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ABSTRACT For a variety of wireless sensor network applications, sensor nodes may find their received signal strengths dominated by small-scale propagation effects. Particularly impacted are applications designed to monitor structural health and environmental conditions in metal cavities such as aircraft, busses, and shipping containers. Small changes in each sensor’s position or carrier frequency can cause large variations in this received signal strength, thereby compromising link connectivity. We leverage a technique called Wireless Sensors Sensing Wireless (WSSW) in which wireless sensors act as scalar network analyzers in order to characterize their own environment. WSSW data can enable sensors to react to particularly bad fading, such as hyper-Rayleigh, by switching to a good channel or by implementing other mitigation techniques, such as utilizing a diversity antenna. In this work, the WSSW concept has been extended to accommodate mesh networks and include a spectrum analysis capability for recognizing potentially interfering wireless activity. The test of mitigation techniques is often problematic since application sites are far from controlled environments and are often difficult to access. To address this problem, we have developed a Compact Reconfigurable Channel Emulator (CRCE) to create a laboratory environment that is configurable to a variety of repeatable fading scenarios. With the CRCE, fading characteristics found at a specific wireless sensor network location may be replicated inside the chamber to discover the connectivity capabilities of the sensors and the effectiveness of diversity schemes (e.g., channel switching or multi-element antenna arrays).

Abstract The first hyperpolarizability(£]) of five charge-transfer molecules are determined using the hyper-Rayleigh scattering (HRS) technique at two excitation wavelengths : 1064nm and 1907nm. The 1064nm excitation wavelength is derived from a Nd: YAG pulsed laser, and the 1907nm excitation wavelength is obtained by shifting the 1064nm laser light by stimulated Raman scattering of pressurized H2 gas. Four of the five samples contains thiophene and thiazole are synthetized by Prof. Shu Ching-Fong at the National Chiao Tung University (NCTU) and the other sample is synthetized by Prof. Hong, Jin-Long at the National Sun Yat-sen University (NSYSU). The measured £] values are used to calculate the intrinsic molecular hyperpolarizabilities using the two-level model previously developed by Oudar and Chemla. The results are related to molecular structure.

The technique of hyper-Rayleigh scattering is employed to measure the first molecular hyperpolarizabilities£]of nonlinear optical chromophores provided by Industrial Technology Research Institute. £]0. In the thesis, the effect of the molecular structure and the solvent on the hyperpolarizabilities will be discussed further.

Cette thèse a pour objectif l’étude des propriétés optiques non linéaires (ONL) de second ordre de molécules de référence et de composés organiques photochromes, via des calculs de chimie quantique et des expériences de diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). L’étude des réponses optiques de second harmonique d’une série de solvants organiques met tout d’abord en évidence la nécessité d’utiliser des méthodes théoriques intégrant les effets de la corrélation électronique, les effets d’environnement, ainsi que des bases très étendues pour évaluer quantitativement les premières hyperpolarisabilités moléculaires. La décomposition du tenseur de première hyperpolarisabilité en contributions dipolaires et octupolaires via le formalisme des harmoniques sphériques permet également d’illustrer l’effet de la symétrie des composés sur leurs réponses ONL. La seconde étude porte sur la caractérisation des effets de solvant sur les propriétés ONL d’un dérivé anil présentant un équilibre entre une forme énol et une forme cétone. Il est démontré que l’équilibre énol/cétone peut être déplacé vers la forme cétone en augmentant la proportion d’éthanol dans le mélange binaire de solvants éthanol/cyclohexane, conduisant à une augmentation de l’intensité HRS du mélange. La dernière partie de la thèse propose une étude théorique systématique des effets de substitution sur les propriétés ONL de sels de flavylium, dans le but d’optimiser le contraste des réponses ONL entre les différentes formes des composés. Il est démontré qu’une combinaison optimale de substituants permet d’obtenir de forts contrastes, démontrant le potentiel de ces composés comme systèmes multi-états pour des applications ONL. / This PhD addresses the nonlinear optical (NLO) properties of the reference organic molecules and molecular switches, by means of quantum chemical calculations and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) measurements. The thorough investigation of the NLO responses of a series of organic solvents first evidences the need of using theoretical methods including environment and electron correlation effects, as well as highly extended basis sets to quantitatively evaluate the molecular first hyperpolarizabilities. Decomposing the first hyperpolarizability tensor into dipolar and octupolar contributions via the spherical harmonics formalism also highlights the impact of the molecular symmetry on the NLO responses. The second part addresses the solvent effects on the NLO properties of an anil derivative, which exhibits an equilibrium between a enol and a keto form. It is shown that the enol/keto equilibrium is shifted towards the keto form when increasing the ethanol ratio in ethanol/cyclohexane solvent mixtures, leading to an increase of the HRS intensity. The last part addresses the effects of the chemical substituents on the NLO properties of flavylium salts, with the aim of optimizing the NLO contrasts between the various forms of the compounds. It is found that optimal combinations of chemical substituents lead to high NLO contrats, which demonstrates the potential of these compounds as multi-states systems for NLO applications

Les interrupteurs moléculaires sont des composés capables de commuterréversiblement entre deux ou plusieurs états stables en réponse à un stimulusextérieur. Lʼobjectif de la thèse est la conception dʼinterrupteurs moléculairesprésentant des contrastes optiques non-linéaires (ONL) et la mise évidence desparamètres structuraux et électroniques menant à dʼimportants contrastes depremière hyperpolarisabilité (β) via une approche multidisciplinaire qui combine lasynthèse de nouveaux composés, la caractérisation de leurs réponses optiqueslinéaires et non-linéaires par spectroscopie dʼabsorption UV-visible et par diffusionhyper-Rayleigh et lʼutilisation des méthodes de la chimie théorique afin de prédire etdʼinterpréter les propriétés moléculaires. Ces phénomènes de commutationsréversibles et les changements de propriétés qui les accompagnent présentent denombreux intérêts, tant technologiques comme lʼélaboration dʼordinateursmoléculaires quʼau niveau des organismes vivants où de nombreuses fonctionsbiologiques sont basées sur un phénomène de commutation. Les principaux résultatsde nos travaux se situent au niveau de lʼinterprétation des réponses ONL et de leurscontrastes en fonction de la nature, de la position et du caractère donneur/accepteurdes substituants présents sur le squelette des interrupteurs moléculaires. / Molecular switches are compounds presenting the ability to commutereversibly between two or more states in response to external stimuli. The goal of thework is the design of molecular switches exhibiting contrasts of their second-ordernonlinear optical (NLO) properties and the highlight of the structural and electronicparameters leading to large contrasts of first hyperpolarizability (β) via amultidisciplinary approach combining the synthesis of new compounds, thecharacterization of their linear (by UV-Visible absorption spectroscopy) and nonlinearoptical properties (by hyper Rayleigh scattering), and the theoretical simulations inorder to predict and interpret molecular properties. These reversible switchingprocesses and the resulting variations of molecular properties have many interests intechnological area such as the development of molecular computers or in lifesciences since many biological functions are based on commutation mechanisms.The major results of our investigations are the interpretation of the NLO responsesand contrasts as a function of the nature, the positioning, and the donor/acceptorcharacter of the substituents.

Lors de ce travail de thèse, nous avons effectué des recherches sur des chromophores organiques. Notre étude s’est portée sur la commutation des propriétés optiques linéaires et non linéaires via l’étude d’interrupteurs organiques multi-adressables. Notre étude s’est portée plus particulièrement sur la famille des dérivés de l’indolino-oxazolidine. Ce type de molécule présente l’avantage d’avoir deux voix de commutations distinctes par photochromisme et acidochromisme. Nous avons recherché le lien entre la structure des molécules et leurs propriétés optiques par une étude combinée originale théorie/expérience avec l’utilisation de calculs quantiques sophistiqués et par diffusion hyper-Rayleigh de la lumière. / In this work we have investigated the commutation of linear and non linear optical properties in organic multifunctional switches. Indolino-oxazolidine compounds and their derivatives were chosen as example of multifunctional systems, because they combine both acidochromic and photochromic properties. The relationships between the molecular structure of these compounds and their optical properties were established by means of high level the quantum chemical approach and hyper-Rayleigh Scattering of light approaches.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude de la génération de second harmonique par lesnanoparticules métalliques. La présence de résonances de plasmon de surface localisées dans lesnanoparticules métalliques accroit la section efficace non linéaire et le but de ce travail a été decomprendre comment ce couplage peut être mis à profit. D’un point de vue fondamental, lacomparaison entre expérience et théorie a permis de mettre en évidence le mode d’émissionoctupolaire ainsi que de pondérer les contributions de surface et de volume au signal total émis.Il a également été démontré que des profils de Fano non linéaire pouvaient être observés dans lecas de nano-objets très simples. Des applications pratiques, telle que les capteurs plasmoniques,ont été abordées montrant que les propriétés intrinsèques de la génération de second harmoniqueoffrent plusieurs avantages et augmentent la sensibilité de tels capteurs. Des mesuresexpérimentales ont également été effectuées sur des nanoparticules d’or uniques enfermées dansune matrice homogène, ouvrant la voie pour une compréhension plus fine de l’impact de lamorphologie des nanoparticules sur leur réponse non linéaire. / This work is devoted to the study of the second harmonic scattering from spherical metallicnanoparticles. The optical properties of noble metal nanoparticles are known to be dominated bythe localized surface plasmon resonances which increase the second harmonic intensity. From afundamental point of view, the octupolar emission mode is revealed for the first time bycomparison between experiments and theory. The origin of the second harmonic generation(SHG) in metallic nanoparticles is discussed showing that bulk contributions are needed. It wasshown that Fano profiles can be observed in a very simple configuration. Practical applicationsare also addressed demonstrating that the properties of SHG increase the plasmonic sensorperformances. The second harmonic generation form single gold nanoparticles embedded in ahomogeneous medium is also reported for the first time paving the way toward a betterunderstanding of the morphology impact on the nonlinear response of metallic nanoparticles.

Ce manuscrit décrit le processus optique non linéaire de Génération de Second Harmonique (acronyme anglais SHG pour Second Harmonic Generation) réalisé en phase liquide. En particulier, la propriété de cohérence de ce processus est étudiée en détail. En effet, en raison de la parité du processus SHG, cette cohérence est perdue dans les liquides. Ces études portent ainsi sur plusieurs géométries afin d’accéder aux réponses de volume et de surface. Les avantages d’une méthode combinée sont aussi discutés. Dans une première partie, la configuration classique de la Diffusion Hyper Rayleigh (acronyme anglais HRS pour Hyper Rayleigh Scattering ou SHS Second harmonic scattering) est utilisée pour l’étude de systèmes simples comme les solvants purs. Cette étude porte en particulier sur les méthodes de normalisation des hyperpolarisabilités moléculaires. Une voie alternative est proposée basée sur l’introduction d’une section efficace HRS ou SHS. Par la suite, les effets liés aux ordres non linéaires supérieurs sont démontrés et interprétés, ceux-ci pouvant altérer les valeurs absolues qui peuvent être mesurées.La seconde partie porte sur l’introduction de plusieurs améliorations dans les mesures HRS ou SHS. En particulier, l’évolution vers des géométries non conventionnelles s’éloignant de la géométrie standard ainsi que sur des évolutions permettant d’accéder aux aspects dynamiques sont proposées. Des expériences sont réalisées sur des systèmes simples comme les solvants purs, des composés moléculaires et des nanoparticules, tous présentant des spécificités propres. Cette partie finit sur l’exploration des systèmes aléatoires diffusants et les problèmes associés. Enfin, dans une dernière partie, la réponse HRS ou SHS de solutions aqueuses de sels est discutée. Les mesures portent plus particulièrement sur une étude comparée des aspects cohérents et incohérents et les propriétés qu’il est possible de mesurer dans ces systèmes / This manuscript describes the nonlinear optical process of Second Harmonic Generation (SHG acronym for Second Harmonic Generation) carried out in liquid phase. In particular, this process coherence property is studied in detail. Indeed, due to the parity of the SHG process, this coherence is lost in liquids. These studies covers several geometries to access the volume and surface responses. The benefits of a combined method are also discussed. In the first part, the typical configuration of the Hyper Rayleigh Scattering(HRS or SHS for Second harmonic scattering) is used for the study of simple systems like pure solvents. This particular study focuses on methods of standardization of molecular hyperpolarizabilities. An alternative route is proposed based on the introduction of a HRS or SHS cross. Subsequently, the effects of the higher nonlinear orders are demonstrated and interpreted, they can alter the absolute values that can be measured.The second part deals with the introduction of several improvements in the HRS or SHS measurement. In particular, the trend towards unconventional geometries away from the standard geometry as well as developments for accessing dynamic aspects are proposed. Experiments are performed on simple systems such as pure solvents, molecular compounds and the nanoparticles, all presenting specificities. This part ends on exploring the random scattering systems and associated problems. Finally, in the last part, the HRS or SHS response of aqueous salt solutions is discussed. The measures focus specifically on a comparative study of coherent and incoherent aspects and properties that can be measured in these systems

Due to the unprecedented spatial and temporal resolution they offer, wireless sensor networks are considered an enabling technology for the distributed monitoring of industrial, military, and natural environments. As these systems migrate into vastly different and novel applications, new constraints are discovered that affect network reliability and utility. For example, wireless sensors are typically statically deployed and, unlike mobile systems, cannot move to a new location for better radio reception. As a result, the signal fades caused by non-optimal environmental conditions can increase the outage probability of the system, potentially rendering the network unreliable and ineffectual. Stochastic models that quantify link reliability and the effectiveness of diversity methods are often employed to understand the impact of such fading. However, the performance of these models applied to wireless sensor networks is entirely dependent on the appropriateness of the model with respect to the environment. This work first presents an empirical study of the propagation environment for a wingless, rotary aircraft, showing that the wireless environment within exhibits frequency-selective fading much more severe than predicted by current worst-case models (i.e., Rayleigh). An analysis is then given of the effectiveness of several diversity methods operating within such environments (referred to as hyper-Rayleigh). These fade mitigation techniques are simple enough to be employed for use with low-complexity wireless sensor hardware, and include spatial diversity, polar diversity, two-element passive combining, and two-element phased combining. Two-element phased combining is further developed by examining the effect that smaller element spacing has on diversity gain. A demonstration of a wireless