Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mars 2004). Bibliogr. Présenté aussi en version papier.

Cette thèse rapporte le développement d’un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s’inscrit dans le courant d’intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s’intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L’obtention d’une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s’appuie sur un système de modulateurs acoustooptiques en double passage. Le troisième chapitre s’attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d’élargissement collisionnel de raies de l’eau par N2, O2 et l’air. / This thesis reports on the construction of a new experimental set up for Terahertz spectroscopy based on the generation of the frequency difference of two near infrared laser diodes at 820nm on a GaAs substrate device. The first chapter describes the renewal of the interest for T-rays. The second chapter treats the FIR generation by frequency difference on the GaAs semiconductor device and its uses for spectroscopy. The broad tunability of this Far Infrared radiation obtained by double-pass acousto-optic modulators setup is also seen. The third chapter discusses about stabilisation of infrared sources by the Pound-Drever-Hall method using a high finesse cavity to generate a high spectral purity of the FIR emission. Finally, the spectrometer is characterised by measurements of the rotationnal spectrum of methyl-chloride and used in a primary study of the broadening parameter of water lines by N2, O2 and air.

Les propriétés non linéaires des matériaux dans la gamme infrarouge lointain ont été relativement peu étudiées. Ce phénomène est dû à l'absence, jusqu'à tout récemment, de sources dans cette gamme qui soient à la fois cohérentes et intenses. Certains lasers moléculaires et les lasers à électrons libres ont permis de pallier ce manque. Cependant ces sources sont soit difficilement accordables, soit très onéreuses et volumineuses. Nous présentons ici une source dite optoélectronique qui est cohérente, potentiellement accordable entre 17 et 600 æm, intense, peu volumineuse et peu coûteuse. La première partie du projet a consisté à développer l'aspect d'accordabilité de la source au moyen du battement entre deux faisceaux laser. Nous avons montré qu'une méthode de réinjection de photons cohérents permettait d'augmenter significativement le contraste de battements de fréquence entre 0.5 et plus de 15 THz. Ces battements ont ensuite été amplifiés et utilisés pour générer un rayonnement infrarouge lointain à 180 et 510 æm avec une énergie de 0.4 æJ.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d'un dispositif de détection d'explosifsà l'aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d'une large gamme de matériaux d'intérêt pour ce type d'applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l'effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière.

Les étoiles telles que notre soleil se forment par l'effondrement gravitationnel de fragments de nuages moléculaires. Pendant les premiers instants de sa formation (ce qu'on appelle la Classe 0), l'étoile est profondément enfouie dans une enveloppe de gaz et de poussières et est seulement visible aux longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. Au fur et à mesure de son évolution, l'étoile disperse progressivement cette enveloppe. Un disque résiduel reste autour de l'étoile nouvellement née, qui pourra lui-même donner naissance à un système planétaire. Dans cette thèse, j'étudie la structure physico-chimique des proto-étoiles de faible masse. Cette étude est basée sur des observations du satellite ISO des raies de l'eau, ainsi que des observations avec les télescopes JCMT et IRAM du formaldéhyde. Dans un premier temps, j'étudie l'émission des raies de l'eau proto-étoile NGC1333-IRAS4 observés par ISO-LWS. A l'aide d'un modèle détaillé de l'émission de la proto-étoile, je détermine la structure en densité et température de l'enveloppe, ce qui permet de contraindre la masse centrale et le taux d'accrétion. Je détermine également l'abondance de l'eau dans l'enveloppe, et montre que cette abondance est dix fois plus importante dans la partie interne de l'enveloppe que dans la partie externe. Dans cette région, le manteau des grains s'évapore en injectant de grandes quantité d'eau en phase gazeuse. Dans un second temps, je développe un modèle d'émission d'une autre molécule abondante dans le manteau des grains, le formaldéhyde, et je montre que des transitions de cette molécule peuvent également être utilisées pour déterminer les conditions physico-chimiques dans l'enveloppe. Enfin, je présente un relevé de l'émission du formaldéhyde de dix proto-étoiles de classe 0, obtenu avec l'IRAM et le JCMT. En comparant les prédictions de ce modèle et les observations, je montre que dans toutes les proto-étoiles observées, à l'exception d'une seule, le formaldéhyde est également évaporé du manteau des grains, et est entre deux et trois ordres de grandeur plus abondant que dans la partie externe de l'enveloppe. Ceci montre que toutes les proto-étoiles de faible masse observées possèdent un coeur chaud, où la chimie est probablement très influencée, sinon dominée par l'évaporation du manteau des grains.

Cette thèse a été consacrée à l’étude en laboratoire plusieurs molécules d’intérêt astrophysique par spectroscopie par transformation de Fourier dans l’infrarouge lointain afin de montrer les possibilités offertes par cette gamme spectrale en matière de spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle, notamment grâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Nous nous sommes intéressés à des molécules relativement lourdes, dérivées du naphtalène, pour lesquelles nous avons pu observer les bandes de vibrations de plus basses fréquences. Nous avons également développé différents dispositifs de décharge permettant d’étudier la spectroscopie rotationnelle de molécules instables : molécules légères à haute température et radicaux de petite taille. / This thesis has been dedicated to the laboratory far-infrared Fourier transform spectroscopy of several molecules of astrophysical interest in order to demonstrate the interest of this spectral region for vibrational and rotational spectroscopy, in particular using synchrotron radiation. Low frequency vibrational spectra of nine naphthalene derivatives, relatively heavy molecules, have been studied. Several discharge set-ups have also been developed in order to study rotational spectroscopy of transient species: high temperature light molecules and small radicals.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall...), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d’un dispositif de détection d’explosifsà l’aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d’une large gamme de matériaux d’intérêt pour ce type d’applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l’effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière. / This PhD work was performed in view of using terahertz electromagnetic signals forthe detection and identification of dangerous and prohibited substances. In a first stage,a database of the terahertz properties (namely refractive index and absorption) of thesesubstances was created from the measurements we performed using terahertz time-domainspectroscopy. Then a large bandwidth terahertz time-domain set up has been built, togetherwith a goniometric-type set up that allows us recording signals scattered by roughor heterogeneous samples. Finally, we studied the excitation and propagation of surfaceplasmons in the terahertz domain, which may be used for the detection of small amountsof matter.

L’intérêt principal des systèmes d’aide à la conduite (ADAS) est d’accroître la sécurité de tous les usagers de la route. Le domaine du véhicule intelligent porte une attention particulière au piéton,l’une des catégories la plus vulnérable. Bien que ce sujet ait été étudié pendant près de cinquante ans par des chercheurs, une solution parfaite n’existe pas encore. Nous avons exploré dans ce travail de thèse différents aspects de la détection et la classification du piéton. Plusieurs domaines du spectre (Visible, Infrarouge proche, Infrarouge lointain et stéréovision) ont été explorés et comparés.Parmi la multitude des systèmes imageurs existants, les capteurs infrarouge lointain (FIR),capables de capturer la température des différents objets, reste particulièrement intéressants pour la détection de piétons. Les piétons ont, le plus souvent, une température plus élevée que les autres objets. En raison du manque d’accessibilité publique aux bases de données d’images thermiques, nous avons acquis et annoté une base de donnée, nommé RIFIR, contenant à la fois des images dans le visible et dans l’infrarouge lointain. Cette base nous a permis de comparer les performances de plusieurs attributs présentés dans l’état de l’art dans les deux domaines.Nous avons proposé une méthode générant de nouvelles caractéristiques adaptées aux images FIR appelées « Intensity Self Similarity (ISS) ». Cette nouvelle représentation est basée sur la similarité relative des intensités entre différents sous-blocks dans la région d’intérêt contenant le piéton.Appliquée sur différentes bases de données, cette méthode a montré que, d’une manière générale,le spectre infrarouge donne de meilleures performances que le domaine du visible. Néanmoins, la fusion des deux domaines semble beaucoup plus intéressante.La deuxième modalité d’image à laquelle nous nous sommes intéressé est l’infrarouge très proche (SWIR, Short Wave InfraRed). Contrairement aux caméras FIR, les caméras SWIR sont capables de recevoir le signal même à travers le pare-brise d’un véhicule. Ce qui permet de les embarquer dans l’habitacle du véhicule. De plus, les imageurs SWIR ont la capacité de capturer une scène même à distance lointaine. Ce qui les rend plus appropriées aux applications liées au véhicule intelligent. Dans le cadre de cette thèse, nous avons acquis et annoté une base de données, nommé RISWIR, contenant des images dans le visible et dans le SWIR. Cette base a permis une comparaison entre différents algorithmes de détection et de classification de piétons et entre le visible et le SWIR. Nos expérimentations ont montré que les systèmes SWIR sont prometteurs pour les ADAS. Les performances de ces systèmes semblent meilleures que celles du domaine du visible.Malgré les performances des domaines FIR et SWIR, le domaine du visible reste le plus utilisé grâce à son bas coût. Les systèmes imageurs monoculaires classiques ont des difficultés à produire une détection et classification de piétons en temps réel. Pour cela, nous avons l’information profondeur (carte de disparité) obtenue par stéréovision afin de réduire l’espace d’hypothèses dans l’étape de classification. Par conséquent, une carte de disparité relativement correcte est indispensable pour mieux localiser le piéton. Dans ce contexte, une multitude de fonctions coût ont été proposées, robustes aux distorsions radiométriques, pour le calcul de la carte de disparité.La qualité de la carte de disparité, importante pour l’étape de classification, a été affinée par un post traitement approprié aux scènes routières.Les performances de différentes caractéristiques calculées pour différentes modalités (Intensité,profondeur, flot optique) et domaines (Visible et FIR) ont été étudiées. Les résultats ont montré que les systèmes les plus robustes sont ceux qui prennent en considération les trois modalités,plus particulièrement aux occultations. / The main purpose of constructing Intelligent Vehicles is to increase the safety for all traffic participants. The detection of pedestrians, as one of the most vulnerable category of road users, is paramount for any Advance Driver Assistance System (ADAS). Although this topic has been studied for almost fifty years, a perfect solution does not exist yet. This thesis focuses on several aspects regarding pedestrian classification and detection, and has the objective of exploring and comparing multiple light spectrums (Visible, ShortWave Infrared, Far Infrared) and modalities (Intensity, Depth by Stereo Vision, Motion).From the variety of images, the Far Infrared cameras (FIR), capable of measuring the temperature of the scene, are particular interesting for detecting pedestrians. These will usually have higher temperature than the surroundings. Due to the lack of suitable public datasets containing Thermal images, we have acquired and annotated a database, that we will name RIFIR, containing both Visible and Far-Infrared Images. This dataset has allowed us to compare the performance of different state of the art features in the two domains. Moreover, we have proposed a new feature adapted for FIR images, called Intensity Self Similarity (ISS). The ISS representation is based on the relative intensity similarity between different sub-blocks within a pedestrian region of interest. The experiments performed on different image sequences have showed that, in general, FIR spectrum has a better performance than the Visible domain. Nevertheless, the fusion of the two domains provides the best results. The second domain that we have studied is the Short Wave Infrared (SWIR), a light spectrum that was never used before for the task of pedestrian classification and detection. Unlike FIRcameras, SWIR cameras can image through the windshield, and thus be mounted in the vehicle’s cabin. In addition, SWIR imagers can have the ability to see clear at long distances, making it suitable for vehicle applications. We have acquired and annotated a database, that we will name RISWIR, containing both Visible and SWIR images. This dataset has allowed us to compare the performance of different pedestrian classification algorithms, along with a comparison between Visible and SWIR. Our tests have showed that SWIR might be promising for ADAS applications,performing better than the Visible domain on the considered dataset. Even if FIR and SWIR have provided promising results, Visible domain is still widely used due to the low cost of the cameras. The classical monocular imagers used for object detectionand classification can lead to a computational time well beyond real-time. Stereo Vision providesa way of reducing the hypothesis search space through the use of depth information contained in the disparity map. Therefore, a robust disparity map is essential in order to have good hypothesis over the location of pedestrians. In this context, in order to compute the disparity map, we haveproposed different cost functions robust to radiometric distortions. Moreover, we have showed that some simple post-processing techniques can have a great impact over the quality of the obtained depth images.The use of the disparity map is not strictly limited to the generation of hypothesis, and couldbe used for some feature computation by providing complementary information to color images.We have studied and compared the performance of features computed from different modalities(Intensity, Depth and Flow) and in two domains (Visible and FIR). The results have showed that the most robust systems are the ones that take into consideration all three modalities, especially when dealing with occlusions.

Le sujet de la thèse a porté sur la mise au point, la caractérisation et l'utilisation de matériaux semi-conducteurs, au sein desquels les porteurs libres ont un temps de vie extrêmement brefs (picoseconde ou sub-picoseconde), pour réaliser des antennes photoconductrices émettrices ou détectrices de rayonnement électromagnétique térahertz (THz). Contrairement au semi-conducteur LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) à la technologie bien dominée et aux performances exceptionnelles lorsque photo-excité par des impulsions lasers de longueurs d'onde typiquement inférieures à 0,8 µm, le travail portait ici sur des matériaux permettant l'emploi de lasers dont les longueurs d'onde sont celles des télécommunications optiques, à savoir aux alentours de 1,5 µm. L'intérêt est de bénéficier de la technologie mature de ces lasers, et du coût relativement modique des composants pour les télécommunications optiques. Pour réaliser des antennes THz performantes et efficaces, le matériau semi-conducteur doit présenter plusieurs qualités : vie des porteurs libres très courte, grande mobilité des porteurs, haute résistivité hors éclairement, et bonne structure cristallographique pour éviter les claquages électriques. Pour obtenir une courte durée de vie, on introduit un grand nombre de pièges dans le semi-conducteur, qui capturent efficacement les électrons libres. Pour les matériaux de type InGaAs employés à 1,5 µm, le problème est que le niveau en énergie de ces pièges, par exemple pour les matériaux épitaxiés à basse température, est très proche de la bande de conduction du semi-conducteur. Cela est équivalent à un dopage n du matériau, ce qui en diminue fortement sa résistivité hors éclairement. Plusieurs solutions ont été apportées par différents laboratoires : compensation par dopage p pour les matériaux épitaxiés à basse température, bombardement ionique, implantation ionique, ou même structures à couches alternées où la photo-génération et la recombinaison des porteurs libres se produisent à des endroits différents. Le but du travail de thèse était de fabriquer des matériaux préparés suivant ces différentes techniques, de les caractériser et de comparer leurs performances pour l'optoélectronique THz. Les semi-conducteurs à étudier étaient de type InGaAs comme déjà publiés par la concurrence, l'originalité de thèse portant sur la comparaison de ces différents matériaux et si possible leur optimisation,. Au cours de ce travail de thèse, de nombreuses couches d'InGaAs ont été épitaxiées, en faisant varier les paramètres de dépôt, et des antennes THz ont été fabriquées. Les couches ont été caractérisées du point de vue cristallographique, ainsi que pour la conductivité électrique DC (mesures 4 pointes, mobilité Hall…), les propriétés d'absorption optique (spectroscopie visible et IR), la durée de vie des porteurs par mesure optique pompe-sonde. Pour les couches épitaxiées à basse température, l'influence d'un recuit thermique ainsi que du dopage en béryllium ont été étudiés. Dans le cas de couches bombardées ou implantées, plusieurs ions ont été utilisés, le brome, le fer et l'hydrogène. Les relations entre la cartographie des défauts structuraux et/ou des ions implantés et les propriétés électriques et de dynamique des porteurs ont été examinées en détail. Ces études permettent de comprendre le type de défauts qui piègent les porteurs dans ces matériaux, ainsi que leur formation lors du processus de fabrication et de traitement des couches. Finalement les meilleures couches fabriquées présentent des performances comparables à celles publiées par ailleurs. Les derniers travaux de thèse ont permis d'obtenir les premiers signaux de rayonnement THz générés par une antenne fabriquée avec l'InGaAs optimisé. / The subject of the thesis focused on the development, characterization and use of semiconductor materials, in which the free carriers have a very short lifetime (picosecond or sub-picosecond) to produce photoconductive antennas emitting and detecting electromagnetic terahertz (THz) radiation. Unlike semiconductor LTG-GaAs (low temperature grown GaAs) which is a well-dominated technology and present exceptional performances when photoexcited by typically less than 0.8 micron wavelength laser pulses, the work focused on here materials for the use of lasers whose wavelengths are those of the optical communication, namely around 1.5 microns. The interest is to benefit from the mature technology of these lasers, and relatively low cost components for optical telecommunications. To achieve effective and efficient THz antennas, the semiconductor material must have several qualities : lifetime of free carriers very short, high carrier mobility, high resistivity outside lighting, and good crystallographic structure to prevent electrical breakdown. For a short lifetime, a large number of traps are introduced into the semiconductor, which effectively capture the free electrons. For InGaAs materials used at 1.5 microns, the problem is that the energy level of the traps, for example, the epitaxial material at low temperature is very close to the conduction band of the semiconductor. This is equivalent to an n-doped material, what greatly reduces its resistivity outside illumination. Several solutions have been made by different laboratories : compensation for the p-doped epitaxial materials at low temperature, ion bombardment, ion implantation, or even alternating layer structures where photo-generation and recombination of free carriers occur in different places. The aim of the thesis was to produce materials prepared using these techniques to characterize and compare their performance to THz optoelectronics. The studied InGaAs-based semiconductors were as previously published by the competition, the originality of the thesis was on the comparison of these different materials and if possible their optimization. During this work, many of InGaAs layers were grown epitaxially by varying the deposition parameters, and THz antennas were fabricated. The layers were characterized from the crystallographic point of view, as well as the DC electrical conductivity (measures 4 points, Hall mobility ... ), the optical absorption properties (visible and IR spectroscopy ), the lifetime of carriers by optical pump-probe measurement. For low temperature epitaxial layers, the influences of thermal and doping beryllium annealing were studied. In the case of shelled or implanted layers, several ions were used, bromine, iron and hydrogen. The relationship between the mapping of structural defects of the implanted ions and electrical and carrier dynamics properties were discussed in detail. These studies allow us to understand the type of defects that trap carriers in these materials, as well as training in the process of manufacturing and processing layers. Finally the best layers are made comparable to those published elsewhere performance. The last study allowed to achieve the first signals of THz radiation generated by InGaAs-based optimized antenna.