This diploma thesis deals with two spectroscopic methods - laser induced breakdown spectroscopy and Raman spectroscopy. These methods were used for analysis of alga Trachydiscus minutus, which was cultivated in copper sulfate solutions of various concentrations. First part of this thesis is dedicated to physics and measurements of laser induced breakdown spectroscopy, second part deals with Raman spectroscopy.

The diploma thesis deals with the use of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for depth profiling and 3D mapping of the zinc-coated steel used in the automotive industry. Before creating depth maps and depth profiles, optimization of the experiment was performed. It was shown that the LIBS technique is suited for making depth profiles and depth maps. The theoretical part deals with the description of the LIBS instrumentation, characteristics of plasma, and assembling of scientific papers which reflect the up to date knowledge about depth profiling and mapping with the use of the LIBS technique. The experimental part describes the optimization of the experiment. Gate delay, the depth and the diameter of craters using the profilometer, the position of the focal plane relative to the sample surface, and selection of spectral lines with the smallest residual signal and small scattering of data were optimized. Depth profiles of zinc, iron, chromium and manganese with the depth map of zinc and iron were made, and also the depth resolution for both elements was calculated.

L'objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes d'allumage d'un noyau de flamme en écoulements laminaires et turbulents. Dans un premier temps, une étude préliminaire est consacrée à l'analyse du dispositif d'allumage par étincelle induite par laser et à l'étude de l'initiation du noyau de flamme en écoulement laminaire prémélangé. Dans un second temps, l'étude de l'allumage est réalisée en écoulement turbulent prémélangé, afin de mettre en évidence l'effet des fluctuations turbulentes de vitesse sur l'initiation de noyau de flamme. Enfin, dans le cas d'un écoulement turbulent nonprémélangé, l'influence du champ local et instantané de fraction de mélange sur l'allumage et le développement du noyau de flamme est analysée. / The aim of the Ph-D thesis is to study ignition mechanisms of a flame kernel in laminar and turbulent flows. First, a preliminary study is devoted to the analysis of the laser-induced spark ignition system and to the study of the flame kernel initiation in premixed laminar flow. Then, the study of the ignition is performed in turbulent premixed flow, to highlight the influence of velocity turbulent fluctuations on the flame kernel initiation. Finally, in turbulent non-premixed flows, the effect of the local and instantaneous mixture fraction on the flame kernel initiation and development is analyzed.

Les particules de suie, issues de la combustion incomplète, peuvent, en fonction des conditions de combustion, contenir une part plus ou moins importante de composés organiques (OC/TC). Par ailleurs, dès lors que ces nanoparticules sont émises dans l'atmosphère, des composés organiques volatiles peuvent s'adsorber, formant une gangue autour de ces agrégats fractals. L'impact de cette composition initiale ou de ce « vieillissement atmosphérique » sur les propriétés morphologiques et radiatives de ces particules n'est pas bien connu. Ceci a un impact sur les modèles radiatifs climatiques mais aussi sur l'interprétation des signaux délivrés par les différents diagnostics optiques pouvant être utilisés pour la métrologie des aérosols. En particulier, ce travail vise à juger de la pertinence de l'usage de diagnostics optiques pour caractériser les particules de suie en conditions atmosphériques. Afin d'étudier l'impact des composés organiques initialement présents dans la particule ou adsorbés en post-combustion sur leurs propriétés radiatives, nous avons étudié en laboratoire des suies produites par une flamme de diffusion (miniCAST) pour différentes richesses globales et avons ajouté un revêtement organique d'acide. Dans le but de générer en laboratoire une couche d'acide oléique sur des particules de référence, un dispositif de « coating » a été mis en œuvre et qualifié. Les particules ainsi générées et recouvertes ou non, ont été caractérisées en masse (mesures TEOM), en taille (mesures SMPS) et morphologiquement (densité effective). L'épaisseur de coating ainsi que la restructuration morphologique causée par l'ajout d'une gangue de matière organique ont ainsi été quantifiées. Les propriétés radiatives, ont été mesurées par extinction spectrale (Turbidimétrie) et diffusion (diffusion angulaire et spectrale). Un effort particulier a été mené pour que des mesures expérimentales puissent valider des résultats de calculs numériques préexistants. Par ailleurs, ces différentes techniques de mesures (optiques et non optique) ont conduit à la généralisation de la théorie Rayleigh Debye Gans for Fractal Aggregates (RDG-FA) à des particules de type agrégats fractals polydispersés recouverts d'un revêtement organique (RDG-CFA). Ceci permettant d'appréhender de façon phénoménologique l'impact du coating sur les propriétés radiatives et d'entrevoir une implantation plus aisée dans les codes de simulation climatique ou pour l'interprétation des mesures optiques dans l'atmosphère. Enfin, une attention particulière a été portée sur la technique d'incandescence induite par laser (LII) afin d'étudier la faisabilité de l'application de cette technique aux particules organiques ou ayant interagi avec les composés atmosphériques au cours de leur vieillissement. / Soot particles resulting from incomplete combustion may contain a more or less important part of organic compounds (OC / TC), depending on the combustion conditions. Moreover, once these nanoparticles are emitted into the atmosphere, volatile organic compounds can adsorb, forming a coating around these fractal aggregates. The impact of the initial composition or the atmospheric aging on the morphological and radiative properties of these particles is not well known. This has an impact on the radiative climate models but also on the interpretation of the signais delivered by the different optical diagnostics that can be used for aerosol metrology. In particular, this work aims to evaluate the relevance of the use of optical diagnostics to characterize soot particles in atmospheric conditions. In order to study the impact of organic compounds initially present in the particle or adsorbed in post-combustion on their radiative properties, we have studied soot produced by a diffusion flame (miniCAST) for different global richnesses and added an organic acid coating. In order to produce an oleic acid layer on reference particles, a coating device has been implemented and qualified. Particles thus generated, coated or not, were characterized in mass (TEOM measurements), in size (SMPS measurements) and morphologically (effective density). The coating thickness as well as the morphological restructuring caused by the addition of an organic coating was thus quantified. The radiative properties were measured by spectrally resolved light extinction and scattering (angular and spectrally resolved). A special effort was made to allow experimental measurements to validate pre-existing numerical results. Moreover, these different measurement techniques (optical and non-optical) have led to the generalization of the Rayleigh Debye Gans for Fractal Aggregates (RDG-FA) theory to particles of the polydispersed fractal aggregate type coated with an organic layer (RDG-CFA). This allows to understand phenomenologically the impact of a coating on the radiative properties and to permit an easier implementation in climate simulation codes or for the interpretation of optical measurements in the atmosphere. Finally, special attention was paid to the laser induced incandescence technique (LII), to study the applicability of this technique to organic particles or having interacted with atmospheric compounds during their aging processes.

Esta tesis es un estudio profundo de las propiedades interfaciales Metal|líquido iónico (LI), y como estas influyen en las primeras etapas de formación de electrodepósito metálico. Dos líquidos iónicos, de dos familias diferentes, se han escogido para el análisis: un Room Temperature Ionic Liquid (RTIL): [Emmim][Tf2N]; y un Deep Eutectic Solvent (DES): 1ChCl:2urea. Para estudiar la influencia superficial en los distintos procesos, se empleó monocristales de platino (Pt(111)) y de oro Au(hkl), principalmente. El análisis inicial de las propiedades interfaciales M(hkl)|LI se realizó utilizando, entre otras técnicas, la técnica de salto de temperatura con láser pulsante, técnica que además permitió estimar el valor de potencial de carga (valor característico de la interfase metal|electrolito) en cada caso. Una vez caracterizados electroquímicamente estos sistemas, ambos LIs se utilizaron para estudiar el depósito metálico en distintas superficies tanto orientadas como poliorientadas. En concreto, se investigó el depósito de Ag y Cu en DES y sobre carbono vítreo, obteniendo que el DES influenciaba el mecanismo de nucleación y crecimiento y permitía modular el tamaño de grano. Se analizó la formación de ad-capas UPD de Cu en Au(hkl) y en DES, observándose dependencia del proceso con la orientación del sustrato y el tipo de electrolito. Finalmente, se evaluó la aplicabilidad de estos dos solventes para modificar un sustrato orientado de platino (Pt(111)) con Ni, y la sensibilidad superficial del proceso, para ello combinando técnicas clásicas como voltametría cíclica y cronoamperometría con técnicas ex-situ como SEM y AFM (para recubrimientos de baja cobertura). El presente trabajo doctoral muestra el potencial de estos solventes para modificar una superficie con distinto metales y de forma sencilla, a través de la técnica formación de depósito electroquímico, abriendo la posibilidad de utilizar estos novedosos solventes para el diseño de nuevos materiales.

<div>This research has been studied a laser-induced spark in flowing gases. The relationship between the minimum ignition energy (MIE), the turbulence intensity, and the flame kernel propagation speed is considered. Plasma emission, produced by the laser-induced spark, and flame kernel generation by the plasma are investigated. The energy balance equation between an ignition energy and energy losses by heat transfer is studied at laminar flows and turbulent flows. Hydrogen and air mixtures were used in a premixed jet burner for ignition experiments. Particle image velocimetry (PIV) examined the velocity and the turbulence intensity under the turbulent flows. The flame kernel development was visualized using Schlieren imaging and infrared images (IR camera). Flame kernel temperatures were measured through Rayleigh scattering and infrared images (IR camera). Plasma evaluations were captured through an intensified CCD camera (ICCD camera). Minimum ignition energies were measured at the laminar flows and the turbulent flows. The MIE decreases with an increase in the turbulence intensity which changed by ignition locations and perforated plates at the constant bulk velocity. Improved mixing rates due to the ignition locations or the geometry of the perforated plates decrease the MIE at the constant bulk velocity. The turbulence intensity increases wrinkles in the flame kernel surface, thus the contact between the flame kernel and reactants increases due to the wrinkles. Therefore, the flame kernel propagation speed increases as the turbulence intensity is higher since the increased reaction by the wrinkles and the contact. Thus, the MIE decreases as the turbulence intensity increases at the constant ignition condition, including bulk velocities and ignition heights, since the high turbulence intensity increases the flame kernel propagation speed. Laser energy differences affect the plasma expansions by the laser absorption. Laser-supported radiation (LSR) wave speeds were measured and calculated using energy balance equations. Velocity does not affect the flame kernel temperature distribution during the early reaction steps because the plasma generates a flame kernel and determines the flame kernel temperature distribution. The MIE increases with increasing the bulk velocity. The energy losses considering convection, conduction, and radiation were calculated using the flame kernel radius, the flame kernel temperature, mixture properties, and the flame speed. The energy balance equation in the ignition of flowing gases is newly written at the laminar flows and the turbulent flows.</div>

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Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Methode der Laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) zur Bestimmung des Aufmischungsgrades ([Eta]) in durch Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen (LAP) hergestellten Beschichtungen. Grund- und Zusatzwerkstoff müssen sich hierbei in ihrer Elementzusammensetzung voneinander unterscheiden. Als Substratmaterial diente unlegierter Baustahl, als Zusatzwerkstoff wurde Stellit 21 eingesetzt. [Eta] stellt eine wichtige Qualitätskenngröße dar und kann nach vorheriger Kalibrierung des LIPS-Messsystems sowohl offline als auch online detektiert werden. Der Aufmischungsgrad korreliert mit dem detektierten Emissionslinienverhältnis. Im untersuchten Fall besteht in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Die Vorteile von LIPS gegenüber anderen Verfahren liegen insbesondere in der berührungslosen Analyse und der entfallenden Probenpräparation. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auf andere Werkstoffsysteme übertragen. Das verwendete LISP-Messsystem kann in den Fertigungsprozess integriert werden und steht als Technologiemodul für eine qualifizierte Überwachung des Aufmischungsgrades beim LAP-Prozess zur Verfügung.

La fabrication de tissus biologiques a été largement étudiée pour ses applications dans la recherche, la transplantation d'organes et le dépistage de drogues. Bien que des tissus minces ou avasculaires aient été fabriqués avec succès auparavant, le maintien de la viabilité des tissus épais nécessite la présence d'un réseau capillaire tout au long de la construction pour permettre l'apport de nutriments et l'élimination des déchets cellulaires par le sang. En plus des cellules endothéliales, l'incorporation de types de cellules de soutien dans le réseau capillaire est nécessaire pour favoriser la survie et la maturation. Comparée à d'autres méthodes de biofabrication, la bioimpression est une technologie prometteuse qui permet la fabrication précise de motifs 3D complexes à haute résolution spatiale. Nous avons conçu de nouveau notre procédé technique de bio-impression laser nommé LIST (de l'anglais \textit{laser-induced side transfer}) dans laquelle la bioencre de la suspension cellulaire passe à travers un capillaire horizontal avec un orifice face à l'échafaudage. Lorsque le laser frappe la bioencre, une bulle se forme qui propulse une gouttelette à travers l'orifice. Nous avons mené une étude détaillée pour caractériser cette bio-impression technique et validé sa cytocompatibilité par l'évaluation de la viabilité de HUVECs imprimés grâce à LIST. Nous avons incorporé des fibroblastes et des péricytes dans nos échantillons et observé le recrutement progressif de ces cellules par les structures de type capillaire HUVEC imprimées sur Matrigel. Des images fluorescentes ont été analysées pour quantifier le recrutement de fibroblastes/péricytes au fil du temps. / The fabrication of biological tissues in laboratory settings has been widely investigated for its applications in research, organ transplantation, and drug screening. Although several previous attempts to generate avascular or thin tissues have been successful, there remains the challenge to create thick functional tissues. Maintaining the viability of thick tissues requires the presence of a capillary network throughout the construct to allow the intake of nutrients and the discard of cellular waste through blood. In addition to endothelial cells, the incorporation of supporting cell types is necessary to promote survival, maturation, and acquire in vivo-like functionality. Compared to other biofabrication methods, bioprinting is a promising technology that enables the precise fabrication of complex 3D patterns at high spatial resolution. We have come up with a new configuration of our in-house laser-based bioprinting technique called laser-induced side transfer (LIST) in which the bioink passes through a horizontal glass capillary with an orifice facing the receiving substrate. When the laser beam causes bubble formation in the bioink, a liquid jet exits through the orifice that will eventually form a droplet. We have conducted a detailed study to characterize this bioprinting technique and validated its cytocompatibility through viability assessment of LIST-printed human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). In an effort to generate physiological blood vessels, we incorporated fibroblasts and pericytes in our samples and observed the gradual recruitment of these cells by the printed HUVEC capillary-like structures on Matrigel. Fluorescent images were taken and analyzed to quantify the fibroblast/pericyte recruitment over time.