La spectroscopie par transformation de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes tire parti d'un interféromètre sans partie mobile. Il mesure les interférences entre deux peignes de fréquences, sources lasers à large bande spectrale constituée de raies fines et équidistantes. Il améliore significativement le temps de mesure et la limite de résolution spectrale des spectromètres de Fourier. Néanmoins, les conditions sur la stabilité à court terme des peignes ne peuvent pas être remplies par les techniques d'asservissement classique. Jusqu'à présent, aucun spectre de qualité n'a pu être mesuré avec un très faible temps d'acquisition. Cette thèse présente le développement d'une méthode de correction en temps réel capable de compenser les fluctuations résiduelles des peignes et de restituer des spectres sans artefacts. La méthode, analogique, ne nécessite aucun asservissement ou traitement informatique a posteriori. Ses performances sont démontrées dans le proche infrarouge (1,5 µm) et le visible (520 nm), à l'aide d'oscillateurs femtosecondes fibrés. Des spectres moléculaires couvrant 12 THz sont mesurés en 500 µs à limite de résolution Doppler. Ils sont en excellent accord avec les données de la littérature. Pour la première fois, le plein potentiel de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences est démontré. Le domaine de l'infrarouge moyen est la région de prédilection de la spectroscopie moléculaire car la plupart des molécules y présentent des absorptions fortes et caractéristiques. Étendre la spectroscopie par peignes de fréquences à cette région est donc l'objectif suivant à atteindre. Dans cette optique, un peigne émettant autour de 3 µm est caractérisé. Il est basé sur la conversion non-linéaire par différence de fréquences d'un oscillateur à erbium élargi spectralement par une fibre fortement non-linéaire.

Les fissures et les nids-de-poule sont des défauts très présents sur les routes du réseau routier québécois. Un bon contrôle de la qualité lors de la pose de l’enrobé bitumineux permet de diminuer les risques d’apparition de ces défauts. Le ministère des Transports du Québec (MTQ) utilise la thermographie infrarouge afin de détecter les zones non conformes, soit celles qui deviendront des nids-de-poule ou des fissures. Des variations thermiques sur l’image infrarouge permettent la détection de ces zones. Toutefois, les logiciels utilisés par le MTQ ne sont pas appropriés pour détecter les zones non conformes. Ce mémoire présente deux méthodes de détection automatique des zones non conformes. La première permet l’analyse des images prises par une caméra thermique alors que la seconde permet d’analyser en continu les données provenant d’un scanneur infrarouge. Ces deux méthodes utilisent des techniques de segmentation afin de détecter les zones non conformes. Elles permettent l’analyse automatique des données sans qu’aucune intervention humaine ne soit nécessaire.

Les acides ont été abordés pour leur capacité unique à forger des ponts H et pour l'étude de la réaction de dissociation d'un acide. Les propriétés des acides aux surfaces sont mal connues et sont particulièrement intéressantes dans le contexte actuel visant la compréhension et le contrôle de paramètres environnementaux et atmosphériques. Les surfaces des objets dans les zones habitées sont généralement recouvertes d'une couche d'eau. L'état de la molécule acide dans cette strate superficielle est capital pour la chimie atmosphérique. Dans la première partie de cette thèse, l'analyse vibrationnelle est utilisée pour comprendre la nature du couplage vibrationnel entre les modes d'élongation de HF et de cisaillement de H2 O qui sont colinéaires à la liaison hydrogène entre ces deux molécules. Le potentiel intermoléculaire ressenti par ces deux molécules étant unique, il correspond aux forces ressenties dans les deux phénomènes. L'identification de la nature de ce potentiel, davantage covalent (partage électronique et recouvrement orbitalaire) ou davantage électrostatique (interactions coulombiques ou dipolaires), a révélé que l'utilisation d'une approximation électrostatique dans le contexte d'un pont hydrogène fort est insuffisante. Ces interactions intermoléculaires sont mal représentées qualitativement et quantitativement par un potentiel de type coulombien. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse au p Ka de l'acide nitrique à la surface de l'eau. Pour sonder l'état de la molécule, la spectroscopie d'absorption des rayons est particulièrement appropriée : la distinction entre l'acide nitrique et le nitrate est entièrement caractérisée par leur structure électronique, soit les états sondés par l'absorption des rayons X. L'empreinte spectrale de la liaison N - OH antiliante sert de critère pour identifier la présenc-e d'acide nitrique moléculaire à la surface de l'eau amorphe. Les spectres de l'acide nitrique moléculaire et de l'ion nitrate en solution dans l'eau amorphe sont ensuite utilisés pour décomposer les spectres NEXAFS au seuil de l'azote suivant une procédure d'optimisation (moindres carrés). En utilisant l'isotherme de Langmuir, un recouvrement saturant d'adsorption dissociative d'acide nitrique sur l'eau amorphe 0.25 L a été identifié à une température de 80 K. Pour étudier la dissociation en fonction de la température, l'acide nitrique a été dosé à 23 K puis chauffé. Lorsqu'il est chauffé, l'acide nitrique se dissocie davantage à la surface de l'eau amorphe. Cet effet est lent jusqu'à T > 110 K où la diffusion des molécules d'eau de surface est plus rapide. L'acide nitrique se dissocie alors complètement, même si le recouvrement choisi était supérieur au recouvrement de saturation. Comme le comportement est irréversible suite à un retour à 23 K, il a été conclu que l'acide nitrique moléculaire est métastable à la surface de la glace amorphe. Les conditions pour préparer un échantillon de nitrates pur à la surface ont été déterminées et l'acide a été identifié comme fort à la surface. Suivant les résultats de spectroscopie NEXAFS de l'acide nitrique à la surface, des nitrates de surface sont synthétisés pour comparer leur taux de photodestruction avec celui des nitrates piégés dans le massif. Cette problématique en lien avec la chimie atmosphérique vise à reproduire les flux de NO x émis du névée en étudiant différentes hypothèses physicochimiques, dont l'amplification du taux de destruction à la surface de la glace. En comparant les taux de destruction des nitrates adsorbés sur la glace à ceux des nitrates dissous dans la glace, un facteur d'amplification de 4-6 du taux de destruction a été identifié à la surface de la glace. Comme les modes d'élongation asymétriques du nitrate sont extrêmement sensibles à la solvatation de l'anion, il a été découvert que la photolyse des nitrates de surface est plus efficace à cause des molécules possédant une géométrie distordue s'éloignant de la symétrie D 3h . En utilisant ce taux de photolyse, les flux de NOx en phase gazeuse ont été abordés dans un modèle numérique de dynamique d'échange entre la phase solide (glace) et la phase gazeuse (air) en utilisant les paramètres physico-chirniques issus des études en milieux naturels. [symboles non conformes]

Notre travail concerne l’étude par spectroscopie à haute résolution de molécules polyatomiques en phase gazeuse fortement excitées vibrationnellement. L’excitation de molécules dans leurs hauts niveaux de vibration est typiquement produite par absorption de lumière infrarouge proche, voire visible, d’où la dénomination de « vibrations colorées » ou « overtones ». L’excitation de degrés de liberté de vibration à des énergies aussi inhabituelles place la molécule dans un régime tellement anharmonique que de nouvelles approches théoriques deviennent nécessaires pour en modéliser le comportement. L’observation spectrale des ces transitions requiert une technique expérimentale ultra-sensible pour compenser les faibles intensités des raies d’absorption. Dans ce contexte, nous avons mis au point un dispositif ICLAS qui a pour objectif de surmultiplier le parcours de la lumière dans la cellule d’absorption en insérant celle-ci dans la cavité résonante d’un laser saphir-titane. Le chemin d’absorption ainsi obtenu est équivalent à plusieurs dizaines de kilomètres en fonction de la durée des impulsions lasers. Nous avons ensuite couplé le dispositif ICLAS avec un spectromètre à transformée de Fourier en synchronisant l’acquisition des données avec les impulsions. L’avantage de ce couplage réside dans l’obtention d’une technique à la fois très sensible grâce à l’ICLAS mais aussi possédant une haute résolution et une large couverture spectrale grâce au spectromètre. La réalisation de ce dispositif est décrite dans la première partie de ce travail. Nous avons ensuite appliqué ce dispositif instrumental à l'étude des molécules C2HD et 13C12CH2. L’analyse des spectres enregistrés est détaillée dans la seconde partie de ce travail. Celle-ci inclut également une introduction à la description théorique des niveaux d’énergie de vibration-rotation adaptée au cas de la molécule d’acétylène. L’analyse est axée principalement sur la structure rotationnelle et l’identification vibrationnelle des nouvelles bandes observées grâce aux performances du nouveau spectromètre. Les premières étapes vers la construction d’un modèle rovibrationnel global pour les deux molécules étudiées sont également décrites.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

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

Les dispositifs intersousbandes à base de nitrures d’éléments III ont des propriétés très intéressantes pour l’optoélectronique et la photonique dans l’infrarouge. Les hétérostructures formées par l’AlN et le GaN ont une discontinuité de potentiel en bande de conduction de 1.75 eV et permettent donc de couvrir les deux extrémités du spectre électromagnétique infrarouge. Ces matériaux sont en outre caractérisés par des temps de relaxation ISB extrêmement courts et sont par conséquent des candidats potentiels pour le développement de composants optoélectroniques ultrarapides aux longueurs d’onde des télécommunications. D’autre part, grâce à l’énergie du phonon LO élevée dans ces matériaux, ces hétérostructures ouvrent la voie vers la réalisation de lasers à cascade quantique THz fonctionnant à la température ambiante. Dans ce contexte, je présente dans une première partie de ma thèse une étude théorique et expérimentale du transport électronique dans des hétérostructures GaN/Al(Ga)N simples comme les diodes tunnel résonnantes (DTRs) et plus complexes comme les multi-puits quantiques. La modélisation du transport quantique dans les DTRs AlGaN/GaN m’a permis de mettre en évidence la dépendance de résonance quantique du signe de la tension appliquée et de la composition des barrières. Du point de vue expérimental, je montre que le comportement électrique instable dans ces dispositifs est dû aux défauts dans le matériau. Dans les structures à multi-puits, je présente la première évidence expérimentale d’un transport tunnel résonnant reproductible. Dans une deuxième partie, je propose et développe plusieurs principes originaux de détecteurs à cascade quantique (QCD)s GaN/AlGaN entre 1 et 2 μm fonctionnant à la température ambiante. Je montre en utilisant des techniques de mesure de spectroscopie femtoseconde qu’ils sont intrinsèquement ultrarapides (picoseconde). Je développe aussi des micro-QCDs qui présentent une bande passante au-delà des 40 GHz. La conception des QCDs à plus grandes longueurs d’onde est discutée. Dans la dernière partie de ce manuscrit, je présente une étude spectroscopique dans le THz de superréseaux à base de GaN. Je montre que l’utilisation de puits quantiques à marche de potentiel permet d’accorder l’absorption ISB dans le THz. Je présente ensuite la première démonstration de l’électroluminescence intersousbande de 2 à 9 THz. / Intersubband devices based on III-nitrides have interesting properties for optoelectronics and photonics applications in the infrared. The heterostructures of these materials have a large conduction band offset of 1.75 eV and therefore allow covering the whole infrared electromagnetic spectral range. Furthermore, these materials are characterized by extremely short ISB relaxation times and are, consequently, potential candidates for the development of ultrafast optoelectronic devices at the fiber optics telecommunication wavelengths for fiber optics or for free space communication. On the other hand, thanks to the large LO phonon energy in these materials, these heterostructures offer the possibility of fabricating compact THz lasers operating at room temperature. In this context, I firstly present in this manuscript a theoretical and an experimental study of the electronic transport in simple AlGaN/GaN heterostructures namely resonant tunneling diodes and more complex structures such as multi-quantum wells based on III-nitrides. The modeling of the transport in RTDs shows the dependency of the current resonances on the sign of the applied voltage as well as the height of the double barrier. I also demonstrate that the experimentally observed electrical instabilities in these devices are due to the defects in the material. In the multiple quantum well structures, I give the first evidence of reproducible resonant tunneling transport. In chapter 3, I propose and develop several principles of quantum cascade detectors in the near infrared between 1 and 2 μm operating at room temperature. I demonstrate, using time-resolved bias-lead monitoring technique, that they are intrinsically very fast (picosecond). I also develop micro - QCD devices that have a -3 dB cut-off frequency beyond 40 GHz. The design of QCDs operating at longer wavelengths is discussed. In the last part of the manuscript, I present a spectroscopic study of GaN superlattices with ISB transitions in the far-infrared. I show that the utilization of step quantum wells allows to tune the ISB absorption frequency to the THz. I finally present the first demonstration of the intersubband electroluminescence from 2 to 9 THz in these structures.

L'augmentation considérable du trafic aérien depuis quelques décennies a motivé des recherches sur l'impact des traînées de condensation sur le climat. Lorsque celles-ci persistent, elles induisent une couverture nuageuse additionnelle en cirrus dont l'impact sur le climat est difficile à quantifier. La condition physique de la persistance des trainées de condensation est la sursaturation en glace (humidité relative supérieure à la saturation), phénomène assez fréquent dans la haute troposphère et condition nécessaire pour la formation des cirrus. Dans ce contexte, les sondeurs infrarouges ont l'avantage de fournir, de manière globale et continue, des mesures conjointes de propriétés nuageuses et de profils atmosphériques de température et de vapeur d'eau. Nous utilisons dans cette étude les bases de données climatiques TIROS-N Observation Vertical Sounder (TOVS) puis Atmospheric InfraRed Sounder (AIRS). Ces deux instruments n'ont pas une résolution verticale suffisante pour détecter la présence de fines couches de sursaturation en glace. Des synergies avec d'autres types observations permettent de le mettre en évidence et de le corriger. Nous démontrons notamment à l'aide du lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) que l'humidité relative de la haute troposphère dans les cirrus, déterminée par AIRS, montre un biais négatif en comparaison de mesures in situ. Ce biais est lié à la résolution verticale de AIRS et il est d'autant plus prononcé que les nuages sont géométriquement fins. Il est difficile de détecter la sursaturation car cette dernière est plus à même d'apparaître sur de fines épaisseurs. Une méthode de correction est alors proposée pour mieux estimer les fréquences d'occurrence de la sursaturation en glace à l'échelle globale. La synergie entre AIRS et des mesures aéroportées de la campagne MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) nous permet de construire une probabilité d'occurrence de la sursaturation en fonction de l'humidité relative déterminée par AIRS, quelque soit la valeur de cette humidité relative. Cette probabilité permet de construire des climatologies de la sursaturation en glace. Enfin, son couplage avec la détermination conjointe des propriétés nuageuses permet d'établir des climatologies des situations atmosphériques favorables à la persistance et à l'impact sur le climat des traînées de condensation.