs) based on periodically poled KTiOPO4, narrowband operation and a tunable wavelength were demonstrated with a volume Bragg grating as a cavity mirror. At a signal wavelength of 975 nm, the bandwidth was 50 GHz, a reduction by 20 times compared to using a conventional mirror. A tuning range of 21 THz was also demonstrated. In another OPO at a signal wavelength of 760 nm, a ring-cavity design was demonstrated to provide convenient tuning. A tuning range of 2.6 THz and a bandwidth of 130 GHz was shown. Also, narrowband operation and tuning in an OPO around 1 µm was demonstrated by use of a transversely chirped Bragg grating. / QC 20100813