Dans cette thèse, nous étudions les modifications optiques et structurales induites par des impulsions provenant d'un laser Ti:Saphir dans la silice et le ZBLAN. Nous avons réalisé une série d'expériences dans le but d'écrire des guides d'onde dans ces matériaux et d'en optimiser les conditions d'écriture. Les modifications induites via la focalisation d'impulsions femtosecondes à l'intérieur des matériaux ont ensuite été caractérisées. Dans la silice, les modifications observées sont, entre autres, le changement positif de l'indice de réfraction et la création de guides d'onde. Par contre, dans le ZBLAN, le changement de l'indice de réfraction peut être positif ou négatif selon la composition du verre. Nous avons ainsi étudié la création de guides d'onde et d'anti-guides d'onde dans ce matériau. Nos études nous ont permis d'établir les liens entre les phénomènes de fïlamentation, de claquage et de changement de l'indice de réfraction. Nous apportons aussi une meilleure compréhension aux mécanismes présents lors du changement d'indice de réfraction dans les verres, ce qui a permis d'optimiser le processus d'écriture des guides d'onde.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des courbures sur les guides d'onde qui interviennent dans la confection des dispositifs optiques. Ces guides doivent être conçus pour minimiser la perte du signal causée par la courbure. Nous nous proposons, dans ce travail, de résoudre les équations de Maxwell vectorielles qui modélisent la propagation du champ électromagnétique, pour différents types de guide d'onde. Ainsi, nous développons une formulation en coordonnées curvilignes générales de ces équations basée sur l'approche modale. Pour discrétiser notre problème, nous utilisons une méthode numérique basée sur les éléments finis, ce qui requiert la troncature du domaine de calcul et la considération d'une frontière artificielle. Cette frontière fictive induit des réflexions numériques importantes dans le cas des guides courbés. Pour remédier à ce problème, des conditions de frontières absorbantes sont utilisées. Notre choix porte sur les PML (couches parfaitement adaptées) qui ont montré leur efficacité dans plusieurs cas de problèmes posés sur des domaines ouverts. Pour satisfaire l'exigence de précision requise pour la détermination des constantes de propagation de ces guides, des éléments finis mixtes d'ordre élevé ont été développés. Dans le cas des géométries rectangulaires, nous proposons une nouvelle famille d'éléments quadrangulaires d'ordre 1 et 2 pour discrétiser les équations écrites en coordonnées cylindriques. Pour les géométries circulaires, où une transformation en coordonnées toroïdales est considérée, nous utilisons une nouvelle famille d’éléments axisymétriques d'ordre 1 et 2. Des analyses comparatives montrent la robustesse des formulations et l'efficacité des éléments finis d'ordre élevé développés.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / L'utilité des microcavités diélectriques a été démontrée dans le cadre de plusieurs applications technologiques, de la biodétection à l'informatique quantique en passant par le développement de nouvelles sources laser. Les ingrédients nécessaires à ces multiples applications sont principalement une concentration énergétique élevée et un haut facteur de qualité (temps de confinement très long) menant à un recyclage photonique efficace. Les cavités en forme de microdisque (rayon de 10-100 pm) sont d'un intérêt particulier comme structure de base en raison de leur géométrie quasi-bidimensionnelle et de la facilité associée à leur fabrication et leur intégration. Ce projet de maîtrise s'articule autour de deux types de méthodes numériques visant à modéliser des structures optiques bidimensionnelles, plus particulièrement des microcavités diélectriques. D'abord, un algorithme de modélisation par éléments de frontière est mis en oeuvre afin de déterminer les modes résonants de cavités et le facteur de qualité associé. La méthode est généralisée à un nombre arbitraire de domaines diélectriques simplement ou multiplement connexes. Le cas important de la cavité annulaire, une cavité en microdisque dans laquelle un défaut circulaire est inscrit, est traité en détail. Cette géométrie particulière permet d'accéder à une plus grande richesse de profils d'émission tout en conservant le haut facteur de confinement propre aux cavités symétriques. Les résultats obtenus s'inscrivent spécifiquement dans le cadre du développement de nouveaux microlasers directionnels. Deuxièmement, un modèle numérique par éléments finis est développé afin de rendre compte du couplage evanescent entre une microcavité et un guide d'ondes rectangulaire. Cette étude vise à optimiser les paramètres géométriques d'un dispositif d'optique intégrée pouvant être utilisé dans le cadre de la biodétection.

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Experiments with polarized "ultracold neutrons" (UCN) offer a new way to measure the decay correlations of neutron beta decay; these correlations can be used to test the completeness of the Standard Model and predict physics beyond it. Ultracold neutrons are very low energy neutrons that can be trapped inside of material and magnetic bottles. The decay correlations in combination with the neutron and muon lifetimes experimentally find the first element (Vud) of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) quark mixing matrix. The CKM matrix is a unitary transform between the mass and weak eigenstates of the d, s and b quarks; if the matrix is not unitary this would imply that the Standard Model is not complete. Currently the first row of the CKM matrix is over 2 sigma from unitarity and Vud is the largest component of the row. The UCNA experiment looks at the correlation between the polarization of the neutron and the momentum of the electron resulting from the beta decay of the neutron (the A-correlation). The keys to making a high precision measurement of A-correlation are a near 100% polarization of the neutrons that decay, low"backscatter electron detectors, and small, well characterized backgrounds. UCN can be 100% polarized by passing them through a seven Telsa magnetic field. The key to the UCNA experiment is keeping them polarized until they decay or are lost. This dissertation covers the development of guides that are minimally depolarizing and efficient transporters of UCN and their use in the UCNA experiment. The entire guide development process is covered from conception to manufacturing and testing. This process includes development of a pulsed laser deposition, diamond-like carbon coating system and materials studies of the resulting coatings. After the initial studies of the guide coating, meter"long sections of guide are tested with UCN to determine their depolarization and transport properties. The guide technology developed in this dissertation has been used in the entire UCNA experiment. Also, this technology is currently the state of the art for polarized and non-polarized UCN guide systems and it is being implemented in several new UCN experiments. / Ph. D.

The effectiveness of a guide training program was evaluated as a means of providing interpretive services to commercial boaters at the New River Gorge National River. Commercial river guides attended a National Park Service sponsored training program which provided accurate information and education concerning natural and cultural history of the New River, the national significance of the New River Gorge National River, the history and purpose of the National Park Service, and information and services available at the visitor centers. The emphasis of the training session was to increase the river guides’ knowledge base and to encourage their interpretive presentation of this information to their customers. Customers of a commercial outfitter were administered a questionnaire before and after the guide training program. Significant differences in the amount of interpretation guides presented on the river, the amount of knowledge customers acquired during the trip, and the customers' overall trip rating were noted by empirical testing. Increases in the means of all three outcome variables occurred following guide training. Customers’ intentions to visit a New River Gorge Visitor Center did not significantly change following guide training. The validity and reliability of the instrument is discussed as well as potential biases and constraints of the study. Implications for management and further research are also discussed. / M.S.

"Thèse en cotutelle, Doctorat en physique; Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France" / L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser directe bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classées en trois types distincts:(type I, type II et type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induits. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leur synthèse, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le type I soit le type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly fabricate three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over the lithography technique, which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A occurring in the low pulse energy regime that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50- 50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. In addition, a comparitive study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modifications inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification.

Les personnes âgées forment une population qui connaît une forte croissance (Martel et Caron-Malenfant, 2007). Selon les données recueillies dans la présente étude, plusieurs de celles-ci sont intéressées par l’apprentissage du piano. Les aînés qui s’adonnent à l’apprentissage de la musique en retirent d’ailleurs des bénéfices sur les plans de la santé et du bien-être personnel (Creech, Hallam, McQueen et Varvarigou, 2013). De plus, les données colligées indiquent que la clientèle âgée des enseignants de piano est à la hausse et qu’il existe un manque de matériel pédagogique et de formation dans l’enseignement du piano aux aînés. La présente étude consiste donc en un projet de recherche de développement visant l’élaboration d’un guide pédagogique électronique destiné aux enseignants de piano travaillant avec des aînés ou souhaitant travailler avec cette clientèle. Rigoureusement conçu, ce guide a été élaboré à l’aide d’une adaptation des modèles de Van der Maren (1995; 2003), conçus pour l’élaboration d’un objet pédagogique. Répondant aux besoins recensés auprès de 118 enseignants de piano québécois et de huit aînés suivant des leçons de piano ou intéressés par cette activité d’apprentissage, ce guide pédagogique électronique est constitué de pièces de répertoire (partitions musicales et enregistrements sonores) adaptées aux préférences des personnes âgées québécoises et aux caractéristiques particulières de celles-ci, ainsi que de fiches et de capsules d’informations traitant des caractéristiques sensorielles, cognitives, psychomotrices, psychologiques et musicales des aînés. Il présente également des stratégies d’enseignement adaptées à l’enseignement du piano aux personnes âgées, des suggestions de lecture et de cahiers d’exercices techniques ainsi qu’une fiche d’évaluation de départ conçue afin d’aider les enseignants à identifier les besoins et le profil de leurs nouveaux élèves âgés. Le contenu et l’ergonomie web de l’outil conçu ont été validés par trois enseignants de piano expérimentés. / The aging population is constantly growing (Martel & Caron-Malenfant, 2007). Data collected from the current study revealed a marked interest in piano learning for elderly students. Moreover, recent research indicates that « music continues to offer powerful potential for enhancing health and well-being in old age » (Creech, Hallam, McQueen & Varvarigou, 2013). This study also revealed that piano teachers' older clientele is increasing while pedagogical materials and training resources for the elderly are not readily available. The objective of the current research project was to develop an online pedagogical guide specifically conceptualized for piano teachers who are working with, or who are willing to work with elderly students. This guide is based on an adaptation of the two research development models proposed by Van der Maren (1995; 2003) for the creation of pedagogical tools. The pedagogical guide was conceptualized to respond to the needs expressed by 188 piano teachers and by eight elderly piano students and prospective piano students. The guide consists of a piano repertoire (sheet music and recordings) that is adapted to older students' musical preferences and specific profiles, as well as accessible summaries of scientific articles and flash cards explaining sensorial, cognitive, psychomotor, psychological and musical characteristics of older piano students. The guide also includes teaching strategies adapted to elderly students, documents that explore a given subject in more detail, technical exercise book suggestions, and an evaluation form created to help teachers in identifying their elderly students’ needs and personal profiles. The content and the usability of the online pedagogical guide have been validated by three experienced piano teachers.

The objective of this research is to investigate the use of laser direct writing to micro-pattern low loss passive optical channel waveguide devices using a new hybrid organic/inorganic polymer. Review of literature shows previous methods of optical waveguide device patterning as well as application of other non-polymer materials. System setup and design of the waveguide components are discussed. Results show that laser direct writing of the hybrid polymer produce single mode interconnects with a loss of less 1dB/cm.