L’ Holographie acoustique de champ proche (NAH) est une méthode d’imagerie acoustique robuste, mais son application en écoulement peut être limitée par l’utilisation de mesures intrusives de pression ou de vitesse acoustique. Dans cette étude, une procédure holographique applicable en écoulement utilisant des mesures de vitesse non-intrusives est proposée. Cette méthode est basée sur le théorème intégral de Kirchhoff-Helmholtz convecté. La fonction de Green convectée est alors utilisée pour déterminer des propagateurs spatiaux convectés définis dans l’espace réel et incluant l’effet d’un écoulement subsonique uniforme. Les transformées de Fourier discrètes de ces propagateurs permettent alors d’évaluer les champs acoustiques à partir de la mesure du champ de pression ou de vitesse acoustique normale. Le but étant de développer une méthode de caractérisation de sources aéroacoustiques à partir de mesures de vitesse non-intrusives, cette étude se concentre essentiellement sur les propagateurs réels convectés basés sur la mesure de vitesse acoustique. Afin de valider cette procédure,des simulations ont été menées dans le cas de combinaisons de sources monopolaires et dipolaires convectées corrélées ou non. La procédure holographique développée donne de bons résultats par comparaison aux champs acoustiques théoriques. Une comparaison des résultats obtenus par les propagateurs convectés réels, développés dans cette thèse, avec ceux obtenus par leurs formes spectrales, développés par Kwon et al. fin 2010 pour des mesures de pression acoustique, montre l’intérêt d’utiliser la forme réelle pour la reconstruction de la pression acoustique à partir de la mesure de vitesse acoustique normale. L’efficacité de la procédure développée est confirmée par une campagne de mesure en soufflerie avec un haut-parleur affleurant rayonnant au sein d’un écoulement à Mach 0.22, et des mesures non-intrusives effectuées par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Les champs de vitesse acoustique utilisés pour la procédure holographique sont dans ce cas extraits des mesures LDV par corrélation avec un microphone de référence. La faisabilité de prendre en compte des variations de l’écoulement dans la direction de reconstruction holographique est également vérifiée. / Nearfield Acoustic Holography (NAH) is a powerful acoustic imaging method but its application in flow can be limited by intrusive measurements of acoustic pressure or velocity. In this work, a moving fluid medium NAH procedure using non-intrusive velocity measurements is proposed. This method is based on the convective Kirchhoff-Helmholtz integral formula. The convective Green’s function is then used to derive convective realspace propagators including uniform subsonic airflow effects. Discrete Fourier transforms of these propagators allow then the assessment of acoustic fields from acoustic pressure or normal acoustic velocity measurements. As the aim is to derive an aeroacoustic sources characterisation method from non-inrusive velocity measurements, this study is especially focused on real convective velocity-based propagators. In order to validate this procedure, simulations in the case of combinations of monopolar and dipolar sources correlated or not, radiating invarious uniform subsonic flows, have been performed. NAH provides very favorable results when compared to the theoretical fields. A comparison of results obtained by real convective propagators, developed in this work, and those obtained by the spectral ones, developed by Kwon et al. at the end of 2010 for acoustic pressure measurements, shows the interest of using the real-form for NAH acoustic pressure reconstruction from normal acoustic velocity measurements. The efficiency of the developed procedure is confirmed by a wind tunnel campaign with a flush-mounted loudspeaker radiating in a flow at Mach 0.22 and non-intrusive Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements. Acoustic velocity fields used for the NAH procedure are in this case extracted from LDV measurements by correlation with a reference microphone. The feasibility of taking into account mean flow variations in the direction of NAH reconstruction is also checked.

Cette thèse est centrée sur le développement d’outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l’étude du couplage entre l’évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l’injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l’instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l’holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l’étude de l’évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l’évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée. / This experimental thesis is based on the developpement of experimental tools in order to better understand the coupling between evaporation process and turbulent flow. Our studies focuses on evaporating droplets with strong interaction with turbulent flow, i.e. droplets between fluid particles behaviour and inertial behaviour. This pecular situation is hardly studied regarding to scientific litterature. We first present experimental set up generating homogeneous isotropic turbulence with high Reynolds number and strong fluctuations. Then we present injection process of initially monodisperse droplets in the turbulent flow. Lagrangian instrumentation consists of the use of digital in-line holography (in collaboration with Laboratoire Hubert Curien à St Etienne). This metrology is definitely validated regarding to the accuracy on the droplet diameter measurements. Tracking algorithm is then proposed in order to reconstruct Lagrangian droplet trajectories. First results obtained with evaporating droplets are finally presented like evaporating trails, and time evolution of the diameter of a freon droplet.

Digital Holography Microscopy (DHM) is a new 3D measurement technique that exists since Charge Coupled Devices (or CCD cameras) allow to record numerically high resolution images. That opens a new door to the theory of holography discovered in 1949 by Gabor: the door that masked the world of digital hologram processing. A hologram is a usual image but that contains the complex amplitude of the light coded into intensities recorded by the camera. The complex amplitude of the light can be seen as the combination of the energy information (squared amplitude modulus) with the information of the propagation angle of the light (phase of the amplitude) for each point of the image. When the hologram is digital, this dual information associated with a diffractive model of the light propagation permits to numerically investigate back and front planes to the recorded plane of the imaging system. We understand that 3D information can be recorded by a CCD camera and the acquisition rate of this volume information is only limited by the acquisition rate of the unique camera. For each digital hologram, the numerical investigation of front and back regions to the recorded plane is a tool to numerically refocus objects appearing unfocused in the original plane acquired by the CCD.<p>This thesis aims to develop general and robust algorithms that are devoted to automate the analysis process in the 3D space and in time of objects present in a volume studied by a specific imaging system that permits to record holograms. Indeed, the manual processing of a huge amount of holograms is not realistic and has to be automated by software implementing precise algorithms. In this thesis, the imaging system that records holograms is a Mach-Zehnder interferometer working in transmission and studied objects are either of biological nature (crystals, vesicles, cancer cells) or latex particles. We propose and test focus criteria, based on an identical focus metric, for both amplitude and phase objects. These criteria allow the determination of the best focus plane of an object when the numerical investigation is performed. The precision of the best focus plane is lower than the depth of field of the microscope. From this refocus theory, we develop object detection algorithms that build a synthetic image where objects are bright on a dark background. This detection map of objects is the first step to a fully automatic analysis of objects present in one hologram. The combination of the detection algorithm and the focus criteria allow the precise measurement of the 3D position of the objects, and of other relevant characteristics like the object surface in its focus plane, or its convexity or whatever. These extra relevant measures are carried out with a segmentation algorithm adapted to the studied objects of this thesis (opaque objects, and transparent objects in a uniform refractive index environment). The last algorithm investigated in this research work is the data association in time of objects from hologram to hologram in order to extract 3D trajectories by using the predictive Kalman filtering theory. <p>These algorithms are the abstract bricks of two software: DHM Object Detection and Analysis software, and Kalman Tracking software. The first software is designed for both opaque and transparent objects. The term object is not defined by one other characteristic in this work, and as a consequence, the developed algorithms are very general and can be applied on various objects studied in transmission by DHM. The tracking software is adapted to the dynamic applications of the thesis, which are flows of objects. Performance and results are exposed in a specific chapter. <p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Longtemps considérées comme néfastes, les contraintes sont devenues un des moyens principaux pour améliorer les performances des dispositifs métal-oxyde-semiconducteur (MOS). En effet, les déformations générées augmentent sensiblement la mobilité des porteurs dans le silicium. C'est dans ce cadre que j'ai étudié, par holographie électronique en champ sombre (DFEH), les déformations cristallines engendrées par certaines étapes clés du procédé de fabrication de transistors planaires de dernière génération, totalement déplétés car réalisés sur des substrats silicium sur isolant (FD-SOI). La DFEH est une technique de microscopie électronique en transmission (TEM), récemment inventée au CEMES, qui permet de cartographier les déformations cristallines avec une résolution spatiale nanométrique et une précision de 10-4 sur des champs de vue micrométriques. J'ai mis au point et utilisé des modélisations par éléments finis afin de comprendre puis reproduire mes résultats expérimentaux et ainsi identifier les phénomènes mécaniques mis en jeu au cours de différentes étapes. Après avoir prouvé que la DFEH est adaptée à la mesure des champs de déformation dans les structures MOS FDSOI (couche superficielle de Si désorientée vis-à-vis du substrat de référence), je me suis intéressé au procédé de conversion de films minces de Si en SiGe, par la méthode dite de "condensation de germanium". J'ai montré que cette technique permet d'obtenir des films minces de type SiGe (SGOI) pseudomorphes, de composition variable. Les déformations hors plan mesurées par DFEH mettent en évidence les deux mécanismes affectant la redistribution du Ge (diffusion et injection), dont l'importance relative dépend de la température à laquelle s'effectue le procédé. De plus, j'ai montré que ces films minces SGOI, initialement contraints, se relaxaient très fortement lors de leur gravure en vue de la fabrication de substrats co-intégrés SOI/SGOI. J'ai pu identifier que cet effet, initialement observé à partir de mesures électriques et connu sous le nom d'effet "SA/SB", ne pouvait être dû qu'à des caractéristiques mécaniques dégradées de l'interface SiGe/SiO2. Je me suis ensuite intéressé à certaines des étapes clés de la fabrication du transistor suspectées de modifier l'état de déformation de la structure, telles que la fabrication de l'empilement de grille et des sources/drains ainsi que de la siliciuration nécessaire à la prise des contacts. J'ai pu expliquer en quoi et pourquoi ces étapes impactaient l'état final de déformation du canal du transistor et donc ses performances. Par ailleurs, je montre comment et dans quelles limites la DFEH peut être utilisée pour mesurer des concentrations de dopants, en conservant une résolution nanométrique. J'ai particulièrement étudié le cas (favorable) du bore dans le silicium et, après couplage à des mesures électriques, j'ai ainsi pu calculer le coefficient reliant les déformations mesurées aux concentrations de bore en substitution. Finalement, j'ai comparé et discuté des différences entre informations fournies par DFEH et par diffraction de rayons X haute résolution. Une annexe complète ce travail et discute des conditions optiques et d'utilisation optimales des sources à émission de champ Schottky équipant un TEM, notamment de la contribution des lobes d'émission latérale sur le degré de cohérence de la sonde. / After being considered harmful for a long time, stress became one of the principal means to improve metal-oxide-semiconductor (MOS) device performance. Indeed, the generated strains significantly increase carrier mobility in silicon. Within this context, I used dark-field electron holography (DFEH) to study the crystalline strains generated by some key steps of the manufacturing process of latest generation of planar transistors, fully depleted as produced on silicon on insulator substrates (FD-SOI). DFEH is a transmission electron microscopy (TEM) technique, recently invented at CEMES, which allows crystalline strain to be mapped with nanometric resolution and an accuracy of 10-4 over micrometric fields of view. I developed and used finite element models in order to understand, then reproduce, my experimental results and thus identify the mechanical phenomena involved during different processing steps. After proving that DFEH is suitable for strain fields mapping in FDSOI MOS structures (Si surface layer disorientated in respect of the reference substrate), I have been interested in the conversion process of thin Si films into SiGe, by a method known as "germanium condensation". I showed that this technique enables pseudomorphous thin SiGe films (SGOI) of variable composition to be obtained. The out-of-plane strain measured by DFEH emphasises the two mechanisms affecting the Ge redistribution (diffusion and injection), whose relative importance depends on the temperature of the process. Moreover, I showed that these thin SGOI films, initially stressed, relax strongly during the etching carried out to manufacture co-integrated SOI/SGOI substrates. I could identify that this effect, initially observed by electrical measurements and known as "SA/SB" effect, can only be explained by a degradation of the mechanical characteristics of the SiGe/SiO2 interface. I have also been interested in some of the key steps of the transistor manufacturing suspected to modify the structural strain state, such as the grid stack and sources/drains processes, as well as salicidation necessary to form the contacts. I was able to explain how and why these steps impact the final strain state of the transistor channel and thus its performance. In a separate development, I have shown how DFEH can be used to measure doping concentrations while preserving a nanometric resolution, and discuss its limits. I studied in particular the (favourable) case of boron doping in silicon and, after electrical measurements coupling, I calculated the coefficient connecting the measured strains to the boron substitution concentrations. Finally, I compared and discussed the differences between information obtained by DFEH and high resolution X-ray diffraction. An appendix completes this work and discusses the optical and optimal use conditions of Schottky field emission sources equipping a TEM, in particular the contribution of side-emission lobes on the degree of coherence of the probe.

Comme introduction, nous présentons la formulation originale de la correspondance AdS/CFT, entre la théorie de Yang-Mills supersymétrique N = 4 avec groupe de jauge SU(N) et la théorie des supercordes de type IIB sur l'espace AdS5 x S5. Dans une première partie, nous montrons comment les ingrédients de la correspondance AdS/CFT peuvent être appliqués de manière phénoménologique à l'étude des systèmes de fermions fortement corrélés et présentons deux modèles fondamentaux, l'étoile à électrons et le supraconducteur holographique. Nous construisons un modèle holographique pour l'étude des systèmes de Bose-Fermi à densité finie et montrons que la présence simultanée de degrés de liberté bosoniques et fermioniques est favorisée à température nulle. En résolvant l'équation du mouvement d'un spineur test sur ces solutions, nous montrons que le système admet un grand nombre de surfaces de Fermi de type électron et/ou trou et un condensat scalaire chargé. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à l'étude des solutions de trous noirs BPS asymptotiquement AdS4 dans la théorie de supergravité jaugée N = 2 en 4 dimensions. En utilisant les transformations de dualité dans un modèle STU simple, nous trouvons de nouvelles solutions de trous noirs BPS statiques et en rotation. / As an introduction, we present the original formulation of the AdS/CFT correspondence, between N = 4 Super Yang-Mills theory with gauge group SU(N) and type IIB string theory on AdS5 x S5. In a first part, we show how the ingredients of the AdS/CFT correspondence can be applied in a phenomenological way to study strongly correlated systems of fermions and present two fundamental models, the electron star and the holographic superconductor. We construct a holographic model for the study of Bose-Fermi systems at finite density and show that the simultaneous presence of bosonic and fermionic degrees of freedom is favoured at zero temperature. By solving the field equation of a probe spinor field in these solutions, we show that the system admits a large number of electron-like and/or hole-like Fermi surfaces and a charged scalar condensate. In a second part, we study asymptotically-AdS4 BPS black hole solutions in the N = 2 gauged supergravity theory. Using the duality transformations in a simple STU model, we find new static and rotating BPS black hole solutions.

Nous présentons une nouvelle technique de microscopie stochastique basée sur un montage d'Holographie Digitale pour l'imagerie des distributions d'intensité optique. Nous montrons comment cette technique de champ lointain peut être adaptée afin d'obtenir des images de superrésolution ainsi que de champ proche. En pratique, nous imageons des nanoparticules métalliques en mouvement Brownien dans un liquide, que nous localisons ensuite dans le but de contourner la limite de diffraction. Le mouvement aléatoire des particules nous permet une exploration complète de l'échantillon. Au-delà de la simple localisation, ces marqueurs métalliques agissent comme des sondes locales du champ électromagnétique, pouvant notamment diffuser la lumière confinée vers le champ lointain. Les possibilités de cette nouvelle technique sont illustrées à travers l'imagerie de l'intensité optique d'une onde évanescente et d'une onde propagative. Grâce à des méthodes de calcul très performantes, nous sommes capables de localiser des centaines de particules par minute, avec une précision de l'ordre de 3×3×10 nm3 pour des particules immobiles. En plus de l'imagerie des distributions de champ optique, nous présentons une application combinant nos mesures superrésolues et des mesures d'électrochimie pour l'étude des processus d'oxydation de nanoparticules d'argent à proximité d'une électrode. Nos résultats ouvrent la voie à une nouvelle technique d'imagerie superrésolue, particulièrement bien adaptée à la caractérisation optique dans des milieux liquides (comme des systèmes microfluidiques), qui étaient jusqu'à présent inaccessibles par microscopie électronique ou par des microscopies à sonde locale. / In this thesis work, we present a novel stochastic microscopy technique based on Digital Holography for the 3D mapping of optical intensity distributions. We show that this far-field, wide-field, 3D microscopy can be turned into both a superresolution and a near-field imaging technique. To do so, we use metallic nanoparticles undergoing Brownian motion as stochastic local field probes that we localize in three-dimensions in order to overcome the diffraction limit. The random motion of the particles allows for a complete exploration of the sample. Beyond simple localization, the gold markers can actually be envisaged as extremely local electromagnetic field probes, able to scatter light into the far-field. The technique we propose here is therefore a combination of the concepts of superlocalization and NSOM microscopies. The possibilities of the technique are illustrated through the 3D optical mapping of an evanescent and a propagative wave. Fast computation methods allow us to localize hundreds of particles per minute with accuracies as good as 3×3×10 nm3 for immobilized particles. In addition to optical intensity mapping, we show a particular application in electrochemistry, by coupling our high resolution images with electrochemical oxidation measurements on silver nanoparticles in solution at the vicinity of an electrode. Our results pave the way for a new subwavelength imaging technique, well adapted to optical characterization in water-based systems (such as in emerging microfluidics studies), which are mostly inaccessible to electron microscopy or local probe microscopies.

L'imagerie optique des tissus biologiques est un défi du fait de la diffusion de la lumière. Pour sonder les propriétés optiques à quelques cm de profondeur, on peut coupler l'information optique des ultrasons. De cette idée sont nées les imageries acousto-optique et photoacoustique. La première repose sur la modulation de la lumière par des ultrasons balistiques. La seconde se base sur la génération d'ultrasons lors de l'absorption de lumière par un objet. Que ce soit pour l'une ou pour l'autre, l'enregistrement du signal nécessite la mesure de très faibles modulations de phase dans une figure de speckle. L'holographie dynamique est une bonne solution. En effet, les techniques interférométriques sont suffisamment sensibles pour mesurer de telles modulations et l'holographie permet de corriger la nature speckle de la lumière. Dans cette thèse nous démontrons la faisabilité de fabriquer un système d'holographie adaptative basé sur un milieu laser (Nd :YVO4). Un des grands avantages de ce type de milieu est le temps de réponse. On montrera que le rafraîchissement d'un hologramme dans notre cristal peut se faire en moins de 100 ?s, bien inférieur au temps de décorrélation du speckle (? 1ms) qui pourrait grandement perturber les techniques de détection plus lentes lors d'expériences in vivo. Trois montages sont présentés ici, le premier pour la détection acousto-optique par conjugaison de phase, le deuxième pour la détection acousto-optique par adaptation de front d'onde et enfin le troisième pour détection photoacoustique. Dans les trois cas on mesure un temps de réponse entre 15 ?s et 50 ?s, et on utilise le montage imager un échantillon. / Strong scattering properties of biological media make their optical imaging in depth a challenge. A solution to probe the local optical properties is to couple the optical information with ultrasound. Two imaging techniques were born from this idea, acousto-optic imaging and photoacoustic imaging. The first technique is based on the local modulation of light by ballistic ultrasound. The latter relies on the emission of ultrasound following the absorption of light by an object. Whether it is acousto-optic imaging or photoacoustic imaging, the recording of the the signal requires a detection system sensitive to weak phase modulation. In addition, the detection system must be compatible with a speckle pattern. Dynamic holography is a good solution. Indeed, as it is based on interferometry, it is very sensitive to small phase variations and holography can be used to correct the speckle nature of light. In this manuscript, we show the use of an holographic detection system based on a laser medium (Nd:YVO4). One of the main advantage of this type of material is the very fast response time. It will be highlighted that the recording of a hologram inside our crystal can be done in less than 100 μs, much faster than the speckle decorrelation time (≈ 1ms), which is one of the major obstacle towards in vivo imaging. Three optical setups will be presented in this manuscript. The first one is a phase conjugation setup for acousto-optic detection. The second one is a wavefront adaption setup, also for acousto-optic detection. Finally, the third setup is an adaptive vibrometry setup for photoacoustic detection. In each setups the measured response time is between 15 μs and 50 μs.

A particularly interesting class of modern materials is ferroic ceramics. Their characteristic order parameter is a result of quantum chemistry taking place on a sub-Å length scale and long-range couplings, e.g. mediated by electrostatic or stress fields. Furthermore, the particular subclass of multiferroics possesses more than one order parameter and exhibits an intriguing coupling between them, which is interesting both from the fundamental physics point of view as well as from a technological vantage point. While on a more fundamental level it is desirable to elucidate the physical details of the coupling mechanism, this knowledge could subsequently lead to new and technologically interesting multiferroic materials, which overcome their current drawback that only one of the multiple order parameters is appreciably large while the others stay small. Due to the short and long range nature of the driving forces, one challenge for thoroughly understanding ferroic ceramics is the characterization of material properties within a large interval of length scales from several tens of µm to sub-Å. To that end, it is useful to exploit that all order parameters can be described as macroscopic fields, e.g. electric polarization or strain, which, in turn, can be either directly or indirectly probed with an electron beam such as used in Transmission Electron Microscopy (TEM). Consequently, TEM is excellently suited for investigating ferroic materials, i.e., state-of-the-art instruments facilitate aberration corrected imaging within a large magnification interval covering the length scales of interest, in particular the atomic regime. A general drawback of conventional TEM techniques is the loss of phase information originally contained in the scattered electron wave introduced by recording only the electron density. Electron Holography is an advanced TEM technique that facilitates the complete evaluation of the complex electron wave, which, in combination with the manifold possibilities of TEM, provides rather straightforward access to static electromagnetic fields within the ceramic. Nevertheless, quantification of order parameters such as the electric polarization or minute details in electromagnetic fields still require to correlate the experimentally gained observations to physical models, which combine the details of the microscopic imaging process, the electron-specimen scattering, and solid state physics of the specimen. The goal of this work is to investigate and advance the limits of Electron Holography as a truly quantitative TEM technique and apply the findings in, e.g., the investigation of ferroic ceramics. In the light of the previously mentioned difficulties, the problem has to be tackled from different directions: Firstly, the whole holographic imaging process is reviewed and extended, if necessary, in order to provide quantitative measures for systematic and statistical errors inherent to reconstructed waves. In the course of that process, two previously not recognized holography-specific aberrations are identified, firstly, a resolution limiting spatial envelope and secondly, a spatial distortion to the reconstructed wave. Furthermore, several correction strategies have been developed, in order to correct the aforementioned two and other well-known disturbances, e.g. Fresnel fringes from the biprism filament. The previous holographic noise model has been extended to incorporate the important contribution from the detector and consequently to provide realistic statistic error bars of the holographically reconstructed amplitude and phase. Secondly, an investigation of the electron-specimen scattering process itself is conducted, leading to a density matrix description of the holographic measurement. The general laws of quantum electrodynamics provide the framework of that description. Relativistic phenomena such as retardation of electromagnetic fields exchanged between beam electron and specimen and spin-orbit coupling of the beam electron are quantified, where the latter is found to be negligible within TEM. The decoherence of the electron wave by statistical coupling to the thermally moving crystal lattice of ceramics is treated by a newly developed algorithm facilitating in particular the accurate quantification of elastic scattering on heavy elements. Inelastic excitations in the ceramic, e.g. bulk plasmons or core electrons, are treated in combination with elastic scattering to identify their role in the holographic reconstruction process and to develop methods for an accurate calculation. A new scattering algorithm combining elastic and inelastic scattering is developed and applied to predict peculiar scattering contrasts of dipole transitions and to discuss the long-standing problem of contrast mismatch between scattering simulations and conventional imaging. To provide a user-friendly and continuing use of the findings, a software package SEMI (Simulation of Electron Microscopy Imaging) has been written, which facilitates the simulation of elastic and inelastic scattering processes and the subsequent imaging within different approximations, incorporating the newly developed algorithms. Thirdly, Density Function Theory (DFT) solid state calculations have been employed to identify and quantify structural modifications and characteristic electromagnetic fields, such as occurring at domain boundaries, within typical ferroic ceramics like BaTiO3 or BiFeO3, and concomitantly provide models correlating observables of the (holographic) experiment to characteristics of the materials, e.g. the order parameters. This is particularly important when static electromagnetic fields provide no direct information about the order parameter, e.g. the electric polarization, i.e., it is possible to correlate the measurable atomic positions to the electric polarization within linear response theory. A software package ATA (AuTomated Atomic contrast fitting) has been developed facilitating an automated fitting of atomic positions and a subsequent determination of local polarization. In a fourth step, electron holographic experiments analyzed with the help of the revised imaging process in combination with the knowledge gained from scattering theory are used as an input to the models established from solid state physics to yield quantitative information about bulk ferroelectric materials such as BaTiO3 and PbTiO3 and more complicated configurations such as domain walls in BiFeO3 and KnbO3. It is found that particular atomic shifts characteristic for ferroelectrics provide the most reliable quantitative information about the polarization down to nm length scales, whereas minute wave modification due to characteristic electron distributions within the ceramic are currently insufficiently quantitatively interpretable within Electron Holography. The linear response program, correlating atomic positions to ferroelectric polarization with the help of ab-initio calculated Born effective charges, has been successfully applied to determine finite size effects, screening layer widths and polarization charges in non-ferroelectric/ferroelectric layered systems. Finally, a special section considers the evaluation of 3D electromagnetic fields by Electron Holographic Tomography, which provides the means to characterize even more complex 3D domain wall configurations. As the capabilities of the technique are still limited by holographic reconstruction errors and particular tomographic issues such as incomplete projection data, the main focus of that section is put on the characterization and improvement of the tomographic reconstruction process. A Singular Value based reconstruction method is developed, which facilitates a quantification and control of the tomographic reconstruction error. Furthermore, vector field reconstruction is extended in order to treat magnetic vector fields leaking out from the reconstruction volume. / Ferroische Keramiken bilden eine besonders interessante Klasse moderner funktionaler Werkstoffe. Ihr charakteristischer Ordnungsparameter ist das Ergebnis quantenchemischer Prozesse innerhalb einer sub- Å Längenskala und spezifischer langreichweitiger Kopplungen, welche beispielsweise durch elektromagnetische oder Spannungsfelder vermittelt werden. Des Weiteren besitzt die besondere Unterklasse der Multiferroika mehr als einen Ordnungsparameter und zeigt eine faszinierende Kopplung zwischen ihnen, was sowohl vom Standpunkt physikalischer Grundlagenforschung als auch aus technologischer Sicht von Interesse ist. Während es vom fundamentalen Standpunkt erstrebenswert ist, die physikalischen Details des Kopplungsmechanismus aufzuklären, könnte in der Folge dieses Wissen zu neuen und technologisch interessanten multiferroischen Materialien führen, welche den derzeit bestehenden Nachteil, dass nur ein Ordnungsparameter genügend groß ist, während die jeweils anderen klein bleiben, hinter sich lassen. Aufgrund der kurz- und langreichweitigen Natur der Antriebskräfte besteht eine Herausforderung für das umfassende Verständnis ferroischer Keramiken aus der Charakterisierung von Materialeigenschaften innerhalb eines breiten Intervalls von Längenskalen, welches von einigen 10 µm bis unterhalb eines Å reicht. Um dieses Ziel zu erreichen ist es zweckmäßig auszunutzen, dass alle Ordnungsparameter als makroskopische, beispielsweise elektrostatische oder Verzerrungs-, Felder beschrieben werden können, welche wiederum direkt oder indirekt mit einem Elektronenstrahl, wie er im Transmissionselektronenmikrokop (TEM) zur Anwendung kommt, gemessen werden können. Folglich ist die Transmissionselektronenmikroskopie hervorragend geeignet um ferroische Materialien zu untersuchen, das heißt, modernste Geräte ermöglichen aberrationskorrigierte Aufnahmen innerhalb eines großen Vergrößerungsbereiches, welche die interessanten Längenskalen und insbesondere den atomaren Bereich abdecken. Ein allgemeiner Nachteil der konventionellen TEM Techniken ist der Verlust der Phaseninformationen, welche ursprünglich in der Elektronenwelle vorhanden sind und durch die Aufzeichnung der Elektronenintensität zerstört werden. Elektronenholographie ist eine weiterentwickelte TEM Technik, welche die vollständige Auswertung der komplexen Elektronenwelle ermöglicht, was wiederum in Verbindung mit den vielfältigen Möglichkeiten der TEM einen vergleichsweise direkten Zugang zu elektromagnetischen Feldern in der Keramik ermöglicht. Nichtsdestotrotz erfordert die Quantifizierung von Ordnungsparametern, wie der elektrische Polarisierung, oder von kleinsten Details elektromagnetischer Felder die Korrelation experimenteller Daten mit physikalischen Modellen, welche die Details des mikroskopischen Bildgebungsprozesses mit der Elektronen-Objekt Streuung und der Festkörperphysik des Objektes kombinieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht aus der Untersuchung und Erweiterung der Möglichkeiten von Elektronenholographie als quantitative TEM Messmethode und der Anwendung dieser Ergebnisse bei der Untersuchung ferroischer Keramiken. Im Lichte der eben erwähnten Schwierigkeiten muss das Problem von verschiedenen Richtungen bearbeitet werden: Erstens wird der komplette holographische Bildgebungsprozess mit dem Ziel einer quantitativen Bewertung systematischer und statistischer Fehler der rekonstruierten Welle analysiert und gegebenenfalls erweitert. Im diesem Zuge wurden zwei bisher nicht erkannte holographiespezifische Fehler identifiziert, erstens eine auflösungsbegrenzende räumliche Enveloppe und zweitens eine räumliche Verzerrung der rekonstruierten Welle. Außerdem wurden verschiedene Korrekturmöglichkeiten entwickelt, um die zwei eben genannten und andere wohlbekannte Störungen, wie zum Beispiel die Fresnelstreifen des Biprismafadens, zu korrigieren. Das bisherige holographische Rauschmodel wurde erweitert um den beträchtlichen Einfluss des Detektors zu berücksichtigen und damit realistische Fehlerbalken für die holographisch rekonstruierte Amplitude und Phase zu erhalten. Zum Zweiten wird der Streuprozess selber untersucht, was zu einer Dichtematrixbeschreibung der holographischen Messung führt. Den Rahmen dieser Untersuchungen liefern die Gesetze der Quantenelektrodynamik. Relativistische Phänomene wie die Retardierung elektromagnetischer Felder, welche zwischen Strahlelektron und Objekt ausgetauscht werden, oder Spin-Bahn Kopplung des Strahlelektrons werden quantifiziert, wobei letzteres als unwichtig für TEM eingestuft werden konnte. Die Dekohärenz der Elektronenwelle durch die statistische Kopplung an das thermisch bewegte Kristallgitter der Keramik wird mit einem neu entwickelten Algorithmus beschrieben, welcher insbesondere die genaue Quantifizierung der elastischen Streuung an schweren Elementen erlaubt. Ein weiterer neuer Streualgorithmus, welcher elastische und inelastische Streuung kombiniert, wird entwickelt und angewendet, um spezifische Streukontraste von Dipolübergängen vorauszusagen und das altbekannte Problem der Kontrastdiskrepanz zwischen simulierten und experimentellen Bildkontrasten zu diskutieren. Um eine anwenderfreundliche und fortdauernde Anwendung der Erkenntnisse zu ermöglichen, wurde das Softwarepaket SEMI geschrieben, welches die Simulation elastischer und inelastischer Streuprozesse und des nachfolgenden Bildgebungsprozesses innerhalb verschiedener Näherungen ermöglicht und die neu entwickelten Algorithmen beinhaltet. Zum Dritten kommen dichtefunktionalbasierte Festkörperrechenmethoden zur Anwendung um charakteristische elektromagnetische Felder, wie sie beispielsweise an Domänengrenzen entstehen, innerhalb typischer ferroischer Keramiken wie BaTiO3 oder BiFeO3 zu identifizieren und zu quantifizieren und gleichzeitig Modelle zu entwickeln, welche Observablen des (holographischen) Experiments mit Charakteristika des Materials, beispielsweise den Ordnungsparamtern, korrelieren. Dies ist besonders wichtig, wenn statische elektromagnetische Felder keinen direkten Zugang zu den Ordnungsparametern, wie zum Beispiel die ferroelektrische Polarisation, liefern; beispielsweise besteht innerhalb linearer Antworttheorie die Möglichkeit, atomare Positionen mit der elektrischen Polarisation zu korrelieren. Ein Softwarepaket wurde entwickelt, welches die automatische Bestimmung der Atompositionen und der daraus resultierenden lokalen Polarisation ermöglicht. In einem vierten Schritt wurden mit Hilfe des überarbeiteten holographischen Bildgebungsprozesses in Kombination mit den aus der Streutheorie gewonnenen Erkenntnissen holographische Experimente analysiert und als Input für die mit Hilfe der Festkörpertheorie entwickelten Modelle genutzt, um quantitative Informationen über raumferroische Materialien wie BaTiO3 und PbTiO3 und kompliziertere Anordnungen wie Domänengrenzen in BiFeO3 und KnbO3 zu gewinnen. Es konnte festgestellt werden, dass spezifische atomare Verschiebungen, welche charakteristisch für Ferroelektrika sind, die zuverlässigste quantitative Information über die Polarisation bis in den Längenbereich einiger nm liefern, wogegen kleinste Wellenmodifikationen aufgrund charakteristischer Elektronenverteilungen innerhalb der Keramik mit Hilfe von Elektronenholographie nur unzureichend interpretierbar sind. Das lineare Antwortprogramm, welches die Atompositionen über Bornsche effektive Ladungen mit ferroelektrischer Polarisation korreliert, wurde erfolgreich angewendet, um Größeneffekte und Ausdehnungen von Abschirmschichten und Polarisationladungen in nichtferroelektrisch/ferroelektrischen Schichtsystemen zu bestimmen. Abschließend widmet sich ein spezieller Abschnitt der Auswertung 3D elektromagnetischer Felder mit Hilfe der elektronenholographischen Tomographie, was die Voraussetzung für die Charakterisierung von noch komplizierteren 3D Domänenwandanordnungen liefert. Da die Möglichkeiten dieser Technik durch den holographischen Rekonstruktionsfehler und spezifisch tomographische Probleme noch beschränkt sind, liegt der Schwerpunkt dieses Abschnitts in der Charakterisierung und Verbesserung des tomographischen Rekonstruktionsprozesses. Es wird eine singulärwertbasierte Rekonstruktionsmethode entwickelt, welche die Quantifizierung und Kontrolle des Rekonstruktionsfehlers ermöglicht. Außerdem wird die Vektorfeldrekonstruktion erweitert, um magnetische Vektorfelder, welche über das Rekonstruktionsvolumen hinausragen, zu behandeln.

In this thesis, we explain and illustrate on several examples how to derive supergravity solutions by computing observables in the corresponding dual, lower-dimensional field theory.<p>In particular, no a priori knowledge on the gravitational dual is assumed, including its dimensionality. The basic idea to construct the pre-geometric models is to consider the world-volume theory of probe D-branes in the presence of a large number N of higher-dimensional background branes. In the standard decoupling limit, the probes are moving only in the flat directions parallel to the background D-branes. We show however that the quantum effective action of the probe world-volume theory, obtained at large $N$ using standard vector model techniques, has the required field content to be interpreted as the action describing the probes in a higher-dimensional, curved and classical spacetime. The properties of the emerging supergravity solution are easily found by comparing the quantum effective action of the pre-geometric model with the non-abelian D-brane action. In all the examples we consider, this allows us to derive the metric, the dilaton and various form fields, overall performing exclusively field theoretic computations.<p><p>The first part of the thesis consists of introductory chapters, where we review vector models at large N, aspects of brane physics in supergravity and string theory and the gauge/gravity correspondence. The second part contains the original contributions of this thesis, consisting of various explicit emergent geometry examples.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Deformable mirrors are the standard adaptive optical elements for aberration correction in confocal microscopy. Their usage leads to increased contrast and resolution. However, these improvements are achieved at the cost of bulky optical setups. Since spherical aberrations are the dominating aberrations in confocal microscopy, it is not required to employ all degrees of freedom commonly offered by deformable mirrors. In this contribution, we present an alternative approach for aberration correction in confocal microscopy based on a novel adaptive lens with two degrees of freedom. These lenses enable both axial scanning and aberration correction, keeping the setup simple and compact. Using digital holography, we characterize the tuning range of the focal length and the spherical aberration correction ability of the adaptive lens. The operation at fixed trajectories in terms of focal length and spherical aberrations is demonstrated and investigated in terms of reproducibility. First results indicate that such adaptive lenses are a promising approach towards high-resolution, high-speed three-dimensional microscopy.