Une technique de télédétection par spectroscopie de plasma induite par filamentation (R-FIBS pour remote filament-induced breakdown spectroscopy) est utilisée pour sonder un nuage d’aérosols aqueux contenant des sels métalliques en solution. Nous avons démontré expérimentalement que cette technique peut être utilisée efficacement pour caractériser à distance la composition d’un nuage d’aérosols. En effet, la fluorescence caractéristique de tous les ions métalliques a été observée. De plus, ces raies d’émission étroites excitées par un plasma à faible densité ont pu être identifiées simultanément sans recouvrement spectral. Les résultats obtenus démontrent qu’il est possible d’identifier et distinguer simultanément tous les composants métalliques dissous dans un tel nuage. La technique a également été testée avec succès à une distance de 70 m sur un nuage aqueux contenant du chlorure de sodium. / Remote Filament Induced Breakdown Spectroscopy (R-FIBS) was used for probing a cloud of aqueous aerosols containing a mixture of dissolved metallic salts. We demonstrated experimentally that it can be used as a sensitive sensing technique to remotely retrieve the composition of microdroplets in clouds located at a distance. In fact, fluorescence from all the metallic ions dissolved was observed. Moreover, these spectrally narrow atomic transitions excited by the low density plasma did not show any signal overlap. These characteristic spectra demonstrate that R-FIBS can be used to simultaneously recognize and distinguish every single metallic constituent dissolved inside such a cloud. The technique has been successfully tested for long range field test of 70 m with an aerosol cloud of droplets containing sodium chloride.

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

Ce travail a été réalisé dans le but de sonder des surfaces solides en utilisant la technique « LIPS » (Spectroscopie de plasmas induits par laser). Le comportement de ce type de plasmas est difficile à simuler étant donné la petitesse des échelles de temps et d'espace considérées. En plus du diagnostic classique de spectroscopie d'émission, nous avons mis en oeuvre une expérience originale d'absorption qui produit des valeurs fiables et de nombreuses informations sur la température et les densités constitutives du plasma. Cette étude, qui couple expérience et théorie dans le cadre de la résolution de l'équation de transfert radiatif, est basée sur la comparaison entre des spectres calculés et expérimentaux des raies à 308.21 et 396.15 nm de l'aluminium. Une attention spéciale a été portée à l'écriture de l'élargissement électronique et ionique par effet Stark et aux effets d'auto-absorption. Un écart important à l'équilibre a été mis en évidence tout au long de la relaxation du plasma. La mesure de la densité de l'état fondamental de l'aluminium, qui est de première importance pour valider un code collisionnel - radiatif consacré à cette situation complexe, a été menée à bien dans une large gamme de pression (5 à 1E5 Pa). La mesure des constantes de temps de relaxation met en évidence le rôle majeur joué par la diffusion dans la relaxation des espèces du plasma.

La contamination par métaux des eaux est un enjeu de santé publique important. Des contrôles et traitements de plus en plus drastiques sont ainsi effectués sur les eux destinés à la consommation humaine. Il est indispensable, pour cela, de posséder des outils analytiques fiables et sensibles, adaptés aux réglementations existantes et suffisamment souples d'utilisation. La technique de " Laser Induced Breakdown Spectroscopy " (LIBS), ayant fait ses preuves pour l'analyse des solides, y compris dans les explorations exo-terrestres, présente des avantages très intéressants pour les liquides dont, par exemple, sont caractère multi-élémentaire et la possibilité des mesures in-situ de la contamination des eaux par métaux.Un première volet d'étude de ce travail de thèse à permis d'étudier les potentialités de la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) pour l'analyse des métaux dissous ou en suspensions dans les eaux. Etude qu'a permis de constater un effet important lié à la taille des particules lors de l'analyse de suspensions. Un deuxième volet consisté à regarder les effets de matrice organique représentée par un acide humique et ceux des minéraux naturels représentés par la bentonite et des particules d'alumine. Effets matrice qu'ont étais corriges par une normalisation par étalon interne.

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.

La filamentation du laser femtoseconde provient d'un équilibre dynamique entre l’autofocalisation Kerr et la défocalisation par le plasma autogénéré produit de l’ionisation multiphotonique/tunnel des molécules dans l'air. Ce phénomène a attiré beaucoup d’attention des scientifiques telles que la télédétection de polluants atmosphériques et l'identification moléculaire par l'alignement des molécules. Cependant, il y a une multitude de processus non linéaires lors de la filamentation. Quant à l'application, il est important d'avoir une compréhension des mécanismes physiques présents lors de la filamentation induite par l’optique non linéaire. Étant donné de nombreux de phénomènes et d’applications de la filamentation, cette thèse se concentre sur une partie de ces aspects. Ceux-ci sont la rotation de la polarisation laser dans les gaz atomiques/moléculaires, le processus d’émission laser des molécules d'eau dans l'étalonnage air, lde l'humidité à travers la spectroscopie induite par un filament, ainsi que le renforcement de la fluorescence par un réseau de diffraction de plasma. La rotation de la polarisation laser d'une sonde polarisée initialement linéaire a été étudié dans les gaz atomiques/moléculaires. Dans les gaz atomiques, la biréfringence ultrarapide induite par l’effet Kerr a été mesurée quantitativement. Dans les gaz moléculaires, la biréfringence et les états de polarisation de la production de la sonde ont été modulés à la renaissance rotationnelle de la molécule. Également, nous avons étudié expérimentalement la fluorescence induite par filament à partir des fragments dissociés dans l'air. Les émissions de fluorescence des radicaux libres OH à 308.9 nm et NH à 336.0 nm ont été observés dans l'air. La fluorescence rétrodiffusée par le groupement OH et le groupement NH présentait une augmentation exponentielle accompagnant l'augmentation de la longueur du filament qui indique l’existence de l'émission spontanée amplifiée (ASE). En plus, on étudie la spectroscopie de fluorescence induite par filament à partir du réseau de diffraction pour le plasma. Le réseau de diffraction pour le plasma a été généré par des filaments non colinéaires qui se superposés et synchronisés temporellement dans l'air. Une série de spectres des fragments excités du CN a été observée. L’intensité de fluorescence du radical CN en utilisant un réseau de diffraction par le plasma est beaucoup plus forte que celle utilisant des filaments séparés temporellement. / Femtosecond laser filamentation, which originates from a dynamic equilibrium between Kerr self-focusing and defocusing by the self-generated plasma produced by multiphoton/tunnel ionization of air molecules, has attracted a lot of scientific applications such as remote sensing of atmospheric pollutants, molecular identification by the alignment of molecules, etc. However, there are many nonlinear processes taking place during filamentation. From the application point of view, it is important to have a good understanding of the detailed physics behind filamentation induced nonlinear optics. Since there are many nonlinear phenomena and applications for filamentation, the thesis only focuses on few aspects of filamentation. Those are: the polarization rotation in atomic/molecular gases, the lasing action of water molecules in air, the humidity calibration through the filament-induced spectroscopy, as well as the fluorescence enhancement by plasma grating. The polarization rotation of an initially linearly polarized probe pulse was studied in atomic/molecular gases. In atomic gases, the ultrafast birefringence induced by Kerr effect was quantitatively measured. In molecular gases, the birefringence and the polarization states of the output probe were modulated at the rotational revival of molecule. We also experimentally investigate the filament-induced fluorescence from the dissociated fragments in air. Fluorescence emissions from OH free radicals at 308.9 nm and NH free radicals at 336.0 nm were observed in air. The backscattered fluorescence from both OH and NH exhibited an exponential increase with increasing filament length, indicating amplified spontaneous emission. We have further investigated the filament-induced fluorescence spectroscopy from a plasma grating. The plasma grating was generated by non-collinearly overlapping temporally synchronized filaments in air. A series of spectral lines from the excited fragments of CN was observed. The fluorescence intensity from CN radicals in plasma grating was much stronger as compared to the case of temporally separated filaments.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet de recherche achevant le cycle de formation des étudiants de maîtrise en génie électrique avec mémoire à l’Université Laval. Ce projet a été effectué au sein de la Faculté des sciences et de génie et le Centre d’optique, photonique et laser (COPL) de l’université Laval. À cet effet, ce mémoire contient les axes majeurs nécessaires pour une étude comparative et expérimentale des techniques d’analyse du minerai de phosphate (MP). L’objectif est de déterminer la technique la plus efficace à adopter pour mettre en place une solution in situ. Une proposition d’un système LIBS à base de FPGA pour la mesure de P2O5 est également présentée ainsi que sa conception. Tout d’abord, ce mémoire présente le contexte du projet pour bien comprendre la problématique et la motivation, ainsi que les objectifs et l’importance de mettre en place une solution in situ pour l’analyse du minerai de phosphate. Ceci nous a permis d’identifier le besoin et de repérer les exigences attendues. Aussi, le présent travail couvre une revue de littérature détaillée sur les méthodes classiques d’analyse du minerai de phosphate au laboratoire, et les techniques multi élémentaires qui permettent d’analyser plusieurs composés avec un seul équipement. La faisabilité d’utiliser une de ces techniques pour répondre au besoin a été présentée dans ce travail. Pour ce faire nous avons vérifié les limitations des trois techniques recommandées pour l’analyse des minéraux. Il s’agit des techniques ICP, XRF et LIBS. Les résultats montrent que l’XRF est incapable de quantifier les éléments légers dont le nombre atomique est inférieur à 11, alors que la LIBS permet d’avoir des résultats rapides et précis pour la majorité des éléments présents dans le minerai du phosphate. À la fin de ce mémoire, nous présentons une proposition d’un système LIBS à base de FPGA pour la mesure de P2O5 (qui est l’élément le plus important dans le minerai du phosphate) / This work is part of the research project completing the training cycle of research master at Laval University. This project was carried out within the Faculty of Science and Engineering and the Center of Optics, Photonics, and Laser (COPL). To this end, this report contains the major axes necessary for a comparative and experimental study of phosphate ore techniques analysis. The objective is to determine the most efficient technique to adopt to implement an in-situ solution. At the end of this report, we will introduce a proposal for LIBS system based on FPGA board for P2O5 measurement. First, this report presents the context of the project to understand the problem and the motivation, as well as the objectives and importance of setting up an on-line solution for the analysis of phosphate ore. Allowed us to describe the need and identify the expected requirements. Secondly, the present work covers a detailed literature review about conventional methods of analyzing phosphate ore in the laboratory, and multi-elemental techniques used to analyze several compounds with a single equipment. This work presents also the feasibility of using one of these techniques to meet the need. To do this, we have checked the limitations of the most three recommended techniques for mineral analysis. These are ICP, XRF and LIBS techniques. The results show that the XRF is unable to quantify the light elements whose atomic number is less than 11, while the LIBS allows having fast and accurate results for the majority of the elements existing in the phosphate ore. At the end of this dissertation, we present a proposal of an FPGA-based LIBS system or the measurement of P2O5 (which is the most important element in phosphate ore).

Suite à la propagation d 'une impulsion laser femtoseconde intense dans un milieu gazeux, l'impulsion laser s'effondre sur elle-même et forme des filaments de lumière. Ces filaments sont induits par un équilibre dynamique entre l'autofocalisation par effet Kerr et la défocalisa:tion due au plasma « auto généré ». L'équilibre de ces deux effets aboutit au phénomène universel. de la « saturation de l'intensité ». L'intensité saturée est assez grande pour ioniser ou dissocier les différentes espèces de gaz par l'ionisation multiphotonique/tunnel (MPlj TI) , produisant la fluorescence 'propre'. Le phénomène de la filamentation est riche en concepts et applications. Ceci inclut la détection et l'identification des gaz polluants, le contrôle de la foudre ou d'une décharge ou, finalement, la génération d'impulsions puissantes de peu de cycles. L'objectif de cette thèse était de développer un outil spectroscopique qui peut être utilisé pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament. La connaissance de ce paramètre clé est importante pour la caractérisation de la saturation de l'intensité du processus de filamentation. Ce défi pourrait être relevé en développant une nouvelle approche basée sur l'élargissement Stark de lignes atomiques du spectre d'émission du filament. Cette thèse traite des critères de l'applicabilité et de la validité de l'approche de l'élargissement Stark. L'approche de l'élargissement Stark est d'abord illustrée par la « spectroscopie de plasma induite par filament» (FIBS) du plomb métallique. On montre pourquoi la technique FIBS est avantageuse comparée à la spectroscopie conventionnelle de plasma induite par laser nanoseconde (ns-LIBS). Ensuite, la preuve de l'applicabilité de la méthode de l'élargissement Stark à un milieu gazeux (utilisant l'argon comme exemple) est fournie. Elle s'avère utile pour mesurer la densité de plasma à l'intérieur du filament dans l'air ambient dans différentes conditions de propagation. De plus, la saturation d'intensité du processus de filamentation dans l'hélium est confirmée. Ceci, en particulier, est effectué en mesurant les densités de plasma en fonction de l'énergie et de la pression, respectivement. La réalisation des objectifs ci-dessus serait profitable pour obtenir une meilleure compréhension de la physique fondamentale et développer les applications mentionnées.

La contamination par métaux des eaux est un enjeu de santé publique important. Des contrôles et traitements de plus en plus drastiques sont ainsi effectués sur les eux destinés à la consommation humaine. Il est indispensable, pour cela, de posséder des outils analytiques fiables et sensibles, adaptés aux réglementations existantes et suffisamment souples d'utilisation. La technique de « Laser Induced Breakdown Spectroscopy » (LIBS), ayant fait ses preuves pour l’analyse des solides, y compris dans les explorations exo-terrestres, présente des avantages très intéressants pour les liquides dont, par exemple, sont caractère multi-élémentaire et la possibilité des mesures in-situ de la contamination des eaux par métaux.Un première volet d’étude de ce travail de thèse à permis d'étudier les potentialités de la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) pour l'analyse des métaux dissous ou en suspensions dans les eaux. Etude qu’a permis de constater un effet important lié à la taille des particules lors de l’analyse de suspensions. Un deuxième volet consisté à regarder les effets de matrice organique représentée par un acide humique et ceux des minéraux naturels représentés par la bentonite et des particules d’alumine. Effets matrice qu’ont étais corriges par une normalisation par étalon interne. / Metal contamination of water is a major public health issue. Controls and treatments are more drastic and performed on them for human consumption. It is essential for this to possess reliable and sensitive analytical tools adapted to the existing regulations and flexible enough to use. The technique of "Laser Induced Breakdown Spectroscopy" (LIBS), proven for the analysis of solids, including exo-terrestrial explorations, this very interesting advantages for liquids including, for example, are multi-character elementary and the possibility of in-situ measurements of water contamination by metals.A first part of this study thesis allowed to explore the potential (LIBS) for the analysis of dissolved metals or suspensions in water. Study has found an important effect related to the particle size in the analysis of suspensions. A second prong is to look at the effects of organic matrix represented by humic acid and those natural minerals represented by the bentonite and alumina particles. The matrix effect observed was corrected by normalization by internal standard.