To analyse drill samples in a mine, a scanner that uses a gamma ray detector can be used. The scanner can analyse the drill sample to quickly see the elements present in the sample without destroying it. To improve the performance of the scanner, the electric signal from the detector needs to be less noisy, and different pulse shaping methods, filters and smoothers can be used on the sampled data to achieve an improved performance. In this master thesis, the electric noise model of the electronics around the detector was modeled, and analysed. Different pulse shaping method, filters and smoothers was also tested to see which method gave the best performance in FWHM sense. The Full Width at Half Maximum (FWHM) is the energy resolution of a detector, and is defined as the full width of a photopeak at the half maximum. The noise model of the schematic for the preamplifier was made by hand with support from MATLAB. The resulting noise model was compared between MATLAB and LTspice, and the conclusion is that the JFET is the main contributor of the significant noise, contributing to 98 % of the total noise at 10 GHz. The adopted filters and pulse shaping method are, matched filter, custom filter, CR-RC shaping, mean filter, median filter and clustering. The results from the tests indicated that custom filter with a FWHM of 1.96 keV and CR-RC with a FWHM of 1.67 keV shaping were more accurate than the matched filter with the FWHM of 5.1 keV. But the results also showed that it is important to take into account the waveform variance, due to inherent properties in the detector, with this consideration the FWHM of CR-RC shaper was improved from 2.29 keV to 1.67 keV. The clustering method was the most promising method but due to time constraints this method was never fully tested and no FWHM value was achieved.

Ce travail explore le contrôle de la composition et la cinétique du panache d’ablation laser en régime ultrabref par mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde. L’objectif est l’optimisation du dépôt de couches minces et de nanoparticules. Le chapitre 1 est une synthèse de la littérature sur le dépôt de couches minces par ablation laser femtoseconde, en particulier de films de Diamond-Like Carbon et de nanoparticules. L’influence de la mise en forme temporelle du laser sur les mécanismes d’ablation est développée, ainsi que le diagnostic du panache d’ablation. Le chapitre 2 présente les dispositifs expérimentaux de mise en forme temporelle et de diagnostic du panache d’ablation par spectroscopie d’émission résolue en temps et espace et spectroscopie d’extinction. Le chapitre 3 rapporte l’impact de l’utilisation d’impulsions doubles et élargies sur les panaches de l’aluminium et du bore. L’augmentation de la composante ionique du plasma d’aluminium est expliquée au travers de simulations hydrodynamiques. Dans le chapitre 4, différentes formes temporelles sont employées pour l’ablation du graphite et le dépôt de couches de Diamond-Like Carbon. Le contrôle de la cinétique du panache est atteint en peuplant plus ou moins ses différentes composantes de vitesse : molécules, atomes et ions. Si la structure du Diamond-Like Carbon déposé n’est pas affectée, une amélioration de la surface des couches est observée. Le chapitre 5 montre l’efficacité et la sensibilité de la spectroscopie d’extinction optique pour la mesure in situ de la distribution en taille des nanoparticules métalliques dans le panache d’ablation laser femtoseconde / This work explores the control of ultrafast laser ablation plume composition and kinetics by temporal shaping of femtosecond laser pulses. The goal is the optimization of thin films and nanoparticles deposition. Chapter 1 is a synthesis of the literature on femtosecond laser deposition of thin films. The focus is on Diamond-Like Carbon films and nanoparticles. The impact of laser temporal pulse shaping on the ablation mechanisms is developed. Ablation plume diagnostic methods are detailed. Chapter 2 describes the experimental setup for temporal pulse shaping and plasma diagnostic. The latter is done through space and time-resolved optical emission spectroscopy and extinction spectroscopy. Chapter 3 reports on the impact of doubles pulses and long pulses on aluminium and boron ablation plumes. Ion yield enhancement in aluminium ablation plasma is explained through hydrodynamics simulations. In chapter 4, various temporal pulse shapes are used for graphite ablation and Diamond-Like Carbon thin films deposition. The control of the plume kinetics is reached by selectively populating the various plume speed components: molecules, atoms, ions. Even though the deposited Diamond-Like Carbon structure is unaffected, it has been observed an improvement of the thin films surface. Chapter 5 shows the efficiency and sensitivity of optical extinction spectroscopy for in situ measurement of nanoparticles size distribution in femtosecond laser ablation plumes

Tato disertační práce je obsahově zaměřená na problematiku integrity signálů v moderních čipových obvodech. Na základě provedených simulací a praktických experimentů byl proveden návrh equalizační techniky druhého řádu pro efektivnější vysokorychlostní komunikaci. Předložený návrh respektuje současné požadavky na vyvíjené signalizační techniky, které zahrnují efektivnější využití šířky pásma přenosového kanálu a energetickou úsporu. Provedené analýzy podrobně ukazují možnost zvýšení přenosové rychlosti při přenosu signálu skrz nízkonákladové přenosové kanály s využitím navržené signální metody. Výkonnost navrhované signalizační techniky je demonstrována na různých typech přenosových kanálů s přenosovou funkcí vyššího řádu. Diskutovány jsou rovněž možnosti omezení rušivých vlivů na přenosové kanály během návrhu.

Broadband spectral content is required to support ultrashort pulses. However this broadband content is subject to dispersion and hence the pulse duration of corresponding ultrashort pulses may be stretched accordingly. I used a commercially-available adaptive ultrashort pulse shaper featuring multiphoton intrapulse interference phase scan technology to characterise and compensate for the dispersion of the optical system in situ and conducted experimental and theoretical studies in various inter-linked topics relating to the light-matter interaction. Firstly, I examined the role of broadband ultrashort pulses in novel light-matter interacting systems involving optically co-trapped particle systems in which inter-particle light scattering occurs between optically-bound particles. Secondly, I delivered dispersion-compensated broadband ultrashort pulses in a dispersive microscope system to investigate the role of pulse duration in a biological light-matter interaction involving laser-induced cell membrane permeabilisation through linear and nonlinear optical absorption. Finally, I examined some of the propagation characteristics of broadband ultrashort pulse propagation using a computer-controlled spatial light modulator. The propagation characteristics of ultrashort pulses is of paramount importance for defining the light-matter interaction in systems. The ability to control ultrashort pulse propagation by using adaptive dispersion compensation enables chirp-free ultrashort pulses to be used in experiments requiring the shortest possible pulses for a specified spectral bandwidth. Ultrashort pulsed beams may be configured to provide high peak intensities over long propagation lengths, for example, using novel beam shapes such as Bessel-type beams, which has applications in biological light-matter interactions including phototransfection based on laser-induced cell membrane permeabilisation. The need for precise positioning of the beam focus on the cell membrane becomes less strenuous by virtue of the spatial properties of the Bessel beam. Dispersion compensation can be used to control the temporal properties of ultrashort pulses thus permitting, for example, a high peak intensity to be maintained along the length of a Bessel beam, thereby reducing the pulse energy required to permeabilise the cell membrane and potentially reduce damage therein.

In dieser Arbeit untersuchen wir die ultraschnelle Dynamik von Ladungsträgern und kohärenten Intersubbandpolarisationen in quasi-zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen und Halbleiterbauelementen. Insbesondere werden n-Typ modulationsdotierte multiple Quantentöpfe und Quantenkaskadenlaserstrukturen basierend auf dem Materialsystem GaAs/AlGaAs mit der Methode der ultraschnellen Spektroskopie im mittleren Infrarot (3-20 mu) studiert. Ein neuartiger experimenteller Aufbau ist entwickelt worden, der zum ersten Mal das phasen- und amplitudenkontrollierte Formen von ultraschnellen Feldtransienten im mittelinfraroten Spektralbereich erlaubt. Wir untersuchen die Möglichkeit der kohärenten Kontrolle von Intersubbandübergängen. Amplituden- und phasenkonntrollierte Feldtransienten im mittleren Infrarot, die mit unserer neuen Laserquelle erzeugt werden, induzieren resonante Intersubbandanregungen in n-Typ modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Quantentöpfen. Die transmittierten elektrischen Feldtransienten werden mit Hilfe des ultraschnellen elektro-optischen Abtastverfahrens gemessen. Unter Anwendung zweier phasengekoppelter Mittinfarotpulse variabler relativer Phase zeigen wir erstmalig die kohärente Kontrolle an linearen Intersubbandpolarisationen mit Dephasierungszeiten unterhalb einer Pikosekunde. Eine Sättigung von mehr als 0.2 wird bei einer Mittinfrarotpulsenergie von nur 1 pJ erreicht. Es wird erstmalig ein direktes, zeitaufgelöstes Experiment an elektrisch betriebenen Quantenkaskadenstrukturen vorgestellt. Diese Untersuchung ermöglicht den Einblick in die Dynamik des Elektronentransports, der mit stationären Methoden nicht meßbar ist. Der ultraschnelle Quantentransport der Elektronen vom Injektor durch die Injektionsbarriere in das obere Lasersubband wird in Femtosekunden-Mittinfrarot-Anreg-Abtast-Experimenten untersucht. Auf diese Weise beobachten wir die ultraschnelle Sättigung und die nachfolgende Wiederherstellung des elektrisch induzierten Gains. Wir beobachten ausgeprägte Gainoszillationen bei angelegtem Vorwärtsstrom und an spektralen Positionen am Gainmaximum. Dies ist ein direkter Beweis für eine kohärente Wellenpaketspropagation vom Injektor in das obere Lasersubband mittels resonantem Tunneln trotz der hohen Ladungsträgerdichte in Quantenkaskadenlasern. Nach der Sättigung ist der elektrisch induzierte Gain bei niedrigen Gitter- und Ladungsträgertemperaturen innerhalb einer Pikosekunde vollständig wiederhergestellt. / In this thesis we investigate the ultrafast dynamics of carriers and coherent intersubband polarizations in quasi-two-dimensional semiconductor nanostructures and devices. In particular, we study n-type modulation doped multiple quantum wells and quantum cascade laser structures based on the GaAs/AlGaAs material system using ultrafast spectroscopy in the mid-infrared spectral range (3-20 mu). A novel experimental setup is developed allowing for the first time the controlled phase and amplitude shaping of ultrafast field transients in the mid-infrared wavelength range. We study the feasibility of coherent nonlinear control of intersubband polarizations. Amplitude and phase-controlled mid-infrared field transients from our new laser source induce resonant intersubband excitations in n-type modulation doped GaAs/AlGaAs quantum wells. The transmitted electric field transients are directly measured by ultrafast electro-optic sampling. We demonstrate for the first time coherent control of linear intersubband polarizations with subpicosecond dephasing times by applying two phase-locked pulses with variable relative phase. A saturation of the intersubband excitation by more than 0.2 is achieved with mid-infrared pulses of only 1 pJ pulse energy. We present for the first time a direct time-resolved experimental study on electrically driven quantum cascade laser structures. These studies provide insight into the dynamics of electron transport, which can not be obtained by stationary measurements. The ultrafast quantum transport of electrons from the injector through the injection barrier into the upper laser subband is investigated in femtosecond mid-infrared pump-probe experiments. In this way we directly monitor the ultrafast saturation and subsequent recovery of electrically induced gain. For forward bias and spectral positions around the gain maximum we observe pronounced gain oscillations. This gives direct evidence for a coherent wave packet motion from the injector into the upper laser subband via resonant tunneling even at the high electron density present in a quantum cascade laser structure. After saturation the electrically induced gain is completely recovered within 1 ps at low lattice and carrier temperatures.

La microscopie multiphotonique est une modalité d’imagerie de pointe offrant des opportunités d’avancées remarquables en biologie mais aussi dans le domaine médical. Afin d’en exploiter pleinement le formidable potentiel au cœur même de la pratique clinique, le développement de nombreuses sondes miniaturisées à fibre optique pour l’endomicroscopie multiphotonique (EMMP) a eu lieu depuis de nombreuses années et dans de nombreux laboratoires français et étrangers. Il s’est pour l'instant confronté à des limitations majeures comme l’impossibilité de recueillir les signaux d’auto-fluorescence des tissus qui sont intrinsèquement faibles comme ceux venant des co-enzymes métaboliques NADH et FAD. Cette limitation compromet l'utilité de l’EMMP en la restreignant à une imagerie morphologique requérant un marquage exogène des tissus. Ce manuscrit présente une architecture d’EMMP permettant de dépasser cette limitation, capable de proposer une imagerie fonctionnelle du métabolisme cellulaire en temps réel, in vivo, in situ, sans marquage. Le prototype d’EMMP proposé est une amélioration du précédent, où les Grisms en réflexions sont remplacés par des Grisms en transmission, permettant d’élargir la bande spectrale d’utilisation et la transmission du système. Ce prototype voit aussi l’adjonction d’un second laser excitateur afin d’accéder aux fluorescences du NADH et du FAD. Les résultats démontrent capable que nous sommes à même d’imager les fluorescences cellulaires intrinsèques au travers de 5 mètres de fibre optique avec une résolution subcellulaire. Parmi celles-ci nous sommes capables d’exciter et de collecter spécifiquement les fluorescences du NADH et du FAD. Enfin nous détectons assez de photons pour disposer d‘informations quantitatives et donc de proposer une image du rapport d’oxydo-réduction optique en endomicroscopie. / Nonlinear microscopy is a cutting edge imaging modality leading to remarkable step forward in biology but also in the clinical field. To use it at its full potential and at the very heart of clinical practice, there has been several development of fiber-based micro-endoscope. The application for those probes is now limited by few major restrictions, such as the impossibility to collect auto-fluorescence signal from tissues theses being inherently weak such as the fluorescence from NADH or FAD. This limitation reduces the usefulness of the micro-endoscope effectively restraining it to morphological imaging modality requiring staining of the tissue. Our aim is to go beyond this limitation, showing cellular metabolism monitoring, in real time, without any staining. The experimental setup is an upgrade of our precedent one where the reflection- based Grism stretcher is replace with a new generation transmission-based Grism stretcher. Another Laser was also added in order to tune the first laser at 860nm to allow FAD imaging and the second one to 760nm for NADH. The results prove that we assess and image the level of NADH and FAD at subcellular resolution through a five-meter-long fiber. Thus we demonstrate that we are capable of measuring the optical redox ratio in a micro-endoscopic configuration.

Cette thèse présente l’étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d’impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d’impulsions THz par redressement optique d’impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l’impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l’absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d’accord de phase. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d’impulsions laser femtosecondes mises en forme à l’aide d’un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d’une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience. / This thesis deals with the theoretical and experimental study of the generation and shaping of terahertz (THz) pulses. At first, we have studied the generation of THz pulses by optical rectification of intense femtosecond laser pulses in semiconductor ZnTe crystals. We have demonstrated a strong dependence of the efficiency of the generation process with the intensity of the laser pulse. This is evidenced by a progressive shift of the spectrum towards lower frequencies and an abnormal evolution of the THz energy with laser intensity. These behaviors result from a combination of three phenomena: the depletion of the laser pulse during its propagation in the crystal, the absorption of THz wave by free carriers created by two-photon absorption and a change of the phase matching condition. Secondly, we have developed an analytical approach to generate THz shaped pulses particularly interesting for coherent spectroscopy or coherent control. In particular, we have generated phase-locked THz pulses pairs, pulse trains and tunable narrow-band THz pulses. This technique is based on optical rectification of shaped femtosecond laser pulses generated by a liquid crystal Fourier filter. To demonstrate the validity of our approach, we have also developed a program giving results in very good agreement with experiment.

Les centres de données deviennent de plus en plus importants, allant de petites fermes de serveurs distribuées à des grandes fermes dédiées à des tâches spécifiques. La diffusion de services "dans le nuage" conduit à une augmentation incessante de la demande de trafic dans les centres de données. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution des réseaux dans les centres de données et proposons des solutions à court et à long terme pour leur intra-connexion physique. Aujourd'hui, la croissance de la demande de trafic met en lumière la nécessité urgente d’interfaces à grande vitesse capables de faire face à la bande passante exigeant de nouvelles applications. Ainsi, à court terme, nous proposons de nouveaux transpondeurs optiques à haut débit, mais à faible coût, permettant la transmission de 200 Gb /s utilisant des schémas de modulation en intensité et à détection directe. Plusieurs types de modulations d’impulsions en amplitude avancées sont explorés, tout en augmentant la vitesse à des débits symboles allant jusqu’à 100 GBd. La génération électrique à haute vitesse est réalisé grâce à un nouveau convertisseur analogique-numérique intégré, capable de doubler les vitesses des entrées et de générer des signaux à plusieurs niveaux d’amplitude. Cependant, le trafic continuera sa croissance. Les centres de données actuels reposent sur plusieurs niveaux de commutateurs électroniques pour construire un réseau d'interconnexion capable de supporter une telle grande quantité de trafic. Dans une telle architecture, la croissance du trafic est directement liée à une augmentation du nombre des composants du réseau, y-compris les commutateurs avec plus de ports, les interfaces et les câbles. Le coût et la consommation d'énergie qui peut être attendus à l'avenir est intenable, ce qui appelle à une réévaluation du réseau. Par conséquent, nous présentons ensuite un nouveau concept fondé sur la commutation de "slots" optiques (Burst Optical Slot Switching, i.e. BOSS) dans lequel les serveurs sont connectés via des nœuds BOSS à travers des anneaux de fibres multiplexé en longueur d'onde et en temps, et organisés dans une topologie en tore. Au cours de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre des nœuds BOSS; en particulier, la matrice de commutation et les transpondeurs optiques. L'élément principal au sein de la matrice de commutation est le bloqueur de slots, qui est capable d'effacer n’importe quel paquet (slot) sur n’importe quelle longueur d'onde en quelques nanosecondes seulement. D'une part, nous explorons l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs comme portes optiques à utiliser dans le bloqueur des slots, et étudier leur cascade. D'autre part, nous développons un bloqueur de slots intégré monolithiquement capable de gérer jusqu'à seize longueurs d'onde avec la diversité de polarisation. Ensuite, nous présentons plusieurs architectures de transpondeur et nous étudions leur performance. La signalisation des transpondeurs doit répondre à deux exigences principales: le fonctionnement en mode paquet et la résistance au filtrage serré. D'abord, nous utilisons des transpondeurs élastiques qui utilisent des modulations Nyquist N-QAM, et qui adaptent le format de modulation en fonction du nombre de nœuds à traverser. Ensuite, nous proposons l'utilisation du multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence en cohérence optique (CO-OFDM). Avec une structure de paquet inhérente et leur grande adaptabilité fréquentielle, nous démontrons que les transpondeurs CO-OFDM offrent une capacité plus élevée et une meilleure portée que leurs homologues Nyquist. Finalement, nous comparons notre solution BOSS avec la topologie Clos replié utilisée aujourd'hui. Nous montrons que notre architecture BOSS nécessite 400 fois moins de transpondeurs et de câbles que les réseaux de commutation électronique d'aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à des centres de données hautement évolutifs et durables / Data centers are becoming increasingly important and ubiquitous, ranging from large server farms dedicated to various tasks such as data processing, computing, data storage or the combination thereof, to small distributed server farms. The spread of cloud services is driving a relentless increase of traffic demand in datacenters, which is doubling every 12 to 15 months. Along this thesis we study the evolution of data center networks and present short- and long-term solutions for their physical intra-connection. Today, rapidly-growing traffic in data centers spotlights the urgent need for high-speed low-cost interfaces capable to cope with hungry-bandwidth demanding new applications. Thereby, in the short-term we propose novel high-datarate low-cost optical transceivers enabling up to 200 Gb/s transmission using intensity-modulation and direct-detection schemes. Several advanced pulse amplitude modulation schemes are explored while increasing speeds towards record symbol-rates, as high as 100 GBd. High-speed electrical signaling is enabled by an integrated selector-power digital-to- analog converter, capable of doubling input baud-rates while outputting advance multi-level pulse amplitude modulations. Notwithstanding, data centers’ global traffic will continue increasing incessantly. Current datacenters rely on high-radix all-electronic Ethernet switches to build an interconnecting network capable to pave with such vast amount of traffic. In such architecture, traffic growth directly relates to an increase of networking components, including switches with higher port-count, interfaces and cables. Unsustainable cost and energy consumption that can be expected in the future calls for a network reassessment. Therefore, we subsequently present a novel concept for intra-datacenter networks called burst optical slot switching (BOSS); in which servers are connected via BOSS nodes through wavelength- and time-division multiplexed fiber rings organized in a Torus topology. Along this thesis we investigate on the implementation of BOSS nodes; in particular, the switching fabric and the optical transceivers. The main element within the switching fabric is the slot blocker, which is capable of erasing any packet of any wavelength in a nanosecond time-scale. On the one hand, we explore the use of semiconductor optical amplifiers as means of gating element to be used within the slot blocker and study their cascadability. On the other hand we develop a monolithically integrated slot blocker capable of handling up to sixteen wavelength channels with dual-polarization diversity. Then we present several transceiver architectures and study their performances. Transceivers’ signaling needs to fulfill two main requirements: packet-mode operation, i.e. being capable of recovering few microsecond –long bursts; and resiliency to tight filtering, which occurs when cascading many nodes (e.g. up to 100). First we build packet-mode Nyquist-pulse-shaped N-QAM transceivers, which adapt the modulation format as a function of the number of nodes to traverse. Later we propose the use of coherent-optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). With inherent packet structure and high spectral tailoring capabilities, we demonstrate that CO-OFDM-based transceivers offer higher capacity and enhanced reach than its Nyquist counterpart. Finally, we compare our BOSS solution to today’s Folded Clos topology, and show that our BOSS architecture requires x400 fewer transponders and cables than today’s electronic switching networks, which paves the way to highly scalable and sustainable datacenters

This thesis presents HELIOS, an in-house laboratory for time-resolved pump-probe spectroscopy with extreme-ultraviolet (XUV) probe radiation. A wide span of pump wavelengths can be generated using commercial laser equipment while XUV probe radiation is generated via a high harmonic generation process in a noble gas delivering probe photons with energies between 20 eV and 72 eV. The XUV beam path features a time-preserving monochromator and was constructed and built in-house. HELIOS features an overall time resolution of about 50 fs when using 800 nm pump and 41 eV probe photons. An energy resolution of 110 meV at 41 eV photon energy can be achieved. HELIOS features two beamlines. One µ-focus beamline with an XUV focal size of about 20 µm can be used with experiments that require such a small XUV focal size as well as with different end stations. The other beamline features a semi-permanently mounted end station for angle-resolved photoelectron spectroscopy under ultra-high vacuum conditions. Experiments demonstrating the usability of HELIOS and the two beamlines are presented. A pump-probe measurement on graphene demonstrates the capability of determining a large part of the k-space in only one measurement due to the use of an ARTOF angle-resolved time-of-flight electron spectrometer. A non-angle-resolved pump-probe measurement on the conducting polymer PCPDTBT demonstrates the high signal-to-noise ratio achievable at this beamline in non-angle-resolved photoelectron-spectroscopy pump-probe measurements. The usability of the µ-focus beamline is demonstrated with time-resolved measurements on magnetic samples employing an in-house-designed spectrometer. These experiments allow the retrieval of element-specific information on the magnetization within a sample employing the transversal magneto-optical Kerr effect (T-MOKE). Additionally, a Fourier transform spectrometer for the XUV is presented, the concept was tested at a synchrotron and it was used to determine the longitudinal coherence of the XUV radiation at HELIOS.