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Thesis (M.S.) -- University of Tennessee, Knoxville, 2005. / Title from title page screen (viewed on Feb. 2, 2006). Thesis advisor: Marianne Breinig. Vita. Includes bibliographical references.

In this dissertation, novel phase compensation technologies are applied to the designs of wide viewing angle and high transmittance liquid crystal displays. First, a design of wide viewing angle liquid crystal displays utilizing crossed linear polarizers is proposed. The designed multi-domain vertical-alignment liquid crystal display predicts superb contrast ratio over wide viewing angles. Next, to increase the bright state transmittance while maintain the high contrast. Finally, to reduce the cost and improve the applicability of the broadband and wide-view circular polarizer, the device configuration of the broadband and wide-view circular polarizer is significantly simplified by the application of biaxial compensation films. The produced states of polarization remain close to the ideal circular polarization over a wide range of incident angles within the visual spectrum. With this circular polarizer, the presented wide-view liquid crystal display predicts high contrast ratio as well as high and uniform transmittance over wide viewing angles within the visual spectrum. ratio, wide viewing angle circular polarizers are developed. The produced states of polarization are very close to the ideal circular state of polarization over a wide range of incident angles within the visual spectrum. This guarantees not only high contrast ratio but also high and uniform transmittance.

We have advanced the state-of-the-art for nano-fabrication of carbon nanotube (CNT) based field emission devices, and have conducted experimental and theoretical investigations to better understand the reasons for the high reduced brightness achieved. We have demonstrated that once the CNT emitter failure modes are better understood and resolved, such CNT emitters can easily reach reduced brightness on the order of 10⁹ A m⁻² sr⁻¹ V⁻¹ and noise levels of about 1%. These results are about 10% better than the best brightness results from a nanotip emitter archived to date. Our CNT emitters have order of magnitude better reduced brightness than state-of-the-art commercial Schottky emitters. Our analytical models of field emission matched our experimental results well. The CNT emitter was utilized in a modified commercial scanning electron microscope (SEM) and briefly operated to image a sample. We also report a successful emission from a lateral CNT emitter element having a single suspended CNT, where the electron emission is from the CNT sidewall. The lateral CNT emitters have reduced brightness on the order of 10⁸ A m⁻² sr⁻¹ V⁻¹, about 10X less than the vertical CNT emitters we fabricated and analyzed. The characteristics of the lateral field emitter were analyzed for manually fabricated and directly grown CNT emitters. There was no significant difference in performance based on the way the CNT emitter was fabricated. We showed that the fabrication technique for making a single CNT emitter element can be scaled to an array of elements, with potential density of 10⁶-10⁷ CNT emitters per cm². We also report a new localized, site selective technique for editing carbon nanotubes using water vapor and a focused electron beam. We have demonstrated the use of this technique to cut CNTs to length with 10s of nanometers precision and to etch selected areas from CNTs with 10s of nanometers precision. The use of this technique was demonstrated by editing a lateral CNT emitter. We have conducted investigations to demonstrate the effects of higher local water pressure on the CNT etching efficiency. This was achieved by developing a new method of localized gas delivery with a nano-manipulator. / text

Les nano-applications utilisant des faisceaux d'ions focalisés nécessitent des sources d'ions à haute brillance avec une faible dispersion en énergie (ΔE) ce qui permet une excellente résolution latérale et un courant d'ions suffisamment élevé pour induire des vitesses d'érosion raisonnables et des rendements élevés d'émission électronique et ionique. Les objectifs de cette thèse sont le développement d'une source d'ions basée sur l'impact électronique ayant une brillance réduite Br de 10³ – 10⁴ A m⁻² sr ⁻ ¹ V⁻ ¹, une dispersion en énergie ΔE ≲ 1 eV et un choix polyvalent d'ions. Le premier concept évalué consiste à focaliser un faisceau d'électrons à une énergie de 1 keV entre deux électrodes parallèles distant de moins d'un millimètre. Le volume d'ionisation « micrométrique » est formé au-dessus d'une ouverture d'extraction de quelques dizaines de µm. En utilisant un émetteur d'électrons LaB₆ et une pression de 0.1 mbar dans la région d'ionisation, Br est proche de 2.10² A m⁻² sr ⁻ ¹ V ⁻ ¹ avec des tailles de source de quelques µm, des courants de quelques nA pour Ar⁺/Xe⁺/O₂ ⁺ et une dispersion en énergie ΔE < 0.5 eV. La brillance réduite Br est encore en dessous de la valeur minimum de notre objectif et la pression de fonctionnement très faible nécessaire pour l'émetteur LaB₆ ne peut être obtenue avec une colonne d'électrons compacte, donc ce prototype n'a pas été construit.Le deuxième concept de source d'ions évalué est basé sur l’idée d’obtenir un faisceau ionique à fort courant avec une taille de source et un demi-angle d’ouverture similaire aux résultats du premier concept de source, mais en changeant l’interaction électron-gaz et la collection des ions. Des études théoriques et expérimentales sont utilisées pour l’évaluation de la performance de ce deuxième concept et de son utilité pour les nano-applications basées sur des faisceaux d'ions focalisés. / High brightness low energy spread (ΔE) ion sources are needed for focused ion beam nano-applications in order to get a high lateral resolution while having sufficiently high ion beam currents to obtain reasonable erosion rates and large secondary electron/ion yields. The objectives of this thesis are: the design of an electron impact ion source, a reduced brightness Br of 10³ – 10⁴ A m⁻² sr⁻ ¹ V⁻ ¹ with an energy distribution spread ΔE ≲ 1 eV and a versatile ion species choice. In a first evaluated concept an electron beam is focussed in between two parallel plates spaced by ≲1 mm. A micron sized ionisation volume is created above an extraction aperture of a few tens of µm. By using a LaB₆ electron emitter and the ionisation region with a pressure around 0.1 mbar, Br is close to 2.10² A m⁻² sr ⁻ ¹ V ⁻ ¹ with source sizes of a few µm, ionic currents of a few nA for Ar⁺/Xe⁺/O₂ ⁺ and the energy spread being ΔE < 0.5 eV. The determined Br value is still below the minimum targeted value and furthermore the main difficulty is that the needed operation pressure for the LaB₆ emitter cannot be achieved across the compact electron column and therefore a prototype has not been constructed. The second evaluated source concept is based on the idea to obtain a high current ion beam having a source size and half-opening beam angle similar to the first concept, but changing the electron gas interaction and the ion collection. Theoretical and experimental studies are used to evaluate the performance of this second source concept and its usefulness for focused ion beam nano-applications.

In this thesis, we focus on the generation of entangled photon pair from III-V quantum dots. The achievements mainly consists of two aspects: one is the wavelength tunability of these entangled photon pairs, which is enabled by on-chip strain engineering; the other is the brightness enhancement with an optical-broadband antenna to boost the extraction of entangled photons from the material matrix where quantum dots are embedded in.

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique. / This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity.

Dans le cadre du projet LIU, vise à augmenter la puissance des injecteurs du LHC, le CERN PS Booster (PSB) sera mis à jour avec un système d'injection d'échange de charge H- et son énergie d'injection sera portée de 50 MeV à 160 MeV pour obtenir la luminosité du faisceau nécessaire pour le LHC High-Luminosity Upgrade. Effets de charge d'espace comme pertes de faisceau et incrément d’émittance transversale à l'injection vont être les principales limites vers la réalisation de la haute luminosité souhaitée. Des études sur la dynamique du faisceau en présence de charge d'espace afin d'évaluer les performances du PSB après la mise à niveau ont été effectuées. La première partie du travail consiste de mesures dans la présente machine, pour étudier les effets de charge d'espace et son interaction avec les résonances et d'avoir un ensemble de données pour le code benchmarking. Le code choisi pour le suivi du faisceau en présence de charge d'espace est PTC-Orbit (et PyOrbit). Les études de convergence numériques nécessaires sont présentées conjointement avec les études de la comparaison des simulations avec les mesures dans la machine. Une fois évalué le code et ses limites, les prévisions pour l'injection dans le PSB à 160 MeV avec des poutres de luminosité élevé sont livrés en termes de pertes de faisceau et incrément d’émittance. Ces études comprennent l'optimisation du point de fonctionnement, la compensation des résonances et/ou la correction de chromaticité en tenant compte des erreurs magnétiques attendus dans la machine. / As part of the LHC Injector Upgrade Project, the CERN PS Booster (PSB) will be upgraded with a H- charge exchange injection system and its injection energy will be raised from 50 MeV to 160 MeV to obtain the beam brightness required for the LHC High-Luminosity Upgrade. Space charge effects like beam losses and transverse emittance blow-up at injection are expected to be the main limitations towards the achievement of the required high brightness. Studies of beam dynamics in presence of space charge in order to evaluate the performances of the PSB after the Upgrade have been performed. The first part of the work consists of measurements in the present machine, to study the effects of space charge and its interplay with resonances and to have a good set of data for code benchmarking. The code chosen for the beam tracking in presence of space charge is PTC-Orbit (and PyOrbit). Necessary numerical convergence studies are presented together with a benchmark with the PSB measurements. Once assessed the code and its limitations, predictions for the 160 MeV injection with high- brightness beams are delivered in terms of beam losses and emittance blow-up. These studies include the optimization of the working-point, resonance compensation and/or chromaticity correction taking into account the expected magnetic errors in the machine.