Des projets futuristes tels que la production d’énergie par fusion nucléaire, ou encore la navigation interstellaire par voiles solaires, requièrent l’utilisation d’une source de lumière de luminance extrême. Dans l’objectif d’augmenter la luminance de sources lasers, mes travaux de thèse ont porté sur la combinaison cohérente de réseaux de lasers. Ils ont conduit au développement d’un nouveau procédé de contrôle compact du front d’onde de synthèse formé par le réseau de faisceaux lasers. Ce procédé permet de sculpter à façon la figure intensimétrique du champ lointain et donc de contrôler la distribution angulaire d’énergie émise par le réseau de faisceaux lasers. Le procédé développé utilise un module convertisseur phase/amplitude intégrant un élément diffuseur. Une méthode de mesure de la matrice de transfert d’un système optique a été développée pour caractériser ce module convertisseur de champ. A tout instant, le front d’onde de synthèse est estimé par une boucle numérique de recouvrement de phase basée sur un algorithme à projections alternées. Ce calcul approché permet d’ajuster progressivement les relations de phases du réseau de faisceaux lasers jusqu’au jeu de phases arbitraire souhaité. Le procédé permet le contrôle d’un front d’onde de synthèse en moins de 10 corrections de phases, quasi-indépendamment du nombre de faisceaux lasers à contrôler. Il est robuste aux défauts environnementaux et indépendant du jeu de phases initiales. J’ai démontré la compacité du système étudié en analysant et contrôlant une pupille de synthèse de 4 cm de côté, constituée de 16 faisceaux, à l’aide d’un module d’analyse mesurant seulement 30 cm. J’ai également montré expérimentalement le contrôle des phases de réseaux de 16 à 100 faisceaux lasers avec des erreurs résiduelles valant respectivement λ/30 et λ/20 rms. Les capacités de cette méthode peuvent être étendues au contrôle des ordres de Zernike supérieurs du front d’onde de synthèse, ou bien plus généralement pour mesurer directement le front d’onde d’un rayonnement cohérent. / Futuristic projects such as nuclear fusion power generation, or interstellar navigation by solar sails, require the use of a light source of extreme brightness. In order to increase the brightness of laser sources, my thesis work focused on the coherent beam combination of laser arrays. They led to the development of a new compact control process for the synthetic wavefront formed by the laser beam array. This process makes it possible to tailor the intensity pattern of the far field and thus control the angular distribution of energy emitted by the laser beam array. The process developed uses a phase/amplitude converter module with an integrated diffuser element. A method of measuring the transfer matrix of an optical system has been developed to characterize this field converter module. At any time, the synthetic wavefront is estimated by a phase recovery loop based on an alternating projections algorithm. This approximate calculation makes it possible to gradually adjust the phase relationships of the laser beam array to the desired arbitrary phase set. The process allows the control of a synthetic wavefront in less than 10 phase corrections, almost independently of the number of laser beams to be controlled. It is resistant to environmental defects and independent of the initial phase set. I demonstrated the compactness of the system studied by analyzing and controlling a 4 cm large synthetic pupil, composed of 16 beams, using an analysis module measuring only 30 cm. I also experimentally showed the control of the network phases of 16 to 100 laser beams with residual errors of λ/30 and λ/20 rms respectively. The capabilities of this method can be extended to control the higher Zernike orders of the synthetic wavefront, or more generally to directly measure the wavefront of coherent radiation.

UWB has the huge potential to impact the present communication systems due to its enormous available bandwidth, range/data rate trade-off, and potential for very low cost operation. According to FCC, Ultra Wideband (UWB) radio signal defined as a signal that occupies a bandwidth of 500 MHz or fractional bandwidth larger than 20% with strict limits on its power spectral density to -41.3dBm/MHz in the range 3.1GHz to 10.6GHz. Decades of research in the area of wide-band systems have lead us to new possibilities in the design of low power, low complexity radios, comparing with existing narrowband radio systems. In particular, impulse radio based ultra wideband (IR-UWB) is a promising solution for short-range radio communications such as low power radio-frequency identification (RFID), wireless sensor network's and wireless personal area network (WPAN) etc. Since a simple circuit, architecture adopted in the IR-UWB system, the non-idealities of receiver front end may lead to degrade the overall performance. Therefore, it is important to study these effects in order to create robust and efficient UWB system. However, majorities of recent studies are formed on the channel analysis, rather than the receiver system. The main objectives of this thesis work are, (a) System level modeling of non-coherent IR-UWB receiver, (b) Performance analysis of IR-UWB receiver with the help of bit error rate (BER) estimation, (c) A study on the impact of receiver front end non-idealities over BER, (d) Analysis of charge leakage in integrator and its effect on overall performance of UWB receiver. In this work, IR-UWB non-coherent energy detector receiver operating in the frequency band of 3GHz-5GHz based on the on-off keying (OOK) modulation was simulated in Matlab/Simulink. The effect of receiver front end non idealities and integrator charge leakages were discussed in detail with respect to overall performance of the receiver. The results show that non idealities and leakage degrade the performance as expected. In order to achieve a specific BER of 10-2 with the integrator leakage of 25%, the SNR should be increased by 2.1 dB compared to the SNR with no leakage at a data rate of 200Mbps. Finally, integrator design and its specifications were discussed.

To understand the function of macromolecules like proteins it helps to know the structure of the molecule. Coherent diffraction imaging is an emerging method that might be used to figure out the structures of macromolecules. In this method diffraction patterns of the macromolecule are recorded by shining light on the molecule from many unknown orientations and detecting the pattern of the diffracted photons. By assembling the diffraction patterns in a specific way and finding the phase of the photons that gave rise to the diffraction patterns, it is theoretically possible to obtain the electronstructure of the molecule and thus the molecular structure. The assembling of several thousand diffraction patterns representing unknown orientations of the molecule is hard to do by hand, but there are several methods that can be used. The EMC (Expand-Maximize-Compress) algorithm is one of those methods. It is an iterative algorithm that tries to create a model describing the Fourier Transform of the electron density of the molecule by maximizing each diffraction patterns fit to the model. This work examines how sensitive the EMC algorithm is to datasets with few diffraction patterns or a low intensity of the light being diffracted by the molecule, for the proteins phytochrome and lysozyme. The result of the work could be used to make sure enough data in collected in real experiments. Diffraction patterns simulated with the program Condor is used in this work, instead of diffraction patterns from real experiments.EMC finds the correct model when the data set contains about 1/3 fewer photons for the smaller more symmetrical molecule lysozyme than it does for phytochrome. This might be because the shapes in lysozymes diffraction patterns are larger than in phyochrome’s patterns. For phytochrome the EMC algorithm assembled the diffraction patterns correctly, with fewest photons for the light intensity 0.764 J/μm2 and 1250 diffraction patterns. For lysozyme it was with an intensity 1.910 J/μm2 and 1425 diffraction patterns. More investigation of the data is needed to understand what factors that affect the EMC algorithms ability to assemble the diffraction patterns correctly. / För att förstå makromolekylers kemiska eller biologiska funktion so underlättar det om man känner till molekylens kemiska struktur. Med den nya tekniken “coherent diffraction imaging” ska det vara möjligt att lista ut makromolekylers struktur. I denna teknik detekterar man diffraktionsmönster av molekylen genom att belysa molekylen med ljus från många olika okända vinklar and registrera mönstret som skapas av det diffrakterade ljuset. Genom att sätta ihop alla dessa diffraktionsmönster på rätt sätt och sen återskapa fasen för ljuset i diffraktionsmönstret så kan man generera molekylens elektronstruktur och från elektronstrukturen kan man få tag i molekylens struktur. Att sätta ihop tio tusentals diffraktionsmönster med okända vinklar på rätt sätt är väldigt svårt att göra, men det finns flera olika metoder som kan användas. EMC (Expand-Maximize-Compress) är en sådan metod. EMC är en iterativ algoritm som skapar en modell av (Fourier transformen av) molekylens elektronstruktur genom att maximera hur bra diffraktionsmönstren passar med modellen. Detta arbete utreder hur bra EMC algoritmen är på att hitta rätt (Fourier transform av) elektronstruktur när väldigt få diffraktionsmönster används eller när intensiteten på ljuset som sprids av molekylen är lågt. Programmet Condor används för att generera teoretiska diffraktionsmönster för de 2 molekylerna lysozym och fytokrom. EMC används sedan med olika uppsättningar av intensitet och antal diffraktionsmönster för att skapa en modell av elektronstrukturen. EMC behövde ca 1/3 färre antal fotoner i sin modell för att hittar den rätta modellen av elektronstrukturen för den lilla symmetriskt formade molekylen lysozym än för fytokrom. Att det är lättare för EMC algoritmen att hitta den korrekta modellen för lysozym än fytokrom kan bero på att lysozyms diffraktionsmönster har större former/features eller på lysozyms storlek och form. EMC körningen som behövde minst antal fotoner för att hitta den korrekta elektronstrukturen för fytokrom hade intensiteten 0,764 J/μm2 på det inkommande ljuset och behövde 1250 diffraktionsmönster. För lysozym behövdes det 1,910 J/μm2 och 1425 diffraktionsmönster för att EMC algoritmen skulle hitta rätt modell av elektronstrukturen.

Schools often understand the need for change, but they need a unifying theme and body of knowledge to direct that change so that it is not done piecemeal. The Basic School research of Ernest Boyer (1995) offers a potential solution for that problem by presenting a theoretical framework for school renewal and change. This study examines the experiences of one elementary school in implementing the Basic School framework. The literature review covers the foundations underlying the Basic School philosophy as well as research that has been conducted since the original report. The design of this study is a qualitative case study of one elementary school. The collection and analysis of a field journal, field notes, participant observations, interviews, and documents culminate in a narrative account of findings and reflections. By providing details of how one school applied the Basic School framework, this report offers insight into methods other elementary schools could use to more effectively design the implementation process for their settings. The experiences of this school could therefore lead to the development of a model generalizable to other schools as they proceed with school renewal and change. / Ed. D.

Les convertisseurs de fréquences optiques utilisant les processus non linéaires d’ordre deux permettent d’étendre la gamme spectrale accessible aux sources lasers. Celle-ci est en effet limitée par les bandes de gain des milieux lasers disponibles. Par ailleurs, la combinaison cohérente par contrôle actif de la phase est une technique efficace permettant la montée en puissance des sources lasers. Elle nécessite toutefois des modulateurs de phase rapides qui ne sont disponibles commercialement qu’aux longueurs d’onde standard.L’objectif de cette thèse est d'appliquer la combinaison cohérente à des convertisseurs de fréquences en utilisant la relation de phase inhérente au processus non linéaire.Cela permet de contrôler la phase de l’onde générée en agissant sur la phase de l’onde de pompe. C’est ce qu’on appelle le contrôle indirect de la phase.Pour cela, une étude théorique a été menée afin de s’assurer de la compatibilité de la technique de combinaison cohérente par marquage en fréquence avec le contrôle indirect de la phase.La démonstration expérimentale a d’abord été effectuée dans le cas le plus simple, la génération de seconde harmonique, qui met en jeu trois ondes dont deux dégénérées.Enfin, on s’est intéressé au cas de la génération de différence de fréquences dans le moyen infrarouge, où trois ondes sont mises en jeu.Dans ces deux cas, la qualité de mise en phase mesurée est excellente. / Laser emission wavelength is limited by the gain bandwidth of available laser media. Optical frequency converters rely on second order nonlinear processes to overcome this limitation, and give access to new wavelengths outside of the emission range of lasers.Besides, coherent beam combining with active phase control is an efficient technique to power scale laser sources. However, it requires fast phase modulators, some commercially available devices, but only at standard laser wavelengths.The objective of this thesis is to perform coherent combining of frequency converters, thanks to the phase-matching condition required for efficient nonlinear processes to take place.This relation allows for indirect phase control, where the converted-wave phase is tuned through direct phase control of the pump wave.A theoretical study has been carried out to confirm that indirect phase control was compatible with frequency-tagging coherent combining.Then, coherent combining through indirect phase control has been demonstrated experimentally in the simplest case of the second harmonic generators, where two of the three waves involved are degenerate.Finally, coherent combining has been experimentally performed in the non-degenerate case of mid-infrared difference frequency generators.In both experimental demonstrations, an excellent beam combination efficiency has been achieved.

Les sources lasers femtosecondes sont utilisées dans grand nombre d’applications (industrielles, médicales, de recherche fondamentale) avec un besoin croissant d’impulsions très énergétiques à haut taux de répétition. Bien que la technologie Ti:Saphir fournisse des impulsions PetaWatt, son taux de répétition s’avère limité. Une alternative est l’utilisation de la technologie fibrée. Cependant, l’énergie extractible d’une seule fibre est intrinsèquement limitée.Une solution prometteuse est alors de réaliser une combinaison de fibres (jusqu’à plus de 10 000 fibres pour l’accélération de particules). La combinaison de fibres par méthode interférométrique (avec un record de 64 fibres combinées en régime continu) a prouvé qu’elle était un excellent candidat pour la combinaison d’un grand nombre de fibres.La collaboration XCAN entre l’Ecole Polytechnique et Thales, vise à réaliser un démonstrateur de combinaison cohérente de 61 fibres amplifiées en régime femtoseconde. Les travaux menés au cours de cette thèse s’inscrivent dans ce projet.Dans un premier temps, afin d’étudier les points durs inhérents au régime femtoseconde tout en s’affranchissant des difficultés liées à l’amplification, la méthode interférométique en régime femtoseconde a été étudiée sur un démonstrateur passif, c’est-à-dire sans amplification, de 19 fibres. Une fois la méthode de mise en phase validée celle-ci a pu être testée avec succès sur le démonstrateur avec amplification du projet XCAN.Nous présentons également les travaux menés afin d’augmenter un paramètre clé des systèmes de combinaison de faisceaux à savoir : l’efficacité de combinaison du système laser. Pour cela, nous avons réalisé une mise en forme de faisceaux issus des fibres de la tête optique. Cette mise en forme, gaussien vers super-gaussien, est réalisée à l’aide de deux réseaux de lames de phase dont nous présenterons le calcul des profils asphériques. Afin de valider expérimentalement nos simulations et après réalisation des lames de phase nous avons pu tester celles-ci sur le démonstrateur passif, démontrant une augmentation de 14 %.Les travaux présentés dans ce manuscrit présentent ainsi les premiers par vers la réalisation d’une nouvelle architecture laser massivement parallèle, capable de délivrer à la fois une haute puissance crête et une haute puissance moyenne. / Femtosecond fiber sources are used in a large number of applications (industrial, medical, fundamental physics) with a growing need in high energy pulses at high repetion rate. Although Ti: Saphirre technology provides energies up to PetaWatt, its repetion rate is low (up to 1 Hz). An alternative is to use an amplified fiber. However, the extractable energy of a single fiber is intrinsically limited.A solution is then to combine several fibers (up to 10 000 fibers for particle acceleration). Coherent beam combining of fibers with an interferometric method (with a record of 64 fibers combined in the cw regime) has proven to be an excellent candidate to combine a large number of fibers.The XCAN project, a collaboration between l'Ecole polytechnique and Thales, aims to realize a demonstrator of 61 fibers coherently combined in the femtosecond regime.The works presented in this thesis are part of this project.In order to study the hard points inherent to the femtosecond regime and to free from the amplification issues, the interferometric method has been implemented on a passive demonstrator, meaning without amplification, of 19 fibers. Once the interferometric method validated, it has been succesfully tested on the amplified XCAN demonstrator.We present also the works done to increase a key parameter of beam combining systems : the combining efficiency. To do this, we have realized a beam shaping of the fiber array output beams. This beam shaping, gaussian to super-gaussian, is done with two arrays of phase plates. The aspherical profiles calculation is described. In order to validate our simulations we have tested the phase plates on the passive demonstrator by getting an increase of 14 %.The works presented in this manuscript are the first steps towards a new massively parallel laser architecture, able to provide both high peak power and high average power.

Allier de fortes puissances moyennes et crêtes donne accès à un champ applicatif très large pour un système laser ultrarapide. Une technique qui s’est avérée capable de satisfaire ces exigences est la combinaison cohérente de faisceaux (CBC). Elle permet de séparer spatialement les faisceaux avant l’amplification pour les recombiner ensuite d’une manière cohérente en un unique faisceau. Afin d’obtenir une recombinaison efficace, les propriétés spatiales et spectrales de tous les faisceaux doivent être parfaitement en accord.Pour des applications comme l’accélération de particules, le recours à plusieurs milliers de fibres doit être envisagé. Il est donc nécessaire d’étudier des architectures CBC fortement évolutives en termes de canaux amplificateurs.Le projet XCAN vise à une première démonstration d’un tel système en réalisant la combinaison cohérente de 61 fibres amplificatrices. Afin d’étudier les défis scientifiques et techniques d’une telle architecture, une version de taille réduite comprenant sept fibres a été mise en place.La conception et la réalisation de ce prototype sont le sujet de cette thèse.Dans un premier temps, des simulations ont été effectués afin d’estimer les désaccords tolérables entre les propriétés spatiales et spectrales des différents faisceaux.Basé sur ce travail de modélisation, un système laser de combinaison cohérente de sept fibres a été ensuite assemblé et caractérisé. Les résultats obtenus sont très prometteurs et montrent que notre architecture est bien adaptée pour accueillir les 61 fibres du démonstrateur final XCAN. / Future applications of high power ultrafast laser systems require simultaneously high average and peak powers. A technique which has proved to be capable of meeting these demands is coherent beam combining (CBC).In this technique, the beam is spatially split prior to amplification, and coherently recombined in one single beam afterwards. In order to achieve an efficient recombination, the spatial and spectral properties of all beams need to be perfectly matched.For applications such as particle acceleration, the coherent combining of several thousands of fibers needs to be considered. It is thus necessary to investigate highly scalable CBC architectures.The XCAN project aims at a first demonstration of such a scalable setup by coherently combining 61 fiber amplifiers. In order to study the scientific and technical challenges of such a system, a downscaled version consisting of seven fibers has been implemented.The design and characterization of this prototype is the subject of this thesis.As a starting point, numerical simulations have been performed in order to estimate the maximum tolerable mismatches between the spatial and spectral properties of the beams.Based on this modeling work, a seven fiber CBC system has been assembled and characterized. The obtained results are very promising and imply that our setup is well suited for the accommodation of all 61 fibers of the final XCAN demonstrator.

La capacité des sources laser à concentrer une quantité d’énergie énorme intéresse beaucoup le secteur industriel pour l’usinage et la structuration de la matière. Il faut pour cela rassembler une forte puissance optique sur une surface infime: on parle alors de luminance. La combinaison cohérente permet de répondre à la problématique de l’augmentation de la luminance d’un système laser. Dans le cadre du projet européen BRIDLE, ces travaux sont focalisés sur la combinaison cohérente de lasers à semi-conducteur. Ce type de combinaison nécessite un accord de phase stable entre les différents émetteurs. Plusieurs techniques permettent cette mise en phase; nous étudions en particulier les techniques d’amplification en parallèle ainsi que l’utilisation d’une cavité externe commune. L’originalité se situe dans le développement d’une architecture nouvelle, pensée pour optimiser l’extraction de puissance. La technique consiste à utiliser une cavité étendue commune aux émetteurs à combiner pour leur mise en phase, placée sur leur face arrière. Tout en fournissant un fort retour optique arrière nécessaire à la mise en phase, l’extraction de puissance est maximisée sur la face avant où les faisceaux sont par la suite combinés extracavité. Ce document démontre la bonne adéquation de cette architecture avec les meilleures diodes laser en termes de luminance : les émetteurs à section évasée. L’étude est étendue à une barrette de diodes par l’utilisation d’éléments diffractifs optique permettant la séparation et la combinaison des faisceaux. / Scaling up the brightness of laser diodes is a major research objective in the laser community. The coherent beam of several emitters is the most efficient technique to increase the brightness by constructive interference. An efficient combination can only be achieved in an arrangement that forces the required phase relation between the emitters. Different approaches are investigated: either active phase-locking of amplifiers seeded by a single-frequency laser split into N beams and amplified in parallel, or passive selforganization of emitters in a common laser cavity. We investigate a new coherent combining architecture using a common extended cavity on the back side of diode lasers for phase locking. As a result, the efficiency of the phase-locked laser cavity is increased as compared to standard front-side configurations. Moreover, such an extended cavity placed on the rear-side provides the strong optical feedback required for phase-locked operation. This configuration is demonstrated with high-brightness tapered devices, highlighting the capability of such setup for high power operation. This architecture is then extended to diode laser arrays by the use of diffractive optical elements.

Diffusion multiple et non linéarité sont deux phénomènes antagonistes en acoustique, ilest ainsi rare d’observer un couplage de ces deux effets. En acoustique, les effets non linéaires sontimportants souvent lorsqu’ils sont cumulatifs, or la diffusion multiple modifie la relation de dispersiondu milieu et empêche ainsi ce caractère cumulatif. Les bulles sont connues pour avoir un comportementnon linéaire. Elles sont aussi de très bons diffuseurs avec une section efficace de diffusion qui est trèsgrande devant leur section efficace géométrique notamment à leur fréquence de résonance. Les milieuxbulleux semblent ainsi de bons candidats pour observer de la diffusion multiple en régime non linéaire.Trois régimes sont observables dans un milieu bulleux : un régime basse fréquence auquel les effetsnon linéaires sont importants et cumulatifs mais sans diffusion multiple, un régime à la fréquence derésonance des bulles auquel les effets non linéaires ne sont pas cumulatifs mais restent quand mêmeélevés tout comme la diffusion bien qu’atténuée par l’absorption du milieu, et enfin un régime hautefréquence pour lequel les effets de diffusion multiple sont importants mais les effets non linéaires sontabsents. Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur la modélisation et l’expérimentation desrégimes à la fréquence de résonance et à haute fréquence. A haute fréquence, l’observation d’une codadans les milieux bulleux est modélisée par une équation de diffusion. A la fréquence de résonance, lamodélisation, validée par les expériences, conduit ensuite à des applications qui sont : le doubleur defréquence, la diode acoustique et le miroir à conjugaison de phase. / Multiple scattering and non linear effects are antagonists so it is not commun to observea coupling of those two effects. In acoustics, non linear effects are important when they are cumulative,therefore dispersion relation is modified by multiple scattering and non linear effects cannotbe cumulative. Bubbles are known to have a non linear behavior and also to be good scatterers witha scattering cross section higher than the geometric cross section at resonance frequency. Therefore,bubbly media seem to be good to observe multiple scattering in non linear regime. A bubbly-mediumhas three different regimes. At low frequency, non linear effects are important and cumulative butthere is no multiple scattering effects. At bubbles resonance frequency, non linear behavior and alsomultiple scattering effects are important but the non linear effects cannot be cumulative. At high frequency,multiple scattering effects are important but without no non linear effects. The experimentsin this thesis show, on the one hand, a high frequency wave propagating in a bubbly-medium andon the other hand, the resonance frequency wave propagation. At high frequency, a coda is observedin experiment and modeled by a diffusion equation. At resonance frequency, the model, confirmed bythe experiments, leads us to some applications : acoustic frequency doubler, acoustic diode and phaseconjugation mirror.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(理学) / 乙第12913号 / 論理博第1549号 / 新制||理||1591(附属図書館) / 32123 / 名古屋大学大学院理学研究科 / (主査)准教授 林 泰一, 教授 石川 裕彦, 教授 余田 成男 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM