Les spin-lasers sont des dispositifs semi-conducteurs dans lesquels les processus de recombinaison radiative impliquant des porteurs polarisés en spin résultent en une émission de photons polarisés circulairement. Néanmoins, des anisotropies linéaires supplémentaires dans la cavité conduisent généralement à une émission laser préférentiellement polarisée linéairement et à un éventuel couplage entre modes. Dans cette thèse, une méthode générale pour la modélisation de lasers à semi-conducteurs tels que laser à surface verticale (externe) à cavité et contenant des puits quantiques multiples et impliquant des anisotropies pouvant révéler (i) une biréfringence linéaire locale due au champ de déformation à la surface ou (ii) une biréfringence dans les puits quantiques due au couplage d'amplitude de phase provenant de la réduction du D2d biaxial au groupe de symétrie C2v aux interfaces semiconductrices ternaires III-V. Une nouvelle méthode récursive à matrice S de diffusion est mise en œuvre en utilisant un tenseur de gain dérivé analytiquement des équations de Maxwell-Bloch. Il permet de modéliser les propriétés de l'émission (seuil, polarisation, dédoublement de mode) du laser avec plusieurs zones actives à puits quantiques en recherchant les modes propres résonnants de la cavité. La méthode est démontrée sur des structures laser réelles et est utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de déformation de surface et de puits quantiques en accord avec des expériences. La méthode est généralisée pour trouver les modes propres au laser dans le cas le plus général des pompes polarisées circulaires (déséquilibre entre les canaux de spin-up et de spin-down) et le dichroïsme à gain linéaire. De plus, la mesure de la matrice de Mueller 4x4 complète pour des angles d'incidence multiples et des angles azimutaux dans le plan a été utilisée pour l'extraction de tenseurs de permittivité optique de couches contraintes superficielles et de puits quantiques. Une telle dépendance spectrale des éléments tensoriels optiques est cruciale pour la modélisation des modes propres du laser de spin, les conditions de résonance, et aussi pour la compréhension des sources d'anisotropies de structure. / Spin-lasers are semiconductor devices in which the radiative recombination processes involving spin-polarized carriers result in an emission of circularly polarized photons. Nevertheless, additional linear in-plane anisotropies in the cavity generally lead in preferential linearly-polarized laser emission and to possible coupling between modes. In this thesis, a general method for the modeling of semiconductor laser such as vertical-(external)-cavity surface-emitting laser containing multiple quantum wells and involving anisotropies that may reveal i) a local linear birefringence due to the strain field at the surface or ii) a birefringence in quantum wells (QWs) due to phase amplitude coupling originating from the reduction of the biaxial D2d to the C2v symmetry group at the III-V ternary semiconductor interfaces. A novel scattering S-matrix recursive method is implemented using a gain tensor derived analytically from the Maxwell-Bloch equations. It enables to model the properties of the emission (threshold, polarization, mode splitting) from the laser with multiple quantum well active zones by searching for the resonant eigenmodes of the cavity. The method is demonstrated on real laser structures and is used for the extraction of optical permittivity tensors of surface strain and quantum wells in agreement with experiments. The method is generalized to find the laser eigenmodes in the most general case of circular polarized pumps (unbalance between the spin-up and spin-down channels) and linear gain dichroism. In addition, the measurement of full 4x4 Mueller matrix for multiple angles of incidence and in-plane azimuthal angles has been used for extraction of optical permittivity tensors of surface strained layers and quantum wells. Such spectral dependence of optical tensor elements are crucial for modeling of spin-laser eigenmodes, resonance conditions, and also for understanding of sources of structure anisotropies.

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In this thesis the main objectives were to improve the liquid crystal shutters and to develop a stereoscopic vision application called 3D Dual View. The vision quality of a 3D system based on active glasses is direct related to the performance of the liquid crystal shutters. There are a lot of parameters that plays an important role in the quality of 3D glasses. Thus, efforts were concentrated in the organization of the liquid crystal molecules between the substrates and in the liquid crystal itself. We studied different configurations of shutters using nematic liquid crystal and ferroelectric liquid crystal (smectic), with and without polymer. Furthermore, the ferroelectric samples were analyzed using a full optical snapshot matrix Mueller polarimenter made by UBO (Université de Bretagne Occidentale) in partnership with Télécom-Bretagne. The second part was the development of 3D Dual View System. It is a stereoscopic vision system based on a mixture of active and passive 3D solution which displays a 3D image that can be viewed simultaneously by two spectators, but from different perspectives. To allow two different points-of-view of a scene or object in three dimensions, the system has to multiplex four images, one pair to form the 3D image for one viewer in one perspective and the other pair for the second viewer in other perspective. We describe different techniques to multiplex and demultiplex the video streams taking into account the physiological aspects, market, image quality and the crosstalk. The crosstalk between the images leads to an effect called ghosting, which the viewer sees a low intensity image that belongs to the other viewer. Then, we also characterized the ghosting effect (crosstalk) and proposed an algorithm of ghostbusting to compensate it.

Optically active helical microparticles are studied in the forms of thin films, suspensions and powders. From fabricated helical porous thin films, microparticle suspensions are obtained by removing the microparticles (film columns) from their substrates and dispersing them into water. For removing microparticles, four methods are explored and compared: sacrificial NaCl layer, gold (Au) layer, buffered oxide etching, and direct ultrasonic agitation. The primary film material studied in this work is amorphous silicon (Si). Physical morphology of the microparticles is examined with scanning electron microscopy (SEM). Methods employed to characterize optical activity of the microparticles include: polarimetry, spectrophotometry, and spectroscopic ellipsometry (SE). The produced chiral microparticles exhibit optical activity: optical rotation (OR) and circular dichroism (CD - in the form of differential circular transmission (DCT)). Significant findings include: (a) we observe the largest optical rotatory power ever reported in scientific literature, 11◦/μm at 610 nm wavelength for a Si film; (b) for the helical thin films, there is one dominant DCT band in the measured wavelength range; however for microparticle suspensions and powders, there exist two DCT bands: one broad band at long wavelengths, and one narrow band in the short wavelength range; compared to their thin film forms, microparticle suspensions and powders have inverted sign for the broad DCT band. A discrete dipole approximation (DDA) model is employed to calculate optical response (e.g. extinction, scattering, and absorption cross-sections) of the microparticles, so as to enable us to understand the effects of different structural parameters of the microparticles on their optical response. Calculation confirms that optical activity of chiral microparticles is due to coherent light scatterings with the chiral structures of the particles. The inversion in sign of the broad DCT bands of microparticle suspensions and powders is likely due to the averaging effect from random orientation of the helical microparticles, as is indicated both from experimental results and from calculation. / Thesis (Ph.D, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2012-07-06 09:59:20.751

This dissertation focuses on near-field radiative transfer, which can be defined as the discipline concerned with energy transfer via electromagnetic waves at sub-wavelength distances. Three specific subjects related to this discipline are investigated, namely nearfield thermal radiation, nanoscale-gap thermophotovoltaic (nano-TPV) power generation and optical characterization. An algorithm for the solution of near-field thermal radiation problems in one-dimensional layered media is developed, and several tests are performed showing the accuracy, consistency and versatility of the procedure. The possibility of tuning near-field radiative heat transfer via thin films supporting surface phononpolaritons (SPhPs) in the infrared is afterwards investigated via the computation of the local density of electromagnetic states and the radiative heat flux between two films. Results reveal that due to SPhP coupling, fine tuning of near-field radiative heat transfer is possible by solely varying the structure of the system, the structure being the film thicknesses and their distance of separation. The coexistence of two regimes of near-field thermal radiation between two thin films of silicon carbide is demonstrated via numerical simulations and an asymptotic analysis of the radiative heat transfer coefficient. The impacts of thermal effects on the performances of nano-TPV power generators are investigated via the solution of the coupled near-field thermal radiation, charge and heat transport problem. The viability of nano-TPV devices proposed so far in the literature, based on a tungsten radiator at 2000 K and indium gallium antimonide cell, is questioned due to excessive heating of the junction converting thermal radiation into electricity. Using a convective thermal management system, a heat transfer coefficient as high as 105 Wm-2K-1 is required to maintain the junction at room temperature. The possibility of characterizing non-intrusively, and potentially in real-time, nanoparticles from 5 nm to 100 nm in size via scattered surface wave is explored. The feasibility of the characterization framework is theoretically demonstrated via a sensitivity analysis of the scattering matrix elements. Measurements of the scattering matrix elements for 200 nm and 50 nm gold spherical particles show the great sensitivity of the characterization tool, although an ultimate calibration is difficult with the current version of the experimental set-up.

Les travaux réalisés au cours cette thèse ont eu comme objectif l’étude de l’interaction de la lumière polarisée avec des milieux et des particules diffusants. Ces travaux s’inscrivent dans un contexte collaboratif fort entre le LPICM et différents laboratoires privés et publics. Des aspects très variées ont été traités en profondeur dont le développement instrumental, la simulation numérique avancée et la création de protocoles de mesure pour l’interprétation de donnés à caractère complexe.La partie instrumentale de la thèse a été consacrée au développement d’un instrument novateur, adapté à la prise d’images polarimétriques à différents échelles (du millimètre au micron) pouvant être rapidement reconfigurable pour offrir différents modes d’imagerie du même échantillon. Les deux aspects principaux qui caractérisent l’instrument sont i) la possibilité d’obtenir des images polarimétriques réelles de l’échantillon et des images de la distribution angulaire de lumière diffusé par une zone sur l’échantillon dont sa taille et position peuvent être sélectionnée par l’utilisateur à volonté, ii) le contrôle total de l’état de polarisation, de la taille et de la divergence des faisceaux utilisés pour l’éclairage de l’échantillon et pour la réalisation des images de celui-ci. Ces deux aspects ne se trouvent réunis sur aucun autre appareil commercial ou expérimental actuel.Le premier objet d’étude en utilisant le polarimètre imageur multimodal a été l’étude de l’effet de l’épaisseur d’un milieu diffusant sur sa réponse optique. En imagerie médicale il existe un large consensus sur les avantages de l’utilisation de différentes propriétés polarimétriques pour améliorer l’efficacité de techniques optiques de dépistage de différentes maladies. En dépit de ces avantages, l’interprétation des observables polarimétriques en termes de propriétés physiologiques des tissus se trouve souvent obscurcie par l’influence de l’épaisseur, souvent inconnue, de l’échantillon étudié.L’objectif des travaux a été donc, de mieux comprendre la dépendance des propriétés polarimétriques de différents matériaux diffusants avec l’épaisseur de ceux-ci. En conclusion, il a été possible de montrer que, de manière assez universelle, les propriétés polarimétriques des milieux diffusants varient proportionnellement au chemin optique que la lumière a parcouru à l’intérieur du milieu, tandis que le dégrée de polarisation dépend quadratiquement de ce chemin. Cette découverte a pu être ensuite utilisée pour élaborer une méthode d’analyse de données qui permet de s’affranchir de l’effet des variations d’épaisseur des tissus, rendant ainsi les mesures très robustes et liées uniquement aux propriétés intrinsèques des échantillons étudiés.Un deuxième objet d’étude a été la réponse polarimétrique de particules de taille micrométrique. La sélection des particules étudiées par analogie à la taille des cellules qui forment les tissus biologiques et qui sont responsables de la dispersion de la lumière. Grâce à des mesures polarimétriques, il a été découvert que lorsque les microparticules sont éclairées avec une incidence oblique par rapport à l’axe optique du microscope, celles-ci semblent se comporter comme si elles étaient optiquement actives. D’ailleurs, il a été trouvé que la valeur de cette activité optique apparente dépend de la forme des particules étudiées. L’explication de ce phénomène est basée sur l’apparition d’une phase topologique dans le faisceau de lumière. Cette phase topologique dépend du parcours de la lumière diffusée à l’intérieur du microscope. L’observation inédite de cette phase topologique a été possible grâce au fait que l’imageur polarimétrique multimodale permet un éclairage des échantillons à l’incidence oblique. Cette découverte peut améliorer significativement l’efficacité de méthodes optiques pour la détermination de la forme de micro-objets. / The work carried out during this thesis was aimed to study the interaction of polarized light from the scattering media and particles. This work is part of a strong collaborative context between the LPICM and various private and public laboratories. A wide variety of aspects have been treated deeply, including instrumental development, advanced numerical simulation and the creation of measurement protocols for the interpretation of complex data.The instrumental part of the thesis was devoted to the development of an innovative instrument, suitable for taking polarimetric images at different scales (from millimeters to microns) that can be quickly reconfigured to offer different imaging modes of the same sample. The two main aspects that characterize the instrument are i) the possibility of obtaining real polarimetric images of the sample and the angular distribution of light scattered by an illuminated zone whose size and position can be controlled, ii) the total control of the polarization state, size and divergence of the beams. These two aspects are not united on any other commercial or experimental apparatus today.The first object of the study using the multimodal imaging polarimeter was to study the effect of the thickness from a scattering medium on its optical response. In medical imaging, there is a broad consensus on the benefits of using different polarimetric properties to improve the effectiveness of optical screening techniques for different diseases. Despite these advantages, the interpretation of the polarimetric responses in terms of the physiological properties of tissues has been obscured by the influence of the unknown thickness of the sample.The objective of the work was, therefore, to better understand the dependence of the polarimetric properties of different scattering materials with the known thickness. In conclusion, it is possible to show that the polarimetric properties of the scattering media vary proportionally with the optical path that the light has traveled inside the medium, whereas the degree of polarization depends quadratically on the optical path. This discovery could be used to develop a method of data analysis that overcomes the effect of thickness variations, thus making the measurements very robust and related only to the intrinsic properties of the samples studied.The second object of study was to study the polarimetric responses from particles of micrometric size. The selection of the particles studied by analogy to the size of the cells that form the biological tissues, and which are responsible for the dispersion of light. By means of the polarimetric measurements, it has been discovered that when the microparticles are illuminated with an oblique incidence with respect to the optical axis of the microscope, they appear to behave as if they were optically active. Moreover, it has been found that the value of this apparent optical activity depends on the shape of the particles. The explanation of this phenomenon is based on the appearance of a topological phase of the beam. This topological phase depends on the path of the light scattered inside the microscope. The unprecedented observation of this topological phase has been done by the fact that the multimodal polarimetric imager allows illumination of the samples at the oblique incidence. This discovery can significantly improve the efficiency of optical methods for determining the shape of micro-objects.

The thesis deals with the measurement of tolerance zone and the influence of birefringence on the activity of polarization multiplex. The theoretical part deals with polarization of light, mathematical description using Stokes and Jones vectors and its representation by Poincaré sphere. It also deals with optical transmission and channel merging. The final part describes the designed measuring workplace and the measurement itself.

Tkáňová optika nabývá rychle na významu a přesná znalost optických vlastností biologických tkání je podstatná pro výzkum v biomedicíně i pro kontrolu kvality potravin. Jestliže je vzorek tkáně osvětlen, dochází k mnohonásobnému odrazu světla. V případě postmortem neživých tkání (maso) je rozměr buněk větší než vlnová délka použitého světla. Dochází k Mieovu rozptylu prošlého nebo zpět odraženého světla, v důsledku čehož se objevují různé polarizační stavy světla. Polarizační stavy světla rozptýleného na difúzním prostředí jsou experimentálně zkoumány a modelovány. V práci jsme provedli dva modifikované experimenty: rozptyl polarizovaného světla, které dvakrát prochází vzorkem (vpřed a vzad) a jen světla, které jen prochází vzorkem. Měření rozptýleného světla ukazuje, že dochází k depolarizaci a ke stáčení polarizační roviny, což obojí závisí na orientaci svalových vláken a stárnutí tkání postmortem. Mimo experimentů byl také proveden teoretický popis difúzní biologické tkáně a byla vypočtena radiační přenosová rovnice pomocí modifikované Monte Carlo metody, která zahrnuje polarizační stav světla (PLMC). Je ukázáno, že stupeň polarizace podstatně závisí na optických vlastnostech rozptylového prostředí. Výsledky ukazují, že stav polarizace světla na výstupu závisí na stavu polarizace světla před vzorkem a na optických vlastnostech a tloušťce vrstvy prostředí v průběhu jejího stárnutí. Je také provedena korelace změn polarizace na čerstvosti masa, i popis dynamického chování polarizace při stárnutí masa.