Cette thèse concerne la production et le contrôle d'hologrammes de haute qualité par un modulateur de phase à cristaux liquides (SLM) et l'utilisation de ces hologrammes pour la manipulation d'atomes froids. Ces hologrammes utilisés pour mettre en forme des faisceaux lasers et créer des potentiels dipolaires doivent être de bonne qualité. Or le SLM a des défauts qui peuvent les dégrader. Pour mesurer ces défauts nous avons développé une méthode reposant sur la mesure par polarimétrie de la biréfringence du SLM. La cartographie de biréfringence permet de mesurer l'hologramme en temps réel sans perturber l'expérience en cours. C'est donc une mesure in-situ. Une fois mesurés les défauts sont corrigés par une rétroaction sur la consigne donnée au SLM. Pour le démontrer nous avons créé un défaut artificiel avec un pointeur laser et nous l'avons réduit à λ/7 soit une amélioration de 42 %. Ensuite avec l'objectif d'appliquer des potentiels produit par un SLM aux atomes froids, j'ai dessiné, conçu puis réalisé en partie une expérience basée sur un jet d'atomes froids de rubidium issu d'un MOT-2D. Dans le chapitre correspondant je présente une étude de la faisabilité d'une expérience de guidage du jet d'atomes froids par un mode de Laguerre Gauss désaccordé vers le bleu de la transition. Nous avons montré que dans un tel guide le chauffage par émission spontanée est plus faible que dans un guide gaussien usuel désaccordé vers le rouge de la transition. De plus en réduisant la divergence naturelle du jet issu du MOT-2D nous devrions augmenter le flux d'atomes et améliorer l'efficacité de chargement d'un MOT-3D par un MOT-2D. / This thesis reports on the production and monitoring of high quality holograms generated by a liquid crystal spatial light modulator (SLM), and the application of these holograms to cold atoms manipulation. In order to produce accurate optical potentials by shaping a laser beam we need high quality holograms. Nevertheless SLMs suffer from defects which limit the quality. To measure defects we have developed a method based on polarimetry to get the birefringence map of the SLM. Birefringence mapping is suitable to monitor the hologram without disturbing the on-going experiment. It's an in-situ measurement. After the measurement, defects are corrected by a feedback on the input hologram. As a proof we created an artificial defect with a laser pointer and reduced it to λ/7 which corresponds to a 42% improvement. Our second goal is to apply SLM-shaped potentials to cold atoms, so I designed and did part of an experiment based on a cold atom beam provided by a rubidium 2D-MOT. In the corresponding chapter I've studied the feasibility of guiding the cold atom beam with a blue-detuned Laguerre-Gaussian beam. We showed that in such a guide the spontaneous emission is lower than in the usual red detuned gaussian guide case. Furthermore by reducing the cold atom beam divergence we expect to enhance the atomic flux and improve the loading efficiency of a 3D-MOT from a 2D-MOT.

Le procédé de fusion laser sélective (SLM) est un procédé de fabrication additive des matériaux métalliques de type « Lit de poudre ». Il s’inscrit dans le concept de l’usine 4.0 et s’oppose aux procédés d’élaboration conventionnels où la matière est soustraite, déformée ou moulée. A partir d’un modèle numérique, les pièces sont élaborées couche par couche par ajout de matière. Le procédé SLM possède d’indéniables avantages car il permet de réaliser des économies de matière, de réduire les coûts de transport et d’élaborer des produits de petites tailles et/ou de formes complexes. Il s’inscrit également dans le concept de personnalisation de masse et de relocalisation des usines à proximité des lieux de consommation. Il souffre cependant d’un manque de répétabilité et de contrôle des propriétés des matériaux élaborés, ce qui entrave son développement à une plus grande échelle. Cela vient principalement du fait que les propriétés résultantes dépendent d’interactions complexes et encore mal cernées entre les caractéristiques des poudres entrantes, les paramètres du procédé et les paramètres microstructuraux. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous proposons de mieux comprendre les liens qui existent entre les paramètres d’élaboration de pièces en titane Ti-6Al-4V, la formation de porosités, leur microstructure et leurs propriétés structurales. Pour ce faire, une étude paramétrique a été conduite afin d’évaluer l’influence des paramètres puissance du laser, vitesse de balayage et espacement de lasage. Trois densités d’énergie ont été considérées (50, 75 et 100 J/mm3) et une stratégie de lasage rotative a été imposée. A partir d’une approche originale combinant des analyses 2D de faciès de rupture et des analyses 3D par tomographie X des pièces, deux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés et caractérisés pour une densité d’énergie de 50J/mm3 : le manque de fusion et la dénudation. Dans ce cas, il est montré que la distribution spatiale des porosités est liée à la stratégie de lasage et que la fraction et la densité volumiques des porosités dépendent du couple « puissance du laser » et « vitesse de balayage ». Pour des densités d’énergie plus élevées (75 et 100 J/mm3), deux nouveaux mécanismes de formation des porosités ont été identifiés : celui par surfusion de la matière et celui par piégeage de gaz. Au niveau microstructural, l’ensemble des échantillons analysés présentent une structure martensitique α’ peu texturée. Pour une même densité d’énergie, la morphologie des grains de la phase mère β et la taille des aiguilles martensitiques α’ dépendent des paramètres du procédé. Une étude fine menée en Microscopie Electronique en Transmission a permis d’identifier avec certitude des macles non répertoriées dans la littérature. Il s’agit premièrement de macles de type {01-11} <-211-1>a' ou {0-111} <2-1-11>a’ avec une rotation de 57° autour de l’axe de zone [2-1-10]a’, un cisaillement dû au maclage de 0,542, et deuxièmement, de macles de type {01-11}<-12-15>a’ ou {-1011}<7-814>a’ avec une rotation de 63° autour de l’axe de zone [1-2-21]a’ et un cisaillement dû au maclage de 0,963. Ces macles témoignent d’un phénomène de relaxation des contraintes qui seraient induites par les vitesses de refroidissement importantes et la transformation martensitique. Au niveau des propriétés mécaniques, la présence de porosités diminue la ductilité du matériau, même pour des fractions de porosités relativement faibles (<1%). La reconstructions 3D d’un échantillon rompu par traction montre qu’il existe un lien biunivoque entre la répartition des porosités et le chemin des fissures. Enfin, les porosités formées par manque de fusion et par dénudation sont plus préjudiciables aux propriétés mécaniques que celles formées par surfusion. Ceci est à mettre en parallèle avec les fractions volumiques et les morphologies des porosités pour chaque mécanisme de formation. / Selective Laser Melting (SLM) is an additive manufacturing process of metallic parts based on powder bed fusion (PBF). SLM is part of the industry 4.0 concept and is opposed to conventional manufacturing processes where the material is either subtracted, deformed or molded. From a numerical model, parts are built by material addition layer by layer. The SLM process has incontestable advantages as it offers the possibility of making small parts with complex shapes and reducing transportation costs. It also promotes mass customization and relocation of factories close to customers. However, the SLM process suffers of a lack of repeatability and control of manufactured parts which hinders its development on a larger scale. Among the possible reasons, the control of part properties is made difficult since it depends on many complex interactions between the input powders, the process parameters and microstructural features.In this work, we propose to investigate the relationships between manufacturing process parameters of Ti-6Al-4V titanium alloy parts, the mechanisms of formation of their voids, their microstructure and their structural properties. In this purpose, a parametric study was conducted to evaluate the influence of laser power, scanning speed and hatch-spacing parameters. Three energy densities were considered (50, 75 and 100J/mm3), and a rotative scanning strategy was chosen.From an original approach based on 2D fracture surface and 3D-Xray tomography analysis of parts, two mechanisms of pore formation were identified and investigated. For 50J/mm3, the spatial distribution of voids is shown to be dependent to the scanning strategy. The volume fraction and density of pores depend on the laser power and the scanning speed. For higher energy densities (75 and 100 J/mm3), two new mechanisms of pore formation were identified corresponding to over-melting and gas trapping.Concerning the microstructure, the whole characterized specimens have shown a weakly textured α’ martensitic structure. For a same energy density, prior-β grain morphology and α’ needle size were revealed to be dependent to the process parameters. Fine investigations carried out by Transmission Electron Microscopy underscored the presence of un-identified twins in literature. They are first, twins of type {01̅11} <2̅111̅>a’ or {01̅11} <21̅1̅1>’ with a rotation of 57° around the [21̅1̅0]a’ zone axis and a twinning shear of 0,542, and secondly, twins of type {011̅1}<7̅ 21 14 11>a’ or {1̅011}<11 14 1̅ 0>a’ with a rotation of 63° around the [12̅2̅1]a’ zone axis and a twinning shear of 0,963. These twins would indicate that a stress relaxation phenomenon takes place, induced by the high cooling rates and the martensitic transformation.Concerning mechanical properties, porosity affects the material ductility. Its behavior is more brittle even when the volume fraction of voids is small (<1%). 3D reconstruction of a tensile broken specimen attests a one to one relationship between the spatial distribution of pores and the crack path. Finally, pores formed by a lack of fusion and denudation are more detrimental for mechanical properties than over melting ones. This analyze is also performed by comparison with the volume fraction and the morphology of voids corresponding to each mechanism of formation.

Au cours de la dernière décennie, le procédé de fabrication additive par fusion sélective d'un lit de poudre SLM a attiré une grande attention dans le domaine de l'industrie, car il permet de produire rapidement des pièces de formes complexes. Le but de ce travail est d'étendre les performances des procédés SLM en étudiant la possibilité d'élaborer des pièces en atmosphère raréfiée. Pour atteindre cet objectif, une approche théorique et expérimentale a été développée, avec la mise en place d'une machine de fusion sélective par laser capable de travailler dans le domaine de pression de 1 à 10-2 mbar.Le travail sous vide permet d'éviter la formation du "bouclier" de plasma généré à partir de l'atmosphère de gaz ionisé par l'énergie du laser. Ceci permet d'une part d'éviter la contamination chimique du matériau (oxydation, nitruration,...) au cours des processus de fusion et d'autre part de réduire le taux de porosité. L'effet des paramètres du laser et des variables d'environnement sur la qualité de pièces a été étudié en considérant le cas du fer pur, de l'acier Inox 316L et du titane.Par ailleurs nous avons étudié la possibilité d'obtenir des alliages in-situ au cours de la fabrication par la technique SLM à partir de mélanges de poudres.Des essais ont été conduits à partir de mélanges Mg/Al, Fe/Ni et Ti/Ni. Dans tous les cas nous avons pu obtenir des alliages in-situ pour les domaines de composition visés qui correspondent à des applications pratiques (structures légères, alliage magnétique à faible coercivité, alliage à mémoire de forme). Les propriétés des matériaux obtenus, d'après les premières caractérisations effectuées, se comparent de façon favorable par rapport aux techniques classiques d'élaboration et de mise en œuvre. / During the last decade, selective laser melting attracted attention in industry because it could allow producing parts with complex shapes rapidly and accurately. The aim of this work is to obtain parts with desired properties by SLM technology. To achieve this point, a theoretical and experimental approach was developed concerning a new process which carries out the selective laser melting process at pressures in the range 1 to 1×10-2 mbar.Vacuum operating under allows avoiding the plasma shield generated from the gas atmosphere ionized by the high laser energy, which on the one hand avoids the chemical contamination (oxidizing, nitriding…) during the melting process and on the other hand reduces the porosity rate. The effect of laser parameters and environment variables on the quality of parts was studied by considering the case of pure iron, stainless steel 316L and titanium.Moreover, we studied the possibility of obtaining in-situ alloys during the SLM manufacturing technique from mixtures of powders.Tests were conducted from mixtures Mg/Al, Fe/Ni and Ti/Ni. In all cases we were able to obtain in-situ alloys for areas covered composition corresponding to practical applications (lightweight structures, low coercivity magnetic alloy, shape memory alloy). The properties of material obtained from the characterizations performed, which are comparable with the conventional development and implementation.

In our experience of teaching Calculus to engineering undergraduates we have had to grapple with many different problems. A major hurdle has been students’ inability to appreciate the importance of the theory. In their view the theoretical part of mathematics is separate from the computing part. In general, students also believe that they can pass their exams even though they do not have a real understanding of the theory behind the problems they are required to solve. In an effort to surmount these difficulties we tried to find ways to make students better understand the theoretical part of Calculus. This paper describes our experience of teaching Calculus. It reports on the continuation of our previous research.

Selective laser melting (SLM) of metallic powders is an additive manufacturing technique that is widely employed to produce 3D components, and is fast becoming an important method for manufacturing near-net shape and complex metallic parts. In this thesis, a comprehensive investigation on the effect of SLM on the mechanical and corrosion properties of the Al-12Si (AS), 316L stainless steel (SS), and 18(Ni)-300 grade managing steel (MS) is investigated, with particular emphasis on the developing (micro- as well as mesa-)structure -property correlations. Detailed microstructural characterization combined with quasi-static tensile, fracture toughness, fatigue crack growth, and unmatched fatigue tests were conducted. The effect of post-SLM heat treatment as well as the scanning strategy (linear vs. checker board hatch style) was examined and the results are compared with those of conventionally manufactured (CM) counterparts. The SLM alloys exhibit a mesostructured, in addition to the fine cellular structure along the boundaries. In a case of SLM-AS, the fine cellular structure imparts higher strength at the cost of ductility, while the mesostructured, which arises due to the laser track hatching, causes the crack path to be tortuous, and in turn leads to substantial increase in fracture toughness. This imparts significant anisotropy to the toughness while tensile properties are nearly-isotropic. The experimental results of SLM-SS also show that higher tensile strengths properties with a marked reduction ductility. In spite of these, the fracture toughness, which ranges between 63 and 87 MPa.m0.5, of the SLM-SS is good, which is a result of the mesostructured induced crack tortuousity.Both tensile and toughness properties of SLM-SS were found to be anisotropic in nature. Upon aging SLM-MS, nanoscale precipitation of intermetallic compounds occurs within the cells that, in turn, lead in marked improvements in tensile strengths properties, but substantial reductions in ductility and fracture toughness. Overall, the mechanical performance, except ductility, of the SLM-MS after aging is found to be similar to that of CM-MS. Importantly, the lack of ductility does not lead to a reduction in toughness. Although the SLM-MS alloy possesses a mesostructured, no significant anisotropy in the mechanical behaviour is observed. The unnoticed studies on SLM-AS, -SS, and -MS reveal that the tensile residual stresses, gas-pores, and unmelted powder particles, can degrade the unmatched highest fatigue properties considerably and hence need be eliminated for high fatigue strength. Room temperature, electrochemical corrosion resistances (CRs) of SLM-AS, -SS and -MS in 0.1M NaCl solution were also evaluated and compared with those CM counterparts. While SLM improves CRs of AS and SS, it degrades that of MS. The results are discussed in terms of microstructural refinement and porosity that are common in SLM alloys.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

This diploma thesis deals with properties of multi-materials interface composed of pure iron and Cu7Ni2Si1Cr alloy produced by SLM process. The theoretical part of thesis is focused on selective laser melting technology, and on description of defects connected with the production of SLM parts. Furthermore, one section deals with the production of multi-materials prepared by the SLM process. The experimental part of this thesis deals with selections of the SLM process parameters appropriate for bulk samples preparation. Mechanical properties were determined by the tensile tests at room temperature. Metallographic and fractographic analyses were performed for evaluation of the microstructure and description of the fracture mechanisms.

The master's diploma thesis deals with the mechanical and structural characteristics of aluminium-base alloy 2000 series, produced by selective laser melting (SLM). The experimental part of the thesis deal with selection of SLM processing parameters, influence of scanning strategy and evaluation of mechanical and structural characteristics of fabricated materials. Mechanical characteristics were evaluated based on results of tensile tests and microhardness measurement. Structural characteristics of materials produced by SLM were evaluated using metallographic analysis.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erlaubt komplexe Geometrien zu fertigen, die, z. B. in Form von integrierten Kühlkanälen, bei Werkzeugen von großer Bedeutung sind. Aktuell werden in der Industrie hauptsächlich Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickel- und Kobaltchromlegierungen mit SLM verarbeitet. Für die additive Fertigung sind Stähle interessant, die besondere Eigenschaften aufweisen. So wird für Konstruktionsbauteile größtenteils korrosionsbeständiger Stahl verwendet. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Werkzeugen. Die besonderen Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften, die für Werkzeuge benötigt werden, erfüllen die Werkzeugstähle. Durch die Neigung zu Rissbildung und Verzug resultiert eine herausfordernde Verarbeitbarkeit im SLM-Prozess. Werkzeugstähle wurden bisher auf Grund dieser Herausforderungen selten mit SLM prozessiert. Es besteht daher ein großer Bedarf die Zusammenhänge zwischen dem Prozess, der Verarbeitbarkeit, dem entstehenden Gefüge und den resultierenden Eigenschaften aufzuklären. In dieser Arbeit werden die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften dreier hochfester Stahllegierungen, verarbeitet im SLM-Prozess, untersucht. Eine Legierungsentwicklung, speziell auf die Anforderungen des SLM-Prozesses zugeschnitten, ermöglicht, das volle Potenzial des SLM-Prozesses auszuschöpfen. Die Verarbeitbarkeit der neu entwickelten Legierung im SLM-Prozess konnte erfolgreich gegenüber den Ausgangslegierungen verbessert werden.

3-dimensional imaging often requires substantial effort since information along the optical axis is not straight forward gatherable. In many applications it is aimed for depth information along the direction of view. For example fluidic mixing processes and the environmental interaction on a microscopic scale are of particular importance for e.g. pharmaceutical applications and often demand for 3D information. This problem is often solved by stereoscopic approaches, where two cameras are used in order to gather depth information by triangulation technique. Another approach is to scan the object through the focal plane in order to get sharp images of each layer. Since the before mentioned approaches require a lot of video data to be evaluated it would be more convenient to get depth mapping within a single camera recording and without scanning. Here we present a tunable 3D depth-mapping camera technique in combination with dynamic aberration control. By using an incoherent light source, only one camera and a spatial light modulator (LCoS-SLM), it is a simply applicable and highly scalable technique. A double-helix point spread function (DH-PSF) is generated for light emerging from the bserved focal plane. Each object appears as a double-image on the camera. Within the orientation of the double-image, depth information along the optical axis is encoded. By using an additional adaptive element (deformable mirror) the technique is combined with wide-field aberration correction. Here we combine a tunable 3D depth camera with dynamic aberration control in one imaging system.