Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.

Conception d’un nouveau type de concentrateur solaire réduisant le besoin de suivi du soleil

Depuis longtemps, le Soleil est vu comme une source renouvelable d’intérêt pour combler nos besoins en énergie. Or, le coût prohibitif de l’énergie solaire a jusqu’à maintenant rendu celle-ci peu utilisée. Pour accroître son adoption, il faut absolument rendre son coût concurrentiel avec celui des énergies fossiles. Pour cela, plusieurs possibilités existent. L’une d’elles est l’utilisation d’un système optique pour concentrer la lumière. Cette thèse présente donc une solution basée sur la conception d’un nouveau type de concentrateur solaire de basse-moyenne concentration fait de polymère dans le but de réduire son coût de fabrication. Les performances de ce système compact utilisant des microlentilles ont ensuite été améliorées par l’ajout d’un gradient d’indice de réfraction dans la matrice polymérique. Une analyse sommaire du coût de l’énergie produite par de tels dispositifs permet ensuite de conclure que les systèmes développés dans le cadre de ce projet de recherche ont un potentiel commercial. Pour cette raison, le concept le plus prometteur basé sur l’utilisation d’un gradient d’indice afin d’accroître les performances a fait état du dépôt d’une demande de brevet.

L'impact du glissement en fréquence lors de l'accélération directe d'électrons par le faisceau laser

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences.

Matériaux mésoporeux fonctionnalisés pour l'extraction sélective des terres rares

Les matériaux mésoporeux à base de silice sont des plateformes polyvalentes qui offrent une réponse aux besoins de domaines variés comme l’environnement, la santé et les énergies. La fonctionnalisation avec des groupements organiques en fait des matériaux hybrides qu’il est aisé d’orienter vers une application spécifique. Ainsi, afin de fournir une alternative aux procédés industriels, dommageables pour l’environnement actuellement utilisés pour l’extraction et la purification des terres rares, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL) majoritairement, les silices mésoporeuses ont été sollicitées à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Cette dernière, en opposition à l’ELL, présente de nombreux avantages dont, la suppression des solvants organiques, le contrôle de la sélectivité envers et parmi le groupe des éléments de terres rares (ÉTR) à travers l’ancrage du ligand sur un support solide et la possibilité de réutiliser plusieurs fois l’adsorbant. Les ÉTR sont des métaux qui participent à la transition vers des technologies moins coûteuses en énergie, il est donc primordial de rendre leurs procédés d’extraction plus verts. Dans le cadre de ce travail, différents types de silices ordonnées mésoporeuses, MCM-41, SBA-15 et SBA-16, ont été synthétisées, fonctionnalisées avec un ligand approprié, et leurs comportements vis à vis de ces éléments, comparés. Ces matériaux ont de nombreux points communs mais certaines caractéristiques les différencient néanmoins : la taille et la géométrie des pores, la connexion entre les pores, l’épaisseur des parois, l’accessibilité aux pores ou encore la diffusion des liquides ou gaz dans la matrice. C’est pourquoi, le but de cette étude est d’élucider l’impact de ces diverses propriétés sur l’adsorption sélective des ÉTR en condition statique et dynamique.

Développement d’une stratégie de modification du bois afin de limiter les variations dimensionnelles du produit lambris dans un contexte éco-responsable

Ce travail de thèse présente deux grands axes. Le premier axe, touche les traitements du bois dans le but principal de réduire les variations dimensionnelles et d’améliorer la résistance à l’attaque des champignons lignivores. Le second axe quant à lui, touche l’aspect environnemental du traitement acide citrique-glycérol. Ce dernier a pour but principal de démontrer que le prolongement de la durée de vie en service du produit lambris traité, compense les impacts environnementaux causés par ce traitement. Dans le premier axe, deux traitements ont été réalisés sur deux essences de pin (Pinus strobus L. et Pinus contorta D.). Un traitement à l’anhydride maléique et un autre traitement avec une solution d’acide citrique – glycérol brute (AC-G). Dans le premier cas, les effets de deux paramètres (la durée de séchage et la température d’estérification) sur les résultats des essais de stabilité dimensionnelle, de résistance à la dégradation fongique et de vieillissement accéléré ont été évalués. Trois niveaux de durée de séchage après imprégnation (12 h, 18 h et 24 h) et trois niveaux de température d’estérification (140 °C, 160 °C et 180 °C) ont été considérés. Dans le second cas, après identification du meilleur catalyseur (HCl) et du meilleur ratio acide citrique – glycérol (3/1) pendant les essais préliminaires, les performances de ce traitement sur la stabilité dimensionnelle, la résistance à la pourriture fongique, la dureté de surface et l’adhérence des couches de revêtement de peinture sur la surface du substrat bois ont été analysées. Les résultats obtenus ont été appuyés par une suite d’analyses qualitatives et quantitatives pour mieux comprendre et expliquer. Les analyses qualitatives sont : (i) la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et (ii) la microscopie électronique à balayage (MEB) tandis que la quantitative, l’analyse par perte de masse a été faite par pesée. Dans le second axe, une analyse des impacts environnementaux du traitement AC-G a été effectuée par le biais du logiciel SimaPro v8. La base de données Ecoinvent v3 et la méthode d’analyse d’impact Impact 2002+ ont été utilisées dans cette partie du travail de thèse. Sur la base des résultats du second traitement (AC-G) et des travaux disponibles dans la littérature, nous avons estimé, une durée de vie en service des lambris traités. Les différents scénarios de la durée de vie du lambris traité mis sur pied par rapport à celle offerte aujourd’hui par l’industrie, nous permettent de modéliser les impacts environnementaux du traitement. A cette fin, l’analyse de cycle de vie (ACV) a été utilisée comme outil de conception. En conclusion, les paramètres, durée de séchage et température d’estérification influencent les résultats obtenus dans le cas du traitement du bois à l’anhydride maléique. La combinaison 24 h de séchage et 180 °C, température d’estérification, représente les paramètres qui offrent les meilleurs résultats de stabilité dimensionnelle, de résistance à la dégradation fongique et de vieillissement accéléré. Le traitement AC-G améliore la stabilité dimensionnelle, la résistance à la dégradation fongique et la dureté de surface des échantillons. Cependant, le traitement réduit l’adhérence des couches de peinture. Les impacts environnementaux produits par le traitement AC-G sont majoritairement liés à la consommation de la ressource énergie (électricité). Le traitement prolonge la durée de vie en service du lambris traité et il a été mis en évidence que le scénario de durée de vie qui permettrait que le lambris traité puisse se présenter comme un produit à faible impact environnemental par rapport au lambris non traité est celui d’une durée de vie de 55 ans.