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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.

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.

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

Percutaneous needle placement, a minimally invasive procedure performed dozens of millions in the U.S. each year, relies on dedicated skill and long-term training due to difficult control of needle trajectory inside tissue and mental registration of images to locations inside the patient. Inaccurate needle placement may miss cancer tumors during diagnosis or eradicate healthy tissue during therapy. MRI provides ideal procedure guidance with the merit of excellent soft tissue contrast and volumetric imaging for high spatial resolution visualization of targets and surgical tool. However, manual insertion in the bore of an MRI scanner has awkward ergonomics due to difficult access to the patient, making both training and intervention even harder. To overcome the challenges related to MRI electromagnetic compatibility and mechanical constraints of the confined close-bore, a modular networked robotic system utilizing piezoelectric actuation for fully actuated prostate biopsy and brachytherapy is developed and evaluated with accuracy study. To enhance manipulation dexterity, two kinds of steerable continuum needle robots are developed. The asymmetric tip needle robot performs needle rotation and translation control to minimize tissue deformation, and increase steering dexterity to compensate placement error under continuous MRI guidance. The MRI-guided concentric tube robot is deployed to access delicate surgical sites that are traditionally inaccessible by straight and rigid surgical tools without relying on tissue reaction force. The master-slave teleoperation system with hybrid actuation is the first of its kind for prostate intervention with force feedback. The teleoperation controller provides the feel and functionality of manual needle insertion. Fabry- Perot interferometer based fiber optic force sensor is developed for the slave manipulator to measure needle insertion force and render proprioception feedback during teleoperation.

Fibre-optic sensors have been the focus of a lot of research, but their associated high cost has stifled their transferral from the laboratory to real world applications. This thesis addresses the issue of multiplexing, a technology that would lower the cost per unit sensor of a sensor system dramatically. An overview of the current state of research of, and the principles behind, multiplexed sensor networks is given. A new scheme of multiplexing, designated W*DM, is developed and implemented for a fibre Bragg grating (FBG) optical fibre sensor network. Using harmonic analysis, multiplexing is performed in the domain dual to that of the wavelength domain of a sensor. This scheme for multiplexing is compatible with the most commonly used existing schemes of WDM and TDM and thus offers an expansion over, and a resultant cost decrease from, the sensor systems currently in use. This research covered a theoretical development of the scheme, a proof of principle, simulated and experimental analysis of the performance of the multiplexed system, investigation into sensor design requirements and related issues, fabrication of the sensors according to the requirements of the scheme and the successful multiplexing of eight devices (thus offering an eightfold increase over current network capacities) using this scheme. Extensions of this scheme to other fibre sensors such as Long Period Gratings (LPGs) and blazed gratings were also investigated. Two LPGs having a moir?? structure were successfully multiplexed and it was shown that a blazed Fabry Perot grating could be used as a tuneable dual strain/refractive index sensor. In performing these tests, it was discovered that moir?? LPGs exhibited a unique thermal switching behaviour, hereto unseen. Finally the application of fibre sensors to the civil engineering field was investigated. The skill of embedding optical fibre in concrete was painstakingly developed and the thermal properties of concrete were investigated using these sensors. Field tests for the structural health monitoring of a road bridge made from a novel concrete material were performed. The phenomenon of shrinkage, creep and cracking in concrete was investigated showing the potential for optical fibre sensors to be used as a viable research tool for the civil engineer.

Ce travail présente les mesures de la polarisation par effet Compton du faisceau d'électrons de l'accélérateur TJNAF pour les expériences de mesure des facteurs de forme électromagnétiques du proton et de mesure des fonctions de réponse du nucléon dans la réaction de l'électroproduction de pion au voisinage de la résonance 6.(1232). Le polarimètre Compton, dont le principe repose sur la diffusion élastique électron-photon, a été conçu et réalisé autour d'une cavité Fabry-Perot de finesse élevée, de l'ordre de 25000. La puissance du laser incident, de type Nd:YAG à la longueur d'onde 1064 nm, est accumulée dans la cavité optique afin d'obtenir une luminosité d'interaction telle que la précision statistique sur la mesure de la polarisation des électrons atteigne 1% en une heure. La fréquence du laser est asservie par la méthode Pound-Drever à une fréquence de résonance de l'interféromètre. La polarisation circulaire du faisceau de photons dans la cavité a été mesurée égale à 99.6+/-0.45%. Cette grandeur, ainsi que la mesure de l'asymétrie expérimentale et du pouvoir d'analyse de notre instrument, intervient directement dans la mesure de la polarisation du faisceau d'électrons. Le pouvoir d'analyse a été déterminé par une caractérisation de la réponse du détecteur de photons, un calorimètre composé de 25 cristaux de PbW04, à l'aide des événements détectés en coïncidence avec le détecteur d'électrons, composé de 4 plans de 48 'pistes de silicium. Les incertitudes de mesure proviennent principalement de la modélisation de la fonction de réponse du détecteur, de l'effet d'empilement de la mesure de la polarisation des photons. L'incertitude relative totale sur la mesure de Pe est de 1.4% pour une prise de données de 40 minutes. Le polarimètre Compton permet aussi de mesurer les différences d'hélicité entre deux renversements de la polarisation des électrons. Celle ci a été trouvée compatible avec zéro à 0.3% près.

La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.