The thesis deals with a design of a comparing interferometer. It concerns a setup of two interferometers, one of them is a Michelson and another a Fabry-Pérot type. This set-up is made to compare results of length measurements simultaneously performed by each of them. In the Theory, basic principles of Michelson and Fabry-Pérot interferometers are described. A special attention is paid to an innovative method of length measurement with tunable lasers and optical frequency comb. In the Practical Part, so-called Pilot Experimental Setup is described. It is a prototype that has been used to perform basic experiments on comparing of the two above mentioned methods. Based on experimental results and practical experience with the Pilot Experimental Setup, a Final Setup is designed. It comes in a form of a stand-alone instrument.

QC 20101206

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Absorption plays a critical role in a variety of optical applications – sometimes it is desirable to minimize it as in optical fibers and waveguides, or to enhance it as in solar cells and photodetectors. We describe here a new optical scheme that controllably produces high optical absorption over a broad wavelength range (hundreds of nm) in systems that have low intrinsic absorption over the same range. This effect, 'coherent perfect absorption' or CPA, arises from a subtle interplay between interference and absorption of two beams incident on a weakly absorbing medium. In the first part of this study, we present an analytical model that captures the relevant physics of CPA in one-dimensional photonic structures. This model elucidates an absorption-mediated interference effect that underlies CPA – an effect that is normally forbidden in Hermitian systems, but is allowed when conservation of energy is violated due to the inclusion of loss. As a concrete example, we consider a Fabry-Pérot resonator containing a lossy dielectric and confirm this model through a computational study of a 1-micron-thick silicon layer in a cavity formed of dispersive mirrors with aperiodic multilayer design. We confirm that one may achieve 100% absorption in this thin silicon layer (whose intrinsic absorption is only ~ 3%) in the near-infrared. We then design two device models using few-micron-thick aperiodic planar dielectric mirrors and demonstrate (computationally, as well as experimentally) spectrally flat, coherently enhanced absorption at the theoretical limit in a 2-micron-thick film of polycrystalline silicon embedded in symmetric and asymmetric cavities. This coherent effect is observed over an octave-spanning wavelength range of ~800 – 1600 nm utilizing incoherent light in the near-infrared, exploiting mirrors that have wavelength-dependent reflectivity devised to counterbalance the decline in silicon's intrinsic absorption at long wavelengths. We anticipate that the design principles established here may be extended to other materials, broader spectral ranges, and large surface areas. Finally, we study the effect of the angle of incidence on CPA in planar structures. The results of this study point to a path for realizing CPA in such systems continuously over large bandwidths.

During the past decades, femtosecond laser micro-fabrication has gained growing interests owing to its several unique features including direct and maskless fabrication, flexible choice of materials and geometries, and truly three-dimensional fabrication. Moreover, fiber-optic sensors have demonstrated distinct advantages over traditional electrical sensors such as the immunity to electromagnetic interference, miniature footprint, robust performance, and high sensitivity. Therefore, the marriage between femtosecond laser micro-fabrication and optical fibers have enabled and will continue to offer vast opportunities to create novel structures for sensing applications. This dissertation focuses on design, fabrication and characterization of optical-fiber based interferometric devices for sensing applications. Three novel devices have been proposed and realized, including point-damage-based Fiber Bragg gratings in single-crystal sapphire fibers, all-sapphire fiber-tip Fabry-Pérot cavity, and in-fiber Whispering-Gallery mode resonator / Doctor of Philosophy / Optical fibers are an optical platform with cylindrical symmetry with overall diameter typically within 50 to 500 μm. The miniature footprint and large aspect ratio make it attractive in sensing applications, where intrusion, flexibility, robustness and small size are key design parameters. Beyond that, fiber-optic sensors also possess distinct operational advantages over traditional electrical sensors such as high sensitivity, immunity to electromagnetic interference (EMI), and fully distributed deployment. Owing to the above advances, fiber-optic sensors have been one of the key technologies in the broader sensing field for the past decades. However, the unique cylindrical shape of optical fiber makes it naturally less compatible to those well-developed fabrication technologies in the current sophisticated semiconductor industry. During the past decades, the possibility of three-dimensional (3D) writing inside transparent materials with tightly focused ultrafast laser pulses has attracted attention widely among the academy as well as the industry. Therefore, the marriage between ultrafast laser micro-fabrication and optical fibers have enabled and will continue to offer vast opportunities to create novel structures for sensing applications. This dissertation focuses on design, fabrication and characterization of optical-fiber based interferometric devices for sensing applications. Three novel devices have been proposed and realized, including point-damage-based Fiber Bragg gratings in single-crystal sapphire fibers, all-sapphire fiber-tip Fabry-Pérot cavity, and in-fiber Whispering-Gallery mode resonator.

In this thesis, we report the development of two types of optical sensors, one for high temperature pressure measurements and the other for real-time particle detection. With a high melting temperature (over 2000°C), low optical loss, and excellent corrosion resistance, sapphire (α-Al₂O₃) is ideal for high temperature sensing applications. Fabry-Perot (FP) cavity with optical interrogation of pressure response. The prototype is based on an extrinsic FP interferometer design and is constructed by combining reactive ion etching (RIE) with direct wafer bonding. Long-term testing proves that the adhesive-free wafer bond is sufficient to create a sealed Fabry-Perot cavity as a pressure transducer. Pressure measurement over a range of 6 to 200 psi has been demonstrated at room temperature using white-light interferometry. For the other sensor, the goal is to detect the presence of micro- and nanoparticles in real time. The sensor is based on a silica fiber taper, and we aim to detect particle presence by measuring optical scattering and absorption induced by particles attached to the taper surface. To establish the relationship between particle density and optical transmission loss, we first consider a model where Au nanospheres are self-assembled on taper surface through electrostatic interaction. An analytical model is established to describe the adsorption of gold nanospheres onto cylindrical and spherical silica surfaces from quiescent aqueous particle suspensions. The curved surfaces of the fiber taper and microspheres are coated with nm-thick layer of a polycation, enabling irreversible adsorption of the negatively charged spheres. Our results fit well with theory, which predicts that the rates of particle adsorption will depend strongly on the surface geometry. In particular, adsorption is significantly faster on curved than on planar surfaces at times long enough that the particle diffusion length is large compared to the surface curvature. This is of particular importance for plasmonic sensors and other devices where particles are deposited from a suspension onto surfaces which may have non-trivial geometries. We have established a theoretical model that can describe optical loss generated by particles on taper surface. This theory is validated by measuring, in real time, optical loss during the self-assembly of gold nanoparticles. We find that the measured optical loss can be quantitatively explained by the presence of multiple guided modes within the fiber taper region. Based on this work, we incorporate a fiber taper into a cascade impactor and show that welding aerosols attached to the fiber taper surface can induce measurable transmission loss during the welding process. / Ph. D.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

La maladie de Fabry est une maladie héréditaire de surcharge, dont la transmission est liée au chromosome X qui résulte d'un déficit de l'[alpha]-galactosidase A. Le déficit enzymatique mène à une augmentation de glycosphingolipides, notamment le globotriaosylcéramide (Gb[indice inférieur 3]), dans les tissus et fluides biologiques. Le Gb[indice inférieur 3] est donc un biomarqueur ou indicateur de la présence de cette maladie chez les patients Fabry. Nous voulions évaluer la faisabilité de procéder à un projet pilote de recherche en vue d'un dépistage néonatal urinaire de la maladie de Fabry.La variation de l'excrétion du Gb[indice inférieur 3]/créatinine urinaire chez des enfants normaux dans la période néonatale jusqu'à l'âge de 6 mois est inconnue. Cette constatation nous a conduits au questionnement suivant : existe-t-il une variation dans la quantité du Gb[indice inférieur 3]/créatinine urinaire excrétée chez des enfants normaux de 0 à 6 mois de vie? Afin de répondre à cette question, nous avons procédé à une étude permettant de doser le Gb[indice inférieur 3]/créatinine chez des enfants normaux par spectrométrie de masse en tandem et ce, en comptant sur la collaboration des parents à effectuer un total de treize prélèvements d'urine pendant une période de 6 mois. Nous avons d'ailleurs évalué ladite collaboration des parents à nous faire parvenir les échantillons d'urine de leur bébé durant cette période. Nous avons utilisé une méthode par spectrométrie de masse en tandem avec des échantillons d'urine séchée sur papier filtre pour analyser simultanément le Gb[indice inférieur 3] total urinaire et la créatinine à différents temps soit 2, 3, 4, 6, 10, 14, 21, 28 jours, de même qu'à 2, 3, 4, 5 et 6 mois chez 37 filles et 39 garçons normaux. Le traitement quantitatif des données de la créatinine et du Gb[indice inférieur 3] urinaire a été fait par le logiciel QuanLynx (Waters). Nous avons divisé la variable du temps en quatre périodes pour les fins d'analyses statistiques : (1) < 6 jours; (2) 6-29 jours; (3) 30-90 jours; (4) > 90 jours. Nous avons procédé à des analyses statistiques comparatives du rapport Gb[indice inférieur 3]/créatinine de 728 échantillons pour les deux cohortes en fonction du temps. Une analyse de variance a été faite pour évaluer l'effet de l'âge et du sexe sur le rapport du logarithme du Gb[indice inférieur 3]/créatinine urinaire et l'effet de l'âge et du sexe sur la quantité d'excrétion de la créatinine urinaire seulement. Nous avons observé un effet significatif de l'âge sur la créatinine (p < 0.0001). En ce qui concerne les résultats du rapport du Gb[indice inférieur 3]/créatinine, il y a une augmentation non significative de la médiane dans les périodes 1 et 2 pour les garçons (Période 1: Médiane 53.9; Min-Max 0 - 369.3 [micro]g/mmol créatinine; Période 2: Médiane 92.5; Min-Max 0 - 611.1 [micro]g/mmol créatinine ; p = 1.0000). Chez les filles, l'excrétion du Gb[indice inférieur 3]/créatinine est plus élevé à la naissance et présente une tendance à l'accroissement entre les périodes 1 et 2 (Période 1: Médiane 59.5; Min-Max 0 - 669.9 [micro]g/mmol créatinine; Période 2: Médiane 96.1; Min-Max 0 - 456.1 [micro]g/mmol créatinine ; p = 1.0000). Par ailleurs, l'excrétion du Gb[indice inférieur 3]/créatinine chez les garçons diminue de façon significative entre les périodes 2 et 4 (Période 2: Médiane 92.5; Min-Max 0 - 611.1 [micro]g/mmol créatinine; Période 4: Médiane 14.6; Min-Max 0 - 158.5 [micro]g/mmol créatinine ; p < 0.0001); au niveau des filles, il y a une diminution non significative de la médiane de la période 2 à la période 3 (Période 2 : Médiane 96.1; Min-Max 0 - 456.1 [micro]g/mmol créatinine ; Période 3 : Médiane 35.6; Min-Max 0 - 254.4 [micro]g/mmol créatinine p = 0.2290) et une légère augmentation à la période 4 (Période 4 : Médiane 42.7; Min-Max 0 - 617.2 [micro]g/mmol créatinine). Ainsi, nous pouvons constater qu'il existe une grande variabilité de l'excrétion du Gb[indice inférieur 3]

Un interféromètre à miroirs suspendus convertit les ondes gravitationnelles, perturbations de la géométrie de l'espace temps, en une variation de temps de vol d'aller-retour de photons entre deux masses inertielles au repos.<br />J'ai réalisé l'asservissement en fréquence du laser pour mesurer ces variations de temps de vol. La stabilité relative de fréquence en boucle du laser est de 1e-21 sur 100 ms ; je montre que le système obtenu respecte les spécifications. J'étudie dans le mémoire les propriétés d'un système où les boucles d'asservissements sont imbriquées.<br />Les cavités optiques résonnantes de l'interféromètre Virgo sont les éléments essentiels de la conversion d'une onde gravitationnelle. J'étudie l'ensemble des propriétés d'un oscillateur Fabry-Perot. Je montre comment elles peuvent être évaluées in situ à partir de mesures des fonctions de transfert utilisées pour leur verrouillage. Les cavités Fabry-Perot sont les oscillateurs de référence. Je fais un état des lieux de l'ensemble des perturbations susceptibles de perturber la stabilité de phase.

Cette thèse porte sur la localisation et la manipulation de la lumière à l'échelle de la longueur d'onde. Les travaux ont d'abord porté sur des micro-cavités à grands facteurs de qualité (Q) intégrées sur des guides rubans reposant sur un substrat (SOI). L'optimisation des miroirs grâce à une ingénierie de mode basée sur l'adaptation des profils des modes, a permis d'obtenir des Q allant jusqu'à 60000 pour un volume modal de 0,6(lambda/n)3. Le confinement a pu être observé par microscopie en champ proche et nous avons montré qu'il était possible de contrôler ces cavités par une pointe SNOM. . Enfin, nous nous sommes intéressés aux modes lents en abordant de façon théorique l'injection efficace de la lumière dans un mode lent.