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BACKGROUND:In a globalized word, prevention of infectious diseases is a major challenge. Rapid detection of viable virus particles in water and other environmental samples is essential to public health risk assessment, homeland security and environmental protection. Current virus detection methods, especially assessing viral infectivity, are complex and time-consuming, making point-of-care detection a challenge. Faster, more sensitive, highly specific methods are needed to quantify potentially hazardous viral pathogens and to determine if suspected materials contain viable viral particles. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy combined with cellular-based sensing, may offer a precise way to detect specific viruses. This approach utilizes infrared light to monitor changes in molecular components of cells by tracking changes in absorbance patterns produced following virus infection. In this work poliovirus (PV1) was used to evaluate the utility of FTIR spectroscopy with cell culture for rapid detection of infective virus particles.RESULTS:Buffalo green monkey kidney (BGMK) cells infected with different virus titers were studied at 1 - 12 hours post-infection (h.p.i.). A partial least squares (PLS) regression method was used to analyze and model cellular responses to different infection titers and times post-infection. The model performs best at 8 h.p.i., resulting in an estimated root mean square error of cross validation (RMSECV) of 17 plaque forming units (PFU)/ml when using low titers of infection of 10 and 100 PFU/ml. Higher titers, from 103 to 106 PFU/ml, could also be reliably detected.CONCLUSIONS:This approach to poliovirus detection and quantification using FTIR spectroscopy and cell culture could potentially be extended to compare biochemical cell responses to infection with different viruses. This virus detection method could feasibly be adapted to an automated scheme for use in areas such as water safety monitoring and medical diagnostics.

The work presented in this thesis is concerned with development of spectroscopic detection methods based on absorption spectroscopy using semiconductor lasers, with particular ref- erence to the field of medical diagnostics through breath analysis. The first part of this thesis deals with the design and testing of a prototype analyser for simultaneous monitoring of the exchange gases O₂ , CO₂ and H₂O in breath. The aim of this analyser is to provide information required to monitor respiration, with potential use in intensive care monitoring or during anaesthesia. The relatively high concentrations of these gases in breath and read- ily available diode laser sources make detection in the near-infrared (NIR) ideal. However, the relatively weakly absorbing A-band O₂ transitions at 760 nm require the application of a sensitive spectroscopic method, cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS). In contrast, CO₂ and H₂O are monitored using direct single pass absorption spectroscopy, with transitions arising from the 2ν₁ + ν₃ band at 2 μm and ν₁ + ν₃ band at 1.3 μm, respectively. It has been demonstrated that these gases can be detected simultaneously over a short pathlength (2.74 - 4 cm) in the respiratory flow by combining various spectroscopic methodologies and real-time data analysis. This analyser is shown to offer a viable alter- native for monitoring respiration, exhibiting absolute detection limits of changes of 0.26 % O₂ , 0.02 % CO₂ and 0.003 % H₂O with a 10 ms time resolution, which are comparable to current mass spectrometry based methods, but without their inherent delays. Following this, investigations into the detection of the main gas constituents in breath in the NIR employing noise-reduction modulation based spectroscopic techniques, namely wavelength and frequency modulation (WMS and FMS respectively) are also reported. The described WMS studies on water at 1.37 μm provide a demonstration of conventional WMS detection, as well as a “proof-of-principle” example of a relatively new approach to calibrating the non-absolute information obtained from a WMS absorption signal. Typically WMS spectra are calibrated using mixtures of known gas concentrations or an absolute direct absorption spectrum where possible. In this work however, a self-calibrating method, the phasor decomposition method (PDM), is employed and the returned concentration from this calibration is compared to direct absorption measurement. From this, the calculated concentration using the PDM is found to differ by 9 % from the concentration value obtained by direct absorption, providing an alternative method of calibration for when direct absorption measurements are not possible. The use of FMS in the NIR is also demonstrated as a potential alternative to CEAS for monitoring O₂ at 760 nm. FMS detection is performed on atmospherically broadened O₂ and a time-normalised α_min(t) of 2.45 ×10⁻⁶ cm⁻¹ s^1/2 is obtained, which is two orders of magnitude less sensitive than the value of α_min(t) = 2.35 ×10⁻⁸ cm⁻¹ s^1/2 obtained with CEAS. This combined with the experimental requirements of an FMS system, make its use for detection of O₂ a less practicable option compared to CEAS for real-time breath analysis. The latter work in this thesis involves a change in focus to detection of trace gases in breath in the mid-infrared (MIR). The move of spectroscopic detection to the MIR exploits the larger absorption cross-sections available in this region, and to achieve this, a relatively new form of semiconductor laser, the quantum cascade laser (QCL) is used. The design of a continuous wave QCL spectrometer at 8 μm and its operating characteristics are demon- strated and improvements in its performances are also discussed. This QCL system is then utilised to demonstrate the potential of monitoring species in breath, namely the narrow- band absorber methane and the broadband absorber acetone, taking into consideration the potential interference from other absorbing species in breath and the different spectroscopic characteristics exhibited by these molecules. Finally, the potential to further improve the sensitive detection of trace gases in breath in the MIR is also investigated with studies on the use of CEAS and multipass cells. In this work, the molecule of interest is the biomarker OCS, using transitions of the 2ν₂ band at 1031 cm⁻¹ , that are probed using a 10 μm QCL. The application of CEAS in the MIR is not as well developed as in the NIR, and the experimental consequences of using optical cavities at these wavelengths, where equipment tends to be more limited, are investigated and sensitivities discussed in the context of other literature. The experimental procedure of optimising a cavity for CEAS using the off-axis alignment method is also studied in detail, as well as the addition of WMS to further improve the signal quality. An effective absorption pathlength of ∼ 100 m was achieved in the cavity, with a bandwidth reduced α_min(BW) of 1.7 ×10⁻⁷ cm⁻¹ Hz^−1/2 using WMS CEAS achieved. With the poorer quality optics and limitations in equipment in the MIR for CEAS experiments, the use of a multipass cell, a 238 m Herriott cell, is also investigated as an alternative to the use of an optical cavity at 10 μm. Detection of OCS using direct absorption and WMS is demonstrated in the Herriott cell, achieving α_min(BW) = 2.03×10⁻⁸ cm⁻¹ Hz^−1/2 using WMS. This shows an improvement in sensitivity compared to WMS CEAS, and also shows the potential for future work on biomarker detection, as it approaches the ∼ ppb levels required for breath analysis.

Les micro-bolomètres non-refroidis bénéficient de développements technologiques récents qui se traduisent par des matrices de plus en plus grandes (1024*768 pixels), pour des pixels de plus en plus petits (17 µm) et de plus en plus sensibles bien que non-refroidis (NETD<60 mK @300 K). L'objectif de cette thèse est d'étudier les détecteurs micro-bolométriques non-refroidis afin de tester leurs capacités en imagerie et en spectroscopie en vue de leur utilisation dans le cadre d'une mission spatiale vers les petits corps du système solaire, dont en particulier la mission Marco Polo R. J'ai étudié le fonctionnement de ces détecteurs en prenant pour exemple le détecteur Nano640Etm de la société Ulis, représentatif de la technologie des micro-bolomètres non-refroidis disponible actuellement. J'ai mesuré la stabilité dans le temps de son signal, l'homogénéité de la matrice du détecteur, et l'influence de différents paramètres de fonctionnement (température du plan focal, temps d'intégration des pixels, gain). La réponse du détecteur est linéaire en fonction de la température de scène à la puissance 4. Les résultats de cette caractérisation m'ont permis de mesurer le NETD du détecteur dans le cadre de cette expérience. J'ai ensuite testé les capacités du détecteur Nano640Etm en imagerie radiométrique calibrée afin d'estimer les erreurs maximales de calibration pour un, deux, ou trois points de calibration placés différemment dans la gamme de température observée / The recent progress of the uncooled micro-bolometer technology has lead to larger detector matrices (1024*768 pixels), with smaller pixel sizes (17 µm) and a higher sensitivity although it is an uncooled technology (NETD<60 mK @300 K). The objective of this thesis is to study uncooled micro-bolometer detectors in order to assess their performance for imagery and spectroscopy within the framework of a space mission towards small bodies of the solar system, including the Marco Polo R mission. I have studied these detectors through the example of the Nano640Etm detector of the Ulis society, which represents well the currently available uncooled micro-bolometer technology. I have measured its signal stability through time, the detector's matrix homogeneity, and the influence of various operating parameters (focal plane temperature, integration time of the pixels, gain). The detector's response is linear as a function of the scene temperature to the power of 4. The results of this characterization allowed me to measure the detector's NETD within this experiment. Then, I tested the Nano640Etm detector's ability to perform calibrated radiometric images in order to estimate the maximum calibration error for one, two, or three calibration points chosen differently within the observed temperature range. Lastly, I assessed the detector's performances for dispersive spectroscopic measurements, using its signal to noise ratio, as a function of the observation wavelength, the scene temperature, and the spectral resolution. The results of these tests are very positive.

Alors que l'étude de l'atmosphère a une importance croissante pour répondre aux problématiques environnementales, les exigences en terme de sources laser pour la spectrométrie de molécules complexes nécessitent de développer des sources largement accordables. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est centré sur la mise en œuvre de lasers à cascade quantique en cavité étendue (EC-QCL). Une partie de ce travail concerne la caractérisation d'une source EC-QCL commerciale ainsi que son application à la détection de gaz par spectrométrie photoacoustique. Des mesures ont été réalisées sur le dioxyde de carbone dans l'air expiré et sur le butane. La partie centrale de ce travail de thèse réside dans le développement de sources EC-QCL à partir de puces laser à cascade quantique développées par le III-V Lab. L'objectif est d'obtenir des sources largement accordables qui puissent être utilisées pour la détection de molécules complexes. Cela comprend la simulation, la conception et la mise en œuvre de systèmes en cavité étendue. Deux sources EC-QCL ont été réalisées. La première est une source impulsionnelle émettant autour de 4,5μm. La seconde émet autour de 7,5μm et fonctionne en continu à température ambiante. Ce laser a été utilisé pour réaliser des enregistrements sur l'acétone et le trichlorure de phosphoryle. / As the study of the atmosphere is growing strongly in response to environmental issues, the needs in terms of laser sources for spectroscopy of complex molecules require the development of widely tunable sources. The PhD work presented in this manuscript is focused on the implementation of quantum cascade lasers in external cavity (EC-QCL). Part of this work deals with the characterization of a commercial EC-QCL source and its application to gas detection by photoacoustic spectrometry. Measurements were performed on carbon dioxide in exhaled air and butane. The central part of this thesis consists in the development of ECQCL sources based on quantum cascade laser chips from III-V Lab. The aim is to obtain widely tunable sources that can be used for the detection of complex molecules. This includes simulation, design and implementation of external cavity systems. Two EC-QCL sources were implemented. The first one is a pulsed laser emitting around 4,5μm. The second one emits around 7,5μm and is operated at room temperature in continuous wave mode. This laser was used to record the spectra of acetone and phosphoryl chloride.

La détection de gaz est un domaine d’intérêt pour de nombreuses applications telles que la surveillance de la pollution atmosphérique, la détection d’explosifs, l’analyse des émissions respiratoire de patients, etc... La spectrométrie par lasers accordables permet la réalisation d’instruments compacts et bénéficiant de performances élevées (sélectivité, résolvance et résolution temporelle). Par ailleurs, l’utilisation de lasers à cascade quantique (QCL) permet d’accéder au moyen infrarouge (Mid-IR), où les raies d’absorption des molécules d’intérêt sont plus intenses, ce qui améliore la sensibilité des dispositifs. Les travaux de cette thèse ont porté sur le développement de dispositifs basés sur des QCL pour la détection de gaz. La première partie des travaux porte sur l’exploitation de nouvelles sources Mid-IR telles que les barrettes de QCL multiplexées et les barrettes de QCL cohérents. La seconde partie concerne le développement d’un dispositif intracavité sur lequel une technique de détection par mesure de la tension du laser a été validée. Cette technique possède l’avantage de ne pas nécessiter de détecteur optique et de fonctionner quelle que soit la longueur d’onde du laser. / The field of gas detection is interesting for many applications such as monitoring of air pollution, explosives detection, breath analysis, etc. Tunable laser spectrometry allows to create compact instruments with high performances (selectivity, spectral and temporal resolution). Mid-Infrared (Mid-IR) region can be accessed with the use of Quantum Cascade Laser (QCL). In this region, absorption lines of the molecules of interest are more intense, which improves the devices sensitivity. The work presented in this thesis is focused on the development of QCL-based gas detection devices. First part presents the use of new Mid-IR sources such as multiplexed QCL array and coherent QCL array. Second part is focused on the development of an intracavity setup and a detection technique based on the QCL voltage measurement. This technique does not need the use of an optical detector and can be performed whatever the laser wavelength.

In dieser Arbeit wird Femtosekunden-Spektroskopie im mittleren Infrarot angewandt auf einige der am gründlichsten studierten fotoinduzierten Reaktionen: der Wasserstoff-Protonentransfer im elektronischen angeregten Zustand, für einen intramolekularen und einen intermolekularen Fall, sowie die Isomerisation fotochromer Verbindungen. Elektronische Spektroskopie ist die am häufigsten verwendete Methode zur Untersuchung ultraschneller Reaktionsdynamik in der kondensierten Phase, wobei Übergänge zwischen elektronischen Zuständen der reagierenden molekularen Systeme beobachtet werden. Häufig werden elektronische Übergänge abgetastet, deren Wellenfunktionen delokalisiert sind, so dass kaum ortspezifische Information erhalten wird. Außerdem ist aufgrund der breiten Absorptionslinien, die aus den schnellen Dephasierungszeiten elektronischer Übergänge resultieren, eine verlässliche Interpretation der experimentellen Daten schwierig; dies umso mehr, je komplexer der Reaktion ist, z.B. durch die Anwesenheit verschiedener Isomere oder durch das Zusammenwirken vieler elektronischer Zustände. Femtosekunden-Infrarotspektroskopie wird in dieser Arbeit als leistungsfähige Alternative eingesetzt, um ultraschnelle Reaktionsdynamik zu beobachten, und so den hohen Grad an Korrelation zwischen Infrarotspektren und molekularer Struktur sowie die Vorteile schmaler Bandbreiten IR-aktiver Schwingungsmoden auszunutzen. / In this thesis femtosecond mid-infrared spectroscopy has been applied to the investigation of some of the most thoroughly studied photoinduced reactions: the excited state hydrogen/proton transfer, both in an intramolecular and in an intermolecular case, and the isomerization of photochromic compounds. Electronic spectroscopy is the most commonly used method for ultrafast studies of molecular reaction dynamics in the condensed phase, whereby the electronic states of the reacting molecular systems are monitored. These techniques typically probe electronic transitions occurring between delocalized orbitals and - thus - do not provide site-specific information. Besides, the broad absorption lines resulting from the fast dephasing times of electronic transitions in solutions may hinder a reliable interpretation of the experimental results, especially when the complexity of the reaction increases, due e.g. to the presence of different isomers or to the involvement of numerous electronic states. Femtosecond infrared spectroscopy has been used in this work as a powerful and complementary alternative to probe ultrafast reaction dynamics, exploiting the high degree of correlation between the infrared spectra and the molecular structure and the advantages stemming from the narrow bandwidths of IR-active vibrational modes.

Au cours des dix dernières années, les performances des lasers à cascade quantique dans le moyen infrarouge ont connu une progression rapide: Les rendements ont atteint des valeurs supérieures à 20% avec une puissance d’émission de 5W en régime continu, à température ambiante. Ces valeurs ont été atteintes notamment grâce à la diminution de la sensibilité des lasers à l’échauffement, avec des températures caractéristiques T0 s’approchant de 300K. Les performances sont donc actuellement limitées par la puissance injectée, qui est proportionnelle à la taille de la zone de gain. Les travaux de cette thèse présentent une solution innovante, consistant à combiner un réseau d’émetteurs de petites tailles de façon monolithique. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois, des dispositifs jusqu’à 32 émetteurs de 2µm de larges, émettant en phase par couplage évanescent. De plus, nous mettons en évidences des résistances thermiques record. Ces résultats mettent en évidence la possibilité de fabriquer des sources de hautes puissances (supérieures à 10W) dans le moyen-infrarouge avec une très bonne qualité de faisceau. / During the last 10 years, the quantum cascade lasers performances in the mid-infrared have been considerably improved: the wall plug efficiency has reached values superior to 20%, with output power up to 5W in continuous wave operation, at room temperature. Those values have been achieved due to the reduction of the temperature sensibility of the lasers, with characteristic temperature T0 reaching 300K. The output power is now limited to the injected power, which is proportional to the gain region size. This thesis reports an innovating solution consisting on beam combining an array of narrow emitters, monolithically. We experimentally demonstrate for the first time devices of up to 32 emitters of 2µm width emitting in phase by evanescent coupling. Moreover, we show record thermal resistance. Those results highlight the possibility to fabricate high power sources (superior to 10 W) in the mid-infrared, with a good beam quality.

Les interféromètres stellaires sont des dispositifs à très haute résolution angulaire, permettant une étude approfondie de l’Univers. Cette thèse décrit la mise en place en laboratoire d’un interféromètre à somme de fréquences dédié à la détection de rayonnement infrarouge en bande L :ALOHA@3.39. Afin de pouvoir limiter le bruit généré par les rayonnements thermiques ambiants et de pouvoir bénéficier des technologies matures en terme de détection et de transport cohérents de la lumière collectée, ce système intègre sur chacune des voies interférométrique un processus non linéaire de somme de fréquence. Les rayonnements autour de 3.39 μm sont transposés autour de 810 nm via des cristaux de PPLN alimentés par une pompe unique à 1064 nm. Une première partie présente le contexte expérimental et théorique de la thèse. La deuxième partie concerne la conception, la réalisation et la caractérisation du banc ALOHA@3.39. La troisième partie présente les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire. La mesure répétée du contraste en régime de fort flux permet de calibrer le contraste instrumental du montage. Les premières mesures en régime de comptage de photons montrent que nous sommes actuellement capables de détecter des franges d’interférence avec de hauts contrastes en ne disposant que de 100 Fw à l’entrée de chacune des voies. Enfin, nos investigations nous ont amené à la détection de franges d’interférences via le prototype ALOHA@3.39 à partir d’une source thermique, assimilable à un corps noir. Cette thèse conclue sur une estimation de la magnitude limite accessible, et sur l’utilisation de nouvelles technologies de PPLN. / Stellar interferometers are high angular resolution devices, allowing for detailed research of the Universe. This thesis describes the in-lab implementation of a sum frequency generation interferometer dedicated to the infrared detection in the L band : ALOHA@3.39. In the aim of limiting thermal noise due to the room radiation, and benefit mature detectors and fibered components, this device includes a sum frequency generation non-linear process on each of its arms. Stellar radiations around 3.39 μm are transposed to around 810 nm thanks to PPLN cristals powered by a single pump signal at 1064 nm. The first part presents our global experimental context and theoretical elements about this thesis. The second part deals with the conception, the implementation and characterisation of the test bench ALOHA@3.39. The third part tables in-lab experimental results. Repeated measurements of the fringe contrast on high flux regime allow to calibrate the instrumental contrast of the set-up. First measurements on photon counting regime show we are currently able to detect interference fringes with high contrast with only 100 fW at the input of each arm. Finally, our research led us to realise interference fringes detection via the ALOHA@3.39 prototype, observing a thermal source, considered as a black body. This thesis concludes on an estimation of the limiting reachable magnitude, and on the future use of new PPLN technologies.

Nous avons développé un oscillateur paramétrique optique simplement résonant (SRO) basé sur un cristal non linéaire de niobate de lithium dopé 5%-MgO et périodiquement polarisé (ppMgCLN). Il est pompé à 1064 nm par une diode laser en cavité étendue balayable continûment de 1050 à 1070 nm injectant un amplificateur Yb-fibré de puissance 10 W. Il génère une onde idler comprise entre 3 et 4 µm et une onde signal entre 1450 et 1650 nm. La cavité SRO est asservie sur le pic de transmission d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons alors pu démontrer un balayage mono-fréquence sans saut de mode de l'onde idler sur 500 GHz. Cette large accordabilité continue pourrait être utilisée pour la spectroscopie haute résolution multi-espèces dans le moyen infrarouge. Par ailleurs, nous avons revisité la théorie ondes planes du SRO, dont les solutions analytiques ont été données pour la première fois en 1969 par Kreuzer sous la forme d'une équation transcendante, en utilisant une méthode perturbative très puissante qui tient compte de la déplétion de la pompe. Nous avons pu ainsi déterminer les relations d'entrée-sortie du SRO sous la forme de relations explicites très simples, montrant que les puissances de sortie sont proportionnelles à la racine cubique de la puissance pompe. / We developed a singly-resonant optical parametric oscillator (SRO) based on a nonlinear crystal of 5%-ppMgCLN congruent lithium niobate chip and pumped at 1064 nm by an extended cavity diode laser widely tuneable from 1050 to 1070 nm injecting a 10 W Yb-fiber amplifier. It generates an idler wave between 3 and 4 µm and a signal wave between 1450 and 1650 nm. The SRO cavity is stabilized to the top of a Fabry-Perot transmission fringe. We then demonstrated a mode-hop-free idler tuning range of 500 GHz. This broad continuous tunability could be used for multi-species high resolution spectroscopy in the mid-infrared. Moreover, we have revisited the plane waves SRO theory, whose analytical solutions were given for the first time in 1969 by Kreuzer in the form of a transcendental equation, using a very powerful perturbative method which takes into account the depletion of the pump. We were able to determine the input-output relations of SRO in the form of very simple explicit relationships, showing that the output powers are proportional to the cubic root of the pump power.