Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

LIDAR es un acrónimo de LIght Detection And Ranging. En la presente tesis, se usan técnicas basadas en lidar elástico para monitorizar la atmósfera remotamente y derivar información cuantitativa acerca de sus parámetros ópticos. Esta tesis doctoral comprende el diseño y operación de una estación lidar elástica basada en un láser pulsado de Nd:YAG operando a las longitudes de onda de 1064 y 532 nm, en lo que se refiere a los sistemas de recepción, control y diseño de algoritmos de inversión. Básicamente, puede dividirse en tres partes bien diferenciadas: La primera (Caps. 1, 2 y 3) comprende el estudio de la dispersión elástica (Rayleigh y Mie) en la atmósfera, orientada al cálculo del balance de enlace, e intenta vislumbrar la interrelación entre variables físicas tales como la temperatura, la presión y la humedad, y el fenómeno de dispersión, dejando de lado su posible extrapolación a modelos meteorologicos. Partiendo de esta base, se estiman valores de extinción y retrodispersión para diferentes condiciones atmosféricas y, como resultado, se presenta un balance de enlace para el sistema. El mismo incluye el estudio del alcance lidar, la estimación de la relación señal a ruido, y la evaluación de fotodiodos para diferentes librerías del usuario. Esta primera parte se cierra con las especificaciones globales del sistema. La segunda parte de este trabajo (Caps. 4, 5 y 6) atiende al diseño e implemen-tación del receptor, sistemas de sincronización y control. El receptor optoelectrónico se basa en amplificadores realimentados en corriente y cuenta con un excelente producto ganancia ancho de banda. Por lo que respecta al subsistema de sincronismo, se presentan dos unidades distintas con vistas a un futuro sistema lidar de escaneo, lo cuál ofrece la posibilidad de realizar scans entrelazados. Para terminar, el sistema de control diseñado se basa en el software de control LabView, que ofrece una filosofía de control distribuido. Con este propósito, se han especificado e implementado protocolos de bus lidar y su señalización para la presente estación lidar. Finalmente, la tercera parte comprende el diseño de algoritmos de inversión con y sin memoria (Caps. 7 y 8). Los algortimos sin memoria para atmósferas homogéneas se basan en procedimientos de ajuste por regresión como son el método de la pendiente y el de mínimos cuadrados y, en el caso de atmósferas inhomogéneas, se basan en el método de Klett y calibraciones adecuadas. Los algortimos con memoria se basan en diferentes modelos estocásticos para la atmósfera y filtrado de Kalman no lineal. Además de los algortimos de inversión, también se calculan y discuten las curvas del error de inversión. El Cap. 9 describe las medidas llevadas a cabo con el sistema que este trabajo ha permitido construir así como el resultado de aplicar los algoritmos de inversión presentados en los capítulos precedentes. La inversión de escenas reales comprende estudios de la estructura de polución, estudios de nubes (ceilometría, básicamente desplazamiento y estructura de las nubes) y señala posibles fuentes de error en el factor de solapamiento. / LIDAR is an acronym of LIght Detection And Ranging. In the present case, the elastic lidar techniques are used to remotely sense the atmosphere and to derive quantitative information about its optical parameters.This thesis comprises the design and operation of an elastic lidar station based on a pulsed Nd:YAG laser operating at the 1064- and 532-nm wavelengths, in the parts concerning receiver, control systems, and inversion algorithms.Basically, it can be divided in three different parts: The first one (Chaps. 1, 2, and 3) encompasses the study of the elastic scattering (Rayleigh and Mie) in the atmosphere for link-budget purposes and gives some insight into the interweaving between physical variables such as temperature, pressure and humidity, and the scattering phenomena, letting apart any possible extrapolation to meteorological models. From this basis, extinction and backscatter figures for different atmospheric conditions can readily be assessed and, as result, a system link budget is presented. This includes lidar range study, signal-to-noise ratio assessment, and photodiode evaluation from custom-made libraries. At the end of the first part, the system specification is made. The second part of this work (Chaps. 4, 5, and 6) is concerned with the design and implemen-tation of receiver, synchronization, and control systems. The optoelectronic receiver is based on current-feedback amplifiers and features a very large gain-bandwidth product. As for the synchronization subsystem, two different units are presented with a view to a future scanning lidar system, which makes room for interspersed scans. Eventually, the control system designed is LabView based and features a distributed control philosophy. For that purpose, lidar bus protocols and signals are specified and built for the actual lidar station. Finally, the third part encircles the design of inversion algorithms with and without memory (Chaps. 7 and 8). Non-memory algorithms for homogeneous atmospheres are based on regression curve-fitting procedures, such as the slope-method and the least squares while in instances of inhomogeneous atmospheres they are based on Klett's method and appropriate calibrations. Memory algorithms are based on different stochastic models for the atmosphere and on non-linear Kalman filtering. In addition to these inversion procedures, error assessment plots are also derived and discussed. Chap. 9 describes the measurements carried out with the system this work has contributed to build and the results of applying to them the inversion algorithms discussed in the preceding chapters.The inversion of live-scenes involves pollution structure studies, cloud studies (ceilometry, cloud motion and wave clouds, basically), and hints overlap factor error sources.

La micro-robotique est une extension de la robotique à l'échelle micrométrique, c'est-à-dire autour de la résolution de l'÷uil humain soit environ 100 m. Sa naissance remonte aux années 90 à la suite de l'émergence des MEMS et MOEMS, une dizaine d'années plus tôt. Elle développe des solutions pour les applications de caractérisation de structures et de leur assemblage en produits composés, ou pour les applications de chirurgie minimalement invasive. Nos travaux sont dans le prolongement de la micro-robotique. Ils portent sur la micro vision robotique, une thématique mariant judicieusement la micro-robotique et la micro-vision, c'est-à-dire la vision arti cielle à l'échelle micro-métrique. Nous avons identi é et élucidé trois problématiques : l'imagerie avec les problèmes de modélisation et d'étalonnage, la synthèse d'images virtuelles avec les problèmes de calcul de microscopes virtuels exploitables, et l'asservissement visuel avec les problèmes de suivi robuste et précis d'informations dans les ux d'images, et les problèmes de calcul de lois de commande robustes et précises. Les développements ont été validés sur des applications d'instrumentation scienti que et industrielle : manipulation de micro-structures en vue de leur caractérisation ou de leur assemblage en structures 3D évoluées. Ces travaux vont se poursuivre sur une application de chirurgie minimalement invasive : pilotage de la position d'un spot laser en vue d'intervention sur les tissus du larynx. Puis ils vont s'étendre aux échelles inférieures, c'est-à-dire entre 10 m et 10 nm : la micro-nano et la nano visions robotiques. Les problématiques démeurent inchangées mais de nouveaux développements sont nécessaires pour prende en compte les propriétés spéci ques des imageries (microscopes électroniques) et des robots. Les applications ciblées par ces nouvelles thématiques sont la fabrication, la caractérisation et l'assemblage des micro-nano structures pour les systèmes opto-électroniques ou acousto-optiques.

The Bayer process for the production of alumina (A1203) from bauxite involves a perennial gibbsite (y-Al(OH)3) precipitation step, relating to an inherently slow crystal growth from supersaturated sodium aluminate solutions (pregnant Bayer liquors). The kinetics and mechanisms involved in the transformation of the tetrahydroxo, Al(III)-containing species in solution into octahedrally-coordinated Al(OH)3 crystals in the presence of NA+ and excess of ions, are as yet not fully known. To gain further knowledge and better understanding of the nature of solution species, their specific interaction and participation in the gibbsite crystallization mechanisms, the role alkali ions play in the kinetic behaviour and mechanisms of nucleation, growth and aggregation/agglomeration from caustic aluminate solutions of industrial strength has been investigated.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η παρουσίαση, μελέτη και αξιολόγηση του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή «OPTO 22 SNAP PAC». Στα πλαίσια της εργασίας και με τη χρήση του συγκεκριμένου PLC, αναπτύχθηκε μια σειρά προγραμμάτων αυτοματισμού, τα οποία ποικίλουν από στοιχειώδους αυτοματισμούς, όπως η λειτουργία ενός κινητήρα με θερμική προστασία, μέχρι πολύπλοκες εφαρμογές, όπως ο αυτοματισμός της λειτουργίας ενός υποσταθμού διανομής Μέσης Τάσης. Ακόμη, αναπτύχθηκε κι ένα σύστημα γραφικής απεικόνισης SCADA. Τα κεφάλαια 1,2,3,4,7 του παρόντος τεύχους αποτελούν ένα εγχειρίδιο χρήσης του PLC, καθώς στα κεφάλαια αυτά γίνεται παρουσίαση του υλικού και του λογισμικού με το οποίο συνοδεύεται, ενώ γίνεται επεξήγηση βήμα-βήμα της εγκατάστασης του υλικού και του τρόπου λειτουργίας του λογισμικού. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα 22 προγράμματα αυτοματισμού που αναπτύχθηκαν. Έπειτα, στο κεφάλαιο 6 γίνεται σύγκριση του περιβάλλοντος προγραμματισμού του OPTO 22 SNAP PAC με τις γλώσσες προγραμματισμού που έχουν θεσπιστεί από το πρότυπο IEC61131 της διεθνούς ηλεκτροτεχνικής επιτροπής. Ακολούθως, στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται το σύστημα SCADA που αναπτύχθηκε καθώς επίσης και το αντίστοιχο πρόγραμμα αυτοματισμού της εφαρμογής. Τέλος, γίνεται σχολιασμός των δυνατοτήτων του OPTO 22 SNAP PAC και αναφορά σε πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά του. / The following thesis' purpose is to present, study and evaluate the Programmable Logic Controller "OPTO 22 SNAP PAC". During this thesis, a number of automation programms were developed which vary between simple applications such as the automatic function of a motor using two buttons (start-stop), and more complicated applications such as the design of the automatic protection of an AC/AC High Voltage Transformer. Furthermore, A SCADA project was developed. At chapters 1,2,3,4,7 the reader can find the presentation of the product and a kind of manual for the PLC. Chapter 5 is the presentation of the automation programms. At chapter 6, there is a comparison between PAC Control Basic and SFC. Then, at chapter 8 the SCADA project is presented. Finally, there is a reference of positives and negatives of OPTO 22 SNAP PAC.

L'imagerie hyperspectrale de proximité est un outil prometteur pour le phénotypage ou la surveillance de la végétation. En association avec la régression des moindres carrés partiels ou PLS-R, elle permet de construire des cartographies de haute résolution spatiale du contenu chimique à l’échelle de la canopée. Cependant, plusieurs phénomènes optiques doivent être pris en compte lors de l'application de cette approche aux scènes de végétation dans des conditions naturelles. Notamment, les facteurs additifs et multiplicatifs liés respectivement à la réflexion spéculaire et à l'inclinaison des feuilles qui peuvent être surmontés par prétraitement. Mais le phénomène qui pose le plus de défis est la réflexion multiple. Il se produit lorsqu'une feuille est éclairée en partie par la lumière directe, et en partie par la réflexion ou la transmission de la lumière des feuilles voisines, induisant de forts effets non linéaires sur son spectre de réflectance. Bien que cet effet puisse être pris en compte dans certains modèles de télédétection à l’échelle de la canopée, aucune étude n’a été proposée à ce jour sur la façon dont un tel phénomène affecte les évaluations spectrales de la biochimie végétale par imagerie de proximité. L'objectif de la présente étude était d'analyser ces effets dans le contexte de l'imagerie hyperspectrale à des fins de phénotypage végétal et de proposer des méthodes chimiométriques pour les surmonter. Le développement méthodologique a été basé sur des outils de simulation inclus dans la plate-forme open source OpenAlea (http://openalea.gforge.inria.fr/dokuwiki/doku.php). Une scène typique de canopée de blé a été modélisée à l'aide du modèle Adel-Wheat et combinée au modèle de propagation de la lumière Caribu. L'outil proposé simule la réflectance apparente de chaque feuille visible dans la canopée pour une réflectance et une transmittance réelles données, permettant de synthétiser des images hyperspectrales réalistes. Cette approche par simulation nous a permis, dans un premier temps, d’analyser la distribution dans l’espace spectral des perturbations engendrées par les réflexions multiples, puis d’en déduire une méthode de correction applicable dans le cas d’une régression PLS. La méthode est basée sur la construction de deux sous-espaces W et B générés respectivement par la formulation analytique des réflexions multiples et la variable d'intérêt. Ceci nous permet alors de définir une matrice de projection sur B selon la direction W (projection oblique), qui permet de supprimer l’effet des réflexions multiples tout en conservant l’information utile. Il suffit ensuite d’appliquer cette projection à chaque spectre lors de l’apprentissage et de la mise en œuvre du modèle PLS. La méthode a d’abord été développée et paramétrée sur les données simulées, dans le contexte de l’évaluation de la teneur en azote (LNC) de feuilles de blé. Pour cela, les spectres de réflectance (450-1100 nm) de 57 feuilles de blé ont été collectés à l'aide d'un spectromètre ASD (FieldSpec®, Analytical Spectral Devices, Inc., Boulder, Colorado, USA), tandis que leur LNC a été mesuré à l'aide d'analyses chimiques. Des modèles de régression avec et sans projection oblique ont alors été construits à partir des spectres ASD et appliqués sur l’ensemble des données simulées. Le modèle avec projection oblique a donné d’excellents résultats (R² = 0.931; RMSEP = 0.29% DM) en comparaison du modèle classique (R² = 0.915; RMSEP = 0.42% DM).La même méthode a ensuite été appliquée en conditions réelles, sur des feuilles de blé cultivées en pot et au champ. Pour cela, des feuilles ont été collectées et imagées à plat sur fond noir pour la construction des modèles PLS, qui ont ensuite été appliqués aux plantes sur pied. Ces expérimentations ont confirmé d’une part que la PLS-R classique entraînait une forte surestimation du LNC sur les feuilles entourées d’autres feuilles, d’autre part que la projection oblique évitait cette surestimation. / Short range hyperspectral imagery is a promising tool for phenotyping and vegetation survey. When associated with partial least square regression (PLS-R), it allows high spatial resolution mapping of the plant chemical content at the canopy scale. However, several optical phenomena have to be taken into account when applying this approach to vegetation scenes in natural conditions. For instance, additive and multiplicative factors due respectively to specular reflection and leaf inclination can be overcome by spectral preprocessing. But the most challenging phenomenon is multiple scattering. It appears when a leaf is partly lightened by the reflected or transmitted light from surrounding leaves, resulting in strong non linear effects in its apparent reflectance spectrum. Though this effect can be taken into account in some remote sensing models at the canopy scale, no study has been proposed until now concerning its impact on spectral prediction of vegetation chemical content by short range imagery.The objective of this project, associated with a PhD work, was to analyze these effects in the context of hyperspectral imagery for vegetation phenotyping purpose, and to propose spectral processing methods to overcome them.The methodological development has been based on simulation tools included in the open source platform OpenAlea (http://openalea.gforge.inria.fr/dokuwiki/doku.php). A typical wheat canopy scene has been modelled using Adel-Wheat and combined with the light propagation model Caribu. The proposed tool simulates the apparent reflectance of every visible leaf in the canopy for a given actual reflectance and transmittance, allowing to synthetize realistic hyperspectral images.This simulation approach has allowed us, in a first step, to analyze the distribution of deviations due to multiple scattering in the spectral space, and then to infer a correction method in the frame of PLS regression. This method relies on the building of two subspaces EW and EB respectively generated by the analytic formulation of multiple scattering and by the variable of interest. It allows us to define a projection operation on EB subspace along EW direction (oblique projection), in order to remove multiple scattering effects while preserving useful information. This projection operation is then applied on every spectra during learning phase and using phase of the PLS model.The method has first been developed and tuned using simulated data, in the frame of leaf nitrogen content (LNC) prediction of wheat leaves. For this purpose, reflectance spectra (450-1100 nm) of 57 wheat leaves have been collected using a ASD filed spectrometer (FieldSpec®, Analytical Spectral Devices, Inc., Boulder, Colorado, USA), while their LNC was measured through reference chemical analyses. Regression models with and without oblique projection have then been built from the ASD spectra and applied to simulated data. The model with oblique projection provided excellent results (R² = 0.931; RMSEP = 0.29% DM), compared to the classical one (R² = 0.915; RMSEP = 0.42% DM).The same method has then been applied in real conditions on wheat pot plants and field plants. For this purpose, some leaves have been collected and laid on a black paper background to be imaged, in order to build PLS models that have then been applied on in-situ plants. These experimentations have confirmed that the classical PLS-R induces a strong overestimation of LNC on leaves surrounded by other leaves, and that oblique projection corrects this overestimation (same prediction on surrounded then isolated leaf).

Investigations performed in order to understand the electronic and optoelectronic properties of field effect transistors based on few layers of 2D Copper Indium Selenide (CuIn7Se11) are reported. In general, field effect transistors (FETs), electric double layer field effect transistors (EDL-FETs), and photodetectors are crucial part of several electronics based applications such as tele-communication, bio-sensing, and opto-electronic industry. After the discovery of graphene, several 2D semiconductor materials like TMDs (MoS2, WS2, and MoSe2 etc.), group III-VI materials (InSe, GaSe, and SnS2 etc.) are being studied rigorously in order to develop them as components in next generation FETs. Traditionally, thin films of ternary system of Copper Indium Selenide have been extensively studied and used in optoelectronics industry as photoactive component in solar cells. Thus, it is expected that atomically thin 2D layered structure of Copper Indium Selenide can have optical properties that could potentially be more advantageous than its thin film counterpart and could find use for developing next generation nano devices with utility in opto/nano electronics. Field effect transistors were fabricated using few-layers of CuIn7Se11 flakes, which were mechanically exfoliated from bulk crystals grown using chemical vapor transport technique. Our FET transport characterization measurements indicate n-type behavior with electron field effect mobility µFE ≈ 36 cm^2 V^-1 s^-1 at room temperature when Silicon dioxide (SiO2) is used as a back gate. We found that in such back gated field effect transistor an on/off ratio of ~ 10^4 and a subthreshold swing ≈ 1 V/dec can be obtained. Our investigations further indicate that Electronic performance of these materials can be increased significantly when gated from top using an ionic liquid electrolyte [1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMIM-PF6)]. We found that electron field effect mobility µFE can be increased from ~ 3 cm^2 V^-1 s^-1 in SiO2 back gated device to ~ 18 cm^2 V^-1 s^-1 in top gated electrolyte devices. Similarly, subthreshold swing can be improved from ~ 30 V/dec to 0.2 V/dec and on/off ratio can be increased from 10^2 to 10^3 by using an electrolyte as a top gate. These FETs were also tested as phototransistors. Our photo-response characterization indicate photo-responsivity ~ 32 A/W with external quantum efficiency exceeding 10^3 % when excited with a 658 nm wavelength laser at room temperature. Our phototransistor also exhibit response times ~ tens of µs with specific detectivity (D*) values reaching ~ 10^12 Jones. The CuIn7Se11 phototransistor properties can be further tuned & enhanced by applying a back gate voltage along with increased source drain bias. For example, photo-responsivity can gain substantial improvement up to ~ 320 A/W upon application of a gate voltage (Vg = 30 V) and/or increased source-drain bias. The photo-responsivity exhibited by these photo detectors are at least an order of magnitude better than commercially available conventional Si based photo detectors coupled with response times that are orders of magnitude better than several other family of layered materials investigated so far. Further photocurrent generation mechanisms, effect of traps is discussed in detail.

Amplificadores a fibra dopada com érbio de dupla passagem (DP-EDFA) contendo fibras compensadoras de dispersão (DCF) são estudados nesta tese. Os DP-EDFAs são uma alternativa para amplificadores de baixo custo e bom desempenho, sobretudo para utilização em redes metropolitanas. Devido a sua estrutura de dupla passagem, outras funções podem ser facilmente inseridas em seu circuito óptico, incrementando sua funcionalidade e reduzindo o custo envolvido. Considerando ainda que a compensação da dispersão é crítica para sistemas WDM de alta velocidade, um interessante tópico de investigação, que será bastante explorado nesta tese, refere-se a embutir uma fibra compensadora de dispersão dentro no circuito do DP-EDFA. Estudos experimentais são conduzidos, mostrando as vantagens e os problemas associados a algumas topologias de circuitos de DP-EDFAs. Um circuito original de DP-EDFA contendo DCF é proposto e caracterizado em termos de ganho e figura de ruído para diversas aplicações multicanal e multibanda dentro do espectro de transmissão da fibra óptica. Caracterizações sistêmicas em termos de taxa de erro de bit são também conduzidas / Double pass erbium doped fiber amplifiers (DP-EDFA) with an embedded dispersion compensation fiber are studied in this work. DP-EDFA is a cost-effective alternative for optical amplifiers, yet preserving good optical performance, mainly for use in metropolitan networks. Due to its double pass circuit, others functions beyond amplification can be inserted within the amplification circuit, increasing its capabilities and decreasing the involved cost. Considering that dispersion compensation is very critical for high-speed DWDM systems operating with standard single mode fiber, a timely topic of investigation concerns the embedding of the high insertion loss DCFs (dispersion compensating fibers) into optical amplifier configurations. Experimental studies are conducted first showing the advantages and impairments associated with DP-EDFAs circuits using DCFs. Next, a DP-EDFA proposed in this work is characterized in terms of gain and noise figure for several applications in multichannel and multiband network topologies. Systemic characterization in terms of bit error rate is also conducted, evaluating the performance of the proposed DP-EDFA using DCF

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