Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Kinematics of galaxies in compact groups Studying the B-band Tully-Fischer relation

We obtained new Fabry-Perot data cubes and derived velocity fields, monochromatic, and velocity dispersion maps for 28 galaxies in the Hickson compact groups 37, 40, 47, 49, 54, 56, 68, 79, and 93. We also derived rotation curves for 9 of the studied galaxies, 6 of which are strongly asymmetric. Combining these new data with previously published 2D kinematic maps of compact group galaxies, we investigated the differences between the kinematic and morphological position angles for a sample of 46 galaxies. We find that one third of the unbarred compact group galaxies have position angle misalignments between the stellar and gaseous components. This and the asymmetric rotation curves are clear signatures of kinematic perturbations, probably because of interactions among compact group galaxies. A comparison between the B-band Tully-Fisher relation for compact group galaxies and for the GHASP field-galaxy sample shows that, despite the high fraction of compact group galaxies with asymmetric rotation curves, these lay on the TF relation defined by galaxies in less dense environments, although with more scatter. This agrees with previous results, but now confirmed for a larger sample of 41 galaxies. We confirm the tendency for compact group galaxies at the low-mass end of the Tully-Fisher relation (HCG 49b, 89d, 96c, 96d, and 100c) to have either a magnitude that is too bright for its mass (suggesting brightening by star formation) and/or a low maximum rotational velocity for its luminosity (suggesting tidal stripping). These galaxies are outside the Tully Fisher relation at the 1 sigma level, even when the minimum acceptable values of inclinations are used to compute their maximum velocities. Including such galaxies with nu < 100 km s(-1) in the determination of the zero point and slope of the compact group B-band Tully-Fisher relation would strongly change the fit, making it different from the relation for field galaxies, which has to be kept in mind when studying scaling relations of interacting galaxies, especially at high redshifts.

MASS DISTRIBUTION IN HICKSON COMPACT GROUPS OF GALAXIES

This study presents the mass distribution for a sample of 18 late-type galaxies in nine Hickson compact groups. We used Ha rotation curves (RCs) from high-resolution two-dimensional velocity fields of Fabry-Perot observations and the J-band photometry from the Two Micron All Sky Survey, in order to determine the dark halo and the visible matter distributions. The study compares two halo density profiles, an isothermal core-like distribution, and a cuspy one. We also compare their visible and dark matter distributions with those of galaxies belonging to cluster and field galaxies coming from two samples: 40 cluster galaxies of Barnes et al. and 35 field galaxies of Spano et al. The central halo surface density is found to be constant with respect to the total absolute magnitude similar to what is found for the isolated galaxies. This suggests that the halo density is independent of galaxy type and environment. We have found that core-like density profiles better fit the RCs than cuspy-like ones. No major differences have been found between field, cluster, and compact group galaxies with respect to their dark halo density profiles.

Star formation in the intragroup medium and other diagnostics of the evolutionary stages of compact groups of galaxies

Context. Compact groups of galaxies are entities that have high densities of galaxies and serve as laboratories to study galaxy interactions, intergalactic star formation and galaxy evolution. Aims. The main goal of this study is to search for young objects in the intragroup medium of seven compact groups of galaxies: HCG 2, 7, 22, 23, 92, 100 and NGC 92 as well as to evaluate the stage of interaction of each group. Methods. We used Fabry-Perot velocity fields and rotation curves together with GALEX NUV and FUV images and optical R-band and HI maps. Results. (i) HCG 7 and HCG 23 are in early stages of interaction; (ii) HCG 2 and HCG 22 are mildly interacting; and (iii) HCG 92, HCG 100 and NGC 92 are in late stages of evolution. We find that all three evolved groups contain populations of young blue objects in the intragroup medium, consistent with ages < 100 Myr, of which several are younger than < 10 Myr. We also report the discovery of a tidal dwarf galaxy candidate in the tail of NGC 92. These three groups, besides containing galaxies that have peculiar velocity fields, also show extended HI tails. Conclusions. Our results indicate that the advanced stage of evolution of a group, together with the presence of intragroup HI clouds, may lead to star formation in the intragroup medium. A table containing all intergalactic HII regions and tidal dwarf galaxies confirmed to date is appended.

a-SiC : H anti-resonant layer ARROW waveguides

Over the last decades, anti-resonant reflecting optical waveguides (ARROW) have been used in different integrated optics applications. In this type of waveguide, light confinement is partially achieved through an anti-resonant reflection. In this work, the simulation, fabrication and characterization of ARROW waveguides using dielectric films deposited by a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) technique, at low temperatures(similar to 300 degrees C), are presented. Silicon oxynitride (SiO(x)N(y)) films were used as core and second cladding layers and amorphous hydrogenated silicon carbide(a-SiC:H) films as first cladding layer. Furthermore, numerical simulations were performed using homemade routines based on two computational methods: the transfer matrix method (TMM) for the determination of the optimum thickness of the Fabry-Perot layers; and the non-uniform finite difference method (NU-FDM) for 2D design and determination of the maximum width that yields single-mode operation. The utilization of a silicon carbide anti-resonant layer resulted in low optical attenuations, which is due to the high refractive index difference between the core and this layer. Finally, for comparison purposes, optical waveguides using titanium oxide (TiO(2)) as the first ARROW layer were also fabricated and characterized.

Frequency stabilised grating feedback laser diode for atom cooling applications

The free running linewidth of an external cavity grating feedback diode laser is on the order of a few megahertz and is limited by the mechanical and acoustic vibrations of the external cavity. Such frequency fluctuations can be removed by electronic feedback. We present a hybrid stabilisation technique that uses both a Fabry-Perot confocal cavity and an atomic resonance to achieve excellent short and long term frequency stability. The system has been shown to reduce the laser linewidth of an external cavity diode laser by an order of magnitude to 140 kHz, while limiting frequency excursions to 60 kHz relative to an absolute reference over periods of several hours. The scheme also presents a simple way to frequency offset two lasers many gigahertz apart which should find a use in atom cooling experiments, where hyperfine ground-state frequency separations are often required.

Terahertz response of patterned epitaxial graphene

We study the interaction between polarized terahertz (THz) radiation and micro-structured large-area graphene in transmission geometry. In order to efficiently couple the radiation into the two-dimensional material, a lateral periodic patterning of a closed graphene sheet by intercalation doping into stripes is chosen. We observe unequal transmittance of the radiation polarized parallel and perpendicular to the stripes. The relative contrast, partly enhanced by Fabry-Perot oscillations reaches 20 %. The effect even increases up to 50 % when removing graphene stripes in analogy to a wire grid polarizer. The polarization dependence is analyzed in a large frequency range from < 80 GHz to 3 THz, including the plasmon-polariton resonance. The results are in excellent agreement with theoretical calculations based on the electronic energy spectrum of graphene and the electrodynamics of the patterned structure

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Tese de Doutoramento em Engenharia Eletrónica e de Computadores.

Quantum dynamics of crystals of molecular nanomagnets inside a resonant cavity

It is found that crystals of molecular nanomagnets exhibit enhanced magnetic relaxation when placed inside a resonant cavity. A strong dependence of the magnetization curve on the geometry of the cavity has been observed, providing indirect evidence of the coherent microwave radiation by the crystals. A similar dependence has been found for a crystal placed between the Fabry-Perot superconducting mirrors.

Wideband dual sphere detector of gravitational waves

We present the concept of a sensitive and broadband resonant mass gravitational wave detector. A massive sphere is suspended inside a second hollow one. Short, high-finesse Fabry-Perot optical cavities read out the differential displacements of the two spheres as their quadrupole modes are excited. At cryogenic temperatures, one approaches the standard quantum limit for broadband operation with reasonable choices for the cavity finesses and the intracavity light power. A molybdenum detector, of overall size of 2 m, would reach spectral strain sensitivities of 2x10-23Hz-1/2 between 1000 and 3000 Hz.

Brillouin spectroscopy : measurement of elastic and photoelastic constants of some alkali holide crystals

The assembly and testing of apparatus for the measurement of elastic and photoelastic constants by Brillouin scattering, using a Fabry-Perot interferometer and with argon ion laser excitation is described. Such measurements are performed on NaCI, KBr and LiF using the A = 488.0 nm laser line. The elastic constants obtained here are in very good agreement with the ultrasonic data for all three materials. The discrepancy between ultrasonic and hypersonic sound velocities which was reported by some authors for KBr and LiF is not confirmed, and the elastic constants obtained for LiF are the most accurate to date. Also, the present photoelastic constants are in good agreement with the data obtained by ultrasonic techniques for all three crystals. The results for the KBr and LiF crystals constitute the first set of photoelastic constants obtained for these materials by Brillouin spectroscopy. Our results for LiF are the best available to date.

Spectro-imagerie optique à faible flux et comparaison de la cinématique Ha et HI d'un échantillon de galaxies proches

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques.

Cinématique haute résolution des galaxies de l'échantillon SINGS et observations du H[alpha] profond de la galaxie NGC 7793

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Analyse cinématique de l'hydrogène ionisé et étude du gaz ionisé diffus de trois galaxies du Groupe Sculpteur : NGC253, NGC300 et NGC247

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.