Le travail que j’ai effectué durant ce doctorat est dédié à l’utilisation de l’ultrason des lasers sous haute pression physique. La recherche est construite en utilisant les récentes techniques de mesure de laser ultrasonique dans une enclume de diamant, conduisant à l’exploration de la propagation du son et de sa détermination suivant la vitesse de l’onde acoustique sous ultra-hautes pressions. La diffusion Brillouin a été appliquée ici pour déterminer l’épaisseur de la glace polycristalline compressée dans l’enclume à diamant sous pressions de mégabars. La technique permet d’examiner les caractéristiques des dimensions des inhomogénéités élastiques et la texture de la glace polycristalline, de ce fait ce processus est commun pour les surfaces de l’enclume à diamant avec des sous micromètres de résolution spatiale via les mesures des variations résolues dans le temps sur la vitesse de propagation du pouls acoustique voyageant dans l’échantillon compressé. Ceci a été appliqué pour mesurer la vitesse acoustique dans du H2O à l’état de glace jusqu’à 84 Gpa. La technique d’imagerie développée contient, pour chaque cristallite (ou groupe de cristallites) dans un ensemble homogène chimique transparent, des informations utiles sur son orientation ainsi que sur sa valeur élastique modulée par rapport à la direction de la propagation du son. Cela répand les bases pour une application réussite sur la déformation de solides sous haut-développement de modèles micromécaniques sous la pression à mégabars. Pour une plus longue durée, ce genre d’expériences répandus sur les minéraux de la terre et avec des températures basses ou hautes, assurerait un progrès important dans la compréhension de la construction de la cape terrestre, son évolution ainsi que celle d’autres planètes. / This PhD research work is devoted to the use of laser ultrasound in high-pressure physics. The research is done using the recently established technique of laser ultrasonic measurements in a diamond anvil cell which allows investigation of the sound propagation and determination of the acoustic wave velocities at ultrahigh pressures. Time domain Brillouin scattering was applied here to depth-profiling of polycrystalline aggregate of ice compressed in a diamond anvil cell to megabar pressures. The technique allowed examination of characteristic dimensions of elastic inhomogeneities and texturing of polycrystalline ice in the direction, normal to the diamond anvil surfaces with sub-micrometer spatial resolution via time-resolved measurements of variations in the propagation velocity of the acoustic pulse travelling in the compressed sample. It was applied to measure the acoustic velocities in H2O ice up to 84 Gpa. The developed imaging technique provides, for each crystallite (or a group of crystallites) in chemically homogeneous transparent aggregate, usable information on its orientation as well as on the value of the elastic modulus along the direction of the sound propagation. This extends the basis for a successful application of highly developed micromechanical models of solids deformation at mbar pressure. On long term, such experiments extended to earth’s minerals and high or low temperatures would insure a significant progress in understanding of convection of the earth’s mantle and thus evolution of this and other planets.

This master’s thesis deals with the impact of atmospheric turbulence on phase changes of a free space optical signal. This problematic is investigated by the interferometric method. A part of the thesis is focused on the phenomenon of atmospheric turbulence. Then the physical effect of interference is discussed and optical interferometers are described. The experimental part of the thesis is focused on measurement of phase shift of optical signal by interferometric method. The result of the thesis is to determine how phase shift of an optical beam depends on the strength of turbulence.

This diploma thesis is focused on introducing the mathematical and physical fundamentals of viskosity, density and refractive index of liquids and methods of its measurement. Based on available literatures specify review of areas in which the measurement of dynamic viscosity is used for evaluation the actual state of liquid materials. Discuss the possibility of using for example variables to determine the concentration of fat in milk and ethanol in alcoholic beverages. The sample of liquid to realize the practical measurements.

The task of master’s thesis was to perform optimalization process for preparing metal etching mask by electron beam litography and subsequent selective wet ething of silicon with crystalographic orientation (100). Further characterization of etched surface and fabricated structures was performed. In particular, attention was given to the morphology demonstrated by scanning electron microscopy and study changes of the optical properties of gold plasmonic antennas due to their undercut.

Nanomaterials are playing an increasing role in novel technologies, and it is important to develop optical methods to characterize them in situ.  To that end, backside absorbing layer microscopy (BALM) has emerged as a powerful tool, being capable to resolve sub-nanometer height profiles, with video-rate acquisition speeds and a suitable geometry to couple live experiments.  In the internship, several techniques involving BALM were developed, and applied to study optical and electrical properties of the transition metal dichalcogenide (TMD) monolayer MoS2, a type of 2-dimensional (2D) crystalline semiconductor.  A simulations toolkit was created in MATLAB to model BALM, a workflow to reliably extract linear intensities from the CMOS detector was realized, and 2D MoS2 was synthesized by chemical vapor deposition followed by transfer to appropriate substrates.  BALM data of the 2D MoS2 was acquired and combined with simulations, giving a preliminary result for its complex refractive index at 5 optical wavelengths.  In addition, the first steps towards coupling BALM with a gate biased 2D MoS2 field-effect transistor were explored.  To complement BALM measurements, the grown samples were also characterized by conventional optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, photoluminescence spectroscopy, and Raman spectroscopy.  This work provides new additions to an existing platform of BALM techniques, enabling novel BALM experiments with nanomaterial systems.  In particular, it introduces a new alternative for local extraction of optical parameters and for probing of electrical charging effects, both of which are vital in the research and development of nano-optoelectronics.

This work is devoted to investigate light confinement in rolled-up microtubular cavities and their optofluidic applications. The microcavities are fabricated by a roll-up mechanism based on releasing pre-strained silicon-oxide nanomembranes. By defining the shape and thickness of the nanomembranes, the geometrical tube structure is well controlled. Micro-photoluminescence spectroscopy at room temperature is employed to study the optical modes and their dependence on the structural characteristics of the microtubes. Finite-difference-time-domain simulations are performed to elucidate the experimental results. In addition, a theoretical model (based on a wave description) is applied to describe the optical modes in the tubular microcavities, supporting quantitatively and qualitatively the experimental findings. Precise spectral tuning of the optical modes is achieved by two post-fabrication methods. One method employs conformal coating of the tube wall with Al2O3 monolayers by atomic-layer-deposition, which permits a mode tuning over a wide spectral range (larger than one free-spectral-range). An average mode tuning to longer wavelengths of 0.11nm/ Al2O3-monolayer is obtained. The other method consists in asymmetric material deposition onto the tube surface. Besides the possibility of mode tuning, this method permits to detect small shape deformations (at the nanometer scale) of an optical microcavity. Controlled confinement of resonant light is demonstrated by using an asymmetric cone-like microtube, which is fabricated by unevenly rolling-up circular-shaped nanomembranes. Localized three-dimensional optical modes are obtained due to an axial confinement mechanism that is defined by the variation of the tube radius and wall windings along the tube axis. Optofluidic functions of the rolled-up microtubes are explored by immersing the tubes or filling their core with a liquid medium. Refractive index sensing of liquids is demonstrated by correlating spectral shift of the optical modes when a liquid interacts with the resonant light of the microtube. In addition, a novel sensing methodology is proposed by monitoring axial mode spacing changes. Lab-on-a-chip methods are employed to fabricate an optofluidic chip device, allowing a high degree of liquid handling. A maximum sensitivity of 880 nm/refractive-index-unit is achieved. The developed optofluidic sensors show high potential for lab-on-a-chip applications, such as real-time bio/chemical analytic systems.

This thesis explores and evaluates the temperature measuring capabilities of a phase-sensitive optical time-domain reflectometer (φ-OTDR), which exploits Rayleigh backscattering in normal single mode optical fibers. The device is constructed and its setup explained, and a protocol for making temperature measurements with it is developed. Performance tests are made and the device is shown to achieve fully distributed temperature measurements on fibers hundreds of meters in length with a spatial resolution of 1 m and a temperature resolution of 0.1 K. In addition, the capabilities of the device to measure normal strain in the measurement fiber are tested using the same approach, albeit with less success. The device is capable of very precise measurements, making it very sensitive to the environmental conditions around the measuring fiber but also susceptible to disturbances. Some discussion is had on how to avoid or deal with these disturbances. Furthermore, the technique is shown to be able to run in conjunction with other φ-OTDR measurement techniques from the same device simultaneously. / Det här examensarbetet utforskar och utvärderar förmågorna att mäta temperatur hos en fas-känslig optisk tidsdomän-reflektometer (φ-OTDR), som utnyttjar bakåtriktad Rayleigh-spridning i vanliga optiska singelmodfibrer. Anordningen konstrueras och dess komponentstruktur förklaras, och ett protokoll tas fram för att utföra mätningar med den. Prestandatester utförs och anordningen visas kapabel att göra fullt distribuerade temperaturmätningar längs hundratals meter långa fibrer, med en rymdsupplösning på 1 m och en temperaturupplösning på 0.1 K. Dessutom testas förmågan att mäta normaltöjning hos testfibern med samma metod, dock med mindre framgång. Anordningen är väldigt känslig för förhållandena i omgivningen runt mätningsfibern, vilket gör den kapabel till mätningar med mycket hög precision, men också mottaglig för störningar. Lite diskussion hålls kring hur dessa störningar kan undvikas eller hanteras. Vidare visas att mätningstekniken kan köras samtidigt som andra φ-OTDR-baserade tekniker från samma anordning.

Η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην τεχνολογική εξέλιξη του κόσμου τα τελευταία 50 χρόνια. Από τα ραντάρ μέχρι τη Μικροκυματική Ραδιομετρία, η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων έχει χρησιμοποιηθεί για έναν αυξανόμενο αριθμό εφαρμογών σε διάφορα επιστημονικά πεδία, μεταξύ των οποίων η χαρτογράφηση του εδάφους, ο καθορισμός της υγρασίας του εδάφους, η θερμογραφία και η ανίχνευση του καρκίνου του μαστού. Έτσι, οι μικροκυματικοί αισθητήρες, διαθέτοντας την ικανότητα να διαπερνούν πολλά είδη μέσων (πχ. σύννεφα, βιολογικοί ιστοί), έχουν μια σημαντική θέση ανάμεσα σε άλλες τεχνικές μέτρησης. Η Μικροκυματική Ραδιομετρία αποτελεί ένα σημαντικό τομέα της επιστημονικής έρευνας και εφαρμογής της ανίχνευσης με τη χρήση μικροκυμάτων, καθώς αποτελεί μια παθητική μέθοδο ανίχνευσης της φυσικά εκπεμπόμενης χαοτικής θερμικής ακτινοβολίας από κάθε σώμα που βρίσκεται σε θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδενός (-273 Κελσίου). Ένα μικροκυματικό ραδιόμετρο είναι η συσκευή που χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή ραδιομετρικών μετρήσεων. Η ραδιομετρία έχει αποτελέσει ένα σημαντικό τομέα έρευνας όχι μόνο για την αξιολόγηση της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της γης, αλλά και για την περαιτέρω διερεύνηση των παθητικών μετρήσεων, με σημαντικές εφαρμογές ειδικά στον τομέα της βιοϊατρικής. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μελετήθηκε σε θεωρητικό και πειραματικό επίπεδο η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων ανίχνευσης ενός Τρισδιάστατου Συστήματος Παθητικής Μικροκυματικής Ραδιομετρικής Απεικόνισης για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Η καινοτομία της προτεινόμενης μεθόδου έγκειται στη χρήση μιας αγώγιμης ελλειψοειδούς κοιλότητας που δρα σαν μορφοποιητής δέσμης, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση της ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ευαίσθητους ραδιομετρικούς δέκτες και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1 – 4 GHz. Η μέτρηση πραγματοποιείται με την τοποθέτηση του ανθρώπινου εγκεφάλου στην περιοχή της πρώτης εστίας και τη λήψη της ακτινοβολίας που συγκλίνει, μέσω ανάκλασης στα τοιχώματα του ελλειψοειδούς, στη δεύτερη εστία. Εκεί είναι τοποθετημένη η κεραία λήψης που συνδέεται στον ευαίσθητο ραδιομετρικό δέκτη. VI Με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίησή του και ακολούθησε εκτενής ηλεκτρομαγνητική μελέτη για την ανάλυση της επίδρασης διατάξεων προσαρμογής από κατάλληλα υλικά στο εσωτερικό της ελλειψοειδούς κοιλότητας. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως με τη σωστή επιλογή των υλικών και των ιδιοτήτων τους, είναι δυνατό να επιτευχθεί σημαντική βελτίωση του βάθους ανίχνευσης του κατωφλίου ανίχνευσης θερμοκρασίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Τα πειράματα με ομοιώματα που πραγματοποιήθηκαν, επαληθεύουν τις βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος καθώς επίσης και την ευεργετική επίδραση των διατάξεων προσαρμογής στις ιδιότητες εστίασής του, που μελετήθηκαν θεωρητικά στο πρώτο στάδιο της έρευνας,. Τέλος, οι πειραματικές διαδικασίες, που σχεδιάστηκαν με βάση πιθανές κλινικές εφαρμογές του συστήματος, δείχνουν ότι έχει βασικά χαρακτηριστικά και ιδιότητες ώστε να αποτελέσει στο μέλλον κλινικό, διαγνωστικό εργαλείο. / Microwave sensing has played an increasingly significant role in the world’s technological advances over the past 50 years. From radar to radiometry, microwave sensing has been used for a large number of applications, including ground mapping, soil moisture determination, thermography, and breast cancer detection. With the ability to safely penetrate many kinds of media (e.g., clouds or biological specimens), microwave sensors find a significant place among other modalities of measurement. Microwave radiometry is an important scientific research and application area of microwave sensing because it provides a passive sensing technique for detecting naturally emitted chaotic thermal radiation by any material object being above the absolute zero temperature (-273 Celsius). A microwave radiometer is the device used to conduct radiometric measurements. While radiometry has been a significant research field for atmospheric and earth surface evaluations, it lends itself to further exploration of passive measurements, with significant applications especially in the biomedical field. In the framework of the present PhD Thesis, a theoretical and experimental optimization study of the sensing capabilities of a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System for brain diagnostic applications was performed. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity acting as a beamformer to achieve maximum peak of radiation pattern in order to measure the intensity of the microwave energy, radiated by the medium of interest, by using sensitive microwave radiometers and relevant non – contacting antennas within the range of 1 – 4 GHz. The measurement is realized by placing the human brain in the region of the first focus and collecting the radiation converged at the second focus by a receiving antenna connected to the sensitive radiometer. Towards the improvement of the system’s focusing properties, extended electromagnetic analysis was performed in order to validate the impact of matching configurations made from appropriate materials, located inside the ellipsoidal cavity. The results show that with the appropriate choice of materials and careful assessment of their properties, it is possible to significantly improve the system’s detection depth, temperature detection level and spatial sensitivity. VIII The experimental procedures that were performed verify the proof of concept and confirm the beneficial impact of matching configurations on the system’s focusing properties, which was theoretically studied in the first part of the research. Finally, the experimental set used in the study, related to possible clinical applications, produced promising results regarding the potential perspective of the system to serve as a future clinical diagnostic tool.