Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 mars 2004). Bibliogr. Présenté aussi en version papier.

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.

L'étude des propriétés luminescentes de nanoparticules permet d'accéder à des informations sur les mécanismes élémentaires liés à cette luminescence. À l'instar de ce qui a été fait pour les semiconducteurs (effets de confinement quantique par exemple), nous souhaitons étudier l'influence de paramètres tels que la taille ou la composition de nanoparticules isolantes sur leur luminescence. Pour cela il fallait créer un outil polyvalent capable d'exciter efficacement ces particules, d'en effectuer des images luminescentes et enfin d'en faire la spectroscopie. Le microscope confocal achromatique élaboré dans le cadre de mon travail de thèse et hébergé au sein de Nanoptec est à même de remplir ces objectifs : longueur d'onde d'excitation accordable allant de l'UV dur (210 nm) à l'IR (près de 1 μm), résolution spatiale de l'ordre du μm (permet l'étude de particules assez espacées), aspect confocal permettant d'isoler spatialement la luminescence de l'objet étudié, système de détection capable d'isoler spectralement cette luminescence... Cet outil a permis des collaborations diverses avec des équipes au sein et hors du laboratoire, comme la cartographie spatiale de la répartition de dopants dans des fibres laser, l'évaluation des inhomogénéités lumineuses au sein de matériaux céramiques, la mesure de dispersion spatiale de nanoparticules dans des plastiques... Le microscope confocal achromatique nous sert également à étudier plus fondamentalement les effets de la puissance d'excitation sur les propriétés luminescentes de nanoparticules de tailles et de compositions diverses.

La spectroscopie Raman est une technique non-invasive, non-destructrice, permettant l’identificationdes molécules contenues dans un échantillon solide, liquide ou gazeux. Toutefois elle souffre d’un inconvénient majeur : une faible sensibilité. Cette limite est maintenant sur le point d’être repoussée grâce à l’essor du SERS (Surface Enhanced Raman Scattering, acronyme anglais de diffusion Raman exaltée de surface). Ce phénomène a été déjà mis en œuvre avec succès dans diverses applications : biomédicale, biologie, chimie analytique, science environnementale... Toutefois, malgré un nombre croissant de travaux scientifiques, certains aspects des capteurs SERS restent à étudier. Ce travail s’est focalisé sur l’étude des propriétés optiques en champs proche et lointain de réseaux de nanocylindres pour la détection de composés organiques. Les paramètres étudiés sont la période du réseau, le diamètre des cylindres, mais également le matériau constituant la nanoparticule tout comme la couche d’accroche. L’´étude des propriétés optiques nous a naturellement amené à investiguer le phénomène d’absorption. L’´énergie lumineuse incidente est convertie en chaleur. Les nanocylindres se comportent alors comme des nanosources de chaleur. Ainsi, une partie de ce travail a porté sur les effets dits de thermoplasmoniques. Une des applications que nous avons démontrée est la capacité à manipuler des micro-objets, grâce au contrôle des phénomènes d’advections. / Raman spectroscopy is a technique that is non-invasive, non-destructive, allowing the identification of the molecules contained in a solid, liquid or gaseous sample. However it suffers from one major drawback : low sensitivity. This limit is now about to be pushed through the fast growth of SERS (Surface Enhanced Raman Scattering). This phenomenon has been already implemented successfully in various applications : biomedical, biology, analytical chemistry,environmental science... However, despite a growing number of scientific works, some aspects of the SERS sensors still need to be studied. This work focused on the study of the near-field and the far-field properties of arrays of nanocylinders for the detection of organic compounds. The studied parameters are the period of the array, the diameter of the cylinders, but also the material constituting the nanoparticle as the adhesion layer. The study of optical properties naturally led us to investigate the phenomenon of absorption. The incident light energy is converted into heat. The nanocylindres then behave like nanosources of heat. Thus, part of this work focused on the effects of thermoplasmonics. One of the applications that we demonstrated is the ability to manipulate the micro-objets, thanks to the control of the phenomena of advections.

Les propriétés non linéaires des matériaux dans la gamme infrarouge lointain ont été relativement peu étudiées. Ce phénomène est dû à l'absence, jusqu'à tout récemment, de sources dans cette gamme qui soient à la fois cohérentes et intenses. Certains lasers moléculaires et les lasers à électrons libres ont permis de pallier ce manque. Cependant ces sources sont soit difficilement accordables, soit très onéreuses et volumineuses. Nous présentons ici une source dite optoélectronique qui est cohérente, potentiellement accordable entre 17 et 600 æm, intense, peu volumineuse et peu coûteuse. La première partie du projet a consisté à développer l'aspect d'accordabilité de la source au moyen du battement entre deux faisceaux laser. Nous avons montré qu'une méthode de réinjection de photons cohérents permettait d'augmenter significativement le contraste de battements de fréquence entre 0.5 et plus de 15 THz. Ces battements ont ensuite été amplifiés et utilisés pour générer un rayonnement infrarouge lointain à 180 et 510 æm avec une énergie de 0.4 æJ.

La réduction du bruit généré par les ventilateurs est un enjeu majeur pour les industriels, car cette pollution sonore agit directement sur le confort des personnes qui se trouvent à proximité et parce qu'un ventilateur faisant du bruit est souvent synonyme d'un mauvais rendement. Dans le cas des machines tournantes basse vitesse comme les ventilateurs axiaux, le bruit propre de la pale est prédominant, en particulier le bruit généré par la distorsion de structures tourbillonnaires générant des ondes acoustiques diffractées aux bords d'attaque et de fuite. Les recherches présentées dans ce mémoire de maîtrise s'inscrivent dans la tâche n°3 du projet FQRNT équipe qui consiste en la réduction passive du bruit rayonné par les ventilateurs basse vitesse et sont axées sur l'utilisation de matériaux poreux. Afin de répondre aux objectifs du sujet, une maquette modulable, basée sur un profil industriel de type compresseur ou ventilateur axial, permet de tester plusieurs configurations en appliquant différents matériaux poreux au bord de fuite. Des mesures d'acoustique en champ lointain, de directivité et de pression pariétale sont effectuées dans la soufflerie anéchoïque du GAUS. La mesure des pressions statiques permet également de déterminer l'influence des traitements sur la charge du profil. Enfin, des mesures au fil chaud permettent de caractériser l'écoulement dans le sillage et les couches limites. Les matériaux les plus résistifs s'avèrent être les plus efficaces et permettent des réductions en champ lointain allant jusqu'à 7 dB.

Pour répondre aux questions que pose la faisabilité d'un dispositif de détection d'explosifsà l'aide de la technologie de spectroscopie térahertz, cette thèse a exploré troisaxes. Le premier a consisté à établir une base de données des signatures spectrales (indiceet absorption) d'une large gamme de matériaux d'intérêt pour ce type d'applications,à partir des données expérimentales que nous avons mesurées par spectroscopie dans ledomaine temporel. Nous avons identifié les matériaux montrant une signature spectralesignificative et nous avons aussi étudié l'effet des matériaux de dissimulation.Dans la seconde partie de ce travail, nous avons conçu et construit un banc de spectroscopieultra-large bande destiné à une meilleure identification spectrale des substances. Nousavons identifié les limites techniques de ce type de banc et donné les pistes pour atteindreles performances désirées.Ensuite, nous avons développé et validé un banc de spectroscopie en réflexion, de typegoniométrique, afin de détecter des signaux térahertz diffusés par des matériaux hétérogènes.Finalement, nous avons étudié les plasmons de surface dans le domaine térahertz, en vuede la détection de très faibles quantités de matière.

Les étoiles telles que notre soleil se forment par l'effondrement gravitationnel de fragments de nuages moléculaires. Pendant les premiers instants de sa formation (ce qu'on appelle la Classe 0), l'étoile est profondément enfouie dans une enveloppe de gaz et de poussières et est seulement visible aux longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. Au fur et à mesure de son évolution, l'étoile disperse progressivement cette enveloppe. Un disque résiduel reste autour de l'étoile nouvellement née, qui pourra lui-même donner naissance à un système planétaire. Dans cette thèse, j'étudie la structure physico-chimique des proto-étoiles de faible masse. Cette étude est basée sur des observations du satellite ISO des raies de l'eau, ainsi que des observations avec les télescopes JCMT et IRAM du formaldéhyde. Dans un premier temps, j'étudie l'émission des raies de l'eau proto-étoile NGC1333-IRAS4 observés par ISO-LWS. A l'aide d'un modèle détaillé de l'émission de la proto-étoile, je détermine la structure en densité et température de l'enveloppe, ce qui permet de contraindre la masse centrale et le taux d'accrétion. Je détermine également l'abondance de l'eau dans l'enveloppe, et montre que cette abondance est dix fois plus importante dans la partie interne de l'enveloppe que dans la partie externe. Dans cette région, le manteau des grains s'évapore en injectant de grandes quantité d'eau en phase gazeuse. Dans un second temps, je développe un modèle d'émission d'une autre molécule abondante dans le manteau des grains, le formaldéhyde, et je montre que des transitions de cette molécule peuvent également être utilisées pour déterminer les conditions physico-chimiques dans l'enveloppe. Enfin, je présente un relevé de l'émission du formaldéhyde de dix proto-étoiles de classe 0, obtenu avec l'IRAM et le JCMT. En comparant les prédictions de ce modèle et les observations, je montre que dans toutes les proto-étoiles observées, à l'exception d'une seule, le formaldéhyde est également évaporé du manteau des grains, et est entre deux et trois ordres de grandeur plus abondant que dans la partie externe de l'enveloppe. Ceci montre que toutes les proto-étoiles de faible masse observées possèdent un coeur chaud, où la chimie est probablement très influencée, sinon dominée par l'évaporation du manteau des grains.

Dans cette thèse, une formulation pour l’extraction du couple « champ lointain » d’un rotor d’hélicoptère en vol stationnaire est présentée. Cette formulation est dérivée de la méthode d’extraction de la traînée « champ lointain » d’un avion, basée sur les travaux de van der Vooren et Destarac [?, ?, ?]. Un outil développé à l’Onera à partir de cette théorie permet de donner une analyse complète de la traînée aérodynamique d’un avion. Il est basé sur l’analyse physique et locale de l’écoulement calculé autour de l’aéronef, et décompose la traînée totale, aussi appelée traînée mécanique, en composantes physiques. Ces composantes physiques peuvent être définies comme suit : 1) la traînée d’onde, 2) la traînée visqueuse, 3) la traînée induite. L’adaptation de la méthode d’extraction de la traînée d’un avion à un rotor en vol stationnaire nécessite l’utilisation du couple rotor à la place de la traînée de l’avion, ce qui donne la décomposition suivante : 1) le couple d’onde, 2) le couple visqueux, 3) le couple induit. Les simulations de rotor diffèrent de celles de l’avion dans la mesure où les équations d’Euler (ou RANS) ne sont pas écrites dans le même repère de référence : les simulations d’avion utilisent généralement une formulation en vitesse relative tandis que les simulations d’un rotor d’hélicoptère utilisent la vitesse absolue projetée dans le repère relatif. Cette différence conduit à deux formulations différentes des équations de l’écoulement, et nécessairement deux formulations différentes de l’extraction de la traînée ou du couple. Ce changement de repère implique aussi des changements dans les quantités thermodynamiques utilisées, en particulier l’utilisation de la rothalpie à la place de l’enthalpie d’arrêt pour déterminer le couple dû aux phénomènes irréversibles. Une application de cette méthode est présentée sur un rotor quadripale créé pour cette étude et montre comment cette nouvelle approche peut améliorer la précision de l’extraction des performances d’un rotor à partir de résultat issu de la simulation numérique. / In this thesis, a formulation for “far-field” torque extraction in the case of a hovering rotor is presented. This formulation is derived from an aircraft “far-field” drag extraction method, based on van der Vooren and Destarac’s works [?, ?, ?]. A tool was previously developed at Onera to give an aerodynamic comprehensive analysis of aircraft drag, based on physical and local analysis of the computed flow field surrounding the aircraft. It decomposes the total drag, also called mechanical drag, into its physical components. These physical components can be defined as : 1) wave drag, 2) viscous drag, 3) induced drag. The adaptation of the method to a rotor in hover leads to consider rotor torque instead of aircraft drag, which gives the following decomposition : 1) wave torque, 2) viscous torque, 3) induced torque. Rotor simulations differ from aircraft ones inasmuch as the Euler (or RANS) equations are not written in the same reference frame : aircraft simulations use the relative velocity formulation while rotor simulations use the absolute velocity projected in the relative frame. This difference leads to two different formulations of the flow equations, and necessarily two different formulations of the drag or torque extraction. This change of reference frame also implies some changes in the thermodynamical quantities used, in particular the use of the rothalpy instead of the stagnation enthalpy to determine the torque due to irreversible phenomena. An application of this method is described on a four-bladed rotor created for this study and shows how this method can improve rotor performance extraction from numerical simulations.

L’étude des propriétés luminescentes de nanoparticules permet d’accéder à des informations sur les mécanismes élémentaires liés à cette luminescence. À l’instar de ce qui a été fait pour les semiconducteurs (effets de confinement quantique par exemple), nous souhaitons étudier l’influence de paramètres tels que la taille ou la composition de nanoparticules isolantes sur leur luminescence. Pour cela il fallait créer un outil polyvalent capable d’exciter efficacement ces particules, d’en effectuer des images luminescentes et enfin d’en faire la spectroscopie. Le microscope confocal chromatique élaboré dans le cadre de mon travail de thèse et hébergé au sein de Nanoptec est à même de remplir ces objectifs : longueur d’onde d’excitation accordable allant de l’UV dur (210 nm) à l’IR (près de 1 μm), résolution spatiale de l’ordre du μm (permet l’étude de particules assez espacées), aspect confocal permettant d’isoler spatialement la luminescence de l’objet étudié, système de détection capable d’isoler spectralement cette luminescence... Cet outil a permis des collaborations diverses avec des équipes au sein et hors du laboratoire, comme la cartographie spatiale de la répartition de dopants dans des fibres laser, l’évaluation des inhomogénéités lumineuses au sein de matériaux céramiques, la mesure de dispersion spatiale de nanoparticules dans des plastiques... Le microscope confocal achromatique nous sert également à étudier plus fondamentalement les effets de la puissance d’excitation sur les propriétés luminescentes de nanoparticules de tailles et de compositions diverses. / Studying luminescent properties of nanoparticles leads to informations about elementary mechanisms connected to the luminescence. As it has been done for semiconductors (quantum confinement effect for instance), we want to evaluate the influence of parameters like size or composition of insulating nanoparticles on their luminescence. In this purpose, we had to develop a versatile tool, able to efficiently excite these particles, then perform their image and their spectroscopy. The achromatic confocal microscope built during my phD work and hosted in the Nanoptec center is able to fill these aims : tunable wavelenght from deep UV (210 nm) to IR (about 1 μm), spatial resolution of about 1 μm (enables us to work on sufficiently separated particules), confocal aspect leading to a spatial isolation of the studied object luminescence, detection system able to spectrally select this luminescence... We made various collaborations with teams in and out of the laboratory, such as spatial cartography of dopant distribution in laser fibers, evaluation of optical inhomogeneities amidst ceramics, spatial dispersion measurements of nanoparticles in plastics... The achromatic confocal microscope is also helpful for a better understanding of excitation power effects of luminescent properties of various sizes and compositions nanoparticles.