L’objectif de la thèse concerne le développement de lasers à semi-conducteur à blocage de modes qui présentent un grand intérêt pour les systèmes de télécommunications optiques à très haut débit (WDM, OTDM, radio sur fibre…).Les nanostructures à base de boites quantiques (BQs) possèdent des propriétés remarquables grâce au confinement 0D des porteurs de charge. Leur utilisation dans les lasers à blocage de modes a donné lieu à des avancées importantes en terme de génération d’impulsions très courtes à haute fréquence et avec un très faible niveau de bruit.Durant la thèse, une optimisation de la croissance des structures lasers à BQs InAs sur substrat InP(113)B a été menée afin d’accroître le nombre de plans de BQs tout en assurant une forte densité pour maximiser le gain modal. Le travail a également porté sur l’utilisation de substrats InP(001) désorienté et l’obtention d’empilement de plans de BQs de faible anisotropie. Une optimisation de la technologie des lasers monomode de type « shallow-ridge » a été réalisée sur substrat conventionnel InP (001). Nous avons confirmé l’intérêt des BQs pour améliorer l’efficacité d’injection grâce à une réduction de la diffusion latérale des porteurs. Le blocage de modes a été obtenue sur des lasers à mono-section et double sections à base de BQs InAs élaborés sur InP (001) désorienté et InP(113))B, à des fréquences de répétitions allant de 20 jusqu’à 83 GHz. Les spectres RF présentent des pics de faibles largeurs (jusqu’à 20 kHz) qui indique un faible bruit de phase. Enfin, une étude a été menée sur le comportement en température des lasers à blocage de modes passif à double sections à base de BQs ou de BatQs InAs/InP. / Semiconductor mode-locked lasers (MLLs) are at the centre of interest for a large range of photonic applications (WDM, OTDM, radio over fiber ...). Because of their outstanding performance coming from the 0D carrier confinement, the use of quantum dots (QDs) nanostructures as active material for MLLs has led to the generation of ultra-short and high frequency pulses with low noise. For the present thesis studies were carried out on InAs based QDs laser growth on InP (113)B in order to increase the number of stacked QDs layers while maintaining a high density of QDs to maximize modal gain. Work has also been focused on layers stacking and obtaining real QDs using misoriented (001) InP substrate. Structural qualities have been confirmed using AFM, polarized photoluminescence and broad laser characterization. A shallow ridge waveguide optimization technology has been realized on conventional (001) InP substrate. We have confirmed the improved injection efficiency of QDs due to lower lateral carrier diffusion. Mode-locking was obtained on single and two sections InAs based QDs lasers elaborated on (001) InP misoriented substrate and (113)B InP substrate, from 20 to 83 GHz. The RF linewidth at -3 dB is as low as 20 kHz indicating a ML regime with a low phase noise. Finally, we have studied the temperature effect on the QDs and QDashes InAs/InP multi-section MLLs.

Hydrogenated amorphous silicon films subjected to KrF excimer laser irradiation with a profiled beam in air leads to the formation of microstructures. The main objective of this research was to perform a comprehensive study in understanding this material in three different aspects: thermal, electrical, and optical properties by experiment, SEM analysis and modelling. For the thermal interactions, analysis was carried out to investigate factors relating to the formation of the microstructures in a range of applied laser fluences from 93.8 to 443.8 mJ/cm2. The tallest microstructures were formed with average height from 1 to 3 ?m at laser fluence of 312.5 mJ/cm2. Investigation also include the effect of different applied laser fluence, different scanning schemes, the effect of the presence of 300 nm metal layer, and irradiation environment. Thermal modelling using COMSOL simulation software was used to simulate heat transfer during laser-material interaction and the results suggest a fair agreement with experimental findings. SEM and TEM reveal that the material formed was an oxynitride with embedded particles of crystalline silicon. In the electrical part, conductivity and field emission were the main tools to help elucidate the internal structure. Arrhenius plots acquired from conductivity measurements demonstrates a decrease in activation energy from 0.8957 eV from original sample to 0.3955 and 0.1727 eV for HE and LE sample respectively. Analysis also showed an agreement with Meyer Neldel rule for both samples. Observation made on the ratio of dark current to photogenerated current revealed the decrease from 59600 in original sample to 1.77 and 1.40 for HE and LE samples respectively. For the field emission properties, IE plots from samples were analysed using 170 ?m fixed gap structure, and lowest emission thresholds were achieved at 3 and 2.4 V/?m for HE and LE samples respectively. The results were fitted to a model of conducting particles in an insulating matrix offering a transport route to the surface. In the optical part, FTIR measurements were carried and analysis in IR absorbance profile within range of 550 to 2200 cm-1 demonstrates SiHx absorbance peaks at 640 cm-1, between 1980 to 2100 cm-1, and at 2095 cm-1. Hydrogen content was found to be decreased with the increase in applied laser fluence from 12 % in original sample to 4.2 and 1.5 % for HE and LE sample respectively. Measurements using UV-Vis between wavelengths of 200 to 1100 nm shows high absorbance up to 98% for laser process sample from 218.8 to 312.5 mJ/cm2. TR analysis demonstrated increasing absorbance properties at increasing incident angle. Raman spectroscopy showed an increase in the crystal fraction with laser fluence. The final analysis work in this thesis examines the material as a potential disordered photonic crystal and studies the propagation and localisation of light in ordered and disordered photonic crystal, modelled using COMSOL simulation software. This shows the transition from diffusive to localised propagation. A number of applications are suggested for this structured material. This is the first report of a new large area ‘black silicon’ material that has a number of interesting applications.

Le multiferroїque BiFeO3 est l'un des matériaux ferroïques les plus étudiés à ce jour du fait de la coexistence à température ambiante d'un état ferroélectrique et antiferromagnétique. Il présente de plus une réponse photovoltaïque dont l'origine précise n'est actuellement pas comprise. Le but principal de cette thèse est donc d'étudier les propriétés photovoltaïques de films épitaxiés BiFeO3. Préalablement à l'investigation des propriétés photovoltaïques une étude des mécanismes de conduction a été entreprise. Un transport polaronique de saut via les défauts les plus proches voisins a été mis en évidence et une transition est observée à 253K. En dessous de cette transition les états associés aux défauts proches du niveau de Fermi contribuent principalement et une longueur de saut variable émerge. Cette observation semble être corrélée à la réponse photovoltaïque avec un changement de régime de la tension photo-induite autour de 253K. Cette réponse photovoltaïque est provoquée par l'état ferroélectrique et peut être basculée à l'aide d'un champ électrique. Afin de reproduire artificiellement l'état en domaines associé à l'effet photovoltaïque de BiFeO3 des super-réseaux BiFeO3/SrRuO3 ont été fabriqués et une étude préliminaire de la structure a été entreprise. Nous observons un changement structural d'une phase rhomboédrique vers une phase pseudo quadratique dans ces super-réseaux de période variable et attribuons cette transition à l'influence prépondérante des contraintes élastiques induites dans le plan / The multiferroic BiFeO3 is one of the most studied material because of the room temperature coexisting ferroelectric and antiferromagnetic state. It also shows a photovoltaic response not yet understood. The main objective of this thesis is therefore to investigate the the photovoltaic properties of epitaxial BiFeO3 thin films. Preliminary to photovoltaic studies an investigation of the conduction mechanism has been performed. A polaronic transport with next nearest hopping mechanism is evidenced with a change of regime below 253K. Below 253K variable range hopping transport is observed and involves defects states near the Fermi level. This transport behavior seems connected to the photovoltaic response and change observed at 253K in the photo-induced voltage. Interestingly the photovoltaic response is induced by the ferroelectric state and we demonstrate a switchable photovoltaic effect by an applied electric field. In order to artificially reproduce the domain structure involved in the photovoltaic effect in BiFeO3 BiFeO3/SrRuO3 superlattices have been fabricated and a preliminary structural investigation is presented. A structural change is evidenced from a rhombohedral structure to pseudo-tetragonal state in the superlattices with variable periodicities and we attribute this transition to the influence of the induced in-plane elastic strain

Estágio realizado no Fernando Jesus Mourão & C.ª, Ld.ª e orientado pelo Eng.º Carlos Mourão / Tese de mestrado integrado. Enegnharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Extensive information can be obtained on wave-particle interactions and wave fields by direct measurement of perturbed ion distribution functions using laser-induced fluorescence (LIF). For practical purposes, LIF is frequently performed on metastable states that are produced from neutral gas particles and ions in other electronic states. If the laser intensity is increased to obtain a better LIF signal, then optical pumping can produce systematic effects depending on the collision rates which control metastable population and lifetime. We numerically simulate the ion velocity distribution measurement and wave-detection process using a Lagrangian model for the LIF signal. The simulations show that optical pumping broadening affects the ion velocity distribution function (IVDF) $f_0(v)$ and its first-order perturbation $f_1(v,t)$ when laser intensity is increased above a certain level. The results also suggest that ion temperature measurements are only accurate when the metastable ions can live longer than the ion-ion collision mean free time. For the purposes of wave detection, the wave period has to be significantly shorter than the lifetime of metastable ions for a direct interpretation. Experiments are carried out to study the optical pumping broadening and metastable lifetime effects, and the results are compared with the simulation in order to validate the Lagrangian model for LIF. It is more generally true that metastable ions may be viewed as test-particles. As long as an appropriate model is available, LIF can be extended to a range of environments.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une convention industrielle de formation par la recherche (CIFRE) entre le laboratoire Hubert Curien et l’entreprise Pattyn Bakery Division. L’objectif de ces travaux est le développement d’un système de détection de trait laser sur FPGA (Field Programmable Gate Array) qui soit plus performant que système actuel de l’entreprise. Dans l’industrie, les concepteurs de systèmes de vision doivent pouvoir créer et modifier facilement leurs systèmes afin de pouvoir les adapter aux besoins de leurs clients et aux évolutions technologiques. Ainsi les opérateurs développés doivent être génériques afin de permettre aux concepteurs de modifier le système de vision sans nécessairement avoir de compétences matérielles. Les concepteurs doivent également pouvoir être en mesure d’estimer quelles seront les ressources utilisées par l’opérateur en cas modifications du système : paramètres de l’application, capteur, famille de FPGA... Dans ce manuscrit, les principaux algorithmes de détection de trait laser ainsi que leurs propriétés ont été étudiés. Un opérateur de détection de trait laser a été choisi et développé. L’implantation de cet opérateur sur une caméra-FPGA du marché a permis d’obtenir un premier prototype fonctionnel. Les performances temporelles de ce nouveau système sont quatre fois supérieures à celles du système actuellement utilisé par l’entreprise. Le nouveau système est capable de traiter jusqu’à 2500 images par seconde. Enfin, les modèles de la consommation des ressources permettent de dimensionner une architecture à partir d’un ensemble de paramètres prédéfinis de manière rapide et sans faire de synthèses. Le paramètre auquel les concepteurs doivent prêter le plus d’attention est le niveau de parallélisme des données. Ce paramètre permet d’exploiter les capacités de parallélisme du FPGA en consommant plus de ressources. Cependant, les ressources du FPGA sont limitées et augmenter le niveau de parallélisme peut induire la nécessité de changer de FPGA. Le système et les données fournies permettront à l’entreprise d’adapter le système de vision selon les besoins futurs des clients en les guidant vers le choix du matériel / This thesis is part of an industrial research training agreement (CIFRE) between the Hubert Curien laboratory and the company Pattyn Bakery Division. The goal of this work is the development of an FPGA laser line detection system that is more efficient than the current system of the company. In the industry, vision system designers need to be able to easily create and modify their systems in order to adapt them to their customers’ needs and technological developments. Thus developed operators must be generic to allow designers to change the vision system without necessarily having material skills. Designers must also be able to estimate what resources will be used by the operator in case of system changes : application parameters, sensor, family of FPGAs ... In this manuscript, the main laser line detection algorithms and their properties have been studied. A laser line detection operator was chosen and developed. The implementation of this operator on an FPGA-camera from market has resulted in a first functional prototype. The time performance of this new system is four times that of the system currently used by the company. The new system is able to process up to 2500 frames per second. Finally, resource consumption models makes it possible to size an architecture from a set of predefined parameters quickly and without synthesizing. The parameter to which designers must pay the most attention is the level of parallelism of the data. This parameter makes it possible to exploit the parallelism capabilities of the FPGA by consuming more resources. However, the resources of the FPGA are limited and increasing the level of parallelism can induce the need to change the family of FPGAs. The system and the data provided will enable the company to adapt the vision system to the future needs of customers by guiding the choice of equipment.

La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l’utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d’onde d’environ 1 µm. L’influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l’échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l’effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l’optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l’échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l’hétérogénéité de la distribution de l’énergie du laser. Cette distribution de l’énergie peut être améliorée grâce à l’optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s’est produite pendant le processus de fabrication. / Selective laser melting is a rapid manufacturing process coming from the rapid prototyping technology, which is widely used in the automotive, aeronautical, medical industry etc. According to the principle of rapid manufacturing, the piece is manufactured layer by layer through the laser sintering or melting the fine powder. Currently, the main powder materials used are metal or polymer materials. The low melting point of these materials facilitates the melting process. However, duo to the high melting point, strong strength at high temperature and low thermal conductivity the application of ceramic materials is limited in the technology of selective laser melting. In this study, selective laser melting of the ceramic yttria stabilized zirconia by a 1μm wavelength fiber laser was explored. The influence of different laser powers and different scanning velocities on the microstructure and the deformation were analyzed, then the micro-hardness and relative density were measured. In particular, the effect of different preheat temperatures on microstructure was investigated. At the same time, the crystal structure and phase transformation during the fabrication were analyzed. Experimental results show that YSZ powder can be completely melted by the near IR fiber laser. With the optimization of the manufacturing parameters, the relative density of sample could reach 91 %. The forming of cracks and pores in the manufactured parts is rarely avoid due to the heterogeneity of distribution of energy. The energy distribution could be improved by optimizing the parameters and the crack lengths can be controlled by preheating the powder bed. In particular, the high temperature (1500 ℃, 2000 ℃ and 2500 ℃) lead the continuous vertical crack becomes messy and short. The transformation of monoclinic and cubic crystal to tetragonal crystal can be observed during the fabrication.

Master of Engineering / Turbulent propagating premixed flames are encountered in spark ignition engines, gas turbines, industrial burners, as well as in vented gas explosions. In all these applications, the flame fronts interact with complex solid boundaries which not only distort the flame structure but directly affect the propagation rate in ways that are not yet fully understood. This thesis aims to provide both a quantitative and qualitative understanding of the link between overpressure, flame front wrinkling and turbulence levels generated in the propagating medium. This is an issue of importance for the provision of improved sub-models for the burning rates of premixed flames. An experimental chamber was constructed where controlled premixed flames were ignited from rest to propagate past solid obstacles and/or baffle plates strategically positioned in the chamber. Laser Doppler Anemometry was used to measure the velocity field and turbulence fields while pressure transducers were used to obtain pressure-time traces. In addition to this Laser-Induced Fluorescence of the Hydroxyl radical is was to image the flame front as it consumes the unburnt fuel captured in the re-circulation zone behind the main obstruction. The thesis reports on the effects of various parameters such as the inclusion of grids and obstructions, blockage ratio, and repeated obstacles to explore possible correlations between the pressure and the flow-fields. Pressure, velocity and LIF images were correlated and analysed to prove the significance of grid location and number on overall turbulence intensity. Corresponding flow field parameters such as flame front wrinkling, peak overpressure and RMS all combine to conclusively demonstrate their interaction and influence to turbulence intensity. By progressively positioning more grids further downstream, consequent rises in the flow field parameters and the establishment of positive trends indicates the overall significance of kernel development and flow disturbances in relation to turbulence generation.

De rapides avancées technologiques ont autorisé depuis le début des années 1980 un développement important des lasers de puissance et ont ouvert la voie aux régimes d'interaction laser-matière relativiste. L'accès aux intensités lumineuses supérieures à 1.1018 W.cm-2 a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d'explorer une nouvelle physique riche d'applications. Bien que le principal moteur ait historiquement été constitué par les recherche sur la fusion par confinement inertiel, l'astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement (harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) élargissent de plus en plus ce domaine d'étude.En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des sources d'ions créées par laser laissent fortement envisager qu'elles viendront un jour remplacer les sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines très coûteuses.Dans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l'accélération d'ions qui a déjà montré son fort potentiel en termes de qualité des faisceaux accélérés. Malheureusement, ses applications sont encore limitées (radiographie, chauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le spectre large ou l'énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse, l'accent a plus particulièrement été mis sur l'augmentation de l'énergie maximale des faisceaux de protons dans le cadre des régimes à ultra haute intensité (supérieur à 1.1019W.cm-2). Cette recherche s'est orientée suivant deux axes principaux (impulsions longue et courtes), qui ont donné lieu à de nombreux échanges et au renforcement de la collaboration entre les laboratoires du LULI à l'École Polytechnique (France) et l'INRS-EMT (Canada).Dans le cadre des recherches menées au sein du LULI, des techniques innovantes ont pu être explorées afin de poursuivre la compréhension des mécanismes et d'améliorer les qualités de l'accélération d'ions à partir d'impulsion "longues" (entre 300 fs et 1,5 ps). Nous avons montré que l'utilisation de cibles ayant des dimensions transverses réduites permettait le confinement géométrique des électrons dans la zone d'impact du laser et augmentait ainsi significativement le taux de conversion de l'énergie laser vers les protons et l'énergie maximale atteinte par le faisceau. Par ailleurs, l'utilisation originale d'une optique plasma refocalisante a démontré son efficacité quant à réduire fortement la surface de focalisation du laser, conduisant à augmenter son intensité et donc l'énergie de coupure des faisceaux d'ions accélérés. Enfin, l'utilisation de deux impulsions laser a mis en évidence qu'une interaction entre les électrons accélérés par chaque impulsion était possible et qu'elle permet de modifier l'énergie et la typologie des faisceaux de protons.Les expériences réalisées au sein de l'INRS-EMT visaient quant à elle à améliorer la compréhension des régimes d'accélération femtoseconde, où peu d'études à ultrahaute intensité existaient au début de cette thèse, et à valider ou non la pertinence de ces régimes. Les nombreuses expériences menées ont clairement établi l'importance du contraste laser et la nécessité que ce derniers soit important pour que l'accélération de protons soit efficace dans ces régimes ultracourts. L'analyse systématique des faisceaux accélérés en face avant et en face arrière d'une cible mince montre que le processus d'accélération manifeste une certaine symétrie et prouve, qu'à énergie laser constante,l'accélération d'ions par laser n'est pas la plus efficace pour la plus courte durée d'impulsion.

Thesis (Ph. D.)--Oregon Graduate Center, 1978.