Als Basis der Positronenquelle zur Erzeugung polarisierter Positronen bei einem zukuunftigen internationalen Linearkollider ist ein helikaler Undulator vorgesehen. Das E-166 Experiment testete diese Methode unter Benutzung eines ein Meter langen, kurzperiodischen, gepulsten helikalen Undulators im Final Focus Test Beam (FFTB) am SLAC. Ein 46.6 GeV Elektronenstrahl mit geringer Emittanz wurde durch diesen Undulator gefuehrt und erzeugte zirkular polarisierte Photonen mit einer Energie bis zu ungefaehr 8 MeV. Diese wiederum konvertierten in einem relativ duennen Target zu longitudinal polarisierten Positronen. Die Polarisation der Positronen wurde bei 5 verschieden Positronenergien gemessen. Zusaetzlich ist die Polarisation von Elektronen fuer einen Energiepunkt gemessen worden. Um die gemessenen Asymmetrien mit den Erwartungen vergleichen zu koennen, waren detaillierte Simulationen noetig. Dies erforderte die Erweiterung von von GEANT4 um die wichtigsten polarisationsabhaengigen Wechselwirkungen von Elektronen, Positronen und Photonen mit Materie. Die gemessene Positronpolarisation stimmt mit den Erwartungen ueberein und betraegt fuer den Energiepunkt mit der hoechsten Polarisation von 6 MeV mehr als 80 prozent. / A helical undulator based polarized positron source is forseen at a future International Linear Collider. The E-166 experiment has tested this scheme using a one meter long, short-period, pulsed helical undulator installed in the Final Focus Test Beam (FFTB) at SLAC. A low-emittance 46.6 GeV electron beam passing through this undulator generated circularly polarized photons with energies up to about 8 MeV. The generated photons of several MeV with circular polarization are then converted in a relatively thin target to generate longitudinally polarized positrons. Measurements of the positron polarization have been performed at 5 different energies of the positrons. In addition electron polarization has been determined for one energy point. For a comparison of the measured asymmetries with the expectations detailed simulations were necessary. This required upgrading GEANT4 to include the dominant polarization dependent interactions of electrons, positrons and photons in matter. The measured polarization of the positrons agrees with the expectations and is for the energy point with the highest polarization at 6 MeV about 80 percent.

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.

La filamentation dans l'atmosphère est devenue un sujet de recherche des plus attrayants à cause de ses applications possibles à la télédétection de polluants, au contrôle de la foudre, à la génération d'impulsion laser de quelques cycles et à la génération de terahertz à distance. La filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense induit non seulement une transformation significative dans le profil spatio-temporel de l'impulsion laser, mais elle brise en plus la centro-symétrie du milieu de propagation. Le mécanisme physique derrière la filamentation est donc complexe. Plusieurs processus non linéaires intéressants se produisent simultanément au cœur du filament. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets principaux non linéaires qui surviennent pendant la filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense dans l'air. Les impulsions laser utilisées dans ces expériences proviennent d'une chaîne laser Ti : saphir commerciale. L'évolution complète d'un filament dans l'air est systématiquement étudiée. L'émission de fluorescence du filament, son diamètre et son contenu spectral sont mesurés. Nous montrons qu'un filament peut être vu comme une colonne « auto-guidée » avec deux sections d'ionisation: une première où l'ionisation est efficace suivie par une seconde, faiblement ionisée. Le diamètre du cœur du filament demeure quant à lui presque constant. L' « auto-conversion » vers les basses fréquences est observée en fonction de la longueur du filament et elle est causée par la réponse Raman moléculaire. Il est aussi démontré que l'intensité élevée au cœur du filament dans l'air induit une forte biréfringence instantanée due à la modulation de phase croisée d'origine électronique et une forte biréfringence retardée due à la réponse Raman. Cette dernière mène à la génération d'un séparateur de polarisation gazeux ultrarapide sans seuil de dommage ni limitation spectrale. De plus, on observe expérimentalement que l'émission terahertz provenant soit d'un filament à une couleur dans l'air, soit d'un filament à deux couleurs, a une polarisation elliptique. Ceci est attribué au bris de la symétrie de l'air dans le filament. Finalement, nous étudions la polarisation de la radiation terahertz provenant d'un filament soumis à un champ électrique DC. On montre qu'une nouvelle source de terahertz, différente de l'émission terahertz provenant d'un filament à une couleur sans champ externe, est générée en appliquant un champ électrique externe. La polarisation linéaire de cette source de terahertz est parallèle au champ DC. / Filamentation in the atmosphere has become one of the most attractive research topics due to its promising potential applications, such as remote atmospheric pollutants detection, lightning control, few-cycle laser pulse generation and remote terahertz generation, etc. The filamentation process of an intense femtosecond laser pulse not only induces significant transformations in the spatio-temporal profile of the laser pulse but also breaks the centro-symmetry of the propagation medium. Thus, the physical mechanism of the filamentation process is quite complex. Many interesting nonlinear processes take place simultaneously inside the filament core. The aim of this thesis is to investigate key nonlinear processes occurring during the filamentation of intense femtosecond laser pulses in air. The laser pulses used in the experiments are delivered by a commercial Ti-Sapphire femtosecond laser system. A full evolution of a femtosecond laser filament in air is systematically investigated, including the emitted fluorescence signal, the diameter of the filament core and the spectrum of the filament. It is found that a filament could be regarded as a self-guided column with two ionizing sections: one with efficient ionization followed by the other weakly ionized. The diameter of the filament core stays almost constant, and continuous self-frequency down shift in the spectrum is observed as a function of the filament length, which is due to molecular Raman response. It is also demonstrated that the high intensity within the core of an air-filament induced an instantaneous strong birefringence thanks to electronic cross phase modulation and a delayed strong birefringence due to rotational Raman response, the latter leading to the generation of an ultrafast gaseous polarization separator that is free from damage threshold and spectral bandwidth limitation. Moreover, it is experimentally observed that terahertz emission from either a one-color air-filament or a two-color air-filament is elliptically polarized due to symmetry-breaking of air in the filament zone. Finally, we investigated the polarization of the terahertz radiation from a DC-biased filament. It is demonstrated that a new terahertz source, apart from the terahertz emission from a one-color filament without DC-bias, is generated by applying a DC bias to a one-color filament. The linear polarization of this terahertz source is parallel to the DC field.

La modulation de la phase d'un signal optique à l'intérieur d'une fibre optique peut être obtenue par l'application d'un stress mécanique sur la fibre. Ce stress peut être une tension ou une compression axiale ou encore un stress latéral. Contrairement à une tension ou à une compression purement axiale, l'application d'un stress latéral introduit une biréfringence dans la fibre optique, soit un retard de phase différent pour les polarisations x et y. Une modulation rapide et précise d'un stress latéral peut être obtenue en fixant la fibre sur un actuateur fait d'un matériau piézoélectrique ou magnétostrictif. Cependant, le lien entre l'actuateur et la fibre, généralement un collage, peut mener à des problèmes de stabilité et de tenue en température. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un moyen simple, efficace et stable pour moduler directement la phase du signal se propageant dans une fibre optique. Le saut de phase induit est biréfringent et peut être modulé à des fréquences supérieures à 300 kHz. Le modulateur de phase développé est fait d'une épissure mécanique en alliage à mémoire de forme couplée à un actuateur piézoélectrique. La fibre s'insère facilement dans le modulateur de phase et aucun collage n'est nécessaire entre celui-ci et l'actuateur. Ce modulateur de phase a été utilisé pour réaliser un laser DFB (Distributed Feedback) pouvant être opéré en régime continu, en régime déclenché et en régime de modulation de puissance. De plus, la biréfringence du saut de phase induit permet de choisir une émission polarisée linéairement en x ou en y, selon la tension appliquée à l'actuateur piézoélectrique. Le laser peut également émettre en alternance des impulsions polarisées linéairement en x et en y. Le temps de vie de la cavité a pu être obtenu de la période des oscillations de relaxation. De plus, pour amener une solution à une autre problématique, des connexions haute puissance ont été mises au point entre des fibres de silice et des fibres de verre fluoré, en utilisant l'épissure en alliage à mémoire de forme développée par notre partenaire industriel Phasoptx.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est désormais devenue une technique spectroscopique incontournable à de nombreux domaines de la science et de la médecine. Cependant, elle est limitée par une faible sensibilité en raison d'une polarisation nucléaire insuffisante, définie par la différence des populations entre les niveaux d'énergie impliqués, ce qui résulte à des temps expérimentaux assez longs. Cet inconvénient peut être compensé en transférant l’énorme polarisation des électrons non appariés aux spins nucléaires à l'aide d'une irradiation par micro-ondes à basse température - une méthode connue sous le nom de polarisation nucléaire dynamique (DNP). Sami Jannin et ses collègues ont récemment combiné la méthode de polarisation croisée (CP) avec la DNP, à des températures très basses, afin de polariser plus rapidement les noyaux de faible γ en transférant la polarisation des électrons aux protons et ensuite aux noyaux de faible γ, comme le carbone-13. Cette thèse démontre que l'efficacité de cette méthode peut être améliorée en arrêtant l'irradiation par micro-ondes pendant quelques centaines de millisecondes avant la CP. En effectuant ces expériences, la polarisation du carbone-13 de l'acétate de sodium [1-¹³C] peut monter jusqu'à 64% avec une constante de temps d'accumulation de polarisation très courte de 160 s. L'échantillon hyperpolarisé peut ensuite être rapidement dissous pour obtenir un signal RMN amplifié à l'état liquide et à la température ambiante. Cette méthode a été développée par Ardenkjaer-Larsen et ses collègues en 2003 et est connue sous le nom de polarisation nucléaire dynamique par dissolution (D-DNP). Elle peut fournir une amplification du signal d'un facteur jusqu'à quatre ordres de grandeur. La combinaison de la D-DNP avec les techniques de CP peut être utilisée pour créer des états de longue durée de vie (LLS) dans des molécules deutériées comme l'éthanol-d6 et le DMSO-d6. Ces états peuvent avoir des durées de vie beaucoup plus longues que l'aimantation conventionnelle de Zeeman. Ces états peuvent être détectés indirectement via des multiplets asymétriques dans les spectres RMN du carbone-13 en solution, à température ambiante après dissolution, via les couplages scalaires entre le carbone-13 et les noyaux du deutérium. Ces LLS résultent du déséquilibre des populations entre les représentations irréductibles des groupes de symétrie des molécules deutériées étudiées. Dans cette thèse, nous avons étudié les LLS dans les groupes CD₂ et CD₃. Les durées de vie de ces LLS peuvent dépasser les temps de relaxation T₁(²H) des noyaux de deutérium par un facteur jusqu'à 20 (dépendant de la dynamique moléculaire) et peuvent être observées par la décroissance de l'asymétrie du multiplet du carbone-13. Ces observations peuvent élargir les applications de la DNP en ajoutant le noyau de ²H à la liste des observables possibles / Nowadays, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) has become an inevitable spectroscopic technique that can be applied in many fields of science and medicine. However it is limited by low sensitivity due to the low nuclear polarization, defined by the difference of populations between the energy levels involved, thus leading to long experimental times. This drawback can be overcome by using the huge polarization of unpaired electrons compared to nuclear spins and its transfer to nuclear spins at low temperatures (using microwave irradiation) to achieve a large nuclear magnetization - a method know as dynamic nuclear polarization (DNP). Sami Jannin and co-workers have recently combined the cross-polarization (CP) method with DNP at very low temperatures to polarize low γ nuclei faster by transferring the electron polarization to protons and then to low γ nuclei like ¹³C. This thesis demonstrates that the efficiency of the CP method can be improved by switching the microwave irradiation off for a few hundred milliseconds prior to CP. By performing these microwave gating experiments, ¹³C polarizations for sodium [1-¹³C]acetate as high as 64% could be achieved with a polarization build-up time constant as short as 160 s. The hyperpolarized sample can subsequently be rapidly dissolved to achieve NMR signal enhancement in the liquid state at ambient temperature. This method has been developed by Ardenkjaer-Larsen and co-workers in 2003 and became known as dissolution-dynamic nuclear polarization (D-DNP). It can provide signal enhancements by a factor of up to four orders of magnitude in liquid state at room temperature. Combining D-DNP with CP techniques from ¹H to ¹³C can be used to create to create long-lived states (LLS) in deuterated molecules like ethanol-d₆ and DMSO-d₆, which can have much longer life times than conventional Zeeman magnetization. These LLS can be detected indirectly via the asymmetric multiplets in ¹³C NMR spectra in solution state at room temperature after dissolution due to scalar couplings between ¹³C and ²H. These LLS result from population imbalances between spin manifolds of distinct irreducible representations of the relevant symmetry groups of the investigated deuterated moities. In this thesis we have investigated LLS in CD₂ and CD₃ groups. Lifetimes of these LLS can exceed the spin-lattice relaxation times T₁(²H) of deuterium nuclei by a factor up to 20 (depending on the underlying molecular dynamics) and can be obtained by monitoring the decay of the asymmetry of the ¹³C multiplet. These observations can expend the scope of DNP by adding ²H nucleus to the list of possible observables.

Engineering : Chemical / M. Tech. (Chemical Engineering)

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The aggressive space mapping algorithm is used in this project for the optimisation of electromagnetic structures. This technique combines the use of fast, less accurate models with more time-consuming, high precision models in the optimisation of a design. MATLAB’s technical computing environment possesses powerful tools for optimisation as well as the graphical representation and mathematical post-processing of data. A software interface, which uses Visual Basic for Applications, is created between MATLAB and the electromagnetic solvers, CST Microwave Studio and μWave Wizard, that are used for the fine and coarse model calculations. The interface enables the direct interchange of data, which allows MATLAB to control the optimisation for the automation of the design process. The optimisation of a microwave coaxial resonator with input coupling is used to demonstrate the design environment. An accurate equivalent circuit model is available to describe the problem. The space mapping optimisation of this structure works well, with a significant improvement in the efficiency of the optimisation when compared to standard optimisation techniques. Multimode horn antennas are of interest for use as feeds in radio-astronomy telescope systems. The design of a stepped circular horn antenna in the space mapping design environment is presented. The horn’s radiation pattern is optimised for low cross-polarisation. This structure is much more complex to model than the resonator example. The generalised scattering matrix representation is used in the coarse model description. The far-fields are calculated from the aperture fields by means of the Fast Fourier Transform. Various tests confirm that the optimisation is steered in the right direction as long as the coarse model response follows the trend of the fine model response over the optimisation space. The presented design environment is a powerful tool for the automation of the design of electromagnetic structures. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die aggressiewe ruimte-afbeelding algoritme word in hierdie projek gebruik vir die optimering van elektromagnetiese strukture. Hierdie tegniek kombineer die gebruik van vinnige, minder akkurate modelle tesame met tydrowende hoë presisie modelle tydens die optimering van ’n ontwerp. MATLAB se tegniese verwerkingsomgewing beskik oor kragtige gereedskap vir optimering sowel as die grafiese voorstelling en wiskundige verwerking van data. ’n Sagteware koppelvlak, wat Visual Basic for Applications benut, word geskep tussen MATLAB en die elektromagnetiese oplossers, CST Microwave Studio en μWave Wizard, wat vir die fyn en growwe model berekeninge gebruik word. Hierdie koppelvlak maak die direkte uitruiling van data moontlik, wat MATLAB in staat stel om die optimering te beheer ten einde die ontwerpsproses te outomatiseer. Die optimering van ’n mikrogolf koaksiale resoneerder met intree koppeling word gebruik om die ontwerpsomgewing te demonstreer. ’n Akkurate ekwivalente stroombaanmodel is beskikbaar om die probleem mee te beskryf. Die ruimte-afbeelding optimering van hierdie struktuur werk goed en toon ’n aansienlike verbetering in die doeltreffendheid van die optimering wanneer dit met standaard optimeringstegnieke vergelyk word. Multimodus horingantennes is van belang in radio-astronomie, waar dit as voere vir teleskope gebruik word. Die ontwerp van ’n trapvormige, sirkelvormige horingantenne in die ruimte-afbeelding ontwerpsomgewing word aangebied. Die stralingspatroon van die horing word optimeer vir lae kruispolarisasie. Hierdie struktuur is heelwat meer ingewikkeld om te modelleer as die resoneerder voorbeeld. Die veralgemeende strooimatriks voorstelling word gebruik in die growwe model beskrywing. Die ver-velde word bereken vanaf die velde in die bek van die antenne, deur gebruik te maak van die Vinnige Fourier Transform. Verskeie toetse bevestig dat die optimering in die regte rigting gestuur word, solank as wat die growwe model se gedrag dié van die fyn model oor die optimeringsgebied navolg. Die ontwerpsomgewing wat hier aangebied word, is ’n kragtige stuk gereedskap vir die outomatisering van die ontwerp van elektromagnetiese strukture.

The objectives of this work were to investigate, design and implement Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna arrays for mobile phones. Several MIMO antennas were developed and tested over various wireless-communication frequency bands. The radiation performance and channel capacity of these antennas were computed and measured: the results are discussed in the context of the frequency bands of interest. A comprehensive study of MIMO antenna configurations such as 2 × 1, 3 × 1, 2 × 2 and 3 × 3, using polarisation diversity as proposed for future mobile handsets, is presented. The channel capacity is investigated and discussed, as applying to Rayleigh fading channels with different power spectrum distributions with respect to azimuth and zenith angles. The channel capacity of 2 × 2 and 3 × 3 MIMO systems using spatial polarisation diversity is presented for different antenna designs. The presented results show that the maximum channel capacity for an antenna contained within a small volume can be reached with careful selection of the orthogonal spatial fields. The results are also compared against planar array MIMO antenna systems, in which the antenna size considered was much larger. A 50% antenna size reduction method is explored by applying magnetic wall concept on the symmetry reference of the antenna structure. Using this method, a triple dual-band inverted-F antenna system is presented and considered for MIMO application. Means of achieving minimum coupling between the three antennas are investigated over the 2.45 GHz and 5.2 GHz bands. A new 2 2 MIMO dual-band balanced antenna handset, intended to minimise the coupling with the handset and human body was proposed, developed and tested. The antenna coupling with the handset and human hand is reported in terms the radiation performance and the available channel capacity. In addition, a dual-polarisation dipole antenna is proposed, intended for use as one of three collocated orthogonal antennas in a polarisation-diversity MIMO communication system. The antenna actually consists of two overlaid electric and magnetic dipoles, such that their radiation patterns are nominally identical but they are cross-polarised and hence only interact minimally.

Le développement des technologies optiques dans le domaine de la communication engendre un intérêt pour les matériaux présentant des propriétés non linéaires. Le matériau idéal doit combiner un coefficient non linéaire élevé, de bonnes propriétés optiques et un faible coût de fabrication. Les matériaux vitreux restent de bons candidats pour ce type d'application. La polarisation thermique permet de générer ce genre de propriétés dans les verres. En effet, à des températures de l'ordre de 300°C, l'application d'un champ électrique provoque la migration d'ions mobiles dans le matériau depuis l'anode vers la cathode. Une zone de déplétion en surface est ainsi créée donnant naissance à un champ électrique enterré. En combinant une technique de dépôt métallique, une irradiation laser et l'application d'un champ électrique (poling), il devient possible de réaliser des architectures complexes de migration et d'obtenir ainsi des propriétés optiques non linéaires structurées.

Les interactions lumière-matière dans les mileux moléculaires et bio-moléculaires peuvent mener à des processus complexes où les polarisations des champs optiques se couplent aux assemblages de dipoles de transitions moléculaires. La manipulation des polarisations des champs optiques en microscopie de uorescence peut en particulier donner accès à des modi cations nes d'arrangements moléculaires. Dans ce travail de thèse nous introduisons une méthode basée sur la variation continue d'un état de polarisation d'excitation complémentée par une analyse polarisée, appliquée à la microscopie de uorescence multi-photons. La uorescence à deux photons polarimétrique permet d'accéder à une information statique quantitative sur la forme et l'orientation de la distribution orientationnelle moléculaire dans des membranes lipidiques articielles, dans des cellules ou sur des composés molécluaires co-cristallins qui peuvent être fortement hétérogènes. La uorescence à trois photons polarimétrique apporte de plus un diagnostique de cristallinité dans des cristaux de protéines, avec une forte sensibilité à leur structure et symétrie. L'implémentation expérimentale de cette technique requiert de quantier les distortions de polarisation provenant du montage expérimental et de l'échantillon lui-même, qui sont nement analysés.