Este trabalho trata do desenvolvimento de um acelerômetro opto-mecânico empregando como elementos sensores grades de Bragg a fibras ópticas. É abordado o desenvolvimento da mecânica do sistema, além de sua óptica e eletrônica, necessários para a leitura dos sensores. No aspecto mecânico são apresentadas duas propostas de topologias para o módulo sensor, uma das quais é adotada como solução do problema em pauta. Essa topologia é modelada por meio do software MatLab, determinando-se suas dimensões em função das características desejadas. A partir desse modelamento foi usinado um demonstrador de conceitos, utilizado para os ensaios subseqüentes. É apresentada também uma caixa de integração para o sistema, capaz de portar o módulo sensor, a óptica de apoio e a eletrônica de processamento de sinais, na forma de um laboratório portátil. No aspecto óptico são apresentadas duas fontes ópticas e quatro sistemas interrogadores embarcáveis, visando um produto modular, independente de equipamentos comerciais para sua leitura. São apresentadas metodologias para a determinação dos pares otimizados de grades de Bragg e para a predição da resposta característica do sistema. No aspecto eletrônico são apresentados quatro circuitos para tornar o sistema embarcável, que são a fonte de energia, a fonte óptica, os circuitos de transimpedância e conversão análogo-digital e o circuito de controle digital. Como resultados os quatro sistemas interrogadores propostos são caracterizados para a medida de acelerações, e são realizados outros ensaios para determinar possíveis fontes de erro do sistema. Nas conclusões, além da comparação dos resultados obtidos com as características de um acelerômetro por realimentação de força, tipicamente empregado em aplicações inerciais, são propostos vários trabalhos futuros, assim como aplicações duais para a óptica e eletrônica desenvolvidas neste trabalho.

Neste trabalho apresenta-se o estudo da resposta do analisador de espectro acusto-óptico para sinais pulsados, na faixa de microondas, como envoltórias arbitrárias. Através da teoria de modos acoplados determina-se o campo elétrico do feixe óptico difratado para a operação em regime de Bragg. A formulação leva em consideração a forma de onda da envoltória e a duração de cada pulso com relação à abertura temporal da célula Bragg. Utilizando-se a integral de difração de Fresnel - Kirchoff determinam-se as dependências temporal e espacial do campo difratado no plano focal de uma lente óptica. Esta distribuição, a qual é proporcional à transformada de Fourier da amostra do sinal de microondas armazenada na célula Bragg, é analisada para uma célula Bragg de fosteto de gálio (GaP), em função dos seguintes parâmetros: eficiência de difração, forma de onda da envoltória dos pulsos, durações dos pulsos com relação à abertura temporal da célula e distribuição espacial do feixe óptico incidente. O estudo da dependência da intensidade do feixe difratado com relação à potência do sinal de microondas permitiu analisar as características espectrais das componentes geradas através das intermodulações causadas por múltiplas difrações na célula Bragg. As formas de ondas das envoltórias que são investigadas, são as descritas por funções de Blackman, Bartlett e Hamming. A análise desenvolvida revela que através da escolha da forma de onda da envoltória é possível controlar algumas características da intensidade óptica no plano focal. Por exemplo, utilizando-se a envoltória de Blackman obtém-se uma redução de lóbulo lateral de até 45 dB com relação ao comportamento obtido com envoltória retangular. A resolução espectral do analisador é investigada com base no critério de Rayleigh. Resultados numéricos são apresentados para uma célula Bragg com as seguintes características: largura de faixa instantâneas de 1 GHz e 1 ms de abertura temporal. Uma geometria apropriada para a rede de fotodetectores do analisador de espectro que utiliza esta célula Bragg foi determinada levando-se em consideração este. Um resultado da relação sinal ruído do analisador de espectro foi desenvolvido levando-se em consideração os ruídos existentes nos seguintes estágios: pré-processamento eletrônico, célula Bragg e rede linear de fotodetectores posicionada no plano focal da lente de Fourier. Através desta formulação determina-se a estimação da potência espectral que pode ser obtida quando se utiliza um analisador de espectro acusto-óptico. As formas de ondas das tensões nos fotodetectores em função das características dos pulsos de microondas foram determinadas através de uma formulação generalizada apresentada. Esta formulação constitui a parte original deste trabalho de tese.

Estudos recentes utilizaram filtração com absorvedores de W para representar o efeito da rugosidade do ânodo. Para verificar a validade desta metodologia, neste trabalho, foram avaliados espectros de energia na faixa utilizada em radiologia diagnóstica convencional (40, 80 e 150 kV), gerados por tubos de raios X com ânodos rugosos por meio de simulações baseadas no Método de Monte Carlo. Para isto, foi desenvolvido um programa computacional com a ferramenta GEANT4, a qual simula a interação da radiação com a matéria. Neste programa, foram abordados: a modelagem geométrica do sistema, os processos físicos envolvidos e a aplicação de uma técnica de redução de variância baseada no fracionamento (splitting) de bremsstrahlung. Para a modelagem geométrica, as superfícies rugosas dos ânodos foram geradas a partir de um modelo estocástico de crescimento baseado na equação de Edwards-Wilkinson. Os ânodos foram modelados com um ângulo fixo de 16º e de material constituído de 95% de tungstênio e 5% de rênio. As superfícies dos ânodos foram geradas com rugosidades de 0,0; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 e 6,0 ?m. Também foi realizada a caracterização do feixe de radiação X pelos parâmetros da energia média e da camada semi-redutora (CSR). Estes parâmetros foram calculados numericamente a partir dos espectros de raios X gerados por simulação de Monte Carlo. Os valores das energias médias sofreram aumentos da ordem de 20 a 30% e as CSR\'s entre 11 a 25% aproximadamente, com o aumento das rugosidades, dependendo da energia máxima do espectro. A comparação entre os espectros produzidos com ânodo rugoso e os espectros gerados com a adição de filtração de W no feixe primário de radiação X mostraram que ambos alteram a forma da distribuição espectral, porém de modos distintos. Ou seja, o efeito da rugosidade é diferente do efeito da filtração. / Recent studies employed the filtration with tungsten absorbers to represent the effect of the anode roughness. To verify the validity of this method, in this work, the Monte Carlo method was used to simulate the spectra of X rays employed in conventional radiodiagnostics (40, 80 and 150 kV), generated by anode roughness. To perform this task, a computational program was developed with the GEANT4 toolkit, which simulates the interaction of radiation with matter. In this program, the geometric modeling of the system, the relevant physical processes and the application of a variance reduction technique based on bremsstrahlung splitting were implemented. In the geometric modeling, the rough surfaces of the anodes were generated from a stochastic model of roughness growth based on the Edwards-Wilkinson equation. The anodes were modeled with a fixed angle of 16º and material consisting of 95% tungsten and 5% of rhenium. The anode surfaces were generated with roughness of 0.0, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0 and 6.0 ?m. The X ray spectra were characterized by the half-value layers (HVL) and mean energies. These parameters were calculated numerically from X ray spectra generated by the Monte Carlo simulation. The increase in the mean energy values was of the order of 20 to 30% and in the HVLs between 11 and 25% approximately growing with the roughness, depending on maximum energy of the spectrum. Comparison between spectra from anodes with roughness and spectra generated by adding tungsten filtration on primary X ray beam showed that both change the shape of the spectral distribution, but in different ways. In other words, the roughness effect and the filtration effect are not equivalent.

Only in recent times has the true potential of cellulose as a high-end functional and sustainable material been realised. As the world’s most abundant resource cellulose has been utilised by man throughout history for timber, paper and yarns. It is found in every plant as a hierarchical material and can be extracted and converted into fibres which are of great use, especially in the form of nanofibrous materials. This thesis has focused on the utilisation and ability of cellulose nanocrystals (CNCs) to generate structural colour in fabricated thin films. This has been achieved in two ways: Firstly, the natural morphology of CNCs and their ability to form a suspension have been applied to a layer-by-layer (LbL) regime to produce tunable Bragg reflecting thin films. Secondly, a novel technique combining profilometry and spectroscopy has been developed to estimate the distribution of CNCs within EISA thin films and correlate this with the optical properties of the film. This thesis reports the successful fabrication of synthetic CNC LbL Bragg reflecting thin films. The film was compiled using an additive layer-by-layer technique which allowed the construction of a multi-layered thin film and control over individual layer thicknesses and refractive index. Also reported is the discovered reflection of both left and right handed circularly polarised light (CPL) from CNC EISA thin films. These reflections were found to correlate with CNC distribution within the thin films. The distribution of CNCs was estimated using a novel technique which combined spectroscopically measured film absorbance as a function of the volume of the film area under investigation. The specific volumes were calculated using profilometry measurements and the beam spot size used in the spectroscopy measurements.

In this dissertation, the rate of the BFD during body armor impact is characterized with fiber Bragg gratings for the first time ever. The depth rate is characterized using a single fiber optic sensor, while the entire shape rate can be characterized using multiple fiber optic sensors. This is done with a final depth accuracy of less than 10% and a timing accuracy of 15% for BFDs as deep as 50 mm and impact event of less than 1 millisecond. The shape sensing method introduced in this dissertation is different from traditional fiber optic sensor shape reconstruction methods in the fact that strain from the kinetic friction regime is used rather than the static friction regime. In other words, information from the fiber optic sensors slipping is used to reconstruct the shape in this work, whereas strain from the fiber optic sensor remaining fixed to a reference is used for typical fiber optic shape sensing purposes.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Depuis les débuts de l'astrophysique nucléaire, les découvertes ont toujours été liées à des progrès instrumentaux. Cela est particulièrement vrai dans le domaine X-durs / gamma mous où l'intense bruit de fond induit dans les détecteurs par les rayons cosmiques et les ceintures de van Allen, associé à la faible section efficace d'interaction des rayonnements avec les matériaux du détecteur limitent la sensibilité des télescopes. Il semble aujourd'hui que la technologie des télescopes à masque codés arrive à ses limites, avec les deux instruments à bord d'INTEGRAL. Comment dans ces conditions continuer à faire des découvertes? De nombreuses équipes développent actuellement des télescopes Compton de deuxième génération qui semblent pouvoir apporter une partie de la réponse. Au CESR, une option complémentaire est développée depuis quelques années, réaliser une lentille focalisant les rayons gamma de faible énergie. <br /><br />Les lentilles de Laue qui ont été étudiées focalisent les rayonnements de la bande des rayons gamma mous (100 keV – 1 MeV) par le biais de la diffraction de Bragg dans le volume de cristaux. La focale associée à une telle lentille est de l'ordre de 100 m, ce qui nécessite un vol en formation pour pouvoir réaliser un télescope spatial. L'avantage de ce concept est de concentrer les rayons gamma depuis une large surface de collection vers un détecteur de faible volume, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit significativement par rapport aux instruments actuellement en vol, et donc permettant d'atteindre une sensibilité sans précédent dans cette bande d'énergie.<br /><br />La faisabilité du concept ayant précédemment été démontrée par le projet CLAIRE, mon travail de thèse a consisté à faire évoluer ce premier prototype vers un concept de mission exploitable scientifiquement. Je me suis principalement attaché à deux aspects : D'une part, la modélisation de la lentille, avec le développement d'un code de simulation rapide (non Monte-Carlo) qui a par la suite été la base de nombreux outils d'optimisation du design et d'évaluation des performances en terme de surface efficace, champs de vue, et sensibilité. <br /><br />L'autre partie de mon travail a consisté à trouver et caractériser des cristaux potentiellement intéressants pour la réalisation d'une lentille de Laue. Des cristaux de cuivre mosaïque, de germanium mosaïque, des alliages de silicium et germanium avec un gradient de concentration et des empilements de wafers de silicium et de germanium ont été mesurés sur différentes installations incluant le synchrotron européen de Grenoble (ESRF) ainsi que l'instrument GAMS 4 de l'ILL. Ces mesures m'ont permis de dresser l'état de l'art des cristaux actuellement disponibles et utilisables pour une lentille gamma. <br /><br />Ces travaux ont été appliqués à la conception et l'évaluation des performances des missions MAX et Gamma Ray Imager respectivement proposées au CNES et à l'agence spatiale Européenne.

L'utilisation des techniques holographiques pour le traitement optique de l'information est souvent limitée par les performances insuffisantes des dispositifs existants (efficacité de diffraction trop faible, sélectivité restreinte, ou forte diaphonie). L'holographie intracavité peut améliorer ces propriétés de façon considérable.<br />Ce travail a pour objectif l'étude théorique et expérimentale des propriétés diffractives d'un réseau d'indice inséré dans un résonateur de Fabry-Perot, appelé réseau d'indice intracavité. Cette approche fondamentale d'un nouveau concept a conduit à l'élaboration d'un modèle analytique. La diffraction sur un réseau d'indice intracavité épais est ainsi décrite et comparée à celle sur un réseau de Bragg hors cavité. Nous étudions en particulier la diffraction d'une onde de lecture en résonance simultanée avec la cavité de Fabry-Perot et avec le réseau de Bragg. La supériorité du dispositif intracavité en termes d'efficacité de diffraction, de sélectivité angulaire et de rapport signal sur bruit est démontrée. Il apparaît que la configuration la plus favorable est celle d'un résonateur asymétrique, dont le miroir arrière est parfaitement réfléchissant.<br />Compte tenu des résultats théoriques prometteurs, un dispositif expérimental a été conçu, afin de prouver la faisabilité du concept et de valider le modèle analytique. Le milieu non-linéaire support du réseau est un liquide, de sorte que son épaisseur peut être ajustée pour faire coïncider les résonances de Bragg et de Fabry-Perot. Le réseau est inscrit optiquement, par absorption de la figure d'interférence de deux impulsions d'écriture et diffracte le faisceau de lecture continu au voisinage de la résonance de Bragg. Le signal diffracté est analysé pour remonter aux propriétés du réseau. La comparaison avec le réseau de Bragg hors cavité montre l'amélioration significative apportée par le résonateur. Ces résultats expérimentaux sont en très bon accord avec les calculs numériques issus du modèle analytique.<br />Enfin, nous revenons sur le critère de distinction entre réseaux minces (en régime de Raman-Nath) et réseaux épais (régime de Bragg) dans le cas de réseaux intracavité. Nous établissons que le seuil en épaisseur au delà duquel un réseau est épais est nettement abaissé lorsqu'on l'insère en cavité de Fabry-Perot. Le domaine d'application du modèle que nous avons établi est donc très vaste.

Pour répondre à la demande d'un débit croissant du transport des informations par voie optique, le multiplexage en longueur d'onde (DWDM) prévoit le transport simultané d'information sur plusieurs longueurs d'ondes optiques dans une même fibre optique. Dans ce cadre, la mise au point de sources laser présentant un spectre d'émission étroit et stable, et pouvant intégrer plusieurs longueurs d'onde d'émission est requis. Deux principaux types de sources laser sont déjà en place sur le marché : les laser sur matériau semi-conducteur, ainsi que les lasers à base de fibre optique. Nous proposons la solution alternative de l'optique intégrée sur verre, qui semble un bon compromis, puisqu'elle permet à la fois une bonne stabilité et l'intégration de plusieurs composants sur une même puce. L'objectif de ce travail est alors la réalisation et la caractérisation de matrices de lasers DFB utilisant la technologie de l'optique intégrée sur verre. Les lasers réalisés présentent une puissance de sortie de 4,3 mW pour 220 mW de puissance de pompe injectée. La stabilité de l'intensité émise est caractérisée grâce à la mesure du bruit d'intensité relatif (RIN), dont la valeur est inférieure à –155 dB.Hz-1 après 4 MHz. La largeur de raie d'émission des lasers vaut 8 kHz, ce qui correspond à une longueur de cohérence de 10 km. Nous démontrons par ailleurs la réalisation d'une matrice de 18 lasers dont les fréquences d'émission couvrent une gamme spectrale de près de 1 terahertz. L'espacement entre les fréquences émises par les différents lasers de la matrice est de 25 ou 100 GHz, démontrant l'intérêt de ces matrices pour une utilisation dans le domaine des télécommunications optiques. Finalement, la remarquable finesse de la raie d'émission permet d'envisager d'autres types d'applications, allant des capteurs à la spectroscopie.

Ce travail de thèse présente une étude théorique, numérique et expérimentale de l'intégration sur un guide d'onde diélectrique de chaînes de nanoparticules d'or supportant des résonances " plasmon de surface localisé ". Les guides d'onde à plasmon de surface localisé procurent un confinement sub-longueur d'onde de la lumière, ce qui permet d'envisager la réalisation de composants optiques ultra-compacts. Cependant, leurs pertes optiques élevées restreignent leur application à de courtes distances de propagation, contrairement aux guides d'onde diélectriques. Une combinaison judicieuse des deux types de guide doit donc permettre de bénéficier de leurs avantages respectifs. Dans un premier temps, nous avons étudié théoriquement les propriétés des chaînes des nanoparticules grâce à un modèle analytique basé sur l'approximation de dipôles ponctuels couplés, que nous avons développé. Cette étude a permis de déterminer la forme et les dimensions des nanoparticules qui ont ensuite été introduites dans un logiciel de FDTD pour simuler le couplage entre la chaîne de nanoparticules et le guide diélectrique (SOI ou en Si3N4). De cette étude numérique, nous avons déduit les géométries des structures à fabriquer. Les structures réalisées ont été caractérisées à l'aide d'un banc de transmission résolue spectralement, mis en place pendant cette thèse, et d'un système de mesures en champ proche optique en collaboration avec le LNIO (Troyes). Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement les propriétés d'une chaîne courte de nanoparticules intégrée sur un guide SOI, ainsi que le phénomène de guides couplés entre une chaîne longue de nanoparticules et un guide SOI. Une valeur record de la constante de couplage a été obtenue, et ce, aux longueurs d'onde des télécoms (proche infrarouge). L'énergie lumineuse transportée par le mode TE du guide SOI peut ainsi être entièrement transférée au guide plasmonique en 4 ou 5 nanoparticules, soit une distance de propagation de moins de 600 nm. Nous avons également étudié les propriétés de réseaux de Bragg à base de plasmon de surface localisé en confrontant les résultats de mesures de transmission résolue spectralement aux résultats théoriques d'un modèle analytique basé à la fois sur l'approximation de dipôle ponctuel en régime quasi-statique et la théorie des modes couplés. Ces travaux ouvrent la voie à des applications de pinces optiques, de capteurs ou de spaser, qui bénéficieront de l'intégration de nanoparticules métalliques dans les circuits photoniques.