Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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. / The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques. / A new EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) controller is presented. It allows the EMCCD to be used for photon counting by drastically taking down its dominating source of noise : the clock induced charges. A new EMCCD camera was built using this controller. It has been characterized in laboratory and tested at the observatoire du mont Mégantic. When compared to the previous generation of photon counting cameras based on intensifier tubes, this new camera renders the observation of the galaxies kinematics with an integral field spectrometer with a Fabry-Perot interferometer in Ha light much faster, and allows fainter galaxies to be observed. The integration time required to reach a given signal-to-noise ratio is about 4 times less than with the intensifier tubes. Many applications could benefit of such a camera: fast, faint flux photometry, high spectral and temporal resolution spectroscopy, earth-based diffraction limited imagery (lucky imaging), etc. Technically, the camera is dominated by the shot noise for flux higher than 0.002 photon/pixel/image. The 21 cm emission line of the neutral hydrogen (HI) is often used to map the galaxies kinematics. The extent of the distribution of the neutral hydrogen in galaxies, which goes well beyond the optical disk, is one of the reasons this line is used so often. However, the spatial resolution of such observations is limited when compared to their optical equivalents. When comparing the HI data to higher resolution ones, some differences were simply attributed to the beam smearing of the HI caused by its lower resolution. The THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey) project observed many galaxies of the SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey) project. The kinematics of THINGS will be compared to the kinematic data of the galaxies obtained in Ha light. The comparison will try to determine whether the sole beam smearing is responsible of the differences observed. The results shows that intrinsic dissimilarities between the kinematical tracers used are responsible of some of the observed disagreements. The understanding of theses differences is of a high importance as the dark matter distribution, inferred from the rotation of the galaxies, is a test to some cosmological models.

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Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital. / It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity.

L'objectif de cette thèse est de fabriquer différents dispositifs optiques basés sur la structuration des cristaux liquides. Nous avons tout d'abord présenté différentes méthodes pour aligner les molécules de cristaux liquides et détaillé celles que nous avons utilisées au cours de ce travail. L'alignement et certaines propriétés physiques des cristaux liquides ont permis de fabriquer des dispositifs optiques. Ces dispositifs se divisent généralement en trois catégories : les filtres optiques, les modulateurs spatiaux et les guides d'ondes optiques. Ils sont présents dans divers secteurs et particulièrement dans le domaine des télécommunications. La structure des cristaux liquides cholestériques a une biréfringence périodique qui donne lieu à une réflexion sélective de la polarisation circulaire de la lumière. Nous avons tiré profit de cette propriété en fabricant un miroir de Bragg commutable. Ce miroir nous a permis de fabriquer un filtre de Fabry-Pérot commutable et accordable. Un réseau de polymère a été utilisé pour stabiliser le cristal liquide cholestérique, afin d'apporter résistance mécanique et durabilité aux champs électriques. Les cristaux liquides ferroélectriques présentent des propriétés électro-optiques efficaces, en particulier un temps de réponse élevé. Cette propriété a été exploitée pour fabriquer des obturateurs optiques pour lunettes 3D actives basées sur des cristaux liquides ferroélectriques. Malgré un temps de réponse élevé, les cristaux liquides ferroélectriques présentent certains défauts structurels. Nous avons proposé une nouvelle technique pour pallier ces défauts. Enfin, nous avons fabriqué des guides d'ondes gravés dans le polymère à cristaux liquides. Nous avons fabriqué ce polymère à cristaux liquides de manière à obtenir deux phases de cristal liquide différentes : isotrope et anisotrope, sur le même substrat. Le substrat a ensuite été gravé afin de créer un séparateur de polarisation séparant le mode TE et TM dans les deux branches du guide.

L'instrumentation Cigale basé sur un interféromètre de Perot-Fabry permet d'obtenir une spectroscopie de la raie H alpha dans un grand champ. Cette instrumentation est utilisée sur un petit télescope pour observer la galaxie et le Petit Nuage de Magellan pour comprendre leur structure tridimensionnelle. Nous présentons un multispectromètre a dispersion croisée permettant de couvrir le domaine spectral d'un réseau avec la grande résolution spectrale du Perot-Fabry, et ceci simultanément pour les différents points d'une source bidimensionnelle. Il est integral de champ (au sens de Courtes 1987), par la trame de lentilles qui permet d'isoler des points contigus d'une image. Il est multicanal, intégral spectral (au sens de Chabbal 1958), car il permet d'obtenir tous les éléments spectraux au cours du balayage pas à pas d'un seul ordre du Perot-Fabry. Pour 40 canaux de balayage, on obtient simultanément 400 spectres de résolution spectrale R30000 sur un domaine de 200 NM environ dans le visible pour un récepteur de 20002000 éléments.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.

The different topics covered in this thesis include photosensitivity in germanosilicate fibers/glasses and application of fiber Bragg grating sensors in simultaneous strain and temperature discrimination. Fiber Bragg Gratings are wavelength dispersive refractive index structures manufactured through ultra-violet (UV) exposure of optical fibers. Their applications range from wavelength division multiplexing filters, dispersion compensators and fiber laser resonators for telecommunication applications to different types of point or distributive sensors for a variety of applications. One aim of this thesis has been to understand the mechanism of photosensitivity in germanosilicate fibers/preforms. Studies undertaken in this part of the thesis include thermal dynamics of Fiber Bragg Gratings and nano-indentation on ultra-violet irradiated germanosilicate glass preforms. An interesting, periodic appearance of a new peak has been observed in the reflected spectrum of Bragg grating inscribed in a germanosilicate fiber during thermal treatment. The new peak occurs on the longer wavelength side of the spectrum during heating and on the shorter wavelength side during cooling, following an identical reverse dynamics. A commercial grating with 99.9% reflectivity also shows a similar decay dynamics. The observed temperature induced distortion in refractive index modulation profile has been understood in the light of compaction-densification model. It is proposed that during the fabrication process of a grating, the modulation in the thermal expansion coefficient brought about by the interference fringes results in a non-uniform expansion throughout the grating length which in turn results in the distortion of the refractive index profile with increase/decrease in temperature. Since the reflection spectrum of a grating can be approximated as the Fourier transform of the refractive index profile, any distortion in the index profile results in the observed anomalous behaviour in the reflection spectrum. Nano-indentation studies have been performed to measure the changes in mechanical properties of a glass preform subjected to different levels of ultra-violet exposure. The results reveal that short term exposure leads to an appreciable increase in the Young’s modulus suggesting the densification of the glass, confirming the compaction-densification model. However, on prolonged exposure, the Young’s modulus decreases, which provides the first direct evidence of dilation in the glass leading into the Type IIA regime. The present results rule out the hypothesis that continued exposure leads to an irreversible compaction and prove that index modulation regimes are intrinsic to the glass matrix. In the second part of the thesis, three different schemes have been proposed for the use of Fiber Bragg Gratings as strain-temperature discriminating sensors: (a) The first method is based on the measurement of the different characteristic wavelength shifts of two types of gratings. Strain and temperature sensitivities of a Type I Bragg grating (G1) in germania doped silica fiber, fabricated under normal conditions, and zero strain, are compared with that of a Bragg grating inscribed under pre-strained condition (G2). Experimental results show that both, strain and temperature sensitivities of G1 and that of G2 are different. Based on this study, we have proposed an approach which enables simultaneous discrimination of axial strain and temperature. (b) In the second method, a single sensing element has been used to encode strain and temperature into an additional parameter other than the wavelength shift. The thermal out-diffusion of germanium from the core of a photosensitive fiber under elevated temperature is exploited to form a Fabry-Perot filter with a single Fiber Bragg Grating. The filter is fabricated using the standard phase-mask technique and one-time exposure. Energy Dispersive X-Ray analysis is used to measure the out-diffusion. The filter is used as a sensor for simultaneous measurement and discrimination of strain and temperature. The proposed technique, where a single grating is used to discriminate the parameters, provides a large advantage over other existing methods. (c) In the third method, a compact design based on cross-wire arrangement of Fiber Bragg Gratings having identical Bragg resonance and different reflectivity is proposed for simultaneously sensing strain (uniaxial) and temperature. Two gratings are assembled orthogonal to each other on an aluminium base. The cross-wire design allows the two sensors to experience the same temperature but different strain. The gratings are identified by their respective reflectivity and, strain and temperature are resolved from the shift in Bragg wavelength. The proposed design exploits the fact that strain is a vector and temperature is a scalar parameter. This sensor has wide industrial application in discriminating strain from temperature effects.