Academic literature on the topic 'Optical wave synthesis'

This thesis presents the development and assessment of imaging techniques in the millimeterwave (mmW) and terahertz frequency bands. In the first part of the thesis, the development of a 94 GHz passive screener based on a total-power radiometer (TPR) with mechanical beamscanning is presented. Several images have been acquired with the TPR screener demonstrator, either in indoor and outdoor environments, serving as a testbed to acquire the know-how required to perform the research presented in the following parts of the thesis. In the second part of the thesis, a theoretical research on the performance of near-field passive screeners is described. This part stands out the tradeoff between spatial and radiometric resolutions taking into account the image distortion produced by placing the scenario in the near-field range of the radiometer array. In addition, the impact of the decorrelation effect in the image has been also studied simulating the reconstruction technique of a synthetic aperture radiometer. Guidelines to choose the proper radiometer depending on the application, the scenario, the acquisition speed and the tolerated image distortion are given in this part. In the third part of the thesis, the development of a correlation technique with optical processing applicable to millimeter-wave interferometric radiometers is described. The technique is capable of correlating wide-bandwidth signals in the optical domain with no loss of radiometric sensitivity. The theoretical development of the method as well as measurements validating the suitability to correlate radiometric signals are presented in this part. In the final part of the thesis, the frequency band of the imaging problem is increased to frequencies beyond 100 GHz, covering the THz band. In this case the research is centered in tomographic techniques that include spectral information of the samples in the reconstructed images. The tomographic algorithm can provide detection and identification of chemical compounds that present a certain spectral footprint in the THz frequency band.

The thesis begins by describing the experimental determination of the hydrodynamic coefficients of two test models; an Edinburgh duck and a semi-submerged, horizontal right circular cylinder. The impedance and wave force coefficient matrices are measured for these two models, and in the case of the cylinder are checked against exact analytical results. The radiation and scattering pattern matrices are also measured. Synthesis of optimal (complex-conjugate) control is achieved for the cylinder in one and two degrees-of-freedom, and for the duck in one, two and three degrees-of-freedom. Synthesis is defined as the pre-computation of drive signals to simulate control using prior knowledge of the incident wave and the device hydrodynamics. The concept of complex-conjugate control with amplitude constraint is introduced, and synthesised for the cylinder. This is compared with the results for control without constraint. A discrepancy is found between efficiency calculated at the duck axis and efficiency calculated from the wave amplitudes. This is traced to physical losses in the system. These losses are due to the scale of the test models, and may not be present at full-scale. Having accounted for these losses, the results for the synthesis runs agree well with predictions based on the model coefficients and hydrodynamics. This suggests that the linear model can be used to predict the effect of changes in shape on the forces, displacements and velocities of an optimally controlled device. Full-scale performance is predicted for a 10m diameter duck in unidirectional mixed seas. Two pseudo-optimal control strategies are defined which are based on the impedance measurements. Four different physical configurations are considered. It is found that changing the configuration will roughly determine the effectiveness of the device, and choosing the correct control strategy for that configuration fine tunes performance. The two pseudo-optimal strategies are simple to implement, but are nearly as effective as complex-conjugate control.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la mise en œuvre et l’utilisation d’une plateforme expérimentale et de simulations numériques visant à exciter et amplifier la cohérence Raman de façon contrôlée à partir du bruit quantique. L’objectif est d’explorer la diffusion Raman stimulée dans des fibres creuses comme un moyen de générer des peignes de fréquences optiques cohérents, avec une largeur spectrale multiple-octaves, et ainsi créer un outil pour produire des fonctions d’ondes optiques arbitraires, telles que des impulsions attosecondes ou des lasers à modes verrouillés. Le principe repose sur l’excitation d’un gaz contenu dans une fibre à cristal photonique à cœur creux (HCPCF) par des impulsions laser ultrabrèves de telle sorte qu’un seul des modes spatio-temporels cohérents et indépendants de l’émission spontanée de la radiation Stokes soit excité et amplifié. Cette approche novatrice assure une modulation de phase du champ du laser d’excitation à des fréquences très élevées et sans bruit de phase. Elle se distingue des techniques existantes, telles que la modulation moléculaire, par l’absence de besoin d’un deuxième laser. Cependant, cette méthode nécessite un guide optique unimodal et un gain Raman exceptionnellement élevé. Dans ce contexte, ces travaux se sont ainsi focalisés sur la génération et la mesure de la cohérence intra et inter-impulsionnelle du peigne Raman afin d’évaluer son potentiel pour les applications mentionnées précédemment. Pour ce faire, un modèle théorique de la diffusion Raman stimulée en régime impulsionnel a été développé, soulignant l’intérêt du régime transitoire, qui amplifie le champ Stokes en un seul mode temporel. Des simulations numériques ont ensuite détaillé la dynamique du champ Stokes à travers le milieu Raman, en prenant en compte des facteurs tels que la déplétion du laser. Par ailleurs, une fibre optique à cœur creux hybride a été spécifiquement développée, offrant de faibles pertes linéiques (quelques dB/km à 1030 nm) et un guidage unimodal exceptionnel (MPI jusqu’à −47 dB), assurant ainsi la cohérence spatiale du peigne Raman. Deux bancs expérimentaux ont ensuite été réalisés pour examiner la cohérence du peigne, en commençant par l’aspect intra-impulsionnel. Un laser infrarouge réglable en durée d’impulsion, en énergie et en taux de répétition a été couplé dans la fibre remplie de dihydrogène pour générer le peigne, puis analysé à la sortie avec un interféromètre Mach-Zehnder à haute résolution temporelle (∼ fs) et large plage dynamique (environ 50 ps). Les résultats ont montré qu’en travaillant dans la gamme 3 − 10 ps et 1 − 10 µJ, les effets parasites, comme l’effet Kerr, sont minimisés, et la cohérence mutuelle est proche de l’unité pour toutes les raies de Stokes et anti-Stokes du 1er ordre, comme confirmé par les calculs numériques. L’étude de la cohérence inter-impulsionnelle a révélé un comportement complexe pour des impulsions espacées de moins de 1 ns et une diminution de la cohérence suivant la valeur du temps de relaxation de la cohérence (∼ 2 ns) pour des délais plus longs entre les impulsions. Ces résultats soulignent l’importance de contrôler l’énergie et le délai des impulsions pour maintenir une haute cohérence, et suggèrent que des lasers d’excitation à des cadences de l’ordre de 400 MHz ou plus peuvent générer des lasers à modes verrouillés basés sur notre approche. En conclusion, les avancées réalisées durant cette thèse sur les propriétés de cohérence des peignes de fréquence montrent le potentiel de la diffusion Raman stimulée dans les HCPCFs pour la synthèse d’ondes optiques, et ouvrent la voie à d’autres applications comme la conversion de fréquence pour l’optique quantique, le piégeage optique et le refroidissement moléculaire<br>This thesis addresses the design, implementation, and use of an experimental and numerical simulation platform aimed at exciting and amplifying Raman coherence in a controlled manner from quantum noise. The long term objective is to explore stimulated Raman scattering in hollow-core fiber as a means to generate coherent optical frequency combs with a multi-octave spectral width, thus creating a tool for generating arbitrary optical wave functions, such as attosecond pulses, or mode-locked lasers. The principle is based on the excitation of a gas contained in a hollow-core photonic crystal fiber (HCPCF) by ultrashort laser pulses, in such a way that only one of the coherent and independent spatiotemporal modes of the spontaneous Stokes radiation is excited and amplified. This innovative approach ensures phase modulation of the excitation laser field at very high frequencies without phase noise. It differs from existing techniques, such as molecular modulation, by eliminating the need for a second laser. However, this method requires a single-mode optical guide and exceptionally high Raman gain. In this context, this work focuses then on the generation and measurement of the intra and inter-pulse coherence of the Raman comb to evaluate its potential for the aforementioned applications. To this end, a theoretical model of stimulated Raman scattering in the impulsive regime was developed, highlighting the interest of the transient regime, which amplifies the Stokes field in a single temporal mode. Numerical simulations then detailed the dynamics of the Stokes field through the Raman medium, taking into account factors such as laser depletion. Furthermore, a specific hybrid hollow-core optical fiber was developed, offering low linear losses (a few dB/km at 1030 nm) and exceptional single-mode guidance (MPI up to −47 dB), thus ensuring the spatial coherence of the Raman comb. Two experimental setups were then realized to examine the comb’s coherence, starting with the intra-pulse aspect. An infrared laser adjustable in pulse duration, energy, and repetition rate was coupled into the hydrogen-filled fiber to generate the comb, then analyzed at the output with a Mach-Zehnder interferometer with high temporal resolution (∼ fs) and wide dynamic range (approximately 50 ps). The results showed that working in the range of 3 − 10 ps and 1 − 10 µJ minimizes parasitic effects such as the Kerr effect, and the mutual coherence is close to unity for all first-order Stokes and anti-Stokes lines, as confirmed by numerical calculations. The study of inter-pulse coherence revealed a complex behavior for pulses spaced less than 1 ns apart and a decrease in coherence corresponding to the coherence relaxation time (∼ 2 ns) for longer delays between pulses. These results highlight the importance of controlling the energy and delay of pulses to maintain high coherence and suggest that excitation lasers with repetition rates around 400 MHz or more can generate mode-locked lasers based on our approach. In conclusion, the advances made during this thesis on the coherence properties of frequency combs demonstrate the potential of stimulated Raman scattering in HCPCFs for optical wave synthesis and pave the way for other applications such as frequency conversion for quantum optics, optical trapping, and molecular cooling

Millimeter-wave imaging has gathered attention in recent years for its ability to penetrate clothing, thin layers of soils, and certain construction materials. However, image quality remains a challenge that needs to be addressed. One way of improving image quality is by increasing the dimensions of the collecting aperture. A sparse array can be used to synthesize a larger aperture with a limited set of relatively small detectors. In this research we design, build, and test a test-bed having an active source at 94 GHz and an array of coherent detectors, mounted on arms that extend radially on a rotary table. Using this test bed a circular area with a maximum diameter of 900 mm can be scanned. The signal is down-converted using heterodyne receivers with digital in-phase and quadrature detection. Signal correlation is performed using the digitized data, which is stored for post-processing, electronic focusing, and image reconstruction. Near-field imaging using interferometric reconstructions is achieved using electronic focusing. Imaging tests show the ability of the system to generate imagery of concealed and unconcealed objects at distances between 400 and 700 mm. A study of the effects of redundant and non-redundant configurations on image quality for 4 common detector configurations is presented. In this document we show that an active sparse-aperture imaging system using digital correlators is a viable way to generate millimeter-wave images.<br>ID: 029050356; System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.; Mode of access: World Wide Web.; Thesis (Ph.D.)--University of Central Florida, 2010.; Includes bibliographical references (p. 125-129).<br>Ph.D.<br>Doctorate<br>Optics and Photonics

Das Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Aperture Radar - SAR) liefert eine quasi-fotographische Abbildung der beleuchteten Bodenoberfläche mit zusätzlichen Informationen, die von der gesendeten und empfangenen Polarisation der Wellen abhängig sind. Eine nützliche Anwendung der polarimetrischen SAR-Daten liegt bei der Klassifizierung der Bodenstruktur anhand der polarimetrischen Streuungseigenschaften. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Untersuchung neuer polarimetrischen Fokussierungsfunktion für die SAR-Datenverarbeitung mit Hilfe der polarimetrischen Rückstreuungseigenschaft, die zu einer alternativen quantitativen Auswertung der polarimerischen SAR-Daten führen kann. Die physikalische Optik Approximation wird für die numerische Berechnung der rückgestreuten elektrischen Felder der kanonischen Ziele unter SAR-Geometrie unter Berücksichtigung der Polarisationslage verwendet. Aus den rückgestreuten elektrischen Felder werden die polarimetrischen Radarrückstreuquerschnitte berechnet. Ein SAR-Simulator wird zur Datenverarbeitung der E-SAR des DLR entwickelt. Der Ansatz des polarimetrischen Radarrückstreuquerschnittes ermöglicht die approximierte numerische Berechnung der Rückstreuungseigenschaften der kanonischen Ziele sowohl im kopolaren als auch im kreuzpolaren Polarisationsbetrieb. Bei der SAR-Datenverarbeitung werden die Rohdatensätze durch die Referenzfunktion eines Punktzieles in der Entfernungsrichtung verarbeitet. Bei der Azimutkompression werden die vier Referenzfunktionen, das heißt die Referenzfunktion eines Punktzieles, die polarimetrische Fokussierungsfunktion einer flachen Platte, die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Zweifach-Reflektors und die polarimetrische Fokussierungsfunktion eines Dreifach-Reflektors, eingesetzt. Die qunatitativen Auswertung der SAR-Daten werden anhand des Pauli-Zerlegungstheorems, der differentiellen Reflektivität und des linearen Depolarisationsverhältnises durchgeführt.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.<br>The purpose of this master thesis is to characterize the axial distribution of tubular discharges at atmospheric pressure sustained by electromagnetic surface wave and to explore their potential for materials and nanomaterials synthesis. A previous doctoral thesis, aimed at determining the mechanisms driving radial plasma contraction in rare gas discharges shed light on a yet unknown phenomenon occurring in surface wave discharges (SWD). As a matter of fact, increasing the power injected into the system leads to a change of the axial distribution of the discharge, in sharp contrast with the behavior commonly observed in reduced-pressure plasmas. In this context, we have performed a parametric investigation of atmospheric pressure SWD sustained in Ar gas. Based on our axially-resolved measurements of the electron density, excitation temperature, and number density of Ar atoms in metastable state (Ar 3P2), we found that the peculiar change of the axial distribution of the light intensity with power is not linked to a modification in the discharge kinetics (linked to the electron temperature and metastable number density) but rather to an anomalous power deposition (linked to the electron density). More specifically, such anomalous power deposition can be attributed to a wave reflection in the high gradient of charged particle densities near the end of the plasma column; a behavior that is more apparent in short plasma columns. Then, we have realized a parametric investigation of the discharge with the addition of organic precursors. Particularly, we used HMDSO for organo-silicon material synthesis and TTIP for organo-titanium material synthesis. It is found that because SWD are characterized by high charged particle densities (>10^13 cm^-3), higher precursor dissociation rates can be achieved with respect to other cold, atmospheric-pressure plasmas such as low-density dielectric barrier discharges. In this case, powder-like nanomaterials with sizes below 100 nm are obtained. Moreover, the addition of small amounts of oxygen into the discharge leads to the formation of round-like silicon oxide or titanium oxide nanoparticles.

Exciton dynamics in semiconductor nanostructures are dominated by the effects of many-body physics. The application of coherent spectroscopic tools, such as two-dimensional Fourier transform spectroscopy (2dFTS), to the study of these systems can reveal signatures of these effects, and in combination with sophisticated theoretical modeling, can lead to more complete understanding of the behaviour of these systems. 2dFTS has previously been applied to the study of GaAs quantum well samples. In this thesis, we outline a precis of the technique before describing our own experiments using 2dFTS in a partially collinear geometry. This geometry has previously been used to study chemical systems, but we believe these experiments to be the first such performed on semiconductor samples. We extend this technique to a reflection mode 2dFTS experiment, which we believe to be the first such measurement. In order to extend the techniques of coherent spectroscopy to structured systems, we construct an experimental apparatus that permits us to control the beam geometry used to perform four-wave mixing reflection measurements. To isolate extremely weak signals from intense background fields, we extend a conventional lock-in detection scheme to one that treats the optical fields exciting the sample on an unequal footing. To the best of our knowledge, these measurements represent a novel spectroscopic tool that has not previously been described.<br>text