Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Characterization and Degradation of Fatty Acid Methyl Esters and Biodiesel in Artificial Seawater Under UV Exposure Using Raman Spectroscopy

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

First-principle density-functional calculation of the Raman spectra of BEDT-TTF

We present a first-principles density-functional calculation for the Raman spectra of a neutral BEDT-TTF molecule. Our results are in excellent agreement with experimental results. We show that a planar Structure is not a stable state of a neutral BEDT-TTF molecule. We consider three possible conformations and discuss their relation to disorder in these systems.

Fock-state dynamics in Raman photoassociation of Bose-Einstein condensates

By stochastic modeling of the process of Raman photoassociation of Bose-Einstein condensates, we show that, the farther the initial quantum state is from a coherent state, the farther the one-dimensional predictions are from those of the commonly used zero-dimensional approach. We compare the dynamics of condensates, initially in different quantum states, finding that, even when the quantum prediction for an initial coherent state is relatively close to the Gross-Pitaevskii prediction, an initial Fock state gives qualitatively different predictions. We also show that this difference is not present in a single-mode type of model, but that the quantum statistics assume a more important role as the dimensionality of the model is increased. This contrasting behavior in different dimensions, well known with critical phenomena in statistical mechanics, makes itself plainly visible here in a mesoscopic system and is a strong demonstration of the need to consider physically realistic models of interacting condensates.

FT-Raman studies of a range of polyimides subjected to high-energy Radiations at room and elevated temperatures

A range of polyimides have been subjected to electron beam radiolysis at different temperatures. These polyimides were chemically designed to suit space applications, being either transparent or having groups which provide oxidation resistance. The structural changes that occur in the polyimides, when subjected to electron beam irradiation doses up to 18.5 MGy and up to temperatures close to their glass transition temperatures, were studied using FT-Raman spectroscopy. The range of polyimides studied included a series of perfluoropolyimides, a silicon-modified polyimide, and Ultem. The changes in the Raman peak intensities of the different groups indicated scission reactions involving the imide rings and ether linkages. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Raman microscopic investigation of paint samples from the Rosalila building, Copan, Honduras

Micro-Raman spectroscopy was applied to the study of multiple layered wall paints from the Rosalila temple, Copan, Honduras, which dates to the Middle Classic period (A.D. 520 to 655). Samples of red, green and grey paint and a thick white overcoating were analysed. The paint pigments have been identified as hematite, celadonite or green earth and a combined carbon/mica mixture. By combining Raman spectroscopy with micro-ATR infrared spectroscopy and environmental scanning electron microscopy (ESEM), a detailed study has been made of the materials and processes used to make the stucco and paints. The use of green earth as a green pigment on Maya buildings has not been reported before. The combination of carbon and muscovite mica to create a reflective paint is also a novel finding.

Applications of ultralong Raman fibre lasers in photonics

This thesis presents a numerical and experimental investigation on applications of ultralong Raman fibre lasers in optical communications, supercontinuum generation and soliton transmission. The research work is divided in four main sections. The first involves the numerical investigation of URFL intra-cavity power and the relative intensity noise transfer evolution along the transmission span. The performance of the URFL is compared with amplification systems of similar complexity. In the case of intracavity power evolution, URFL is compared with a first order Raman amplification system. For the RIN transfer investigation, URFL is compared with a bi-directional dual wavelength pumping system. The RIN transfer function is investigated for several cavity design parameters such as span length, pump distribution and FBG reflectivity. The following section deals with experimental results of URFL cavities. The enhancement of the available spectral bandwidth in the C-band and its spectral flatness are investigated for single and multi-FBGs cavity system. Further work regarding extended URFL cavity in combination with Rayleigh scattering as random distributed feedback produced a laser cavity with dual wavelength outputs independent to each other. The last two sections relate to URFL application in supercontinuum (SC) generation and soliton transmission. URFL becomes an enhancement structure for SC generation. This thesis shows successful experimental results of SC generation using conventional single mode optical fibre and pumped with a continuous wave source. The last section is dedicated to soliton transmission and the study of soliton propagation dynamics. The experimental results of exact soliton transmission over multiple soliton periods using conventional single mode fibre are shown in this thesis. The effect of the input signal, pump distribution, span length and FBGs reflectivity on the soliton propagation dynamics is investigated experimentally and numerically.

All-Raman amplified transmission at 40 Gbit/s in standard single mode fibre

We investigate a 40 Gbit/s all-Raman amplified standard single mode fibre (SMF) transmission system with the mid-range amplifier spacing of 80-90 km. The impact of span configuration on double Rayleigh back scattering (DRBS) was studied. Four different span configurations were compared experimentally. A transmission distance of 1666 km in SMF has been achieved without forward error correcting (FEC) for the first time. The results demonstrate that the detrimental effects associated with high pump power Raman amplification in standard fibre can be minimised by dispersion map optimisation. © 2003 IEEE.

Turbulent broadening of optical spectra in ultralong Raman fiber lasers

We study the properties of radiation generated in ultralong fiber lasers and find an interesting link between these optical systems and the theory of weak wave turbulence. Experimental observations strongly suggest that turbulentlike weak interactions between the multitude of laser cavity modes are responsible for practical characteristics of ultralong fiber lasers such as spectra of the output radiation.

Ultralong Raman fibre lasers as virtually lossless optical media

By transforming the optical fiber span into an ultralong cavity laser, we experimentally demonstrate quasilossless transmission over long (up to 75 km) distances and virtually zero signal power variation over shorter (up to 20 km) spans, opening the way for the practical implementation of integrable nonlinear systems in optical fiber. As a by-product of our technique, the longest ever laser (to the best of our knowledge) has been implemented, with a cavity length of 75 km. A simple theory of the lossless fiber span, in excellent agreement with the observed results, is presented.