Les sources infrarouges sont indispensables à la détection locale de gaz dans de nombreux domaines, que ce soit pour l'environnement (détection de polluants et gaz à effets de serre) ou la défense (détection de menaces biologiques et chimiques). Elles sont également nécessaires en tant que mires de calibration pour le développement de caméras multispectrales infrarouges. Pour toutes ces applications, il est nécessaire de disposer de sources performantes, capables d'émettre un rayonnement spécifique dans une direction donnée. L'objectif de cette thèse est de concevoir des sources thermiques infrarouges compactes et à coût modéré, à spectre accordable et à pertes réduites, pouvant être juxtaposées dans un même dispositif. Pour cela, ces travaux s'organisent autour de deux axes. Le premier concerne l'étude de nouveaux matériaux nanostructurés résonants, appelés métamatériaux ou métasurfaces selon les directions de la structuration, permettant de contrôler l'émissivité spectrale et spatiale afin de maîtriser la réponse spectrale en tout point. Cette étude repose à la fois sur des simulations numériques et sur des mesures expérimentales et démontre le potentiel de ces résonateurs pour la conception de sources thermiques accordables. Cependant, ces matériaux étant composés de métal, ils présentent des pertes par absorption dans l'infrarouge qui limitent leurs performances. Le deuxième axe de recherche est alors de gérer les pertes liées à l'utilisation de métaux grâce à une ingénierie des champs dans des métamatériaux, menant à des émissions spectralement très fines. Les résultats obtenus sur ce contrôle des pertes ouvrent de nombreuses perspectives pour tout le domaine des métamatériaux. / Infrared sources are essential for local gas detection for civil applications (detection of pollutant and greenhouse gas) or military applications (detection of chemical and biological threats). They are also used as calibration targets for the development of multispectral infrared cameras. For these applications, the sources must be efficient and able to emit a specific light in a given direction. The aim of this thesis is to develop infrared thermal emitters with the following features: low cost with a compact volume, with a tunable spectral response and low losses, able to be juxtaposed on the same device. This work begins with the study of new resonant nanostructured materials, called metamaterials or metasurfaces according to the direction of the structuration, that spectrally and spatially control the emitted light up to the wavelength scale. This study relies on numerical simulations and experimental measurements and demonstrates the potential of these resonators as tunable thermal sources. However, due to the use of metals in these materials, their performance is limited by metal losses. The second study of this work is then to deal with these losses thanks to a field engineering in metamaterials, leading to very narrow spectral responses. The results on this loss control open up promising breakthroughs in the plasmonic and metamaterials field

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'identification et la quantification des espèces transmise aux cellules nerveuses lors des échanges moléculaires entre les neurones sous la forme de neurotransmetteurs nous permettent de mieux comprendre certains fonctionnements du cerveau et certaines maladies neurodégénératives. À son tour, cette compréhension nous permettrait à long terme d'améliorer la qualité de vie des patients souffrants de ces maladies. D'un autre côté, la composition des aliments sous la forme de valeurs nutritionnelles nous permet de mieux connaître l'effet de la consommation de ces aliments sur la santé afin d'éviter de graves complications. De plus, la connaissance de cette composition nous permet d'améliorer la qualité de ces produits. Pour extraire la composition et la concentration des neurotransmetteurs dans le cerveau ou les valeurs nutritionnelles des aliments, il faut développer des outils d'analyse chimique et moléculaire très précise et sélective. L'analyse chimique d'un échantillon biologique nécessite deux étapes : (1) l'échantillonnage du liquide biologique et (2) l'étude de la composition de l'échantillon. Cette dernière étape consiste à identifier/quantifier la composition moléculaire des échantillons et à caractériser les propriétés chimiques de ces derniers. Cette étape nécessite donc le développement des instruments et des algorithmes de détection moléculaire avancés qui permettent de déterminer les concentrations physiologiques des neurotransmetteurs et d'autres molécules biologiques. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux neurotransmetteurs suivants : dopamine hydrochloride, acide L-ascorbique, acétylcholine chloride, y-aminobutyrique, glycine et acide L-glutamique et aux molécules de sucre, incluant le glucose, le fructose et le saccharose. Le choix de l'instrument à utiliser dépend de plusieurs critères, dont les caractéristiques de l'échantillon (viscosité, volume parmi d'autres). Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous examinons les performances de plusieurs méthodes et instruments de détection, soit l'électrochimie, la spectroscopie d'impédance et la spectroscopie UV/Visible et infrarouge (IR), pour la détection de différents types de molécules dans des échantillons aqueux. Par la suite, nous proposons une nouvelle approche d'analyse des échantillons aqueux basée sur la spectroscopie IR. Nous nous intéressons plus particulièrement au spectromètre microscope-FTIR qui nous permet d'effectuer des analyses spectroscopiques IR et de visualiser la distribution spatiale et moléculaire dans l'échantillon. Cependant, le spectromètre microscope-FTIR, dans sa configuration standard, ne permet pas l'analyse des échantillons aqueux à cause de la forte absorption des rayonnements IR par les molécules d'eau. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un nouveau système microfluidique de contrôle et de manipulation des liquides qui a été intégré au spectromètre microscope-FTIR pour analyser des échantillons aqueux. Le nouveau système proposé consiste en un module de réflexion, une couche hydrophobe et un module microfluidique. Le module de réflexion est maintenu à une température élevée pour l'évaporation rapide du solvant. La couche hydrophobe permet à son tour de confiner l'échantillon en un espace restreint pour avoir une distribution plus uniforme des molécules sur la surface du substrat. Ce nouveau système nous a permis d'identifier et de quantifier différents types de molécules tels que les neurotransmetteurs et les molécules de sucres, dont le glucose, le fructose et le saccharose. La limite de détection que nous avons pu atteindre avec notre système est de 10 µMolaire pour les neurotransmetteurs, de 3 mMolaire pour le glucose et le fructose et de 1 mMolaire pour le saccharose. En plus, nous avons proposé un nouvel algorithme pour une identification automatique des neurotransmetteurs par le microscope FTIR. À travers cet algorithme, nous avons pu identifier, dans des solutions synthétiques (homogènes et hétérogènes), les six neurotransmetteurs suivants : la dopamine hydrochloride, l'acide L-ascorbique, l'acétylcholine chloride, l'y-aminobutyrique, la glycine et l'acide L-glutamique. La précision de la détection du nouvel algorithme est de 75% à 100% pour les six neurotransmetteurs que nous avons étudiés dans 36 échantillons homogènes et 45 échantillons hétérogènes. / The identification and quantification of species transmitted/received by nerve during molecular exchanges between neurons in the form of neurotransmitters allow us to better understand certain brain functions and certain neurodegenerative diseases. This understanding helps us in the long term to improve the quality of life of patients suffering from these diseases. Also, the composition of foods and their nutritional values, allows us to better understand the effect of foods consumption on human health to avoid severe complications and to improve food quality. To extract the composition and concentration of neurotransmitters in the brain and concentration of sugar for example in foods, it is necessary to develop very precise and selective chemical and molecular analysis tools. Indeed, chemical analysis of a biological sample requires two steps: (1) sampling the biological fluid and (2) studying the composition of the sample. The second step consists of identifying / quantifying the molecular composition of the samples and characterizing the its chemical properties. Therefore, this step requires the development of advanced molecular detection instruments and algorithms that make it possible to determine the physiological concentrations of neurotransmitters and other biological molecules. In this study, we were interested in the following neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid and in sugar molecules including glucose, fructose, and sucrose. The selection of the detection methods/instruments depends on several criteria such as the characteristics of the sample (viscosity, volume among others). In the context of this PhD thesis, we are investigating the performance of several detection methods/instruments such as electrochemistry, impedance spectroscopy and UV / Visible and infrared (IR) spectrometry, for the detection of different types of molecules in aqueous samples. Then, we propose a new chemical analysis approach of aqueous samples based on IR spectrometry. We are particularly interested to microscope-FTIR spectrometer which allows us to perform IR spectroscopic analysis and to visualize the spatial molecular distribution in the analyzed sample. However, the microscope-FTIR spectrometer, in its standard configuration, does not allow the analysis of aqueous samples due to the high absorption of IR radiation by water molecules. To address this problem, we proposed a new microfluidic system for liquid control and handling, which has been integrated with the microscope-FTIR spectrometer to analyze aqueous samples. The new proposed system consists of a reflection module, a hydrophobic layer, and a microfluidic system. The reflection module is heated in order to ensure rapid evaporation of the solvent. The hydrophobic layer allows the sample to be confined in a small area to ensure more uniform distribution of molecules on the surface of the substrate. This new system allowed us to identify and quantify different types of molecules such as neurotransmitters and sugar molecules. The reached detection limit with our system is 10 µM for neurotransmitters, 3 mM for glucose and fructose and 1 mM for sucrose. In addition, we proposed a new algorithm for automatic molecular identification by the FTIR microscope spectrometer. Using this algorithm, we were able to identify the following six neurotransmitters: dopamine hydrochloride, L-ascorbic acid, acetylcholine chloride, y-aminobutyric, glycine and L-glutamic acid, in synthetic solutions (homogeneous and heterogeneous). Finally, the detection accuracy of the new algorithm is 75% to 100% for the six neurotransmitters we studied, in 36 homogeneous and 45 heterogeneous samples.

Le développement de lasers émettant dans l’infrarouge moyen, une région spectrale où l’onretrouve les résonances fondamentales de la plupart des molécules sur terre, est certainementl’une des avenues les plus prometteuses en science laser. La démocratisation de ce type delaser est toutefois nécessaire afin d’exploiter leur énorme potentiel applicatif en santé, enenvironnement, en industrie et en recherche. En raison de leur simplicité, leur robustesse, leurfiabilité et leurs performances optiques inégalées, les lasers à base de fibres optiques sont parmiles candidats les mieux adaptés pour réaliser ce virage technologique vers l’infrarouge moyen.Dans le cadre de ce projet de doctorat, le premier laser à fibre optique émettant des impulsionsfemtoseconde dans l’infrarouge moyen a été réalisé. Ce laser à grande valeur ajoutée offredes propriétés temporelles, spectrales et spatiales exceptionnelles qui ouvrent la voie à denombreuses applications en spectroscopie et en interaction laser-matière.La conception, l’optimisation et l’étude théorique du laser femtoseconde émettant à 2.8μm sontprésentées aux chapitres 1 et 2 ainsi qu’à l’annexe B. La génération d’impulsions ultrabrèvesavec ce laser est basée sur la synchronisation modale passive par rotation non linéaire de lapolarisation dans une fibre de verre fluoré dopée à l’erbium. Des impulsions de durée inférieureà 300 fs, dont la puissance crête estimée est supérieure à 20 kW, ont été obtenues à partir decet oscillateur.La deuxième partie de cette thèse (chapitres 3 et 4) présente la conception et l’étude théoriquepar simulations numériques d’un amplificateur à fibre optique externe permettant d’améliorerles performances de l’oscillateur présenté dans les chapitres précédents. Cet amplificateuremployant un seul segment de fibre de verre fluoré dopé à l’erbium permet d’amplifier lesimpulsions à des puissances crêtes de plus de 200 kW. Grâce au processus d’auto décalagespectral du soliton dans cet amplificateur, la longueur d’onde centrale des impulsions amplifiéespeut être accordée de 2.8 à 3.6μm. Ce système laser femtoseconde accordable dans l’infrarougemoyen, qui constitue une avancée majeure, peut être simplifié et amélioré davantage en plusd’être adapté à plusieurs autres transitions laser dans l’infrarouge moyen. Ces travaux ouvrentla voie à l’émergence de nouvelles applications autrefois difficilement réalisables en rechercheet en industrie. / The development of lasers emitting in the mid-infrared, a spectral region where the funda-mental resonances of several molecules are found, is one of the most promising avenues in laserscience. However, the democratization of these coherent light sources is required for enablingbreakthrough applications in healthcare, environment, industry and research. Thanks to theirsimplicity, robustness, reliability and their unequaled optical performances, fiber lasers are thecandidates of choice for enabling this technological shift toward the mid-infrared.In this project, the first femtosecond fiber laser emitting in the mid-infrared was realized. Thishigh added-value laser offers exceptionnal temporal, spectral and spatial properties that pavethe way for several applications in spectroscopy and laser-matter interaction.The design, optimization and theoretical study of this femtosecond laser cavity emitting at 2.8μm are presented in chapters 1 and 2 as well as in appendix B. The generation of ultrashortpulses in this laser relies on a mode-locking technique based on nonlinear polarization evolutionof the signal propagating inside an erbium-doped fluoride fiber. Pulses with durations below300 fs and estimated peak powers above 20 kW were directly generated from this oscillator.The second part of this thesis (chapters 3 and 4) presents the design and numerical studyof an external fiber amplifier that significantly improves the performances of the oscillator.This amplifier that uses only one segment of erbium-doped fluorozirconate fiber enables thegeneration of ultrashort pulses with peak powers above 200 kW. Due to the soliton self-frequency shift process occuring inside the amplifier, the central wavelength of the outputpulses can be tuned from 2.8 to 3.6μm. This tunable femtosecond system in the mid-infraredcan be further simplified and improved and can also be adapted to other novel laser transitionsin the mid-infrared. This work paves the way for new applications to emerge both in thescientific and the industrial worlds.

L’évaluation non-destructive (END) est une branche de la science qui s’intéresse à l’uniformité, la qualité et la conformité des matériaux et les composants qu’ils servent à construire. Les techniques de END visent à repérer et à mesurer les caractéristiques principales des matériaux sans en affecter ou à en détruire la structure ou la fonctionnalité. L’END permet d’observer les propriétés internes des pièces et de détecter les défauts sous leur surface. Cette approche est devenue graduellement une technologie importante pour garantir la sécurité et la fiabilité de plusieurs composantes de système en design, en fabrication et en développement de produits. La thermographie infrarouge est une approche d’END sans contact rapide qui utilise des caméras thermiques. Elle permet de détecter l’énergie thermique émise par les objets et à en afficher la distribution en température de la surface du spécimen sous observation. Dans ce projet, notre objectif est d’exploiter la thermographie infrarouge pour détecter les défauts sous la surface des objets. Plus spécialement, nous nous intéressons à la localisation des défauts et à l’estimation de leur profondeur sous la surface. Le manuscrit présente une investigation de différentes méthodes de localisation de défauts et de mesure de leur profondeur des défauts sous la surface pour différentes catégories de matériaux. / Non-Destructive Testing (NDT) is an aspect of science concerning on uniformity, quality and serviceability of materials and their components. NDT techniques attempt to inspect and measure significant features of materials without changing or destroying their structure or functionality. NDT makes it possible to observe the internal properties of parts and detect the undersurface defects. NDT has progressively become an important technology to assure safety and reliability of many system components in the design, manufacturing and development areas. Infrared thermography is essentially a fast non-contact NDT inspection method that uses thermographic cameras. This technique detects the infrared energy emitted from objects and displays the corresponding temperature distributions on the specimen. In this project, we aim to use infrared thermography for detecting subsurface defects. Localizing the defects and estimating their depths are the important problems to be addressed in our research project. The manuscript investigates different methods related to these challenges.

Sur Terre, ce sont dans les vallées sèches de l'Antarctique où l'on retrouve des conditions s 'approchant le plus de la planète Mars. Protégées du gel de la séch eresse et des rayons ultraviolets, les colonies bactériennes endolithiques constituent près de la moitié de la biomas"se de ces régions arides. Cette situation laisse présager qu'il pourrait en être de même sur la planète Mars. Le défi consiste à détecter ces colonies, car souvent aucun signe visible ne laisse présager leur présence. De plus, le forage des pierres risque de contaminer, ou pire encore, de détruire de précieux spécimens. L'approche proposée utilise la spectroscopie infrarouge afin de repérer la signature spectrale des colonies microbiennes. Le but de ce projet est d 'une part de vérifier la possibilité de détecter des microorganismes dans des échantillons de roches. La deuxième partie du projet est de développer une technique d'analyse des spectres afin d'isoler les marqueurs biologiques dans lesdits spectres de roches. La première partie fut accomplie avec l'aide d'échantillons de roches provenant de deux sites différents (Nunavut et Guelph). La méthode est décrite dans le chapitre 2. "La deuxième partie fut réalisée avec différents outils mathématiques tels que la méthode de corrélation et l'analyse en composantes principales (ACP, chapitre 3). Les résultats . montrent que la technique ACP fonctionne tant pour identifier le contenu minéral des . roches que pour isoler les spectres susceptibles de contenir des matières organiques. Toutefois, il n'est pas possible d 'identifier le type de molécule organique contenue dans les échantillons. La technique ACP fut également testée sur des échantillons d'Antarctique (chapitre 4) et le résultat s'avère positif. Alors que pour les spectres de roches martiennes provenant des sondes MER, les résultats sont non concluants voir négatif.

Montréal Trigonix inc. 2018

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Les propriétés mécaniques de la soie sont supérieures à toute autre protéine fibreuse et n'ont jamais été surpassées par aucun matériau synthétique. Une meilleure compréhension de la structure moléculaire de la soie et des changements qui s'opèrent pendant, avant et après le filage est requise pour maîtriser sa conception. La spectroscopic infrarouge fut utilisée pour étudier la structure moléculaire des fibres microscopiques de soie. Afin d'éviter les problèmes liés à l'acquisition de spectres par transmission, la réflexion totale atténuée (ATR) a été utilisée. Avec un nouveau montage permetant la rotation de l'échantillon, l'orientation et la conformation d'une seule fibre de soie furent quantifiées pour la première fois par spectroscopic infrarouge. Des simulations spectrales ont été effectuées pour trouver les conditions expérimentales minimisant ces effets optiques nuisibles à l'interprétation des spectres. Les constantes optiques de la soie native du ver à soie ont été déterminées pour la première fois afin d'exécuter des simulations spectrales avec des paramètres variables. Ses simulations ont également permis d'estimer l'amplitude des effets optiques observés pour tout autre système.

La spectrométrie est utilisée pour étudier la composition chimique de la matière. Elle aide les chercheurs à étudier et comprendre tout ce qui nous entoure. Plusieurs technologies de spectrométrie sont offertes sur le marché, mais elles ne permettent d’effectuer des mesures que sur un échantillon à la fois. Si un chercheur souhaite comparer l’évolution de plusieurs échantillons sur un temps donné dans un environnement précis, aucune technologie offerte présentement sur le marché ne le permet. L’accessoire développé dans le cadre de ce projet de maîtrise a comme objectif d’ajouter un paramètre dimensionnel à la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Une fente déplacée linéairement sous un cristal à réflectance totale atténuée (ATR) permet de sélectionner précisément la région de l’échantillon à mesurer. L’accessoire complètement automatisé offre une solution compacte, rapide et abordable pour faire des mesures complexes en spectrométrie. Le prototype de l’accessoire a été développé durant ce projet de maîtrise. Ses performances, notamment en ce qui concerne la précision du positionnement de la fente, sont analysées et optimisées. Une simulation du parcours de la lumière dans le cristal ATR permet de reproduire et de comprendre les premières mesures effectuées avec l’accessoire. Elle permet également de définir la précision requise pour soutirer les performances optimales du cristal ATR utilisé. Des recommandations découlant de l’analyse des premières mesures et de la simulation seront prises en compte pour l’optimisation future de l’accessoire. / Spectrometry is used to study the chemical composition of matter. It helps researchers study and understand everything around us. Several spectrometry technologies are available on the market, but they only allow measurements to be taken on one sample at a time. If a researcher wishes to compare the evolution of several samples over a given time in a specific environment, no technology currently available on the market allows it.The accessory developed as part of this master’s project aims to add a dimensional parameter to Fourier transform infrared spectrometry (FTIR). A linearly displaced rectangular aperture placed under an attenuated total reflectance (ATR) crystal allows precise selection of the region of the sample to be measured. The fully automated accessory offers a compact, fast and affordable solution for making complex spectrometry measurements. The accessory prototype was developed during this master’s project. Its performances, in particular regarding the precision of the positioning of the aperture, is analyzed and optimized. A simulation of the path of light in theATR crystal makes it possible to reproduce and understand the first measurements made with the accessory. Italso makes it possible to define the precision required to extract optimum use of the ATR crystal used. Recommendations from the analysis of the first measurements and the simulation will be taken into account forfuture optimization of the accessory

Dans ce mémoire, on étudie les effets des surfaces d'objets à géométrie complexe dans les images de phase et les images d'amplitude par thermographie infrarouge. L'objectif, avec les images de phase, est de vérifier si le concept de fréquence limite [7] est valable avec les surfaces d'objets à géométrie complexe: un batterie d'expériences correspondantes a été menée. Avec les images d'amplitude, l'objectif de la recherche est de trouver une relation possible entre la surface d'un objet inspecté à géométrie complexe et ses images d'amplitude. Les résultats ont montré que la fréquence limite établie sur les images de phase n'est pas affectée par la surface d'objets à géométrie complexe. De plus, on a également constaté que l'image d'amplitude est effectivement associée à la surface d'objets à géométrie complexe. On peut extraire la géométrie de la surface d'un objet à partir d'une image d'amplitude. Dans notre travail, la méthode de "shape from heating" rapportée par Barker et al., [17] et par Pelletier et al., [8] a été adaptée aux images d'amplitude. On l'a nommée "shape from amplitude". / In this work, effects of complex-shape objects on phase and amplitude images in infrared thermography are studied. The objective with phase images is to test if the blind frequency concept [7] is still suitable for complex-shaped surfaces: many experiments were undertaken. With amplitude images, our objective focuses on the possible relationship between the surface shape of a specimen and its amplitude images. The results showed that the blind frequency based on phase images is not affected by the surface shape of the object. Moreover, we also saw that amplitude image is indeed related to the object surface shape. We can extract the object surface shape from an amplitude image thanks to the "shape from heating" method reported by Barker et al., [17] and Pelletier et al., [8]. This method was adapted to amplitude images, we called it "shape from amplitude".