Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 1998. / Vita. Includes bibliographical references (leaf 171). Available also in a digital version from Dissertation Abstracts.

Pour répondre au besoin de miniaturisation des spectromètres de terrain travaillant dans l’infrarouge, l’ONERA a développé un nouveau concept baptisé MICROSPOC. Ce dispositif est un détecteur infrarouge auquel a été intégré un interféromètre à deux ondes, constituant un spectromètre statique par transformée de Fourier. Ce plan focal infrarouge modifié, qui fusionne la fonction interférométrique et la fonction de détection, associé à une optique de tête simplifiée, permet d’envisager la réalisation d’instruments très compacts. L’objectif de cette thèse est de concevoir un spectromètre infrarouge miniature basé sur le dispositif MICROSPOC. Dans un premier temps, un travail théorique a été mené, dans l’objectif de dimensionner un système optique très compact. Notre choix s’étant orienté vers un système optique de collection (le détecteur voit une source étendue à distance finie), l’étude de l’acceptance angulaire de MICROSPOC dans ces conditions d’éclairement est indispensable afin de prévoir le contraste et la forme des franges d’interférence. Les résultats montreront la grande acceptance angulaire de MICROSPOC.Dans un second temps, un démonstrateur basé sur un composant MICROSPOC et sur le système optique simplifié a été réalisé. Ce démonstrateur a été caractérisé en laboratoire puis utilisé sur le terrain lors d’une campagne de mesures. Ces différentes exploitations ont montré la robustesse de l’instrument malgré l’obtention d’interférogrammes présentant divers défauts.Dans un troisième temps, une chaîne de traitement a été développée afin d’estimer un spectre à partir d’un interférogramme obtenu à l’aide du démonstrateur. Du fait des caractéristiques intrinsèques de MICROSPOC, la transformée de Fourier n’est pas la meilleure solution pour estimer un spectre. Nous l’avons montré en nous intéressant aux effets des disparités de longueur d’onde de coupure du détecteur sur l’estimation d’un spectre. Nous nous sommes alors tournés vers une approche consistant à utiliser la caractérisation spectrale de l’instrument pour inverser la mesure. Cette approche donne des résultats satisfaisants.Enfin, le but principal de cette thèse a été élargi par la conception et la réalisation de différents démonstrateurs combinant une fonction d’imagerie à une fonction de spectrométrie. Les premières pistes pour la conception d’un spectromètre qui tient dans la main ont été données. / In order to satisfy the need for handheld infrared spectrometers, the ONERA developed a new concept called MICROSPOC. This device is an infrared focal plane array with a built-in two-wave wedge-like interferometer and forms a static Fourier-transform spectrometer. This modified focal plane array, which merges the detection function and the interferometric function, in association with a simplified optical system, allows to consider the realisation of a much compact instrument. The goal of this thesis is to design and to realize a miniaturized infrared spectrometer based on the MICROSPOC concept.Firstly, a theoritical work has been led in order to design a compact optical system. Since we have chosen a collection optical system (the focal plane array sees an extended source placed at a finite distance), the study of MICROSPOC angular acceptance in these lightening conditions is needed in order to predict the contrast and the shape of interference fringes. The huge angular acceptance of MICROSPOC will be established with the results of this study.Secondly, a demonstrator based on MICROSPOC device and on the simplified optical system has been realized. This demonstrator has been caracterized in the laboratory and used in real conditions of a measurement campaign. These different exploitations have shown the robustness of the instrument despite some defaults on acquired interferograms.Then, a processing chain has been developed in order to estimate a spectrum from an interferogram acquired with our demonstrator. Considering the MICROSPOC’s own characteristics, the Fourier-transform is not the best way to estimate a spectrum. We have come to this conclusion by studying the effects of cut-off wavelenghts disparities of the detector on the spectrum estimation. At this point we have considered an approach that consists of using the spectral characterization of the instrument in order to inverse the measure. This approach gives satisfying results.Finaly, the main goal has been widened with the design and the realisation of other instruments that combine a spectrometric function and a imaging function. The first elements for the design of a handheld spectrometer have been given.

The Optical Frequency Comb Spectroscopy (OFCS) Group at the Department of Physics at Umeå University develops new techniques for extremely high sensitivity trace gas detection, non invasive temperature measurements, and other applications of OFCS. Their setup used primarily for trace gas detection contains several components that have been developed in-house, including a Fourier Transform Spectrometer (FTS) and an auto-balancing detector. This is the one used in this thesis work and it includes a high frequency data acquisition card (DAC) recording interferograms in excess of 10^7 double-precision floating point samples per sweep of the FTS's retarder. For acquisition and analysis to be possible in both directions of the retarder the interferograms needs to be analysed in a sub-second timeframe, something not possible with the present software. The aim of this thesis work has thus been to develop a system with optimized analysis implementations in MATLAB. The latter was a prerequisite from the group to ensure maintainability, as all members are well acquainted with it.Fulfilling its primary purpose MATLAB performs vector and matrix computations quite efficiently, has mostly fully mutable datatypes, and with recent just-in-time (JIT) compilation optimizations vector resizing performance has improved to what in many instances is perceived as equivalent to preallocated variables. This memory management abstraction, however, also means that explicit control of when arguments are passed by value or by reference to a function is not officially supported. The following performance ramifications naturally increase with the size of the data sets (N) passed as arguments and become quite noticeable even at moderate values of N when dealing with data visualization, a key function in system. To circumvent these problems explicit data references were implemented using some of the undocumented functions of MATLAB's libmx library together with a custom data visualization function.The main parts of the near real time interferogram analysis are resampling and a Fourier transformation, both of which had functionally complete but not optimized implementations. The minimal requirement for the reimplementation of these were simply to improve efficiency while maintaining output precision.On experimentally obtained data the new system's (DAQS) resampling implementation increased sample throughput by a factor of 19 which in the setup used corresponds to 10^8 samples per second. Memory usage was decreased by 72% or in terms of the theoretical minimum from a factor 7.1 to 2.0. Due to structural changes in the sequence of execution DAQS has no corresponding implementation of the reference FFT function as the computations performed in it have been parallelized and/or are only executed on demand, their combined CPU-time can however in a worst-case scenario reach 75% of that of the reference. The data visualization performance increase (compared to MATLAB's own, as the old system used LabVIEW) depends on the size in pixels of the surface it is visualized on and N, decreasing with the former and increasing with the latter. In the baseline case of a default surface size of 434x342 pixels and N corresponding to one full sweep of the FTS's retarder DAQS offers a 100x speed-up to the Windows 7 version of MATLAB R2014b's plot.In addition to acquiring and analyzing interferograms the primary objectives of the work included tools to configure the DAC and controlling the FTS's retarder motor, both implemented in DAQS.Secondary to the above was the implementation of acquisition and analysis for both directions of the retarder, a HITRAN reference spectra generator, and functionality to improve the user experience (UX). The first, though computation time allows for it, has not been implemented due to a delay in the DAC-driver. To provide a generic implementation of the second, the HITRAN database was converted from the text-based format it is distributed in to a MySQL database, a wrapper class providing frequency-span selection and the absorption spectra generation was developed together with a graphical front-end. Finally the improved UX functionality mainly focused on providing easy-access documentation of the properties of the DAC.In summation, though the primary objectives of optimizing the data analysis functions were reached, the end product still requires a new driver for the DAC to provide the full functionality of the reference implementation as the existing one is simply too slow. Many of DAQS' components can however be used as stand-alone classes and functions until a new driver is available. It is also worth mentioning that National Instruments (NI), the DAC vendor, has according to their technical support no plans to develop native MATLAB drivers as MathWorks will not sell them licenses.

This thesis falls within the field of high resolution Fourier transform spectroscopy of gas phase molecules in the far to near infrared ranges. It is focused on quantitative aspects of gas phase spectroscopy: absolute line intensity measurements. Both stable and unstable molecules, of atmospheric interest, are investigated. With this work, we aim to provide the reference spectroscopic information needed to analyze spectra of planetary atmospheres and improve our understanding of the physical chemistry of these environments. We studied two molecules of atmospheric interest: the 13C16O2 isotopologue of carbon dioxide, which is a stable molecule, and the H16O79Br and H16O81Br isotopologues of hypobromous acid which are short-lived unstable molecules. The work carried out in the 2 and 1.6 µm regions of 13C16O2 falls in the framework of highly precise remote sensing of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere, needing more and more accurate reference spectroscopic information. We measured 872 absolute line intensities corresponding to 317 different lines in seven vibration-rotation bands of 13C16O2. These measurements, together with measurements performed in the Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) led to the improvement of the theoretical description of the spectrum of carbon dioxide, performed in the Laboratory of Theoretical Spectroscopy, (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russia). This study is preceeded by a preliminary work on the main isotopologue of carbon dioxide, 12C16O2 in the same spectral regions, aimed to determine the best suited line profile to model the observed line shapes of 13C16O2. HOBr exists only in equilibrium with its decomposition products, like Br2O and H2O. Quantitative spectroscopy on such an unstable molecule therefore implied the use of a specific method to determine the concentration of HOBr in the studied gas sample. Simultaneously, Tunable Diode Laser (TDL) infrared spectra of some lines of the nu2 band and a far infrared Fourier transform spectrum of pure rotation lines of HOBr were recorded. The measured intensities of pure rotation lines together with the permanent electric dipole moment of the molecule were used to determine the partial pressure of HOBr, thus allowing absolute intensities of the lines probed by the TDL to be determined. These infrared absolute line intensities were then used to “calibrate” the relative line intensities in the nu2 band, measured in a Fourier transform spectrum recorded separately. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la spectroscopie è haute résolution de molécules en phase gazeuse dans l’infrarouge proche à lointain. Ce travail se concentre sur les aspects quantitatifs de la spectroscopie en phase gazeuse: la mesure d’intensités absolues. Des molécules d’interêt atmosphérique stables et instables ont été étudiées. Le but de ce travail est de fournir des informations spectroscopiques de référence utiles à l’analyse de spectres d’atmosphères planétaires et, ainsi, améliorer notre compréhension de la physico-chimie de ces environnements. Nous avons étudié deux molécules d’interêt atmosphérique: l’isotopologue 13C16O2 du dioxyde de carbone, qui est une molécule stable, et les isotopologues H16O79Br et H16O81Br de l’acide hypobromeux qui sont des molécules instables. Le travail effectué sur les régions spectrales à 2 et 1.6 µm de 13C16O2 s’inscrit dans le cadre des mesures à distance à très haute précision du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère terrestre. Nous avons mesuré 872 intensités absolues correspondant à 317 raies d’absorption dans sept bandes de vibration-rotation de 13C16O2. Ces mesures, ainsi que celles réalisées au Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) ont abouti à l’amélioration de la description théorique du spectre du dioxyde de carbone, réalisée au Laboratory of Theoretical Spectroscopy (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie). Cette étude est précédée par un travail préliminaire sur l’isotopologue principal du dioxyde de carbone, 12C16O2 dans les mêmes régions spectrales, visant à déterminer le profil de raie le plus adapté pour modéliser les profils observés de 13C16O2. HOBr existe uniquement en équilibre avec ses produits de décomposition tels que Br2O and H2O. Effectuer des mesures quantitatives pour ce type de molécule instable implique dès lors l’utilisation d’une technique spécifique afin de déterminer la pression partielle de HOBr. Un spectre infrarouge en Diode Laser Accordable (DLA) de quelques raies de la bande nu2 de HOBr et un spectre infrarouge lointain en transformée de Fourier d’un même échantillon gazeux ont été enregistrés simultanément. Les intensités mesurées de raies de rotation pure combinées au moment dipolaire électrique permanent de la molécule ont été utilisées pour déterminer la pression partielle de HOBr, nous permettant ainsi de déterminer les intensités absolues des raies mesurées à l’aide de la DLA. Ces intensit´es absolues ont ensuite été utilisées pour “calibrer” les intensités relatives des raies de la bande nu2, mesurées dans un spectre à transformée de Fourier enregistré séparément.

The presented thesis is focused on a spectroscopic study of unstable radicals, ions and molecules in a positive column glow discharge and laser plasma. The research of these fragments is supplemented by a study of biomolecules formation from these species and influence of catalysts. Molecular dynamics of radicals, ions and unstable molecules has been studied using a time resolved Fourier transform infrared spectroscopy. Time resolved spectra of CH4, HCONH2, BrCN, CH3CN, CF3Br, (CF3)2CHBr positive column glow discharges have been measured and simulated using a kinetic model including molecular dynamics, collisions and chemical and radiation transfer processes. The model has been compared with our experimental results and time resolved spectra were described in details. Fit to a complex reaction mechanism has been used to estimate a rate constant of a HCN conversion to HNC by a collision with H radical. The study of precursors of biomolecules was focused on chemical consequences of a laser induced dielectric breakdown in formamide vapor and gaseous carbon monooxide with 18 O labeled water. Dissociation products have been detected using the Fourier transform absorption spectroscopy. The experimental results have been explained by a help of a chemical laser spark dynamics model. Additionally, our the...

SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) est une nouvelle technologie innovante de spectrométrie qui permet une réduction radicale de la taille des spectromètres à Transformée de Fourier, tout en conservant, et même en améliorant leurs performances. Grâce aux avancées de l'optique intégrée et des nanotechnologies, SWIFTS repose sur une méthode de détection optique originale, sans aucune partie mobile, où des nanoplots métalliques échantillonnent directement le champ évanescent d'une onde stationnaire dans un guide d'onde.Dans cette thèse, nous proposons de présenter le cheminement complet qui a mené, en partant du concept original, au développement puis à la mise en pratique de la technologie SWIFTS. Le document illustre notamment les caractérisations optiques, les choix technologiques et les optimisations entrepris pour la réalisation de spectromètres fonctionnels dans le domaine visible et proche-infrarouge. Des procédures de calibrages novatrices et complémentaires, basées sur du multiplexage fréquentiel et sur de l'interférométrie à faible cohérence temporelle, ont été développées pour déterminer avec précision les différentes irrégularités de fabrication et de comportement de l'appareil complètement intégré. Les spectromètres calibrés permettent à présent d'aborder des applications diverses en industrie et en recherche, de la caractérisation hautes performances de lasers, à l'interrogation de capteurs fibrés à réseaux de Bragg, aux techniques de spectrométries Raman et LIBS, et de tomographie optique OCT, jusqu'aux sciences de l'Univers (géophysique, astrophysique).SWIFTS est une innovation de rupture qui, de part sa miniaturisation obtenue sans compromis avec de hautes performances d'analyse spectrale, a la capacité de faire passer la spectrométrie du stade de la mesure complexe en laboratoire à celle d'un simple composant intégré pour des applications exigeantes. / SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) is a new innovative technology of spectrometry that allows a drastic reduction of the size of Fourier transform spectrometers, while maintaining, and even improving their performance. With advances in integrated optics and nanotechnology, SWIFTS is based on an original method of optical detection, without any moving part, where metallic nanodots directly sample the evanescent field of a standing wave in a waveguide.In this thesis, we propose to present the complete process that led, starting from the original concept, to the development and the applications of the technology. The document illustrates the optical characterizations, the technological choices and the optimizations made for the realization of functional spectrometers in the visible and near-infrared range. Innovative and complementary procedures of calibrations, based on frequency multiplexing and low coherence interferometry, have been developed to accurately determine the various irregularities of the manufacturing and of the behavior of the integrated device. The calibrated spectrometers allow to address various applications in industry and research, such as high performance characterization of lasers, interrogation of fiber Bragg gratings sensors, Raman and LIBS spectrometry, optical coherence tomography OCT, and sciences of the Universe (geophysics, astrophysics).SWIFTS is a breakthrough innovation in spectrometry, without trade-off between miniaturization and high performance, that opens the way for product development based on the most demanding applications currently performed in research laboratories.

This thesis falls within the field of high resolution Fourier transform spectroscopy of gas phase molecules in the far to near infrared ranges. It is focused on quantitative aspects of gas phase spectroscopy: absolute line intensity measurements. Both stable and unstable molecules, of atmospheric interest, are investigated. With this work, we aim to provide the reference spectroscopic information needed to analyze spectra of planetary atmospheres and improve our understanding of the physical chemistry of these environments.<p><p>We studied two molecules of atmospheric interest: the 13C16O2 isotopologue of carbon dioxide, which is a stable molecule, and the H16O79Br and H16O81Br isotopologues of hypobromous acid<p>which are short-lived unstable molecules.<p><p>The work carried out in the 2 and 1.6 µm regions of 13C16O2 falls in the framework of highly<p>precise remote sensing of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere, needing more and more accurate<p>reference spectroscopic information. We measured 872 absolute line intensities corresponding<p>to 317 different lines in seven vibration-rotation bands of 13C16O2. These measurements, together with measurements performed in the Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) led to the improvement of the theoretical description of the spectrum of carbon dioxide, performed in the Laboratory of Theoretical Spectroscopy, (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russia). This study is preceeded by a preliminary work on the main isotopologue of carbon dioxide, 12C16O2 in the same spectral regions, aimed to determine the best suited line profile to model the observed line shapes of 13C16O2.<p><p>HOBr exists only in equilibrium with its decomposition products, like Br2O and H2O. Quantitative spectroscopy on such an unstable molecule therefore implied the use of a specific method to determine the concentration of HOBr in the studied gas sample. Simultaneously, Tunable Diode Laser (TDL) infrared spectra of some lines of the nu2 band and a far infrared Fourier transform spectrum of pure rotation lines of HOBr were recorded. The measured intensities of pure rotation lines together with the permanent electric dipole moment of the molecule were used to determine the partial pressure of HOBr, thus allowing absolute intensities of the lines probed by the TDL to be determined. These infrared absolute line intensities were then used to “calibrate” the relative line intensities in the nu2 band, measured in a Fourier transform spectrum recorded separately.<p><p><p>Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la spectroscopie è haute résolution de molécules en phase gazeuse dans l’infrarouge proche à lointain. Ce travail se concentre sur les aspects quantitatifs de la spectroscopie en phase gazeuse: la mesure d’intensités absolues. Des molécules d’interêt atmosphérique stables et instables ont été étudiées. Le but de ce travail est de fournir des informations spectroscopiques de référence utiles à l’analyse de spectres d’atmosphères planétaires et, ainsi, améliorer notre compréhension de la physico-chimie de ces environnements.<p><p>Nous avons étudié deux molécules d’interêt atmosphérique: l’isotopologue 13C16O2 du dioxyde<p>de carbone, qui est une molécule stable, et les isotopologues H16O79Br et H16O81Br de l’acide hypobromeux qui sont des molécules instables.<p>Le travail effectué sur les régions spectrales à 2 et 1.6 µm de 13C16O2 s’inscrit dans le cadre<p>des mesures à distance à très haute précision du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère terrestre. Nous avons mesuré 872 intensités absolues correspondant à 317 raies d’absorption dans sept bandes de vibration-rotation de 13C16O2. Ces mesures, ainsi que celles réalisées au Laboratoire de Spectrométrie Physique (Université Joseph Fourier, Grenoble, France) ont abouti à l’amélioration de la description théorique du spectre du dioxyde de carbone, réalisée au Laboratory of Theoretical<p>Spectroscopy (Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie). Cette étude est précédée par un<p>travail préliminaire sur l’isotopologue principal du dioxyde de carbone, 12C16O2 dans les mêmes<p>régions spectrales, visant à déterminer le profil de raie le plus adapté pour modéliser les profils<p>observés de 13C16O2.<p><p>HOBr existe uniquement en équilibre avec ses produits de décomposition tels que Br2O and H2O.<p>Effectuer des mesures quantitatives pour ce type de molécule instable implique dès lors l’utilisation d’une technique spécifique afin de déterminer la pression partielle de HOBr. Un spectre infrarouge en Diode Laser Accordable (DLA) de quelques raies de la bande nu2 de HOBr et un spectre infrarouge lointain en transformée de Fourier d’un même échantillon gazeux ont été enregistrés simultanément. Les intensités mesurées de raies de rotation pure combinées au moment dipolaire électrique permanent de la molécule ont été utilisées pour déterminer la pression partielle de HOBr, nous permettant<p>ainsi de déterminer les intensités absolues des raies mesurées à l’aide de la DLA. Ces intensit´es absolues ont ensuite été utilisées pour “calibrer” les intensités relatives des raies de la bande nu2, mesurées dans un spectre à transformée de Fourier enregistré séparément. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished