L'objectif de ce projet porte sur le développement d'applications industrielles dans le domaine des traitements de surface par plasmas froids. L'emploi de cette technique pour le traitement de surface polymère reste de manière générale une alternative intéressante à la voie chimique. La création d'un réacteur prototype de grand volume répond aux attentes très diverses des industriels. Par son caractère évolutif, la plate-forme plasma froid du CRITT est un véritable outil de recherche dédié à l'industrie. Un des thèmes émergents de ces dernières années concerne l'utilisation des plasmas froids comme moyen alternatif pour la stérilisation des dispositifs médicaux. En effet, les techniques conventionnelles ne permettent pas une inactivation performante de certains micro-organismes pathogènes et les conditions de traitement parfois extrêmes n'assurent pas la pérennité du matériel médical. Préalablement à une validation clinique nécessaire à son développement en milieu industriel ou médical, ce nouveau procédé doit naturellement faire la preuve de son efficacité. L'étude réalisée présente les principaux mécanismes susceptibles d'expliquer l'inactivation d'un micro-organisme exposé au plasma. L'action en synergie de photons UV et d'espèces actives comme l'oxygène atomique confère à cette technologie une cinétique d'inactivation particulière. La production de ces agents actifs est optimisée par un diagnostic du plasma en spectroscopie optique, permettant ainsi d'atteindre des degrés d'inactivation très prometteurs. Même si l'efficacité du plasma n'est plus à démontrer, la problématique du conditionnement, qui fait partie intégrante d'un procédé, se pose toujours en milieu industriel. L'inhibition du plasma diffusant à travers un sachet poreux ne permet pas d'obtenir l'état stérile. Une solution consistant à générer un plasma induit dans un sachet, assurant ainsi un contact intime entre les espèces actives du plasma et le dispositif à stériliser, est donc discutée.

Au Québec, 19 mines d'or produisent plus de 1.8 milliard dollars canadiens d'or annuellement. Dans ces mines, des centaines d'échantillons de roches sont collectées quotidiennement, et envoyées au laboratoire afin de déterminer leurs concentrations en or. Étant donné que les résultats du laboratoire ne sont disponibles qu'après 24 à 48 heures, il s'en suit un impact direct négatif sur les activités minières. Les avancées technologiques des dernières années laissent croire que la spectroscopie sur plasma induite par laser (LIBS) pourrait constituer une technologie prometteuse pour mesurer en temps réel et in-situ, la teneur en or de la roche. Considérant la taille de chaque tir produit par le laser sur un échantillon de roche, à savoir 500 µm, de très nombreux tirs seront requis afin d'obtenir un résultat représentatif de l'échantillon analysé. À titre d'exemple, pour un échantillon de carotte de 50 cm de long, et une surface analysée comprise entre 70 et 80%, 10000 tirs lasers ont été effectués afin de s'assurer d'obtenir un résultat représentatif de l'échantillon, avec un temps d'acquisition d'une demi-journée en laboratoire, soit une durée trop longue pour une application pratique dans les mines. Pour cette raison, l'objectif de ce projet est de développer une stratégie afin de minimiser le nombre de tirs LIBS requis sur un échantillon à analyser, tout en demeurant représentatif de ce dernier, et ainsi obtenir une mesure fiable et précise de la teneur en or. Pour ce faire, une analyse statistique descriptive combinée à plusieurs motifs élaborés à partir des 10000 points de mesure est appliquée sur les données LIBS. En se fixant un compromis entre le nombre de tirs à réaliser sur un échantillon (roche) et le temps d'analyse, le motif défini « Boucle » minimise le mieux le nombre de tirs avec un temps d'analyse acceptable par une opération minière. À partir de ce dernier, un protocole d'échantillonnage a été élaboré, où pour être représentatif des échantillons de carottes, 1500 tirs sont nécessaires tandis que pour les échantillons de roches, seuls 100 tirs suffisent. Cependant, il serait important de pouvoir tester ce protocole d'échantillonnage sur plusieurs échantillons miniers afin de pouvoir valider ce dernier. / In Quebec, 19 gold mines produce more than C (dollar) 1.8 billion of gold annually. In these mines, hundreds of rock samples are collected daily and sent to the laboratory to determine their gold concentrations. Since laboratory results are only available after 24 to 48 hours, there is a direct negative impact on mining activities. Technological advances in recent years suggest that Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) may be a promising technology for real-time and in-situ measurement of the gold content of rock samples. Considering the size of each shot produced by the laser on a rock sample, namely 500 µm, many shots will be required in order to obtain a representative result of the sample analyzed. For example, for a 50 cm long core sample, and a surface analyzed between 70 and 80%, 10,000 laser shots were fired to ensure to obtain a result representative of the sample, with an acquisition time of half a day in the laboratory, which is a too long period of time for a practical application in mines. For this reason, the objective of this project is to minimize the number of LIBS shots required on a sample to be analyzed, while remaining representative of the latter, and thus obtain a reliable and accurate measurement of the gold content. For this, a descriptive statistical analysis combined with several elaborate patterns is applied to the 10,000 LIBS data obtained. By setting a compromise between the number of shots to be made on a sample and the analysis time, the Loop pattern minimizes the number of shots with an acceptable analysis time. From the latter, a sampling protocol has been developed, where to be representative of core samples, 1500 shots are needed whereas for rock samples, only 100 shots are needed. However, it would be important to be

Sur Mars, la datation par comptage de densité de cratères est actuellement la seule méthode utilisée pour dater les surfaces planétaires. Cependant, sur Mars, elle n’a pas encore été corrigé et complété par des datations absolues. Ce travail consiste à développer un prototype démontrant le potentiel d’une nouvelle approche expérimentale basée sur la méthode K-Ar pour dater les roches martiennes in situ. L’objectif à terme est de proposer une solution instrumentale de datation absolue pour un futur rover d’exploration.Un laser Nd :YAG quadruplé pour tirer à 266 nm ablate un échantillon basaltique mis sous vide secondaire. L’observation du plasma par « Laser Induced Breakdown Spectroscopy » apporte des informations sur la concentration en K et sur la nature chimique et minéralogique de la cible. Puisque l’ablation est faite par un laser UV et sous vide secondaire, l’ablation est reproductible par minéralogie. La reconnaissance stoechiométrique permet donc d’estimer la masse vaporisée. Après purification des gaz libérés, un spectromètre de masse quadripolaire détermine la quantité d’argon.L’ensemble de ces mesures pourvoit un âge avec une incertitude théorique de 13% dans les meilleures conditions.Les calibrations du dispositif expérimental ont apporté de nombreuses informations sur des effets sur les spectres LIBS provoqués par l’ablation sous vide secondaire. L’augmentation de la pression e tla variation de géométrie du cratère d’ablation ont des effets opposés sur les pics des éléments.Nous avons aussi démontré que l’instrument était capable de mesurer l’âge de la mésostase de roche basaltique et qu’il offre des perspectives intéressantes sur certaines phases minérales comme la biotite. / Crater counting is the only method used on Mars to give relative geochronological information but it never had been fitted and corrected by absolute geochronology. This work is about the development of a new prototype demonstrating the ability of a protocol using in situ K-Ar dating. The goal is to propose a solution of an absolute geochronology for the next explorations rovers. A quadrupled Nd:YAG laser at 266 nm ablates a basaltic sample under high vacuum. The light collection by a spectrometer (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) gives the rate of potassium and the chemical or the mineralogy of the target. Thanks to the specificities of the ablation in highvacuum and with a UV laser, the ablated mass has a good reproducibility per mineralogy. Thus, theLIBS identification gives an estimation of the ablated mass. After the purification of the released gas,a quadrupole mass spectrometer determines the quantity of argon. All these measures give an age with a theoretical uncertainty of 13% in the best conditions.The calibration of the experiment had given new information about the effects on LIBS spectrarelated to the ablation under high vacuum. The rise of the pressure and the variation of geometry of the pit have opposite effects on the elements peaks. We also demonstrated that the instrument was capable of measuring the age of the groundmass of basalt and has some interesting perspectives on some mineral phases such as biotite.

Thèse de Doctorat--Chimie--Université d'Orléans, Ecole doctorale Sciences et technologies, Centre Ernest Babelon, Institut de recherche sur les archéométaux, 2008. / Bibliogr. p. 211.

Reproduction de : Thèse doctorat : Environnement et matériaux : Pau : 2009. / Titre provenant de l'écran titre.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. 127-129. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Diss.--Delft University of technology, 1999. / Bibliogr. à la fin des chapitres.

Le besoin d’allumer avec un temps très court les moteurs aéronautiques a conduit à de nombreuses études. Cependant, le processus d’allumage n’est pas encore parfaitement compris. Beaucoup d’études expérimentales sont basées sur l’obtention de probabilité d’allumage en différents points et sous différentes conditions moyennes de l’écoulement mais peu se sont concentrées sur l’étude d’un évènement unique. La raison pour le peu de compréhension totale est la nature transiente de l’allumage, qui dépend de nombreux paramètres physiques, avant, pendant et après le dépôt de l’énergie. Le but de cette étude est de développer les outils nécessaires à la compréhension d’évènements uniques en mesurant simultanément plusieurs paramètres affectant le processus d’allumage. Une nouvelle technique de mesure; la spectroscopie en deux dimensions de plasma induit par laser (2D-LIPS) a été mise au point pour obtenir les gradients de concentration d’espèces et d’énergie dans un plasma induit par laser. Cette technique se base sur l’utilisation de deux caméras, chacune munies d’un filtre interférentiel centré sur une transition atomique. Cette technique permet d’obtenir la taille initiale du plasma contenant une concentration minimale en combustible, ce qui permet de justifier le succès/l’échec d’un évènement. Elle a d’abord été validée dans une couche de mélange air/oxygène afin d’en déterminer les incertitudes et la résolution spatiale. Elle a ensuite été appliquée à un système d’injection aéronautique. Le débit d’air, préchauffé à 200_C, a été fixé à 10 g/s et les gouttes de dodécane avaient un diamètre moyen de Sauter entre 30 et 40 _m. Cet injecteur présente une instabilité aérodynamique de type Precessing Vortex Core aux alentours de 550 Hz, mesurée par 2D-PIV sur les gouttes à 20 kHz . Les mesures simultanées de 2D-LIPS et et 2D-PIV à 20 kHz ont permis d’établir un scénario d’allumage. Une concentration minimum de dodécane ainsi qu’une taille minimum de plasma sont nécessaires mais non suffisants à un allumage réussi. La force du PVC semble aussi jouer un rôle dans le destin du noyau initial. L’étude propose d’établir des probabilités conditionnées d’allumage en utilisant les mesures de 2D-LIPS. Il est ainsi montré que des essais d’allumage menant à une probabilité non conditionnée de 33% peuvent mener, grâce à la 2D-LIPS, à une probabilité conditionnée de 88%. / The need to ignite within a very short time the aircraft engines led to many studies. However, the ignition process is not yet fully understood. Many experimental studies are based on obtaining ignition probability at different points and in different average flow conditions but few have focused on the study of a single ignition event. The reason for the lack of full understanding is transient nature of the the ignition process, which depends on many physical parameters, before, during and after the deposition of spark energy. The purpose of this study is to develop the tools necessary to understand unique events by simultaneously measuring multiple parameters that affect the ignition process. A new technique of measurement, two-dimensional laser-induced plasma spectroscopy (2D-LIPS) was developed for the spatially resolved concentration gradients of species and energy in a laser-induced plasma. This technique is based on the use of two cameras, each provided with an interference filter centered on a transition atomic emission. This technique provides the initial size of plasma containing the minimum fuel concentration, thereby justifying the success/failure of an event. It was first validated in a mixing layer of air/nitrogen mixture to determine and resolve the spatial uncertainty of the technique. It was then applied to an aviation fuel injection system. The flow of air, preheated to 200_C, was set at 10 g/s and drops of dodecane having a Sauter mean diameter between 30 and 40 _m were inserted. This injector has a aerodynamic instability type Precessing Vortex Core around 550 Hz, measured by 2D-PIV on the droplets at 20 kHz. Simultaneous measurements 2D-LIPS and 2D-PIV at 20 kHz have established a scenario of ignition. A minimum concentration of dodecane and a minimum size of plasma are necessary but not sufficient for a successful ignition. The strength of PVC also appears to play a role in the fate of the initial nucleus. The study proposes to establish conditional probabilities of ignition using measurements by 2D LIPS. It is shown that for ignition tests having an unconditioned probability of 33% show a conditional probability of 88% through the 2D-LIPS measurements.

En principe, un laser femtoseconde peut être utilisé pour distinguer simultanément plusieurs molécules différentes dans l'air. L'idée principale de cette thèse est la détection à distance et la distinction de traces de polluants, tels que le méthane, en utilisant une technique de spectroscopic non linéaire de fluorescence induite par filamentation. Un système laser femtoseconde mobile est utilisé pour détecter à distance des traces de méthane dans l'atmosphère à l'extérieur et en plein jour (avec forte radiation solaire). Également, une méthode comprenant un système d'optique adaptative fonctionnant en boucle fermée est investiguée en tant que moyen d'augmenter significativement le signal de fluorescence pour des applications de télédétection basée sur la filamentation.

Cette thèse décrit plusieurs résultats expérimentaux impliquant le phénomène de la filamentation laser qui se produit lorsque des impulsions laser ultrabrèves se progagent dans l'air avec une intensité de l'ordre de ~ 10¹³ W/cm2. Un laser titane-saphir est utilisé pour gé- nérer des impulsions femtosecondes dans l'infrarouge (800 nm). En raison de ses propriétés particulières, cette forme de propagation est étudiée pour de nombreuses applications. Nous nous concentrons dans cette thèse sur la télédétection et l'identification de polluants atmosph ériques. Notre objectif est d'améliorer les résultats et de résoudre certains problèmes dans la détection de polluants, en particulier de ceux qui ont le même spectre de fluorescence induit par filamentation. Tous les résultats présentés ici ont été obtenus en laboratoire. La télédétection de polluants dans l'atmosphère implique la propagation de filaments à haute altitude où la pression atmosphérique est basse. Il est donc important de bien comprendre le phénomène de la filamentation dans ces conditions. Nous avons expérimentalement et numériquement étudié l'effet d'une basse pression sur un filament unique dans l'air. Les expériences furent réalisées en variant la pression à l'intérieur d'une cellule entre 0,3 et 1 fois la pression atmosphérique normale (1 atm ~ 1:01 X 10⁵ Pa). Une approche pour détecter à distance la présence de polluants atmosphériques est de capter la fluorescence émise par les fragments moléculaires créés lors du passage de l'impulsion laser. Ce signal est toutefois lourdement atténué avant d'atteindre le détecteur en raison de la grande distance de propagation dans ces applications et il est important de trouver des moyens pour augmenter le signal de fluorescence. Nous avons donc étudié la possibilité d'utiliser le filament lui-même comme milieu de gain dans la direction de propagation pour amplifier les émissions des impuretés de l'air. Il avait déjà été démontré qu'un filament peut amplifier le signal rétrodiffusé dans l'air pur alors nous avons débuté nos expériences dans l'air pour ensuite étudier des mélanges air-hydrocarbones ( 2% de CH₄, C₂H₂ et C₂H₄ dans l'air). Nous avons détecté la fluorescence émise par l'azote neutre à ~ 337 nm dans l'air pur et par les fragments CH à ~ 431 nm dans des mélanges air-hydrocarbones. Dans les deux cas, le signal de fluorescence émis dans la direction opposée à celle du laser a augmenté de manière nonlin éaire en fonction de la longueur du filament, tandis que celui émis sur les côtés montrait une tendance linéaire. Le dernier chapitre de cette thèse traite d'une nouvelle approche pour identifier les molé- cules basée sur leur alignement. Nous montrons en effet que des polluants dans l'air peuvent être détectés et identifiés en mesurant les constantes de rotation de diférentes molécules. Il est important de noter que cette technique permet de distinguer des polluants dont les fragments émettent le même spectre de fluorescence (les mêmes raies atomiques et bandes moléculaires). Les résultats présentés dans cette thèse ont été obtenus par des études de type pompe-sonde utilisant le signal diffusé de l'impulsion de sonde, contrairement à d'autres expériences qui détectent la lumière transmise. Le fait d'observer le signal diffusé plutôt que celui transmis rend cette technique pertinente pour des applications de télédétection. Même si les molécules dans un gaz sont orientées de façon aléatoire, une impulsion ultrabrève et intense peut forcer les molécules à s'aligner non seulement pendant le passage de l'impulsion mais aussi après. Plus spécifiquement, un paquet d'onde rotationnel peut être créé par une impulsion femtoseconde, ce qui génère un alignement moléculaire en l'absence de champ après le passage de l'impulsion qui peut se reformer à intervalles réguliers. En plus de permettre la détermination des constantes de rotation et l'identication des molécules, cette technique donne également accès à des informations sur la dissipation dans le milieu en étudiant l'évolution du paquet d'onde sur une longue période (plusieurs retours périodiques de l'alignement moléculaire) après le passage de l'impulsion. / This thesis presents experimental results obtained during filamentation of ultrashort and intense laser pulses, with an intensity of ~ 10¹³ W/cm2 in air. A femtosecond Ti:Sapphire laser was used to generate pulses in the infrared at 800 nm. Because of some unique features of the filaments, this particular form of propagation has been considered for many applications. In this work, we focus our attention on remote sensing and the detection and identification of atmospheric pollutants. The goal is to improve the results and resolve some problems in the detection of air pollutants, especially those with the same filament-induced fluorescence spectrum. The presented experiments were performed inside a laboratory. The remote sensing of pollutants in the atmosphere mainly relies on the propagation of filaments at high altitude where the pressure is low. For this application, it is therefore important to have a good understanding of filamentation in these real conditions. We experimentally and numerically studied the effect of lowering the pressure on a single filament in air. The experiment was done by varying air pressure inside a cell between 0.3 and 1 standard atmospheric pressure (1 atm ~ 1:01 X 10⁵ Pa). One way to remotely detect atmospheric pollutants is to record the returning fluorescence signal from the molecular fragments that are created during filamentation. Because the propagation distance is large in these spectroscopic experiments, the signal is heavily attenuated before reaching the detector and it is important to look for a solution to enhance the fluorescence signal. We therefore investigated the possibility of using the filament itself as a gain medium along the propagation direction to amplify the emission of some impurities in air. It is known that the femtosecond laser filament can amplify backward-directed signal in pure air, so we started our experiments in air, and then extended them to air-hydrocarbons mixtures (2% de CH₄, C₂H₂ et C₂H₄ dans l'air). The fluorescence emission from neutral nitrogen at ~ 337 nm in pure air and from CH fragments at ~ 431 nm in air-hydrocarbons mixtures was detected. In both cases, the fluorescence signal emitted in the direction opposed to the laser propagation increased nonlinearly with the filament length, unlike the emission directed on the sides which showed a linear trend. The last chapter of the thesis introduces a new way to identify molecules that relies on their alignment. Indeed by measuring the rotational constants of different molecules using iv eld-free molecular alignment, we show that pollutants can be detected and identied in air. It is important to mention that this approach can distinguish pollutants for which the excited fragments have the same fluorescence spectra (same atomic lines and molecular bands). The results reported in this thesis were obtained by a pump-probe experiment where the scattered signal of the probe pulse was detected, as opposed to other experiments which collected the transmitted light. Observing the scattered signal instead of the transmitted one makes this technique appropriate for remote sensing applications. Even though molecules are randomly oriented in the gas phase, it is shown that ultrafast intense laser pulses can force molecules to align both in the presence of the laser feld as well as after the passage of the pulse. More specifically, a rotational wavepacket can be created by an ultrashort laser pulse, leading to a feld-free alignment of the molecules after the laser pulse has passed which can revive at regular intervals. Therefore, in addition to finding rotational constants and identifying molecules, it is possible to extract information about the dissipative medium by studying the changes in the wavepacket a long time (several periodic revivals of molecular alignment) after the passage of the pulse. / Filamentation laser