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.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Interaction of fluorescence of resin cements with glass ceramics

Poster presented at the 24th Annual Meeting of the Portuguese Dental Association, Lisbon, 12-14 November 2015.

Metallic glass fiber-reinforced Zr-based bulk metallic glass

A novel Zr-based bulk metallic glass composite was fabricated using stainless steel capillaries as the reinforcement. Large plasticity (14%) was achieved in the composite with a reinforcement volume fraction of 38%. The high plasticity observed can be attributed to the formation of small glass fibers encapsulated by the steel capillaries, which promotes multiple shear bands in both metallic glass matrix and the fibers themselves. A new parameter was also proposed to approximately evaluate the reinforcement efficiency.

Confocal microscopy of the bulbar conjunctiva in contact lens wear

Purpose: The aim of this study was to investigate the capabilities of laser scanning confocal microscopy (LSCM) for undertaking qualitative and quantitative investigations of the response of the bulbar conjunctiva to contact lens wear. Methods: LSCM was used to observe and measure morphological characteristics of the bulbar conjunctiva of 11 asymptomatic soft contact lens wearers and 11 healthy volunteer subjects (controls). Results: The appearance of the bulbar conjunctiva is consistent with known histology of this tissue based on light and electron microscopy. The thickness of the bulbar conjunctival epithelium of lens wearers (30.9 ± 1.1 μm) was less than that of controls (32.9 ± 1.1 μm) (P < 0.0001). Superficial and basal bulbar conjunctival epithelial cell densities in contact lens wearers were 91% and 79% higher, respectively, than that in controls (P < 0.0001). No difference was observed in goblet and Langerhans cell density between lens wearers and controls. Conjunctival microcysts were observed in greater numbers, and were larger in size, in lens wearers compared with controls. Conclusions: The effects of contact lens wear on the human bulbar conjunctiva can be investigated effectively at a cellular level using LSCM. The observations in this study suggest that contact lens wear can induce changes in the bulbar conjunctiva such as epithelial thinning and accelerated formation and enlargement of microcysts, increased epithelial cell density, but has no impact on goblet or Langerhans cell density.

Exposure to particles from laser printers operating within office workplaces

While recent research has provided valuable information as to the composition of laser printer particles, their formation mechanisms, and explained why some printers are emitters whilst others are low emitters, fundamental questions relating to the potential exposure of office workers remained unanswered. In particular, (i) what impact does the operation of laser printers have on the background particle number concentration (PNC) of an office environment over the duration of a typical working day?; (ii) what is the airborne particle exposure to office workers in the vicinity of laser printers; (iii) what influence does the office ventilation have upon the transport and concentration of particles?; (iv) is there a need to control the generation of, and/or transport of particles arising from the operation of laser printers within an office environment?; (v) what instrumentation and methodology is relevant for characterising such particles within an office location? We present experimental evidence on printer temporal and spatial PNC during the operation of 107 laser printers within open plan offices of five buildings. We show for the first time that the eight-hour time-weighted average printer particle exposure is significantly less than the eight-hour time-weighted local background particle exposure, but that peak printer particle exposure can be greater than two orders of magnitude higher than local background particle exposure. The particle size range is predominantly ultrafine (< 100nm diameter). In addition we have established that office workers are constantly exposed to non-printer derived particle concentrations, with up to an order of magnitude difference in such exposure amongst offices, and propose that such exposure be controlled along with exposure to printer derived particles. We also propose, for the first time, that peak particle reference values be calculated for each office area analogous to the criteria used in Australia and elsewhere for evaluating exposure excursion above occupational hazardous chemical exposure standards. A universal peak particle reference value of 2.0 x 104 particles cm-3 has been proposed.

An investigation of building physical properties selection to combat global warming

Global warming can have a significant impact on building energy performance and indoor thermal environment, as well as the health and productivity of people living and working inside them. Through the building simulation technique, this paper investigates the adaptation potential of different selections of building physical properties to increased outdoor temperature in Australia. It is found that overall, an office building with lower insulation level, smaller window to wall ratio and/or a glass type with lower shading coefficient, and lower internal load density will have the effect of lowering building cooling load and total energy use, and therefore have a better potential to adapt to the warming external climate. Compared with clear glass, it is shown that the use of reflective glass for the sample building with WWR being 0.5 reduces the building cooling load by more than 12%. A lower internal load can also have a significant impact on the reduction of building cooling load, as well as the building energy use. Through the comparison of results between current and future weather scenarios, it is found that the patterns found in the current weather scenario also exist in the future weather scenarios, but to a smaller extent.

Characterisation of multi wall carbon nanotube–polymer composites for strain sensing applications

Carbon nanotubes (CNTs) have excellent electrical, mechanical and electromechanical properties. When CNTs are incorporated into polymers, electrically conductive composites with high electrical conductivity at very low CNT content (often below 1% wt CNT) result. Due to the change in electrical properties under mechanical load, carbon nanotube/polymer composites have attracted significant research interest especially due to their potential for application in in-situ monitoring of stress distribution and active control of strain sensing in composite structures or as strain sensors. To sucessfully develop novel devices for such applications, some of the major challenges that need to be overcome include; in-depth understanding of structure-electrical conductivity relationships, response of the composites under changing environmental conditions and piezoresistivity of different types of carbon nanotube/polymer sensing devices. In this thesis, direct current (DC) and alternating current (AC) conductivity of CNT-epoxy composites was investigated. Details of microstructure obtained by scanning electron microscopy were used to link observed electrical properties with structure using equivalent circuit modeling. The role of polymer coatings on macro and micro level electrical conductivity was investigated using atomic force microscopy. Thermal analysis and Raman spectroscopy were used to evaluate the heat flow and deformation of carbon nanotubes embedded in the epoxy, respectively, and related to temperature induced resistivity changes. A comparative assessment of piezoresistivity was conducted using randomly mixed carbon nanotube/epoxy composites, and new concept epoxy- and polyurethane-coated carbon nanotube films. The results indicate that equivalent circuit modelling is a reliable technique for estimating values of the resistance and capacitive components in linear, low aspect ratio-epoxy composites. Using this approach, the dominant role of tunneling resistance in determining the electrical conductivity was confirmed, a result further verified using conductive-atomic force microscopy analysis. Randomly mixed CNT-epoxy composites were found to be highly sensitive to mechanical strain and temperature variation compared to polymer-coated CNT films. In the vicinity of the glass transition temperature, the CNT-epoxy composites exhibited pronounced resistivity peaks. Thermal and Raman spectroscopy analyses indicated that this phenomenon can be attributed to physical aging of the epoxy matrix phase and structural rearrangement of the conductive network induced by matrix expansion. The resistivity of polymercoated CNT composites was mainly dominated by the intrinsic resistivity of CNTs and the CNT junctions, and their linear, weakly temperature sensitive response can be described by a modified Luttinger liquid model. Piezoresistivity of the polymer coated sensors was dominated by break up of the conducting carbon nanotube network and the consequent degradation of nanotube-nanotube contacts while that of the randomly mixed CNT-epoxy composites was determined by tunnelling resistance between neighbouring CNTs. This thesis has demonstrated that it is possible to use microstructure information to develop equivalent circuit models that are capable of representing the electrical conductivity of CNT/epoxy composites accurately. New designs of carbon nanotube based sensing devices, utilising carbon nanotube films as the key functional element, can be used to overcome the high temperature sensitivity of randomly mixed CNT/polymer composites without compromising on desired high strain sensitivity. This concept can be extended to develop large area intelligent CNT based coatings and targeted weak-point specific strain sensors for use in structural health monitoring.

Subliquidus glass-glass immiscibility along the albite-diopside join

A calorimetric study has shown that glasses along the albite-diopside join in the system albiteanorthite-diopside have positive enthalpies of mixing. Thermodynamic calculations based on these data describe a nearly symmetric, metastable, subliquidus irascibility gap along the join with a critical temperature at 910 K. The existence of the miscibility gap was tested experimentally by annealing an Ab50Di50 glass at 748 K and 823 K. Annealed glasses were examined by optical microscopy and by scanning and transmission electron microscopy. The glasses showed morphological and chemical features consistent with unmixing of two glass phases. The apparent mechanism of phase separation involves initial spinodal decomposition followed by coarsening to produce 0.1 μm–0.3 μm spherical glass phases.

The changing role of actors in the participatory project for rural craftspeople

This paper examines the role of actors in a participatory project, a case study of the glass-bead traditional craft industry in rural Indonesia. The project aimed to unite and empower rural craftspeople with regard to their unique potential. The problems of empowering rural craftspeople were complicated, due to the interrelated aspect of rural community life, cultural and educational backgrounds, as well as the local political situation. However, through a comprehensive understanding of the community prior to the project and by maintaining the communication, craftspeople were engaged actively in the project by promoting the craft industry to local buyers. The researcher, other facilitators and the community leader gave supportive roles at the middle and the end stage of the project.

Laser-camera data discrepancies and reliable perception in outdoor robotics

This work aims to promote integrity in autonomous perceptual systems, with a focus on outdoor unmanned ground vehicles equipped with a camera and a 2D laser range finder. A method to check for inconsistencies between the data provided by these two heterogeneous sensors is proposed and discussed. First, uncertainties in the estimated transformation between the laser and camera frames are evaluated and propagated up to the projection of the laser points onto the image. Then, for each pair of laser scan-camera image acquired, the information at corners of the laser scan is compared with the content of the image, resulting in a likelihood of correspondence. The result of this process is then used to validate segments of the laser scan that are found to be consistent with the image, while inconsistent segments are rejected. Experimental results illustrate how this technique can improve the reliability of perception in challenging environmental conditions, such as in the presence of airborne dust.

UV Photodissociation Action Spectroscopy of Haloanilinium Ions in a Linear Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer

UV-vis photodissociation action spectroscopy is becoming increasingly prevalent because of advances in, and commercial availability of, ion trapping technologies and tunable laser sources. This study outlines in detail an instrumental arrangement, combining a commercial ion-trap mass spectrometer and tunable nanosecond pulsed laser source, for performing fully automated photodissociation action spectroscopy on gas-phase ions. The components of the instrumentation are outlined, including the optical and electronic interfacing, in addition to the control software for automating the experiment and performing online analysis of the spectra. To demonstrate the utility of this ensemble, the photodissociation action spectra of 4-chloroanilinium, 4-bromoanilinium, and 4-iodoanilinium cations are presented and discussed. Multiple photoproducts are detected in each case and the photoproduct yields are followed as a function of laser wavelength. It is shown that the wavelength-dependent partitioning of the halide loss, H loss, and NH3 loss channels can be broadly rationalized in terms of the relative carbon-halide bond dissociation energies and processes of energy redistribution. The photodissociation action spectrum of (phenyl)Ag-2 (+) is compared with a literature spectrum as a further benchmark.

Investigation on Temperature-Dependent Electrical Conductivity of Carbon Nanotube/Epoxy Composites for Sustainable Energy Applications

Composites with carbon nanotubes are becoming increasingly used in energy storage and electronic devices, due to incorporated excellent properties from carbon nanotubes and polymers. Although their properties make them more attractive than conventional smart materials, their electrical properties are found to be temperature-dependent which is important to consider for the design of devices. To study the effects of temperature in electrically conductive multi-wall carbon nanotube/epoxy composites, thin films were prepared and the effect of temperature on the resistivity, thermal properties and Raman spectral characteristics of the composite films was evaluated. Resistivity-temperature profiles showed three distinct regions in as-cured samples and only two regions in samples whose thermal histories had been erased. In the vicinity of the glass transition temperature, the as-cured composites exhibited pronounced resistivity and enthalpic relaxation peaks, which both disappeared after erasing the composites’ thermal histories by temperature cycling. Combined DSC, Raman spectroscopy, and resistivity-temperature analyses indicated that this phenomenon can be attributed to the physical aging of the epoxy matrix and that, in the region of the observed thermal history-dependent resistivity peaks, structural rearrangement of the conductive carbon nanotube network occurs through a volume expansion/relaxation process. These results have led to an overall greater understanding of the temperature-dependent behaviour of conductive carbon nanotube/epoxy composites, including the positive temperature coefficient effect.