In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.

This research focuses on measurements of a convective shear-layer instability seen naturally in quiet hypersonic flow. Experiments were carried out in the Boeing/AFOSR Mach 6 Quiet Tunnel (BAM6QT) at Purdue University. The BAM6QT provides low-disturbance hypersonic flow with freestream noise levels similar to what would be experienced by a flight vehicle. To obtain high-speed, off-the-surface measurements of the instability, a modified focused laser differential interferometer (FLDI) was first designed to work with the contoured Plexiglas windows available in the tunnel.<div><br>A cone-cylinder-flare geometry was then selected to study the instabilities related to an axisymmetric separation bubble at Mach 6. The sharp cone had a 5-degree half-angle, while flare angles of 10 degrees and 3.5 degrees were tested to compare axisymmetric compression with and without separation, respectively. Under quiet flow, laminar separation and reattachment was confirmed by schlieren and surface pressure-fluctuation measurements. Coherent traveling waves were observed. These were attributed to both the second-mode instability, as well as a shear-generated instability from the separation bubble. The symmetry of the bubble was found to be highly sensitive to angle of attack. Additionally, by introducing controlled disturbances on the cone upstream of the separation, larger-amplitude shear-generated waves were measured while the second-mode amplitudes remained unchanged. Therefore, the shear-generated waves were amplified moving through the shear layer, while the second mode remained neutrally stable. These appear to be the first measurements of traveling waves that are generated in the shear layer of a separation bubble in hypersonic flow. <br></div>

In-situ 3-D shape measurements with submicron shape uncertainty of fast rotating objects in a cutting lathe are expected, which can be achieved by simultaneous distance and velocity measurements. Conventional tactile methods, coordinate measurement machines, only support ex-situ measurements. Optical measurement techniques such as triangulation and conoscopic holography offer only the distance, so that the absolute diameter cannot be retrieved directly. In comparison, laser Doppler distance sensors (P-LDD sensor) enable simultaneous and in-situ distance and velocity measurements for monitoring the cutting process in a lathe. In order to achieve shape measurement uncertainties below 1 µm, a P-LDD sensor with a dual camera based scattered light detection has been investigated. Coherent fiber bundles (CFB) are employed to forward the scattered light towards cameras. This enables a compact and passive sensor head in the future. Compared with a photo detector based sensor, the dual camera based sensor allows to decrease the measurement uncertainty by the order of one magnitude. As a result, the total shape uncertainty of absolute 3-D shape measurements can be reduced to about 100 nm.

The high stiffness to weight ratio of glass fibre-reinforced polymers (GFRP) makes them an attractive material for rotors e.g. in the aerospace industry. We report on recent developments towards non-contact, in-situ deformation measurements with temporal resolution up to 200 µs and micron measurement uncertainty. We determine the starting point of damage evolution inside the rotor material through radial expansion measurements. This leads to a better understanding of dynamic material behaviour regarding damage evolution and the prediction of damage initiation and propagation. The measurements are conducted using a novel multi-sensor system consisting of four laser Doppler distance (LDD) sensors. The LDD sensor, a two-wavelength Mach-Zehnder interferometer was already successfully applied for dynamic deformation measurements at metallic rotors. While translucency of the GFRP rotor material limits the applicability of most optical measurement techniques due to speckles from both surface and volume of the rotor, the LDD profits from speckles and is not disturbed by backscattered laser light from the rotor volume. The LDD sensor evaluates only signals from the rotor surface. The anisotropic glass fibre-reinforcement results in a rotationally asymmetric dynamic deformation. A novel signal processing algorithm is applied for the combination of the single sensor signals to obtain the shape of the investigated rotors. In conclusion, the applied multi-sensor system allows high temporal resolution dynamic deformation measurements. First investigations regarding damage evolution inside GFRP are presented as an important step towards a fundamental understanding of the material behaviour and the prediction of damage initiation and propagation.

L’expérience I.C.E a pour objectif de tester le principe d’équivalence faible (WEP) à la base de la théorie de la relativité générale d’Einstein et postulant l’équivalence entre masse inertielle et masse grave. Si ce principe a toujours été vérifié jusqu’à aujourd’hui, il est d’un intérêt fondamental pour la physique moderne de poursuivre les mesures avec une précision accrue. En effet, de nouvelles théories d’unification de la mécanique quantique et de la relativité générale prévoient une violation de ce principe. Pour réaliser un test du WEP, il suffit de comparer les accélérations de deux objets en chute libre dans un même champ de gravitation, et c’est ce que réalise l’expérience I.C.E à l’échelle quantique (à la différence de la mission spatiale Microscope qui à ce jour a pu vérifier le WEP avec des objets macroscopiques avec une sensibilité sur le paramètre de 2.10−14). Ainsi, l’expérience consiste à réaliser, par une méthode interférométrique, la mesure de l’accélération de deux espèces atomiques (87Rb et 39K) de masses et de compositions différentes, en chute libre dans une enceinte à vide. La sensibilité de la mesure des effets inertiels auxquels les atomes sont sensibles (accélérations et rotations) est d’autant plus grande que la durée de chute libre des atomes est élevée et que la température des nuages est faible. Or, sur Terre au laboratoire, les atomes finissent par tomber au fond de l’enceinte les contenant sous l’effet de la gravité, ce qui limite grandement la sensibilité de la mesure. C’est pourquoi il est intéressant de placer l’expérience dans un environnement de micropesanteur dans lequel les atomes restent au centre de la chambre à vide afin d’atteindre des temps d’interrogation beaucoup plus longs. A ce titre, l’expérience est embarquée jusqu’à plusieurs fois par an, à bord de l’avion Zéro-g de la société Novespace. Les durées de micropesanteur proposées permettent d’atteindre des temps d’interrogation théoriques de l’ordre de la seconde ce qui doit porter le niveau de sensibilité à 10−11. Cependant, nous sommes aujourd’hui très fortement limités par le niveau élevé de vibrations et de rotations de l’avion : la perte de contraste des franges d’interférence engendrée ainsi que le bruit de phase introduit, ne nous permettent pas de dépasser des temps d’interrogation de 5 ms en 0 g. En parallèle, le laboratoire s’est récemment doté d’un simulateur de microgravité sur lequel est montée l’expérience, donnant accès à des temps d’interrogation de plus de 200 ms avec des trajectoires paraboliques d’une très bonne répétabilité (de l’ordre de 3 mg). La cohérence d’une source atomique étant directement reliée à sa température, l’utilisation de nuages ultra-froids est d’un grand intérêt pour améliorer le contraste des franges d’interférence, d’autant plus pour les longs temps d’interrogation visés. Le présent manuscrit synthétise les travaux ayant permis de produire le tout premier condensat de Bose-Einstein (la source atomique ultime) de 87Rb en microgravité par une méthode tout optique, et ce, de manière répétable toutes les 13,5 secondes. Nous démontrons l’efficacité de note méthode de chargement du piège dipolaire basée sur l’association d’un refroidissement par mélasse grise et d’une modulation spatiale des faisceaux dipolaires. Ces résultats ouvrent la voie vers de futures mesures interférométriques très sensibles à grand facteur d’échelle. / The I.C.E experiment aims at testing the weak equivalence principle (WEP) underlying Einstein’s theory of general relativity and which postulates the equivalence between inertial mass and gravitationnal mass. If this principle has always been verified until today, it is of fundamental interest for physics to continue the measurements with greater precision. Indeed, new unifying theories of quantum mechanics and general relativity predict a violation of this principle. To carry out a test of the WEP, it suffices to compare the accelerations of two objects in free fall in the same gravitationnal field. This is what the I.C.E experiment, on the quantum scale, achieves (unlike the spatial Microscope mission, which to date has been able to verify the principle of equivalence with macroscopic objects with a sensitivity on of 2.10−14). Thus, the experiment consists in performing, by an interferometric method, the measurement of the acceleration of two atomic species (87Rb and 39K) of different mass and composition in free fall in a vacuum chamber. The measurement sensitivity of the inertial effects to which the atoms are sensitive (accelerations and rotations) is all the greater as the free fall time of the atoms is high and their temperature is low. But on Earth, in the laboratory, the atoms eventually fall to the bottom of the vacuum chamber containing them under the effect of gravity, which greatly limits the measurement sensitivity achievable. This is why it is interesting to place the experiment in a microgravity environment in which the atoms stay in the center of the vacuum chamber in order to reach much longer interrogation times. As such, several times a year, the experiment is put aboard the aircraft Zero-g of the Novespace company. The available microgravity durations make it possible to reach theoretical interrogation times of the order of one second, which should raise the sensitivity level to 10−11. However, we are today very strongly limited by the high level of vibrations of the aircraft as well as its rotations : the loss of contrast of the interference fringes and the phase noise caused, do not allow us to exceed 5 ms of interrogation times in 0 g. Since the coherence of an atomic source is directly related to its temperature, the use of ultra-cold clouds is of great interest to improve the contrast of the interference fringes, especially for the long interrogation times targeted. In parallel, the laboratory is now equipped with a microgravity simulator on which is mounted the experiment, giving access to interrogation times of more than 250 ms with parabolic trajectories of a very good repeatability (of the order of 3 mg). This manuscript synthesizes the work that produced the very first 87Rb Bose-Einstein condensate in microgravity by all-optical methods, with a repetition rate of 13,5 seconds. We demonstrate the efficiency of our dipole trap loading method based on the association of a grey molasses cooling and a spatial modulation of the dipole beams. These results pave the way for future highly sensitive interferometric measurements with a large scale factor.

En dépit d’importants progrès dans le domaine de la thérapie anti-cancéreuse, les traitements actuels restent controversés, notamment en raison de la quantité importante d'effets secondaires induits. L'immunothérapie ciblée a récemment émergée en tant qu'alternative, afin d'améliorer les modalités de traitement des patients atteints du cancer. Malgré tout, seul un nombre limité d’approches sont aujourd’hui disponibles, et une grande partie des problèmes demeurent actuellement sans solution. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés à la conception de structures biomoléculaires innovantes et bifonctionnelles, capables de rediriger des anticorps endogènes, présents naturellement dans la circulation sanguine de l'homme, contre les tumeurs et, ce, sans immunisation préalable. Les anticorps naturels circulant étant polyspécifiques et ayant la capacité d’interagir avec des antigènes glycosylés, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur la conception de glycoconjugués multivalents, ligands d’anticorps endogènes. Une première partie de notre étude a consisté à synthétiser différents glycodendrimères multivalents, reposant sur des châssis peptidiques et obtenus par ligations chimiosélectives, tout en variant la nature du motif glycosylé et des plateformes, ainsi que la valence du conjugué. Puis, dans un second temps, des tests d’interaction par biopuce ont été mis en place avec une lectine modèle, la lectine Helix Pomatia Agglutinin (HPA). Des protocoles expérimentaux visant à calculer des constantes de dissociation de surface, ainsi que des IC50 ont été mis en place, permettant d’identifier de bons ligands de HPA avec des affinités de l’ordre du nanomolaire. Les tests par biopuce ont ensuite été confirmés avec d’autres méthodes d’analyses (BLI, ELLA). Finalement, afin d'identifier des architectures tri-dimensionnelles permettant une affinité optimale avec des anticorps, les tests d’interaction ont été adaptés au criblage de séra humains. Un large panel de glycoconjugués a alors été criblé par biopuce avec une vingtaine de séra, permettant la détermination de structures glycosylés prometteuses, qui pourront par la suite être utilisées dans le cadre de notre approche anti-cancéreuse. / Despite significant progress in anti-cancer therapy, current treatments are still controversial due to numerous side effects. Targeted immunotherapy recently emerged as an ideal alternative to improve treatment modalities for cancer patients. However, very limited approaches are available today and major issues remain to be addressed. In this context, we are interested in the design of biomolecular structures, innovative and bifunctional, able to hijack endogenous antibodies - which are naturally present in the human blood stream - toward cancer cells without pre-immunisation. Since natural circulating antibodies are polyspecific and have the ability to interact with multiple carbohydrate antigens, we focused on the design of multivalent glycodendrimers, as ligands for endogenous antibodies. The first part of our study consisted in synthesizing several multivalent glycoconjugates, based on peptide scaffolds and obtained by chemoselective ligations. To evaluate their influence on antibodies, the nature of both the carbohydrate and the scaffold, and the valency were varied. Then, in a second part of the study, microarray assays were developed with a model lectin, the Helix Pomatia Agglutinin (HPA). Experimental procedures were designed to determine surface dissociation constant and IC50 values, leading to the identification of high affinity ligands for HPA in the nanomolar range. Microarray assays were confirmed by other analytical methods (BLI, ELLA). Finally, the assays on slides were adapted to human sera screening, in order to identify tridimensional architectures highly affine to sera antibodies. A large panel of glycoconjugates were screened by microarray with around twenty sera, leading to the determination of promising glycosylated structures, as antibody ligands. The latter could be subsequently used for our anti-cancer approach.

L'interférométrie par réinjection optique est une technique de mesure dont l'implémentation pour l'interrogation de systèmes fluidiques est assez récente. Le principe de mesure est basé sur la perturbation des paramètres d'émission du laser induite par la réinjection dans la cavité laser de lumière rétro-diffusée par une cible distante. La technique permet le développement de capteurs compact et non-invasifs qui mesurent différents paramètres liés aux déplacements de la cible. En particulier, les interféromètres par réinjection optique prennent avantage de l'effet Doppler pour mesurer la vitesses de traceurs dans les liquides en écoulement. Cet aspect important de la technique de réinjection optique la rend adaptée à une grande variété d'applications dans les domaines du génie chimique et du biomédical où un contrôle des écoulements est requis. Cette thèse présente l'implémentation de capteur basés sur la réinjection optique pour différents systèmes fluidiques où la vitesse locale d'écoulement ou le débit sont directement mesurés. Nous présentons une étude centrée sur les applications où la réinjection optique est utilisée pour la mesure du débit à la micro-échelle avec en particulier une analyse de la robustesse des méthodes de traitement du signal propres aux régimes de diffusion simple et de diffusion multiple. Par ailleurs, nous présentons des résultats expérimentaux de mesures ex vivo où le capteur par réinjection optique est proposé comme alternative pour la myographie. Nous présentons également une implémentation temps réel pour l’estimation du débit instantané d'écoulements dynamiques dans une configuration milli-fluidique. Un système semi-automatisé de détection de particule unique dans un micro-canal est proposé et démontré. Enfin, un capteur basé sur la réinjection optique est implémenté pour la caractérisation des interactions entre deux fluides immiscibles en écoulement à micro-échelle et les mesures réalisées sont comparées à un modèle développé afin de décrire le comportement hydrodynamique des deux fluides dans un micro-réacteur. Le manuscrit décrit une contribution importante pour l'implémentation de capteur par réinjection optique pour des applications fluidiques et en particulier micro-fluidiques. Il présente également des résultats expérimentaux remarquables qui ouvrent de nouveaux horizons pour l'interférométrie à réinjection optique. / Optical feedback interferometry is a sensing technique with relative recent implementation for the interrogation of fluidic systems. The sensing principle is based on the perturbation of the laser emission parameters induced by the reinjection in the laser cavity of light back-scattered from a distant target. The technique allows for the development of compact and noninvasive sensors that measure various parameters related to the motion of moving targets. In particular, optical feedback interferometers take advantage of the Doppler effect to measure the velocity of tracers in flowing liquids. These important features of the optical feedback interferometry technique make it wellsuited for a variety of applications in chemical engineering and biomedical fields, where accurate monitoring of the flows is needed. This thesis presents the implementation of optical feedback interferometry based sensors in multiple fluidic systems where local velocity or flow rate are directly measured. We present an application-centered study of the optical feedback sensing technique used for flow measurement at the microscale with focus on the reliability of the signal processing methods for flows in the single and the multiple scattering regimes. Further, we present experimental results of ex vivo measurements where the optical feedback sensor is proposed as an alternative system for myography. In addition we present a real-time implementation for the assessment of non-steady flows in a millifluidic configuration. A semi-automatized system for single particle detection in a microchannel is proposed and demonstrated. Finally, an optical feedback based laser sensor is implemented for the characterization of the interactions between two immiscible liquid-liquid flowing at the microscale, and the measurement is compared to a theoretical model developed to describe the hydrodynamics of both fluids in a chemical microreactor. The present manuscript describes an important contribution to the implementation of optical feedback sensors for fluidic and microfluidic applications. It also presents remarkable experimental results that open new horizons to the optical feedback interferometry.

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique se produit lorsqu’une portion de la puissance optique du laser est rétrodiffusée par une cible distante puis réinjectée dans la cavité laser ce qui affecte les propriétés d’émission du laser (fréquence et puissance en particulier). Ce principe résulte alors en un capteur interférométrique compact, auto-aligné et sans contact. Des applications récentes des capteurs par réinjection optique dans les domaines de la microfluidique et de l’acoustique ont montré des résultats prometteurs et ouvert de nouveaux domaines de recherche. Pourtant, dans le cadre de ces applications, l’amplitude du signal est extrêmement faible à cause de la faible amplitude des variations de la puissance rétrodiffusée qui est mesurée. Dans cette thèse, un modèle analytique décrivant la dépendance de l’amplitude du signal issu d’une diode laser monomode au courant d’injection et à la température est développé à partir des équations d’évolution de Lang et Kobayashi. Le modèle a été développé pour toutes les méthodes connues d’acquisition du signal interférométrique par réinjection optique : par la photodiode de monitoring incluse dans le boîtier de la diode laser, par la captation de la puissance optique au moyen d’un photodétecteur externe et par l’amplification de la tension aux bornes de la diode laser elle-même. Le modèle démontre que les signaux des photodiodes et de la tension sont liés à l’efficacité externe de la diode laser, qui elle-même est fonction du courant injecté et de la température. Qui plus est, le modèle prédit une évolution très différente de l’amplitude de ces différents signaux en fonction du courant d’injection ou de la température. Un résultat remarquable, confirmé par une campagne de mesures pour ces trois types de signaux sur une large plage de courants d’injection et de températures. Ainsi ce modèle simple permet une compréhension nouvelle des stratégies de polarisation très différentes de la diode laser permettant d’obtenir une sensibilité optimale du capteur dans les différents schémas d’acquisition du signal. Par ailleurs, les relations entre la phase et l’amplitude des signaux issus des photodiodes externes et de monitoring ont été étudiées sur le plan théorique et expérimental ce qui a permis de révéler des résultats inattendus. À partir du modèle et basé sur des observations expérimentales, une étude critique a été menée sur l’impact de la combinaison des trois signaux dans la stratégie de traitement du signal afin d’améliorer la sensibilité du capteur aux réinjections optiques de faible amplitude. / The optical feedback interferometry phenomenon occurs when a portion of the output optical power is back-scattered from a remote target and coupled into the laser cavity to vary the laser’s emission properties (frequency and power mostly). Thus, this scheme results in a compact, self-aligned and contact-less interferometric sensor. Recent applications of optical feedback interferometer in the domains of microfluidics or acoustics have shown promising results and open new fields of researches. However in these applications, the amplitude of the sensing signal is extremely small due to the weakness of the backscattered power changes that are measured. In this thesis, an analytical model that describes the laser injection current and temperature dependence of the optical feedback interferometry signal strength for a single-mode laser diode has been derived from the Lang and Kobayashi rate equations. The model has been developed for all the known signal acquisition methods of the optical feedback interferometry scheme: from the package included monitoring photodiode, by collection of the laser power with an external photodetector and by amplification of the variations in the laser junction voltage. The model shows that both the photodiodes and the voltage signals strengths are related to the laser slope efficiency, which itself is a function of the laser injection current and of the temperature. Moreover, the model predicts different behaviors of the photodiodes and the voltage signal strengths with the change of the laser injection current and the temperature; an important result that has been proven by conducting measurements on all three signals for a wide range of injection current and temperature. Therefore, this simple model provides important insights into the radically different biasing strategies required to achieve optimal sensor sensitivity for the different interferometric signal acquisition schemes. In addition, the phase and amplitude relationships between the external and the in-package photodiode signals have been investigated theoretically and experimentally demonstrating unexpected results. Based on our model and on experimental observations, a critical study has been performed on the impact of the combination of the three signals in the signal processing strategy in order to improve the sensor sensibility to low amplitude optical feedback.

This master thesis studies the behaviour of two aluminium alloys in ultrasonic cleaning at two different intensities, as well as the effect of a cleaning solution, Formula 815 GD-NF on the same surface have been studied with respect to surface roughness and material composition. Methods like Light Optical Microscopy (LOM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and 3D topography using white light interferometry (VSI) was used to study the surface and material composition. It was found that both the ultrasonic cleaning, as well as the solution itself both increase surface roughness of the samples. When crossing a threshold in ultrasonic intensity micro jet cavitation dislodge precipitates, or areas weakened by precipitate to form a large pit. And the following heat from the jet causes the surface to oxidise, becoming more brittle, and be broken up by other cavitation phenomena to cause rapid acceleration of surface roughness in an area originating from the pit.

This PhD thesis deals with elastohydrodynamic lubrication (EHL) under the conditions that occur between mated hypoid gear teeth. The aim is to describe experimentally the behaviour of lubricating film and mechanisms of its formation. The focus is mainly placed on clarifying the influence of direction and magnitude of sliding velocity in circular and elliptical contacts. Generally, it is still assumed that the direction of sliding velocity has no effect on the resulting lubricant film. In this study optical interferometry is used to determine distribution of lubricant film thickness. This work includes new and original results which clarify the studied problem. It was found that the direction of sliding velocity affects shape of the film at high speeds. This relates to the effect on heat flow through the contact. The results have an impact on the development of general EHL theory and provide knowledge applicable in film thickness prediction in the design of real tribological nodes.