Electric Field Effects on Graphene Materials

Understanding the effect of electric fields on the physical and chemical properties of two-dimensional (2D) nanostructures is instrumental in the design of novel electronic and optoelectronic devices. Several of those properties are characterized in terms of the dielectric constant which play an important role on capacitance, conductivity, screening, dielectric losses and refractive index. Here we review our recent theoretical studies using density functional calculations including van der Waals interactions on two types of layered materials of similar two-dimensional molecular geometry but remarkably different electronic structures, that is, graphene and molybdenum disulphide (MoS2). We focus on such two-dimensional crystals because of they complementary physical and chemical properties, and the appealing interest to incorporate them in the next generation of electronic and optoelectronic devices. We predict that the effective dielectric constant (ε) of few-layer graphene and MoS2 is tunable by external electric fields (E ext). We show that at low fields (E ext < 0.01 V/Å) ε assumes a nearly constant value ∼4 for both materials, but increases at higher fields to values that depend on the layer thickness. The thicker the structure the stronger is the modulation of ε with the electric field. Increasing of the external field perpendicular to the layer surface above a critical value can drive the systems to an unstable state where the layers are weakly coupled and can be easily separated. The observed dependence of ε on the external field is due to charge polarization driven by the bias, which show several similar characteristics despite of the layer considered. All these results provide key information about control and understanding of the screening properties in two-dimensional crystals beyond graphene and MoS2

Laser IInduced Liinear and Nonlliinear Optiicall Studiies on Certaiin Metall Halliides and Tartrate Crystalls ffor Photoniic Applliicatiions

Nonlinear optics is a broad field of research and technology that encompasses subject matter in the field of Physics, Chemistry, and Engineering. It is the branch of Optics that describes the behavior of light in nonlinear media, that is, media in which the dielectric polarization P responds nonlinearly to the electric field E of the light. This nonlinearity is typically only observed at very high light intensities. This area has applications in all optical and electro optical devices used for communication, optical storage and optical computing. Many nonlinear optical effects have proved to be versatile probes for understanding basic and applied problems. Nonlinear optical devices use nonlinear dependence of refractive index or absorption coefficient on the applied field. These nonlinear optical devices are passive devices and are referred to as intelligent or smart materials owing to the fact that the sensing, processing and activating functions required for optical processes are inherent to them which are otherwise separate in dynamic devices.The large interest in nonlinear optical crystalline materials has been motivated by their potential use in the fabrication of all-optical photonic devices. Transparent crystalline materials can exhibit different kinds of optical nonlinearities which are associated with a nonlinear polarization. The choice of the most suitable crystal material for a given application is often far from trivial; it should involve the consideration of many aspects. A high nonlinearity for frequency conversion of ultra-short pulses does not help if the interaction length is strongly limited by a large group velocity mismatch and the low damage threshold limits the applicable optical intensities. Also, it can be highly desirable to use a crystal material which can be critically phasematched at room temperature. Among the different types of nonlinear crystals, metal halides and tartrates have attracted due to their importance in photonics. Metal halides like lead halides have drawn attention because they exhibit interesting features from the stand point of the electron-lattice interaction .These materials are important for their luminescent properties. Tartrate single crystals show many interesting physical properties such as ferroelectric, piezoelectric, dielectric and optical characteristics. They are used for nonlinear optical devices based on their optical transmission characteristics. Among the several tartrate compounds, Strontium tartrate, Calcium tartrate and Cadmium tartrate have received greater attention on account of their ferroelectric, nonlinear optical and spectral characteristics. The present thesis reports the linear and nonlinear aspects of these crystals and their potential applications in the field of photonics.

Développement de fibres optiques composites pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge

Les sources laser à large bande possédant les caractéristiques requises pour émettre sur la plage spectrale correspondant à la seconde fenêtre de transmission atmosphérique (3 à 5 μm) exercent un attrait considérable pour divers domaines tels que la télédétection de polluants atmosphériques et les contremesures infrarouges. Les supercontinua générés à l’intérieur de fibres optiques représentent une option intéressante pour réaliser ce type de sources laser. En effet, ils possèdent une intensité élevée, un large contenu spectral, une excellente directionnalité de faisceau, ainsi qu’un bon potentiel pour constituer des sources lumineuses compactes et robustes. Toutefois, la génération d’un tel supercontinuum implique certains défis à relever sur le plan de la conception des fibres optiques employées. En fait, ces fibres optiques doivent présenter de faibles pertes de propagation sur la plage spectrale de 3 à 5 μm, posséder un paramètre de non-linéarité élevé et permettre le pompage en régime anomal de dispersion à des longueurs d’onde pour lesquelles des sources laser compactes sont offertes commercialement. En matière de robustesse, ces fibres doivent également démontrer de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une stabilité chimique appropriée vis-à-vis de la corrosion causée par l’humidité. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau type de fibres composites à saut d’indice fortement contrasté a été développé pour atteindre ces objectifs de génération de supercontinuum. Ce type de fibres combine respectivement un verre de tellurite et un verre de germanate pour son coeur et sa gaine permettant ainsi d’atteindre une différence d’indice de réfraction d’environ 0.3 entre ces deux dernières structures. Grâce à cet important saut d’indice, ces fibres peuvent fortement confiner les modes optiques à l’intérieur de leur coeur, ce qui leur donne la possibilité d’atteindre un niveau élevé de non-linéarité et d’optimiser leurs caractéristiques de dispersion chromatique pour la génération du supercontinuum. D’autre part, leur section transversale toute solide leur confère aussi une meilleure stabilité environnementale comparativement à celle démontrée par les fibres optiques microstructurées à base de verres d’oxydes de métaux lourds, de verres de chalcogénure et de verres fluorés. Toutefois, leur fabrication nécessite l’appariement de verres dont les propriétés thermomécaniques concordent suffisamment ensemble pour permettre leur fibrage. Les travaux effectués ici démontrent la production de fibres optiques composites et leur potentiel pour la génération du supercontinuum dans l’infrarouge moyen.

Diffusion de la lumière dans les milieux complexes à base de cristaux liquides

Cette thèse présente les étapes de fabrication et les résultats de la caractérisation des modèles de tissu biologique fabriqués en utilisant des cristaux liquides et des polymères qui permettent de contrôler la diffusion et la transmission de la lumière par un champ électrique. Ce champ électrique entraîne un changement d’orientation des molécules de cristaux liquides, ce qui induit des variations locales de l’indice de réfraction dans ces matériaux. Nous avons utilisé ce contrôle de l’indice de réfraction pour contrôler le niveau de diffusion et de transmission dans différents types d’échantillons. Les échantillons utilisés sont faits a) de cristaux liquides purs, b) de sphères de polymère dans un environnement de cristaux liquides, c) de cristaux liquides ou de gouttelettes de cristaux liquides dans un environnement de polymère. Les travaux réalisés nous ont permis de proposer une méthode électro-optique pour simuler, à l’aide de cristaux liquides, des milieux diffusants tels que les tissus biologiques. Dans la recherche de modèles, nous avons montré qu’il est possible de contrôler, par la fréquence du champ électrique, des gouttelettes de cristaux liquides dispersées dans une matrice de polymère contenant des ions lithium. Une sensibilité sélective à la fréquence de la tension électrique appliquée en fonction de la taille des gouttelettes est observée. Par la suite, nous avons démontré l’effet de « quenching » interférentiel de la diffusion pour une sonde optique cohérente en étudiant des modèles non alignés (clustérisés) de cristaux liquides. Nous avons aussi démontré des applications potentielles de ce phénomène tel le filtrage en longueur d’onde par l’ajustement d’un champ électrique. Nous avons ensuite démontré que l’utilisation des cristaux liquides - dits « dual-frequency » - permet une modulation rapide des états ou des structures du matériau ainsi que de la transmission et de la diffusion de lumière de ce dernier. Enfin, nous avons aussi découvert que ces modèles peuvent être contrôlés pour retrouver le degré de polarisation de la lumière diffusée.

Tests of a silica aerogel cerenkov detector to be used in the european hybrid spectrometer

An 18 module Ceienkov detector with a total sensitive area of 2.3 m2 having silica aerogel as radiator is being tested in a particle beam at CERN PS. The modules having a sensitive area of 23 X 55 cm2 give typically a Cerenkov signal for (3= 1 particles of 12 photoelectrons for silica aerogel of refractive index 1.03 and a thickness of 15 cm. © 1981 IOP Publishing Ltd.