Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 106-107. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Le schéma générique de percolation 1-liaison→2-TO mis au point sur site pour la compréhension de base des spectres de vibration (Raman et infrarouge - IR) des alliages semiconducteurs aléatoires usuels, i.e., s’inscrivant dans la structure zincblende, qui a récemment supplanté le modèle standard 1-liaison→1-TO dit MREI [modified-random-element-isodisplacement, (Chang, et al., 1971)] mis au point dans les années soixante, est ici confronté au modèle à clusters (Verleur, et al., 1966), consacré par l’usage pour la discus-sion des spectres de vibration de ces alliages zincblende particuliers, présumés non aléatoires, qui montrent évidemment plus d’un mode phonon par liaison dans leur spectres de vibration. En fait, nous montrons que les spectres de réflectivité IR pionniers de l’alliage GaAs1-xPx représenta-tif de cette dernière classe de comportement, i.e. ceux-là mêmes qui ont motivé le développement du modèle à clusters dans les années soixante, trouvent une explication naturelle dans le cadre du modèle de percolation sur la base d’une substitution As ↔ P parfaitement aléatoire, sans aucun paramètre ajustable. L’alliage GaAs1-xPx et ses semblables se trouvent ainsi réhabilités en tant que systèmes aléatoires vis-à-vis de leurs propriétés vibrationnelles. Du même coup, la classification admise des spectres de vibration des alliages semiconducteurs à structure zincblende, basée sur les modèles MREI-Clusters, en quatre sous-types distincts, se trouve totalement unifiée dans le cadre de notre modèle de percolation. Dans un second temps nous explorons dans quelle mesure une extension du schéma de percolation de la structure zincblende vers la structure diamant, peut aider à comprendre la nature mystérieuse du comportement Raman de l’alliage aléatoire représentatif Si1-xGex. Il s’avère qu’une simulation satisfaisante des spectres Raman de Si1-xGex d’ores et déjà existants dans la littérature peut être accomplie, sans autre para-mètre ajustable que l’efficacité Raman de la liaison mixte Si-Ge, dans le cadre d’une version générique 1-liaison→N-mode du schéma de percolation, où N indique une sensibilité à l’environnement local des liaisons Ge-Ge (N=1, insensibilité), Si-Si (N=2, sensibilité à l’environnement premiers-voisins) et Si-Ge (N=3, sen-sibilité à l’environnement seconds-voisins). Des différences notables entre les schémas de percolation de GaAs1-xPx et de Si1-xGex sont attribuées à la différence de nature de la relaxation du réseau dans les cristaux à structure zincblende et diamant (inversion de l’ordre des branches au sein du triplet Si-Ge) et à la dispersion spectaculaire des modes Ge-Ge (antiparallélisme de la branche unique Ge-Ge) et Si-Si (inversion de l’ordre des branches au sein du doublet Si-Si), qui vient s’ajouter à l’effet de contrainte locale, habituellement seul pris en compte pour les alliages zincblende déjà examinés. L’assignation des branches phonons individuelles au sein de chaque schéma de percolation, i.e. GaAs1-xPx ou Si1-xGex, est réalisé par voie ab initio en se focalisant sur les modes de vibration des liaisons en stretching pur le long de motifs d’impuretés prototypes choisis quasi-linéaires de manière à rester dans l’esprit de l’approximation de la chaîne linéaire (ACL) sur laquelle est basé le modèle phénoménologique de percolation / The 1-bond → 2-TO percolation generic scheme proposed for the basic understanding of the vibra-tion spectra (Raman and Infrared –IR) of usual random semiconductor alloys with zincblende structure, which has recently challenged the standard MREI (modified-random-element-isodisplacement) model with the 1-bond→1-TO behavior, (Chang et Mitra, 1971) developped in the sixties, is here confronted to the cluster model (Verleur et Barker, 1966) which has been accepted through use for the study of the vibration spectra of these particular zincblende alloys, which obviously exhibit more than one phonon mode per bond in their vibration spectra. In fact, the IR reflectivity spectra of GaAs1-xPx, the representative alloy of the last class, i.e. those very ones which motivated the developpement of the cluster model in the sixties, find a natural explanation in the scope of the percolation model on the basis of a perfect random substitution As ↔ P, with no adjusta-ble parameter. With this, GaAs1-xPx and its like are rehabilitated as random alloys in principle, and further, the percolation paradigm generalizes to all types and subtypes of the traditional four-type classification of phonon mode behavior of semiconductor alloys, based on the MREI and cluster models. In a second stage, we investigate to which extent an extension of the percolation scheme to the di-amond structure may help to understand the mysterious nature of the Raman behavior of the representative Si1-xGex alloy. We realize that a good simulation of the Si1-xGex Raman spectra already existing in the literature can be obtained with no adjustable parameter but the Raman efficiency of the Si1-xGex bond within a generic 1-bond→N-TO version of the percolation model, where N indicates a sensitivity to the local environment of the Ge-Ge (N=1 non sensitive), Si-Si (N=2, sensitive to the first neighbor environment) and Si-Ge (N=3, sensitive to the second neighbor environment) bonds. Some differences between the GaAs1-xPx and Si1-xGex percolation patterns are attributed to the different natures of the lattice relaxation in the zincblende and di-amond structures (inversion of the order of like branches in the Si-Ge triplet) and to the spectacular disper-sion of the Ge-Ge like modes (anti parallelism of the unique Ge-Ge branch) and Si-Si (inversion of the order of like branches in the Si-Si doublet), which add to the local constraint effect, the only one usually taken into account in the zincblende alloys examined so far. The assignment of the individual phonons branches in each percolation scheme, i.e. GaAs1-xPx or Si1-xGex, is achieved via home-made ab initio phonon calculations with a focusing on bond-stretching along prototype impurity motives designed as quasi linear so as to be remain in with the spirit of the linear chain approximation on which the percolation model is based

Le monde des détecteurs infrarouge a été révolutionné, depuis le milieu des années 2000, par l'apparition de nouvelles structures photodétectrices dont les performances surclassent celles des photodiodes. Ces photodétecteurs ont permis le développement d'une nouvelle génération de caméras plus compactes, plus fiables et moins gourmandes en énergie. Cette thèse avait pour objectif l'étude de ces nouvelles structures photodétectrices haute performance à base d'antimoniures pour la détection du moyen infrarouge entre 3-5µm.Les performances d'un photodétecteur dépendent directement de la qualité des matériaux utilisés pour la fabrication de celui-ci. Aussi, le matériau retenu pour faire office de couche d'absorption a donc dans un premier temps été finement caractérisé. Les mesures de durée de vie (DDV) des porteurs minoritaires dans le matériau se sont révélées être les plus pertinentes pour juger de la qualité des échantillons, et il est reporté une mesure de (DDV) à l'état de l'art pour une température de 80K. Le second volet de cette thèse portait sur le dimensionnement d'une structure photodétectrice à l'aide du logiciel de simulations numériques SILVACO. Une structure optimisée a été proposée puis a été fabriquée par épitaxie à jets moléculaires. A partir de celle-ci, des composants ont été réalisés en salle blanche par un procédé technologique standard. Le courant d'obscurité mesuré se situait une décade plus bas que le photocourant typique ce qui s'est avéré très encourageant pour le développement futur d'une filière basée sur ce type de structures. La dernière partie de ce manuscrit propose une piste pour faire varier la longueur d'onde de coupure de la nouvelle structure photodétectrive grâce à l'utilisation d'une couche absorbante à base de superréseaux antimoniures. / Since the middle of the 2000's, new infrared photodetectors have been proposed that demonstrate better performances than photodiodes. This type of new detectors allowed the development of the compactness, reliability and energy consumption of the next generation of infrared cameras. The aim of this thesis is to study these new high performance photodetectors based on antimony semiconductors dedicated to the 3-5µm mid-infrared domain.Photodetectors performance strongly depends on the quality of its absorption material that has been characterized by diffenrent techniques. Lifetime measurements were identified as the most relevant criterion the evaluation of material quality. A state-of-the-art lifetime value has been reported at a temperature of 80K. Then, an optimized design of the photodetector has been determined using the TCAD SILVACO software. The photodetector structure has been grown by molecular beam epitaxy and devices were made by a standard fabrication process in clean room. The measured dark current was a decade lower than the typical photocurrent : this confirmed the potential of this new structure to be used as a high performance mid-infrared photodetector. Finaly, we demonstrate that the cut-off wavelength of the detector can be tuned using antimony-based superlattices.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la problématique de réduction du pas du pixel des matrices bolométriques utilisées dans l'imagerie infrarouge non refroidie (domaine LWIR). Si l'intérêt d'une telle réduction se comprend bien (augmentation des performances et/ou réduction des coûts de production), la miniaturisation sans perte de performance du point de vue du pixel est un véritable défi. En effet pour les technologies de l'état de l'art à base de thermistors la réduction des dimensions s'accompagne d'une dégradation du rapport signal à bruit ainsi que de l'isolation thermique des détecteurs, nécessaire à l'obtention d'un signal important. Nos travaux ont consisté en l'évaluation de l'intérêt de l'utilisation de dispositifs SOI en tant que transducteurs thermiques dans une architecture pensée pour le pas de 5µm. Nous avons donc étudié les propriétés thermiques intrinsèques de ces dispositifs pour comparer l'efficacité théorique d'un tel bolomètre au pas de 5µm à celle attendue pour un bolomètre à l'état de l'art échelonné au même pas ce qui a permis de conclure quant à l'intérêt de ces dispositifs. Pour terminer nous avons également confirmé qu'une structure permet d'obtenir une absorption convenable mais que la technologie 5µm pose encore un problème du point de vue de l'isolation thermique du détecteur, problème qui n'est pas spécifique au bolomètre SOI et ne remet par conséquent pas en cause son intérêt. / The work reported in this document relates to pixel size reduction in uncooled infrared imaging in the LWIR range. The motivation for such a downsize is pretty straightforward (better matrices performances or lower production costs), achieving this without lowering the pixel performance is a true challenge. That is, for state of the art detectors based on thermistors, pixel downscaling leads to lower signal to noise ratio as well as a decrease in detector thermal isolation that in turn reduces the signal's amplitude. Our work focused on the study of SOI components for use as thermal transducer in a 5µm pixel design. As such we evaluated these components' intrinsic thermal properties to compare expected performance of a 5µm SOI bolometer with that of a state of the art bolometer scaled to the same pixel size, which allowed us to conclude that the interest for SOI bolometers is well-founded. We were also able to confirm that our pixel design is able to maintain sufficient IR absorption, but that the thermal isolation is yet problematic. This problem is however not specific to SOI bolometers and as such does not undermine the interest for SOI detectors for 5µm pixel pitch bolometers for uncooled IR imaging.

Cette thèse rapporte le développement d’un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s’inscrit dans le courant d’intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s’intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L’obtention d’une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s’appuie sur un système de modulateurs acoustooptiques en double passage. Le troisième chapitre s’attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d’élargissement collisionnel de raies de l’eau par N2, O2 et l’air. / This thesis reports on the construction of a new experimental set up for Terahertz spectroscopy based on the generation of the frequency difference of two near infrared laser diodes at 820nm on a GaAs substrate device. The first chapter describes the renewal of the interest for T-rays. The second chapter treats the FIR generation by frequency difference on the GaAs semiconductor device and its uses for spectroscopy. The broad tunability of this Far Infrared radiation obtained by double-pass acousto-optic modulators setup is also seen. The third chapter discusses about stabilisation of infrared sources by the Pound-Drever-Hall method using a high finesse cavity to generate a high spectral purity of the FIR emission. Finally, the spectrometer is characterised by measurements of the rotationnal spectrum of methyl-chloride and used in a primary study of the broadening parameter of water lines by N2, O2 and air.

Titre de l'écran-titre (visionné le 31 juillet 2023) / Le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen a soulevé beaucoup d'intérêt en recherche au cours des deux dernières décennies. Ces sources laser sont particulièrement intéressantes pour la télédétection de gaz atmosphériques, pour le diagnostic médical, pour la découpe de tissus biologiques, pour le traitement des matériaux et pour les applications en défense et sécurité. Cependant, elles ne sont pas encore suffisamment robustes et fiables pour permettre leur utilisation à grande échelle. Cette thèse se concentre donc sur le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant autour de 2.8 µm avec une architecture tout-fibre adaptée pour les applications nécessitant des systèmes robustes pouvant être déployés dans des environnements non contrôlés. Ainsi, ces lasers sont également intéressants pour l'usinage laser et les applications biomédicales ainsi que pour les applications en défense et sécurité. Le chapitre 1 présente l'état de l'art des lasers à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen, autant en régime continu qu'en régime impulsionnel, et les défis technologiques à relever pour leur permettre de percer dans les différentes applications d'intérêt. Ensuite, le premier laser impulsionnel à commutation du gain ayant une architecture tout-fibre émettant dans l'infrarouge moyen est présenté au chapitre 2. Celui-ci génère des impulsions aussi courtes que 170 ns avec une énergie par impulsion de 80 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Au chapitre 3, le développement d'un nouvel absorbant saturable à partir d'une fibre en silice dopée au dysprosium a permis la commutation des pertes d'un laser tout-fibre émettant des impulsions à 2.8 µm avec une durée de 240 ns et une énergie de 4.9 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Pour y arriver, un réseau de Bragg à pas variable hautement réflectif inscrit dans l'absorbant saturable en silice est utilisé de façon novatrice pour l'infrarouge moyen. Nous avons aussi optimisé la technique d'épissure entre une fibre en silice et une autre en verre fluoré pour obtenir une bonne transmission monomode. Finalement, le chapitre 4 présente les effets des paramètres d'un réseau de Bragg uniforme à large bande spectrale, de la longueur de la fibre active et d'un combinateur de pompe fibré sur les performances d'un laser à fibre optique émettant des impulsions aussi courtes que 15 ps à 2.8 µm par synchronisation modale à l'aide d'un SESAM. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la porte au déploiement des lasers impulsionnels émettant dans l'infrarouge moyen pour les applications ciblées.

Les télécommunications optiques requièrent le développement de nouveaux matériaux pour augmenter les échanges d’information. Parmi les matériaux régulièrement utilisés, le verre occupe une place importante. Sa transparence permet l’envoi de signaux sur de longues distances. Son faible coût et sa fabrication simple le rendent utilisable à grande échelle. Les verres d’oxyde courants comme les phosphates (1200 cm⁻¹), les silicates (1100 cm⁻¹) ou les borates (1400 cm⁻¹) possèdent une transmission limitée dans la région mid-IR en raison de leur énergie de phonon élevée. D’autre part, des verres sans oxyde à basse énergie de phonon et à haute transparence dans le mid-IR sont caractérisés par une stabilité thermique faible. Pour combler ces lacunes, le verre à base d’oxyde de baryum, de germanium et de gallium (BGG) est étudié, caractérisé par une énergie de phonon faible, une large fenêtre de transmission, une grande stabilité thermique et de bonnes propriétés chimiques et mécaniques. Le projet de maîtrise explore ses propriétés thermiques, optiques et structurelles dans le but de développer une nouvelle fibre optique pour des applications dans l’infrarouge. La première partie de ce mémoire détermine une composition vitreuse optimale. La fenêtre de transmission est maximisée, la stabilité thermique est élevée et la composition doit soutenir une purification. Parmi les différentes compositions, la composition 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO a été sélectionnée pour mener l’étude du dopage au bismuth et au thulium. La deuxième partie étudie le verre 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO comme matrice hôte pour le dopage de ces deux ions. Le dopage avec le bismuth présente une bande de photoluminescence remarquablement large dans la gamme spectrale de 1000-1600 nm. L’analyse XPS montre que le Bi³⁺ est responsable de cette émission. Enfin, les premiers essais de fibrage réalisés avec des échantillons de BGG montrent son potentiel pour la fabrication de fibres optiques. / Optical telecommunications require the development of new materials to increase information exchange. Among the materials regularly used, glass occupies an important place. Its transparency allows signals to be sent over long distances. Its low cost and simple manufacture make it usable on a large scale. Common oxide glasses such as phosphates (1200 cm⁻¹), silicates (1100 cm⁻¹) or borates (1400 cm⁻¹) have a limited transmission in the mid-IR region due to their high phonon energy. On the other hand, oxide-free glasses with low phonon energy and high transparency in the mid-IR are characterized by low thermal stability. To fill these gaps, glass based on barium, germanium and gallium oxide (BGG) is studied, characterized by low phonon energy, wide transmission window, high thermal stability, and good chemical and mechanical properties. The master’s project explores its thermal, optical and structural properties with the aim of developing a new optical fiber for infrared applications. The first part of this master’s thesis determines an optimal glass composition. The transmission window is maximized, the thermal stability is high, and the composition must support purification. Among the various compositions, the composition 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO was selected to carry out the study of bismuth and thulium doping. The second part studies 40GeO₂ - 20Ga₂O₃ - 40BaO glass as a host matrix for the doping of these two ions. Doping with bismuth exhibits a remarkably wide photoluminescence band in the spectral range of 1000-1600 nm. XPS analysis shows that the Bi³⁺ is responsible for this issue. Finally, the first optical fiber tests carried out with samples of BGG show its potential for the manufacture of optical fibers.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 octobre 2023) / Afin de pallier la demande énergétique mondiale en pleine expansion, de nouvelles technologies de production d'énergies renouvelables doivent être mises de l'avant. L'exploitation de l'énergie solaire de manière plus efficace permettrait de résoudre cette demande en augmentation. Afin de collecter l'énergie solaire, des cellules solaires sont utilisées. Traditionnellement, elles sont composées de silicium. Un autre type de cellules solaires, les cellules solaires organiques (CSO), permettent d'être mieux mises en œuvre grâce à leur capacité d'être imprimées sur des substrats flexibles. Cela permet alors de les intégrer facilement dans des systèmes portatifs. Les matériaux organiques dans les CSO permettant la génération d'un courant sont des semi-conducteurs, de type p et de type n. Entre 2000 et 2015, les matériaux de type p sont majoritairement des polymères π-conjugués et ceux de type n sont principalement des dérivés du fullerène. Cependant, depuis 2015, un fort intérêt est apparu pour les accepteurs d'électrons sans fullerène (NFA) qui, en CSO, présentent de meilleures performances que les CSO faites à partir du fullerène. Ces performances accrues sont le fruit d'une augmentation du courant généré par la CSO grâce à la contribution significative du NFA dans l'absorption de la lumière. Afin de maximiser les performances des CSO, une nouvelle gamme de NFA absorbant à de plus grandes longueurs d'onde (faible largeur de bande interdite) fait l'objet d'intenses recherches. Ce projet de maîtrise se concentre sur la conception de deux nouveaux NFA à faible largeur de bande interdite. Des calculs théoriques ont d'abord permis de déterminer les structures de molécules qui présentent un bon potentiel en CSO. Afin de garder une structure de NFA ayant de bonnes propriétés électroniques, les deux nouveaux NFA étudiés comportent un cœur semblable aux NFA déjà connus et de nouveaux groupements terminaux. La majeure partie du travail effectué se concentre sur leur synthèse. / The world energy demand is on full expansion and new technologies to produce renewable energy must be promoted. The efficient exploitation of solar energy might resolve this increase of consumption. To collect energy from the Sun, solar cells can be used. Traditionally, they are constituted of silicon. However, organic solar cells (OSCs) are another type of solar cells that can be more easily implemented by their possibility to be printed by traditional techniques. Also, they can be printed on flexible substrates which make them useable in portative equipment. Materials used in OSCs to generate electricity are p-type and n-type semiconductors. Between the years 2000 and 2015, p-type materials are principally π-conjugated polymers and n-type materials are mainly fullerene derivatives. However, since 2015, a huge interest in non fullerene acceptors (NFA) has been shown because better performances are achievable using NFAs. This new technology allows the better generation of current by the significative participation of the n-type material in the absorption of light. To improve more the efficiency of OSCs, a new family of NFAs which absorbs in higher wavelengths (low bandgap) is the object of intense studies. This master's project focuses on the conception of two new NFAs which absorb in the near infrared. Theoretical calculations were made to determine molecules that shows a good potential in OSCs. To keep good electronical properties in the two new NFAs, the have an identical core of already published high performant NFAs and new end-groups. The work done in this master's degree focuses on the synthesis of these two new end-groups.

Au cours des dernières décennies, l’effort sur les applications de capteurs infrarouges a largement progressé dans le monde. Mais, une certaine difficulté demeure, en ce qui concerne le fait que les objets ne sont pas assez clairs ou ne peuvent pas toujours être distingués facilement dans l’image obtenue pour la scène observée. L’amélioration de l’image infrarouge a joué un rôle important dans le développement de technologies de la vision infrarouge de l’ordinateur, le traitement de l’image et les essais non destructifs, etc. Cette thèse traite de la question des techniques d’amélioration de l’image infrarouge en deux aspects, y compris le traitement d’une seule image infrarouge dans le domaine hybride espacefréquence, et la fusion d’images infrarouges et visibles employant la technique du nonsubsampled Contourlet transformer (NSCT). La fusion d’images peut être considérée comme étant la poursuite de l’exploration du modèle d’amélioration de l’image unique infrarouge, alors qu’il combine les images infrarouges et visibles en une seule image pour représenter et améliorer toutes les informations utiles et les caractéristiques des images sources, car une seule image ne pouvait contenir tous les renseignements pertinents ou disponibles en raison de restrictions découlant de tout capteur unique de l’imagerie. Nous examinons et faisons une enquête concernant le développement de techniques d’amélioration d’images infrarouges, et ensuite nous nous consacrons à l’amélioration de l’image unique infrarouge, et nous proposons un schéma d’amélioration de domaine hybride avec une méthode d’évaluation floue de seuil amélioré, qui permet d’obtenir une qualité d’image supérieure et améliore la perception visuelle humaine. Les techniques de fusion d’images infrarouges et visibles sont établies à l’aide de la mise en oeuvre d’une mise en registre précise des images sources acquises par différents capteurs. L’algorithme SURF-RANSAC est appliqué pour la mise en registre tout au long des travaux de recherche, ce qui conduit à des images mises en registre de façon très précise et des bénéfices accrus pour le traitement de fusion. Pour les questions de fusion d’images infrarouges et visibles, une série d’approches avancées et efficaces sont proposés. Une méthode standard de fusion à base de NSCT multi-canal est présente comme référence pour les approches de fusion proposées suivantes. Une approche conjointe de fusion, impliquant l’Adaptive-Gaussian NSCT et la transformée en ondelettes (Wavelet Transform, WT) est propose, ce qui conduit à des résultats de fusion qui sont meilleurs que ceux obtenus avec les méthodes non-adaptatives générales. Une approche de fusion basée sur le NSCT employant la détection comprime (CS, compressed sensing) et de la variation totale (TV) à des coefficients d’échantillons clairsemés et effectuant la reconstruction de coefficients fusionnés de façon précise est proposée, qui obtient de bien meilleurs résultats de fusion par le biais d’une pré-amélioration de l’image infrarouge et en diminuant les informations redondantes des coefficients de fusion. Une procédure de fusion basée sur le NSCT utilisant une technique de détection rapide de rétrécissement itératif comprimé (fast iterative-shrinking compressed sensing, FISCS) est proposée pour compresser les coefficients décomposés et reconstruire les coefficients fusionnés dans le processus de fusion, qui conduit à de meilleurs résultats plus rapidement et d’une manière efficace. / In recent decades, the endeavor on infrared sensor applications has been proceeding widely all through the world. But there are some problems, namely that the targets are not clear enough or cannot be distinguished easily in the image obtained for the observed scene. Infrared image enhancement has been playing a significant role of an early stage technology in infrared computer vision, image processing and non-destructive testing, etc. This thesis addresses the issue of infrared image enhancement techniques in two aspects, including the single infrared image processing in hybrid space-frequency domain, and the infrared-visible image fusion employing the nonsubsampled Contourlet transform (NSCT) technique. The image fusion can be considered as being the further exploration of the model of singe infrared image enhancement, while it combines the infrared and visible images altogether into one image to represent and protrude all useful information and characteristics from the source images, by reason that a single image could not contain all relevant or available information in terms of the restrictions stemming from any single sensor of imaging. After the investigation and review for the development of infrared image enhancement techniques, in the topic of single infrared image enhancement, a hybrid-domain enhancement scheme with a threshold-improved fuzzy evaluation method is proposed, which achieves superior image quality and human visual perception. Infrared and visible image fusion techniques are established upon the implementation of accurate registration for source images acquired by different sensors. The SURF-RANSAC algorithm is applied in the registration issue all through the entire research work, which ensures us to receive very precisely registered images and to benefit further for the fusion processing. For the infrared-visible image fusion issues, a series of advanced and effective approaches are proposed. A multi-channel NSCT-based standard fusion method is presented as a reference for the subsequently proposed fusion approaches. An Adaptive-Gaussian NSCT and Wavelet Transform (WT) based joint fusion scheme is proposed, which obtains better fusion outcomes than the general non-adaptive methods. A NSCT-based fusion approach employing compressed sensing (CS) and total variation (TV) to sample coefficients sparsely and reconstruct fused coefficients accurately is proposed, which receives much better fusion results through pre-enhancing the infrared image and decreasing the redundant fusion coefficients information. A NSCT-based fusion scheme using fast iterative-shrinking compressed sensing (FISCS) technique is proposed to compress the decomposed coefficients and reconstruct the fused coefficients in the fusion process, which is able to achieve better results more rapidly and effectively.

Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré. / Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system.