Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Synthèse de nouveaux matériaux conducteurs comportant des unités aromatiques conjuguées et analyse de leurs propriétés physico-chimiques

Les matériaux conjugués ont fait l’objet de beaucoup de recherches durant les dernières années. Les nouveaux matériaux présentent des propriétés intéressantes que ce soit au niveau optique, électrique, mécanique ou même les trois en même temps. La synthèse reste la difficulté principale dans la fabrication de dispositifs électroniques. Les méthodes utilisées pour y parvenir sont l’électropolymérisation, le couplage de Suzuki ou de Wittig. Ces techniques comportent encore de nombreuses contraintes et s’avèrent difficilement réalisables à grande échelle. Les thiophènes, les pyrroles et les furanes ont démontré une bonne conductibilité et une bande de conduction basse due à une conjugaison accrue. L’objectif ici est de synthétiser des oligomères principalement composés de thiophènes dans le but d’en caractériser les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de conduction. La synthèse est souvent l’étape délicate de la fabrication de matériaux conjugués. Nous présentons ici une méthode de synthèse simple par modules avec des unités hétérocycliques. Les modules complémentaires sont attachés par condensation entre un aldéhyde et une amine menant à la formation d’un lien robuste, l’azomethine. Les résultats des propriétés photophysiques et électrochimiques de ces matériaux conjugués seront présentés. En ayant recours à différents groupes électrodonneurs et électroaccepteurs, en variant le degré de conjugaison ou en utilisant différents hétérocycles, les propriétés spectroscopiques, électrochimiques et de bande de conduction peuvent être adaptées à volonté, ce qui en fait des matériaux aux propriétés modelables. Ces nouvelles molécules seront analysées pour en déceler les propriétés recherchées dans la fabrication d’OLED. Nous explorerons les domaines de l’oxidation electrochimique réversible et de la polymérisation menant à la fabrication de quelques prototypes simples.

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.

Développement de composés conjugués en étoile de première génération incluant des liens azométhines et études électrochimiques et photophysiques

Les matériaux conjugués sont de nos jours très utilisés dans de nombreuses applications ainsi qu’en recherche. L’enchainement des liaisons π-σ-π permet la délocalisation des électrons et d’obtenir différentes propriétés comme la conduction, la fluorescence, la chélation, etc. Ainsi, de nombreux dispositifs utilisent ces caractéristiques en vue d’obtenir de nouveaux matériaux révolutionnaires comme les cellules solaires, les transistors à effet de champs, les dispositifs électrochromiques, etc.. Les dispositifs électrochromiques font partie des dispositifs en vogue. Ils sont capables de changer de couleur selon le potentiel électrique appliqué. Ils se distinguent par la simplicité du mode de conception et ils ne nécessitent pas de fonctionner dans des conditions drastiques comme une atmosphère contrôlée. Ces dispositifs sont actuellement utilisés et commercialisés comme fenêtre intelligente, camouflage, papier électronique et carte de visite personnalisée pour n’en nommer que quelques-uns. Deux propriétés sont essentielles pour que des composés puissent être utilisés dans ces familles de dispositifs : la réversibilité à l’oxydation et la stabilité à l’air et à la lumière. Dans le groupe de recherche du professeur W.G. Skene, l’axe principal de recherche est basé sur la conception de nouveaux matériaux conducteurs comportant des liaisons azométhines. Les principaux matériaux étudiés sont des dérivés de thiophènes et de fluorènes. De précédents résultats ont montré que plusieurs produits issus de la réaction de condensation entre les dérivés du 2,5-diaminothiophène et de thiophènes diformylés menaient à des produits possédant d’excellentes propriétés photophysiques et électrochimiques. C’est en partant de ces résultats encourageants qu’il a été choisi de synthétiser une nouvelle famille de produits avec un nouveau substrat fonctionnalisé. Ce dernier possède d’excellentes propriétés électrochimiques et photophysiques : la triphénylamine. Deux familles de produits ont été synthétisées qui possèdent toutes comme cœur une triphénylamine. Cette dernière a été modifiée de façon à créer une, deux ou trois liaisons azométhines avec différents thiophènes. Deux dérivés du thiophène ont été choisis afin d’étudier l’influence des groupements donneurs et accepteurs sur ces nouveaux types de composés encore jamais étudiés. Les résultats des différentes synthèses et analyses ont été effectués par RMN, spectrométrie de masse, spectrométrie d’absorbance UV-Visible, fluorescence et voltampérométrie cyclique sont rapportées dans le présent recueil.

New stimuli-responsive block random copolymers and their aggregation

Les polymères sensibles à des stimuli ont été largement étudiés ces dernières années notamment en vue d’applications biomédicales. Ceux-ci ont la capacité de changer leurs propriétés de solubilité face à des variations de pH ou de température. Le but de cette thèse concerne la synthèse et l’étude de nouveaux diblocs composés de deux copolymères aléatoires. Les polymères ont été obtenus par polymérisation radicalaire contrôlée du type RAFT (reversible addition-fragmentation chain-transfer). Les polymères à bloc sont formés de monomères de méthacrylates et/ou d’acrylamides dont les polymères sont reconnus comme thermosensibles et sensible au pH. Premièrement, les copolymères à bloc aléatoires du type AnBm-b-ApBq ont été synthétisés à partir de N-n-propylacrylamide (nPA) et de N-ethylacrylamide (EA), respectivement A et B, par polymérisation RAFT. La cinétique de copolymérisation des poly(nPAx-co-EA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y) et leur composition ont été étudiées afin de caractériser et évaluer les propriétés physico-chimiques des copolymères à bloc aléatoires avec un faible indice de polydispersité . Leurs caractères thermosensibles ont été étudiés en solution aqueuse par spectroscopie UV-Vis, turbidimétrie et analyse de la diffusion dynamique de la lumière (DLS). Les points de trouble (CP) observés des blocs individuels et des copolymères formés démontrent des phases de transitions bien définies lors de la chauffe. Un grand nombre de macromolécules naturels démontrent des réponses aux stimuli externes tels que le pH et la température. Aussi, un troisième monomère, 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA), a été ajouté à la synthèse pour former des copolymères à bloc , sous la forme AnBm-b-ApCq , et qui offre une double réponse (pH et température), modulable en solution. Ce type de polymère, aux multiples stimuli, de la forme poly(nPAx-co-DEAEMA1-x)-block-poly(nPAy-co-EA1-y), a lui aussi été synthétisé par polymérisation RAFT. Les résultats indiquent des copolymères à bloc aléatoires aux propriétés physico-chimiques différentes des premiers diblocs, notamment leur solubilité face aux variations de pH et de température. Enfin, le changement d’hydrophobie des copolymères a été étudié en faisant varier la longueur des séquences des blocs. Il est reconnu que la longueur relative des blocs affecte les mécanismes d’agrégation d’un copolymère amphiphile. Ainsi avec différents stimuli de pH et/ou de température, les expériences effectuées sur des copolymères à blocaléatoires de différentes longueurs montrent des comportements d’agrégation intéressants, évoluant sous différentes formes micellaires, d’agrégats et de vésicules.

A Microstrip Patch Resonator with a Via Connecting Ground Plane

patch resonator with a via connecting ground plane is proposed and studied experimentally. The resonant frequency of this patch resonator is tunable up to about 34 % by adjusting the via position in the center line. The lowest resonant frequency of this patch resonator has been reduced by more than 64% of the same size patch resonator

Development of a varactor -controlled dual-frequency reconfigurable microstrip antenna

A new design for a compact electronically reconffgurable singlefeed dual frequency dual-polarized operation of a square-microstrip antenna capable of achieving tunable frequency ratios in the range 1.1 to 1.37 is proposed and experimentally studied. Varactor diodes inlegruted with the arms of the hexagonal slot and embedded in the square patch are used to tune the operating frequencies by applying reverse-bias voltage. The design has the advantage of size reduction up to 73.21% and 49.86% for the two resonant frequencies, respectively, as compared to standard rectangular patches. The antenna offers good bandwidth of 5.74% and 5.36% for the two operating frequencies. A highly simplified tuning circuitry without any transmission lines adds to the compactness of the design

Spectral and nonlinear optical characterization of ZnO nanocomposites

The spectral and nonlinear optical characteristics of nano ZnO and its composites are investigated. The fluorescence behaviour of nano colloids of ZnO has been studied as a function of the excitation wavelength and there is a red shift in emission peak with excitation wavelength. Apart from the observation of the reported ultra violet and green emissions, our results reveal that additional blue emissions at 420 nm and 490 nm are developed with increasing particle size. Systematic studies on nano ZnO have indicated the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm as well as significant contribution from surface defect states when excited with 325 nm. In the weak confinement regime, the third-order optical susceptibility χ(3) increases with increasing particle size (R) and annealing temperature (T) and a R2 and T2.5 dependence of χ(3) is obtained for nano ZnO. ZnO nanocolloids exhibit induced absorption whereas the self assembled films of ZnO exhibit saturable absorption due to saturation of linear absorption of ZnO defect states and electronic effects. ZnO nanocomposites exhibit negative nonlinear index of refraction which can be attributed to two photon absorption followed by weak free carrier absorption. The increase of the third-order nonlinearity in the composites can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. The nonlinear response of ZnO nanocomposites is wavelength dependent and switching from induced absorption to saturable absorption has been observed at resonant wavelengths. Such a change-over is related to the interplay of plasmon/exciton band bleach and optical limiting mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and the composition over which the nonlinear material acts as an optical limiter. ZnO based nanocomposites are potential materials for enhanced and tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small optical limiting threshold.

Luminescence tuning and enhanced nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–TiO2

In this article we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnO–TiO2 nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. Emission peaks of ZnO–TiO2 nanocomposites change from 340 nm to 385 nm almost in proportion to changes in Eg. The nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behaviour. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increase with increasing TiO2 volume fraction at 532 nm and can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. ZnO–TiO2 is a potential nanocomposite material for the tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold

Spectral and Nonlinear Optical Characteristics of ZnO Nanocomposites

The spectral and nonlinear optical properties of ZnO based nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis are investigated. Very strong UV emissions are observed from ZnO–Ag, ZnO– Cu and ZnO–SiO2 nanocomposites. The strongest visible emission of a typical ZnO–Cu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu due to transition from deep donor level to the copper induced level. The optical band gap of ZnO–CdS and ZnO–TiO2 nanocomposites is tunable and emission peaks changes almost in proportion to changes in band gap. Nonlinear optical response of these nanocomposites is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450–650 nm at resonance and off-resonance wavelengths. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from RSA to SA has been observed at resonant wavelengths. Such a change-over is related to the interplay of plasmon/exciton band bleach and optical limiting mechanisms. The observed nonlinear absorption is explained through two photon absorption followed by weak free carrier absoption, interband absorption and nonlinear scattering mechanisms. The nonlinearity of the silica colloid is low and its nonlinear response can be improved by making composites with ZnO and ZnO–TiO2. The increase of the third-order nonlinearity in the composites can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. This study is important in identifying the spectral range and the composition over which the nonlinear material acts as an RSA based optical limiter. These nanocomposites can be used as optical limiters and are potential materials for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

Spectral and Nonlinear Optical Characteristics of ZnO Nanocomposites

The spectral and nonlinear optical properties of ZnO based nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis are investigated. Very strong UV emissions are observed from ZnO–Ag, ZnO– Cu and ZnO–SiO2 nanocomposites. The strongest visible emission of a typical ZnO–Cu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu due to transition from deep donor level to the copper induced level. The optical band gap of ZnO–CdS and ZnO–TiO2 nanocomposites is tunable and emission peaks changes almost in proportion to changes in band gap. Nonlinear optical response of these nanocomposites is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450–650 nm at resonance and off-resonance wavelengths. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from RSA to SA has been observed at resonant wavelengths. Such a change-over is related to the interplay of plasmon/exciton band bleach and optical limiting mechanisms. The observed nonlinear absorption is explained through two photon absorption followed by weak free carrier absoption, interband absorption and nonlinear scattering mechanisms. The nonlinearity of the silica colloid is low and its nonlinear response can be improved by making composites with ZnO and ZnO–TiO2. The increase of the third-order nonlinearity in the composites can be attributed to the enhancement of exciton oscillator strength. This study is important in identifying the spectral range and the composition over which the nonlinear material acts as an RSA based optical limiter. These nanocomposites can be used as optical limiters and are potential materials for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

Spectral and nonlinear optical characteristics of nanocomposites of ZnO-CdS

In this article, we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnO–CdS nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. The optical band gap (Eg) of the material is tunable between 2.62 and 3.84 eV. The emission peaks of ZnO–CdS nanocomposites change from 385 to 520 nm almost in proportion to changes in Eg. It is possible to obtain a desired luminescence color from UV to green by simply adjusting the composition. The nonlinear optical response of these samples is studied by using nanosecond laser pulses from a tunable laser at the excitonic resonance and off-resonance wavelengths. The nonlinear response is wavelength dependent, and switching from saturable absorption (SA) to reverse SA (RSA) has been observed for samples as the excitation wavelength changes from the excitonic resonance to off-resonance wavelengths. Such a changeover in the sign of the nonlinearity of ZnO–CdS nanocomposites is related to the interplay of exciton bleach and optical limiting mechanisms. The ZnO–CdS nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behavior at off-resonant wavelengths. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increase with increasing CdS volume fraction at 532 nm. The observed nonlinear absorption is attributed to two photon absorption followed by weak free carrier absorption. The enhancement of the third-order nonlinearity in the composites can be attributed to the concentration of exciton oscillator strength. This study is important in identifying the spectral range and composition over which the nonlinear material acts as a RSA based optical limiter. ZnO–CdS is a potential nanocomposite material for the tunable light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.

Fabrication and characterization of dye mixture doped polymer optical fiber as a broad wavelength optical amplifier

Rhodamine 6G and Rhodamine B dye mixture doped polymer optical fiber amplifier (POFA), which can operate in a broad wavelength region (60 nm), has been successfully fabricated and tested. Tunable operation of the amplifier over a broad wavelength region is achieved by mixing different ratios of the dyes. The dye doped POFA is pumped axially using 532 nm, 10 ns laser pulses from a frequency doubled Q-switched Nd: YAG laser and the signals are taken from an optical parametric oscillator. A maximum gain of 22.3 dB at 617 nm wavelength has been obtained for a 7 cm long dye mixture doped POFA. The effects of pump energy and length of the fiber on the performance of the fiber amplifier are also studied. There exists an optimum length for which the amplifier gain is at a maximum value.

Spectral dependence of third order nonlinear optical susceptibility of zinc phthalocyanine

Wavelength dependence of saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA) of zinc phthalocyanine was studied using 10 Hz, 8 ns pulses from a tunable laser, in the wavelength range of 520–686 nm, which includes the rising edge of the Q band in the electronic absorption spectrum. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from RSA to SA has been observed as the excitation wavelength changes from the low absorption window region to higher absorption regime near the Q band. The SA again changes back to RSA when we further move over to the infrared region. Values of the imaginary part of third order susceptibility are calculated for various wavelengths in this range. This study is important in identifying the spectral range over which the nonlinear material acts as RSA based optical limiter.

Enhanced luminescence and nonlinear optical properties of nanocomposites of ZnO–Cu

In this article, we present the spectral and nonlinear optical properties of ZnOCu nanocomposites prepared by colloidal chemical synthesis. The emission consisted of two peaks. The 385-nm ultraviolet (UV) peak is attributed to ZnO and the 550-nm visible peak is attributed to Cu nanocolloids. Obvious enhancement of UV and visible emission of the samples is observed and the strongest UV emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over three times stronger than that of pure ZnO. Cu acts as a sensitizer and the enhancement of UV emission are caused by excitons formed at the interface between Cu and ZnO. As the volume fraction of Cu increases beyond a particular value, the intensity of the UV peak decreases while the intensity of the visible peak increases, and the strongest visible emission of a typical ZnOCu nanocomposite is over ten times stronger than that of pure Cu. The emission mechanism is discussed. Nonlinear optical response of these samples is studied using nanosecond laser pulses from a tunable laser in the wavelength range of 450650 nm, which includes the surface plasmon absorption (SPA) band. The nonlinear response is wavelength dependent and switching from reverse saturable absorption (RSA) to saturable absorption (SA) has been observed for Cu nanocolloids as the excitation wavelength changes from the low absorption window region to higher absorption regime near the SPA band. However, ZnO colloids and ZnOCu nanocomposites exhibit induced absorption at this wavelength. Such a changeover in the sign of the nonlinearity of ZnOCu nanocomposites, with respect to Cu nanocolloids, is related to the interplay of plasmon band bleach and optical limiting mechanisms. The SA again changes back to RSA when we move over to the infrared region. The ZnOCu nanocomposites show self-defocusing nonlinearity and good nonlinear absorption behavior. The nonlinear refractive index and the nonlinear absorption increases with increasing Cu volume fraction at 532 nm. The observed nonlinear absorption is explained through two-photon absorption followed by weak free-carrier absorption and interband absorption mechanisms. This study is important in identifying the spectral range and composition over which the nonlinear material acts as a RSA-based optical limiter. ZnOCu is a potential nanocomposite material for the light emission and for the development of nonlinear optical devices with a relatively small limiting threshold.