Submitted by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-16T17:19:17Z No. of bitstreams: 1 CAROSSI_Lory_2017.pdf: 61131706 bytes, checksum: 687def06b5a758fcb457d49f53a494b1 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-16T17:19:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 CAROSSI_Lory_2017.pdf: 61131706 bytes, checksum: 687def06b5a758fcb457d49f53a494b1 (MD5) / Approved for entry into archive by Milena Rubi (milenarubi@ufscar.br) on 2017-08-16T17:19:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 CAROSSI_Lory_2017.pdf: 61131706 bytes, checksum: 687def06b5a758fcb457d49f53a494b1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-16T17:19:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CAROSSI_Lory_2017.pdf: 61131706 bytes, checksum: 687def06b5a758fcb457d49f53a494b1 (MD5) Previous issue date: 2015-02-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nanoporous anodic alumina films (NAA) may present different behavior to reflectance and photoluminescence techniques, with Fabry-Pérot interferences and waveguide properties. This phenomenon makes possible the use of NAA as transducer signal in optical sensors. In this work, we investigated how the pre-treatment, the number of steps of anodizing, the anodizing electrolyte mode and temperature affect electrochemical characteristics, morphological and optical mainly NAA. As a result, it was noticeable that the realization of electropolishing is necessary for both the NAA with good regularity as to make it possible to obtain a spectrum with the Fabry-Pérot interference. If the fabrication of NAA is done in two steps, it is possible to obtain reflectance spectra and luminescence fringed with better amplitudes, areas and heights. Regarding the anodizing mode, both the NAA anodized in galvanostatic how potentiostatic showed similar morphologies and spectra with fringes, but the interferences were better defined when the galvanostatic mode was performed. Regarding the temperature, it was noticeable that the change of this parameter leads influences the porous oxide thickness. The spectrum of the luminescence and reflectance increasing the electrolyte temperature caused an increase in interference. However, the range and resolution of interference decreased with increasing temperature. The oxide thicknesses were estimated by energy variation (?E), graph slope between order and 1/? and fast Fourier transform (FFT) techniques. The ratio of film thickness and pore diameter (L/dp) was performed to validate the NAA films with better waveguides property. Moreover, the surface composition analysis of NAA films anodized in phosphoric acid, oxalic acid and mixtures thereof by backscattering spectroscopy Rutherford (RBS) was performed. From simulations it was possible to note that the amount of carbon in the porous oxide structure is practically zero, which may indicate that the origin of the luminescence is related to the presence of more centers F. / Filmes de alumina anódica porosa (AAP) podem apresentar, espectros de reflectância e luminescência com interferências de Fabry-Pérot e propriedades de guias de onda. Esse fenômeno possibilita que a AAP possa ser utilizada como plataforma em sensores ópticos. Neste trabalho, foi investigado como o pré-tratamento, o número de etapas de anodização, o modo de anodização e a temperatura do eletrólito afetam características eletroquímicas, morfológicas e principalmente ópticas da AAP. Como resultado, foi possível notar que a realização do eletropolimento é necessário para obter tanto a AAP com boa regularidade como para que seja possível obter um espectro com as interferências Fabry-Pérot. Se a fabricação da AAP for feita em duas etapas, é possível obter espectros de reflectância e luminescência com franjas com melhores amplitudes, áreas e alturas. Com relação ao modo de anodização, tanto as AAPs anodizadas em modo galvanostático como potenciostático apresentaram morfologias semelhantes e espectros com franjas, mas as interferências foram melhor definidas quando o modo galvanostático foi realizado. Com relação à temperatura, foi possível notar que a mudança desse parâmetro ocasiona influencia na espessura do óxido poroso. Quanto aos espectros de luminescência e reflectância, o aumento da temperatura do eletrólito ocasionou um aumento no número de interferências. Entretanto, a amplitude e a resolução das interferências diminuíram com o aumento da temperatura. A espessura do filme poroso foi estimada pelas técnicas de variação de energia (?E), coeficiente angular do gráfico entre ordem da interferência e 1/? e através da transformada rápida de Fourier (FFT). E foi utilizada a razão entre a espessura do filme e diâmetro do poro (Esp/Dp) para averiguar os filmes de AAP com guias de onda que pudessem ser utilizadas como substratos para sensores ópticos. Além disso, foi realizada a análise de composição superficial dos filmes de AAP anodizados em ácido fosfórico, oxálico e mistura destes ácidos pela técnica de espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS). A partir das simulações realizadas foi possível notar que a quantidade que carbono na estrutura do oxido poroso é praticamente nula, o que pode indicar que a origem da luminescência está relacionada à presença dos centros F.

Le phénomène d’up-conversion de photon (UpC) permet de générer de la lumière à longueurs d’onde plus courtes que la longueur d’onde d’excitation. Dans cette recherche, la synthese de couches minces dopées avec des ions de terres rares (RE3+) optiquement actifs, leurs caractérisations structurales, ainsi que leurs propriétés optiques et de photoluminescentes ont été étudiées. Les couches ont été élaborées par deux voies de dépôt de couche sur du silicium et des substrats transparents: tout d’abord, un dépôt chimique organométallique en phase vapeur (LI-MOCVD, AA-MOCVD) est utilisé pour le dépôt des couches minces de YF3 et Y2O3 co-dopées Er/Yb. Il est démontré que l’émission d’UpC de Er3+ avec une excitation à 972 nm est influencée par le réseau hôte. Par ailleurs, le traitement sol-gel, une technique chimique par voie humide, est utilisé pour la fabrication de couches minces Y2O3, SiO2 et TiO2 co-dopées Er/Yb par spin-coating. Une optimisation de l’´emission de lumière par UpC a été atteinte grâce à l’ajustement de la concentration de RE et de la température de traitement thermique. De plus, une approche différente a été étudiée pour atteindre une émission UpC renforcée : l’utilisation de microcavités diélectriques de Fabry-Pérot obtenues par sol-gel, constitués d’un empilement de couches de silice et d’oxyde de titane, avec Er/Yb:Y2O3 comme couche de cavité. Le but de ce travail est de répondre aux questions suivantes: comment la nature du réseau hôte et le niveau de dopage influencent l’émission radiative de l’Er3+? Quelles sont les conditions pour un bon matériau d’UpC et ses limites? Nous incluons également une discussion sur les perspectives d’une application possible d’une couche d’UpC dans un dispositif de cellule solaire, qui pourrait améliorer la réponse dans l’infrarouge. / Photon up-conversion (UpC) allows the generation of light of shorter wavelengths compared to the excitation wavelength. In this work the synthesis of thin films doped with optically active rare earth (RE3+) ions, their structural characterization, as well the optical and photoluminescence properties are highlighted. The emphasis lies on two different routes of film deposition on silicon and transparent substrates: first, metalorganic chemical vapor deposition (LI-MOCVD, AA-MOCVD) is introduced for the deposition of Er/Yb-doped YF3 and Y2O3 films and it is demonstrated, how the UpC emission of Er3+ upon 972 nm excitation is influenced by the host lattice. Secondly, sol-gel processing, a wet-chemical technique, is used for the fabrication of Er/Yb-doped Y2O3, SiO2 and TiO2 thin films by spin-coating. Optimization of the up-converted light emission was achieved through adjusting the RE concentration and the processing temperature. Moreover, in a different approach for achieving an enhanced UpC emission, sol-gel derived Fabry-Pérot dielectric microcavities, consisting of a multilayer stack of silica and titania layers and Er/Yb: Y2O3 as the cavity layer, are investigated. The aim of this work is to address the questions, how does the nature of the host lattice and doping level influence the radiative emission in Er3+, what are the requirements for a good upconverter material and what are the limitations? We also include a discussion of the application of an upconverter to a solar cell device, which may debatably enhance the response in the infrared.

En cette fin d'année 2015, la construction de la 2e génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles s'achève. Il s'agit des grands interféromètres de Michelson, dont les bras mesurent 3 km de long (Advanced Virgo) et 4 km de long (Advanced LIGO). Les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein en 1916 dans sa théorie de la Relativité Générale n'ont pas été détectées de façon directe par la 1ère génération d'interféromètres. Mais aujourd'hui, la sensibilité a été augmentée d'un ordre de grandeur et le 100ème anniversaire de la théorie d'Einstein pourrait bien ouvrir officiellement l'ère de l'astronomie gravitationnelle. Si la sensibilité des nouveaux interféromètres est désormais exceptionnelle, c'est grâce aux avancées techniques et technologiques, et notamment grâce aux nouveaux miroirs des cavités Fabry-Pérot installés dans les bras de l'interféromètre. Cette thèse présente la conception, le développement et la caractérisation de ses miroirs aux qualités exceptionnelles. Elle s'intéresse aux pertes de lumière diffusée dans les cavités, pertes de diffusion générées par l'état de surface des miroirs et par les défauts d'uniformité des dépôts des couches minces à haute réflectivité. En étudiant la planéité des surfaces, nous verrons comment les modifications techniques du procédé de dépôt IBS ont permis d'améliorer la courbure et la planéité des surfaces. Nous verrons comment nous avons caractérisé ces surfaces avec l'interféromètre de Fizeau à décalage de longueur d'ondes. Nous montrerons enfin comment nous avons atteint les spécifications prévues lors de la conception des miroirs, diminuant les pertes de lumière diffusée dans les cavités Fabry-Pérot à un niveau encore inégalé de seulement quelques dizaines de ppm / In the year of 2015 the construction of the 2nd generation of detectors devoted to gravitational waves is going to be completed. These are large laser Michelson interferometers with arm respectively 3 km (Advanced Virgo) and 4 km (Advanced LIGO) in length. The gravitational waves, predicted by Einstein in 1916 within his theory of general relativity, have not been observed by the first generation of detectors. However, interferometers are now on the way of being ten times more sensitive than before, and so, on the 100th anniversary of the establishment of general relativity, the era of gravitational wave astronomy can start. If laser interferometer will be able to reach unprecedented sensitivity, it is thanks to new technological developments. In particular the new state of the art mirrors installed in the interferometer arms have exceptional performances. This thesis details the design, the development and the characterization of these remarkable large mirrors. My work will deal with the cavity optical loss due to the diffused light itself linked to the mirrors surface quality and to the high reflectivity coating uniformity. By studying the surface flatness, we will understand how it could be influenced by the deposition technique implemented in the coating machine. We will see also how to measure the mirror surfaces by wavelength shifting Fizeau interferometer. Finally, we will detail how we proceeded in order to reach the tight specifications for the mirrors, with in the end only tens of ppm for the cavity round trip losses

Ce travail porte sur l'étude de propriétés optiques des fluides à échelle micrométrique. A cet effet, nous avons conçu, réalisé et étudié différents types de micro-résonateurs optofluidiques, sous forme de laboratoires sur puce. Notre analyse est fondée sur la modélisation analytique et numérique, ainsi que sur des mesures expérimentales menées sur des micro-cavités optiques; nous utilisons l'une d'entre elles pour des applications de réfractométrie de fluides homogènes et de fluides complexes ainsi que pour la localisation par piégeage optique de microparticules solides. Nous nous sommes d'abord concentrés sur l'étude d'une nouvelle forme de micro-cavité Fabry-Pérot basée sur des miroirs courbes entre lesquels est inséré un tube capillaire permettant la circulation d'une solution liquide. Les résultats expérimentaux ont démontré la capacité de ce dispositif à être utilisé comme réfractomètre avec un seuil de détection de 1,9 × 10-4 RIU pour des liquides homogènes. De plus, pour un liquide contenant des particules solides, la capacité de contrôler la position des microparticules, par des effets de piégeage optique ou de liaison optique, a été démontrée avec succès. Dans un second temps, un résonateur optique est formé simplement à partir d'une goutte de liquide disposée sur une surface super-hydrophobe. La forme quasi-sphérique résultante est propice à des modes de galerie. Il est démontré que, jusqu'à des tailles de gouttelettes millimétriques, la technique de couplage en espace libre est toujours en mesure d'accéder à ces modes à très faible queue évanescente d'interaction, contrairement à ce qu'indiquait jusqu'ici la littérature. De tels résonateurs optofluidiques à gouttelette devraient trouver leur application notamment comme capteur d'environnement de l'air ambiant ou encore comme incubateur de micro-organismes vivants pouvant être suivis par voie optique / This work focuses on the study of optical properties of fluids at the micrometer scale. To this end, we designed, implemented and studied different types of optofluidic micro- resonators in the Lab-on-Chip format. Our analysis is based on analytical and numerical modeling, as well as experimental measurements conducted on optical microcavities; we use one of them for refractometry applications on homogeneous fluids and on complex fluids, as well as for the localization of solid microparticles by optical trapping. We first focused on the study of a new form of Fabry-Perot micro-cavity based on curved mirrors between which a capillary tube is inserted for injecting a fluidic solution. Experimental results demonstrated the ability of this device to be used as a refractometer with a detection limit of 1.9 × 10-4 RIU for homogeneous liquids. Furthermore, for liquid containing solid particles, the ability to control the microparticles position either by optical trapping or optical binding effects has been successfully demonstrated. In a second step, an optical resonator is simply formed from a liquid droplet placed on top of a superhydrophobe surface. The resulting quasi-spherical shape supports resonant whispering gallery modes. It is shown that, up to millimeter size droplets, the proposed technique of free-space coupling of light is still able to access these modes with very low evanescent tail interaction, contrary to what was indicated in the literature so far. Such optofluidic droplet resonators are expected to find their applications for environmental air quality monitoring, as well as for incubator of living micro-organisms that can be monitored optically

Ce travail de thèse est axé sur l'utilisation de modes de Bloch lents à pertes rayonnées verticales, dans des cristaux photoniques membranaires 1D (réseau de fentes) et 2D (réseaux de trous) en InP, pour la réalisation de réflecteurs en espace libre. L'intérêt premier de tels réflecteurs réside dans leur compacité verticale (une seule couche épitaxiée), comparés aux miroirs de Bragg traditionnels, mais également dans le contrôle de la polarisation qu'ils autorisent. Les règles de conception de ces réflecteurs, ainsi que leurs procédés de fabrication et de caractérisation sont présentés. Les résultats expérimentaux obtenus sont en bon accord avec la théorie.<br /><br />Ces réflecteurs membranaires à cristaux photoniques ont ensuite été intégrés dans des cavités Fabry-Pérot verticales, où ils remplacent le miroir de Bragg supérieur. Un dispositif passif (filtre MOEMS accordable électriquement, compact et polarisé) et un dispositif actif (VCSEL à puits quantiques, émettant à 1.55µm, compact et polarisé) ont été réalisés.<br /><br />Enfin, des cavités Fabry-Pérot ultimes, uniquement à base de ces réflecteurs à CP, sont étudiées. Le concept est validé en utilisant deux échantillons différents placés en vis-à-vis à l'aide d'un montage piézo-électrique. Ensuite, un démonstrateur passif monolithique, montrant une sélectivité et une compacité verticale sans précédents.<br />En outre, une étude théorique démontre la capacité des miroirs à CP à influer très fortement sur la vitesse d'expansion latérale de la lumière dans les cavités Fabry-Pérot, ce qui ouvre la voie à de toutes nouvelles applications.

Le travail de thèse présenté s'inscrit dans le vaste domaine des biocapteurs appliqués au secteur biomédical.<br /> Le biocapteur développé est destiné à la mesure de concentration de substances chimiques. De nombreux biocapteurs optiques ont déjà été mis au point pour la détection de ces substances. L'originalité de notre travail réside dans l'utilisation d'une réaction biochimique à proximité du coeur d'une fibre optique pour modifier les conditions de résonance d'une cavité Fabry-Pérot par couplage évanescent.<br /> Le principe de ce capteur s'articule autour de deux techniques de<br />metrologie optique :<br />• Fonctionnalisation biochimique de l'interface cavité-milieu extérieur pour que la concentration de la substance cible modifie l'indice effectif de l'onde se propageant dans la cavité Fabry-Pérot par couplage évanescent.<br />• Interférométrie : mesure précise de la longueur optique de la cavité pour suivre l'évolution de l'indice effectif.<br /> L'intérêt d'un tel système est d'offrir un capteur de dimensions très réduites (taille proche d'une fibre optique). La réalisation sur une même fibre de plusieurs capteurs avec différentes longueurs de cavité fournit une sonde multiparamétrique, interrogeable par les<br />techniques classiques d'interférométrie (modulation de cohérence).

Electroabsorption is the physical phenomenon by which the absorption of light in a medium can be controlled by applying an electric field. The Quantum–Confined Stark Effect, which makes the absorption band–edge in quantum wells very field–dependent, together with the strong absorption peak provided by excitons, are the physical foundations for the success of electroabsorption modulators based on quantum well structures in telecommunication networks. This thesis describes the design and fabrication of surface–normal electroabsorption modulation devices. The techniques needed to understand the design and fabrication of surface–normal multiple quantum well optical modulators are introduced, as are the various characterisation techniques used during and after the fabrication. Devices for several types of applications have been designed, fabricated, characterised and in some cases integrated into optical systems: – Two–dimensional arrays of 128´128 pixel amplitude modulators grown on GaAs substrates have been fabricated and characterised. Speeds of up to 11700 frames per second were demonstrated, limited by the output electronics of the computer interface. – Large–area modulators grown on GaAs substrates for free–space optical communication were developed, with an active area of 2cm2 and a modulation speed of several megahertz. Contrast ratios up to 5:1 on full modulator areas were measured. Problems limiting the yield and modulation speed of such devices have been studied, and solutions to overcome them have been demonstrated. – Large–area devices grown on InP substrates for free–space optical communication have been developed. Contrast ratios of up to 2:1 for transmissive types have been demonstrated. – Devices consisting of two rows of pixels, grown on GaAs substrates, with an active area of 22mm´5mm, divided into 64 or 128 pixels per row have been developed. These amplitude modulation devices were designed for optical signal processing applications. – One variant of these optical signal processing devices was also characterised as a ternary, binary amplitude and binary phase modulator array. – The use of GaAs multiple quantum well optical modulators in a free–space optical retro–communication system has been studied. An opto–mechanical design for a modulating retro–reflector is described, allowing a large field of view in one direction using reflecting, resonant–cavity modulators for high contrast ratios. / QC 20100802

Wave scattering by arrays of cylinders has received special attention by many authors and analytical solutions have been derived. The investigation of optical and acoustical analogies to the problem of interaction of water waves with rigid and flexible cylinder arrays is the main focus of this thesis. In acoustics, a sound may be attenuated while it propagates through a layer of bubbly liquid. In fact, if the natural frequency of the bubbles is in the range of the wave periods, the attenuation becomes more evident. The ultimate objective of the research described herein is to determine if this phenomenon may also be found in the interaction between water waves and arrays of flexible cylinders. In a first approach, arrays of rigid cylinders are studied in shallow water. The array is treated as an effective medium, which allows for the definition of reflection and transmission coefficients for the array, and theories from Hu and Chan (2005) associated with the Fabry-Perot interferometer are compared against direct computations of wave scattering using the commercial code WAMIT. Reflection and transmission coefficients from WAMIT are evaluated by applying a Maximum Likelihood Method. The results from WAMIT were found to be in good agreement with those obtained from the effective medium theory. Due to observed inconsistencies for short wave periods and small incident angles, the effective width of the medium is defined and corrected. For the case of a flexible cylinder, generalized modes corresponding to deformations of the cylinder's surface are formulated and added to WAMIT's subroutine. Equations of motion are derived from the theory of vibration for thin shells and mass and stiffness matrices are defined. The objective is to maximize wave attenuation from the array of flexible cylinders. Therefore, the natural periods of the "breathing" mode for these cylinders is set in the range of the studied wave periods. Then, material properties, as well as mass and stiffness matrices, are chosen to achieve this effect.

No description available.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la cryptographie, et plus précisément de la cryptographie quantique. Le but est de concevoir un système permettant de transmettre simultanément une clé de cryptage et un signal horloge dans une même fibre optique (à la longueur d'onde des télécommunications soit 1550 nm) en essayant d'éviter les effets de la dispersion chromatique. En effet le signal représentant la clé de cryptage doit être réalisé sous forme d'impulsions fortement atténuées simulant des photons uniques et dans ces conditions il est nécessaire de disposer au niveau du détecteur d'un signal horloge donnant l'instant d'arrivée des impulsions. Nous fabriquons deux signaux de longueurs d'onde très proches (écart de 0,88 pm) grâce à un modulateur acousto-optique, chacune servant de porteuse à un des deux signaux. A la réception il est nécessaire de séparer ces deux longueurs d'ondes et pour cela un filtre basé sur un interféromètre de Fabry-Pérot a été conçu, réalisé, testé et mis en oeuvre au laboratoire. Puis nous avons aussi réalisé un photodétecteur basé sur une photodiode à avalanche, dont nous pouvons abaisser la température de fonctionnement jusqu'à environ 0°C. Le système a été entièrement réalisé et nous avons pu montrer la faisabilité de cette technique. Des améliorations restent à apporter en particulier sur la stabilité du filtre optique et sur le fonctionnement du détecteur en mode comptage de photons.