Fiber optic temperature sensing has become a well-defined field in the past few decades [1] through the use of Fiber Bragg Gratings, Fabry-Perot interferometry, and pyrometry, to list several techniques in use today.  The use of fiber optics offers significant advantages over electronic sensing in terms of size and insensitivity to harsh conditions such as extreme temperatures and corrosive environments.  The availability of optical sapphire materials, including fibers, has allowed the creation of fiber optic sensing elements able to continuously operate at temperatures of 1600"C [2] or more, thus outstripping the abilities of many commonly used thermocouples (excluding platinum types R, S, and B) [3] which will also exhibit a sensitivity to electromagnetic fields. In addition to the aforementioned benefits, fiber optic sensing techniques provide a great deal of accuracy in temperature measurement over the entire working range of the sensor. The work documented in this thesis consists of efforts to minimize the overall footprint of a sapphire based extrinsic Fabry-Perot interferometry (EFPI) temperature sensing element, as well as strides made in multiplexing the same element and reducing the error potential from cross sensitivity of the thermometer with applied strain.  This work has been variously funded by Pratt & Whitney and the Department of Energy. / Master of Science

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(人間健康科学) / 甲第19232号 / 人健博第29号 / 新制||人健||3(附属図書館) / 32231 / 京都大学大学院医学研究科人間健康科学系専攻 / (主査)教授 杉本 直三, 教授 精山 明敏, 教授 戸井 雅和 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Human Health Sciences / Kyoto University / DFAM

Intracavity Laser Absorption Spectroscopy (ICLAS) at IR wavelengths offers an opportunity for spectral sensing of low vapor pressure compounds. We report here an ICLAS system design based on a quantum cascade laser (QCL) at THz (69.9 m) and IR wavelengths (9.38 and 8.1 m) with an open external cavity. The sensitivity of such a system is potentially very high due to extraordinarily long effective optical paths that can be achieved in an active cavity. Sensitivity estimation by numerical solution of the laser rate equations for the THz QCL ICLAS system is determined. Experimental development of the external cavity QCL is demonstrated for the two IR wavelengths, as supported by appearance of fine mode structure in the laser spectrum. The 8.1 m wavelength exhibits a dramatic change in the output spectrum caused by the weak intracavity absorption of acetone. Numerical solution of the laser rate equations yields a sensitivity estimation of acetone partial pressure of 165 mTorr corresponding to ~ 200 ppm. The system is also found sensitive to the humidity in the laboratory air with an absorption coefficient of just 3 x 10-7 cm -1 indicating a sensitivity of 111 ppm. Reported also is the design of a compact integrated data acquisition and control system. Potential applications include military and commercial sensing for threat compounds such as explosives, chemical gases, biological aerosols, drugs, banned or invasive organisms, bio-medical breath analysis, and terrestrial or planetary atmospheric science.

A scanning Fabry-Perot transmission filter composed of a pair of dielectric mirrors has been demonstrated at millimeter and sub-millimeter wavelengths. The mirrors are formed by alternating quarter-wave optical thicknesses of silicon and air in the usual Bragg configuration. Detailed theoretical considerations are presented for determining the optimum design including factors that affect achievable finesse. Fundamental loss by lattice and free carrier absorption are considered. High resistivity in the silicon layers was found important for achieving high transmittance and finesse, especially at the longer wavelengths. Also considered are technological factors such as surface roughness, bowing, and misalignment for various proposed manufacturing schemes. Characterization was performed at sub-mm wavelengths using a gas laser together with a Golay cell detector and at millimeter wavelengths using a backward wave oscillator and microwave power meter. A finesse value of 422 for a scanning Fabry-Perot cavity composed of three-period Bragg mirrors was experimentally demonstrated. Finesse values of several thousand are considered to be within reach. This suggests the possibility of a compact terahertz Fabry-Perot spectrometer that can operate in low resonance order to realize high free spectral range while simultaneously achieving a high spectral resolution. Such a device is directly suitable for airborne/satellite and man-portable sensing instrumentation.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Cette thèse traite de lasers à fibre multilongueurs d'onde fabriqués en inscrivant des réseaux de Bragg superstructurés de type "Fabry-Perot distribué" dans une fibre photosensible codopée à l'erbium et à l'ytterbium. Ce type de laser multilongueur d'onde se distingue des autres approches proposées dans la littérature par sa simplicité : en plus du réseau de Bragg superstructuré inscrit à même la fibre de gain, seuls une diode laser de pompe et un coupleur d'injection de pompe sont requis pour produire un peigne formé de plusieurs raies laser monomodes espacées de 50 GHz ou de 100 GHz. Ces lasers multilongueurs d'onde pourraient éventuellement être utilisés pour certaines applications de tests et mesures dans le domaine des télécommunications optiques en plus d'avoir un potentiel pour l'interrogation de capteurs à fibre optique requérant des lasers à faible largeur de raie. Cette thèse comporte plusieurs volets. Premièrement, les lasers multilongueurs d'onde sont étudiés en utilisant un modèle théorique combinant un modèle de gain d'une fibre codopée à l'erbium et à l'ytterbium avec un modèle de réseau de Bragg utilisant la théorie des modes couplés. Cette modélisation a permis de démontrer que ces lasers sont en fait des cascades ultra-compactes de courtes cavités laser monomodes. Par la suite, nous présentons les détails de la fabrication des lasers. Nous démontrons que l'uniformité en puissance et en fréquence des lignes du laser est limitée principalement par l'uniformité du profil d'indice effectif moyen photoinscrit le long du réseau. Nous avons aussi effectué une caractérisation détaillée des fluctuations de puissance des lignes laser. Ces fluctuations sont non corrélées, ce qui peut être expliqué par le fait que les cavités laser correspondant à chacune des lignes sont spatialement réparties. En outre, nous avons montré qu'il est possible d'éteindre temporairement certaines lignes du laser au moyen de fils chauffants placés contre la fibre et ainsi obtenir un laser reconfigurable. Finalement, l'étude détaillée de la fabrication des réseaux de Bragg superstructurés a permis d'identifier qu'il était nécessaire de tenir compte de la dynamique de la diffusion du deuterium afin de décrire la croissance de réseaux de Bragg à fort changement d'indice.

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.

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