Dissertations / Theses on the topic 'Sagnac effect'

Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million
This thesis describes the implementation of new atom interferometry techniques to improve the stability and accuracy of a cold-atom gyroscope located at the SYRTE laboratory. Stimulated Raman transitions are used to split and recombine the atomic waves. A sequence of four light pulses generates an interferometer with a Sagnac area of 11 cm2. I present the implementation of an interleaved interrogation scheme, where three atomic clouds are interrogated simultaneously in an atom interferometer featuring a sampling rate of 3.75 Hz and an interrogation time of 801 ms. With this scheme we demonstrate a short-term sensitivity of 30 nrad·s-1·Hz-1/2. We then present measurements of dynamic rotation rates in a so far unexplored range for a cold atom sensor. An important bias of the sensor originates from a coupling between a relative misalignment of the mirrors which retro-reflect the Raman beams and the trajectory of the atom. A technique is introduced to reduce this bias at the level of 3 nrad·s-1 and to achieve a long-term stability of 0.3 nrad·s-1 which represents the state of the art for atomic gyroscopes. The manuscript then describes the first characterization of the scale factor of the gyroscope using different techniques. In particular, the implementation of a rotation stage below the sensor enables us to vary the projection of the Erath rotation rate vector onto the interferometer area and therefore to modulate the rotation phase shift. The implementation of the techniques presented in this thesis pave paving the way to a test of the Sagnac effect for matter waves with a relative accuracy level below 100 parts per million

The aim of this project was to develop a passive optical compensating arrangement that would allow the formation and continued stability of interference patterns over a long timescale and also to investigate optical wave scattering in thick gratings at extreme angles of scattering. A novel passive arrangement based on a Sagnac interferometer is described that produces interference patterns more stable than those produced by a conventional arrangement. An analysis of the arrangement is presented that shows it to be an order of magnitude more stable than an equivalent conventional approach. The excellent fringe stability allowed holographic gratings with small periods (~ 0.5 μm) to be written in photorefractive lithium niobate with low intensity writing fields (~mW/cm2) produced by a He:Ne laser, despite long grating fabrication times (~ 1000 s). This was possible because the optical arrangement compensated for phase shifts introduced by translational and rotational mirror motion caused by environmental perturbations. It was shown that the rapid introduction of a phase shift in one of the writing fields can change the direction of energy flow in the two-wave mixing process. It was found that the improvement in stability of the modified Sagnac arrangement over a conventional interferometer decreased when the crossing angle was increased and that the point about which the mirrors are rotated greatly affects the stability of the arrangement. For a crossing angle of 12 degrees, the modified Sagnac arrangement is more than twice as stable when the mirrors are rotated about their midpoints, rather than their endpoints. Investigations into scattering in the extremely asymmetrical scattering (EAS) geometry were undertaken by scattering light from a 532nm Nd:YAG laser off gratings written in photorefractive barium titanate and lithium niobate. Despite the difficulties posed by background noise, there was very good agreement between the observed scattered field and that predicted by a previously established theoretical model. Thus, this work represents the first experimental observation of EAS in the optical part of the spectrum.

The aim of this project was to develop a passive optical compensating arrangement that would allow the formation and continued stability of interference patterns over a long timescale and also to investigate optical wave scattering in thick gratings at extreme angles of scattering. A novel passive arrangement based on a Sagnac interferometer is described that produces interference patterns more stable than those produced by a conventional arrangement. An analysis of the arrangement is presented that shows it to be an order of magnitude more stable than an equivalent conventional approach. The excellent fringe stability allowed holographic gratings with small periods (~ 0.5 μm) to be written in photorefractive lithium niobate with low intensity writing fields (~mW/cm2) produced by a He:Ne laser, despite long grating fabrication times (~ 1000 s). This was possible because the optical arrangement compensated for phase shifts introduced by translational and rotational mirror motion caused by environmental perturbations. It was shown that the rapid introduction of a phase shift in one of the writing fields can change the direction of energy flow in the two-wave mixing process. It was found that the improvement in stability of the modified Sagnac arrangement over a conventional interferometer decreased when the crossing angle was increased and that the point about which the mirrors are rotated greatly affects the stability of the arrangement. For a crossing angle of 12 degrees, the modified Sagnac arrangement is more than twice as stable when the mirrors are rotated about their midpoints, rather than their endpoints. Investigations into scattering in the extremely asymmetrical scattering (EAS) geometry were undertaken by scattering light from a 532nm Nd:YAG laser off gratings written in photorefractive barium titanate and lithium niobate. Despite the difficulties posed by background noise, there was very good agreement between the observed scattered field and that predicted by a previously established theoretical model. Thus, this work represents the first experimental observation of EAS in the optical part of the spectrum.

Depuis les developpements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matiere sont nombreuses. On presente la premiere realisation d'un gyrometre fonctionnant sur des ondes associees a des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilite et une stabilite inegalees. L'appareil, base sur l'effet sagnac, est un interferometre atomique dont les separatrices et miroirs sont realises a l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions raman stimulees aux nuages d'atomes froids de cesium. En sortie de l'interferometre, le dephasage depend de la vitesse de rotation et de l'acceleration de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'acceleration de la rotation. Une geometrie novatrice permet de reduire les dephasages parasites dus aux aberrations des optiques, en retroreflechissant les faisceaux lasers realisant les separatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caracterisation sont presentees dans cette these. Grace a la mise en place d'un systeme d'isolation des vibrations, les sensibilites obtenues sur une seconde sont de 2,2. 10-6 rad. S-1 pour la rotation et 6,2. 10-6 m. S-2 pour l'acceleration. Cette premiere caracterisation a mis en evidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'experience permettront d'ameliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interferometre a ete teste, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette geometrie ouvre la voie a de nouveaux types de gyrometres, de tres hautes sensibilite et stabilite
Since recent developments in atom cooling techniques, matter wave applications are numerous. We present the first realization of a rate-gyroscope based on matter-waves associated to cold atoms, in order to reach high sensitivity and stability. The setup, based on the sagnac effect, is an atom interferometer where beam splitters and mirrors are realized with lasers pulses inducing stimulated raman transitions. At the interferometer output, the phase shift between the two arms depends both on accelerations and rotations. We then use two counterpropagating atomic sources in order to discriminate between rotation and acceleration. We test a new geometry for the laser beams, based on the lasers retroreflection, in order to reduce spurious phase shifts due to wavefront distorsions. The characterization of the first interferometric signal obtained with this setup is presented in this document. Thanks to the implementation of a vibration isolation system, sensitivities obtained after one second are 2,2. 10-6 rad. S-1 for rotation et 6,2. 10-6 m. S-2 for acceleration. This first characterization revealed the main limitation of the setup, which is presently the number of useful atoms. Further modifications on the experiment will improve this point. Moreover, a new interferometer was tested, which presents a sensitivity to the rotation axis parallel to the atomic mean direction. This geometry opens possibilities for a new type of rate-gyroscopes, with very high sensitivity and stability

This thesis deals with theoretical description of fiber-optic angular velocity sensors, or gyroscopes, and further with design and construction of own sensor of this type. The theoretical part describes problematics of interferometric and resonant fiber-optic gyroscopes. Basic principles and physical limits are described for both types. The main focus is then put on analysis of possible conceptions of these sensors. Solutions using different optical configurations as well as various modulation and signal processing schemes are discussed. The practical part deals with design and construction of own interferometric fiber-optic gyroscope in closed-loop configuration. The gyroscope utilizes all-fiber components including piezoelectric phase modulator and unexpensive single-mode fiber, which are commonly used only for open-loop configurations. To realize closed-loop operation, special modulation scheme based on fully harmonic signal was develeped, which yields linear output within wide dynamic range. This type of modulation requires high level of synchronization achieved by using a field-programmable gate array module. The gyroscope utilizes powerful broadband fiber source, polarizer and Lyot depolarizer which ensure good reciprocity of whole architecture. The parameters of the sensor, obtained by measurement, are even comparable to some sensors using PM fiber, which is much more expensive.

Cette thèse a pour objet de repousser les performances d'un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de Cesium sont refroidis par laser, piégés, et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l'effet Sagnac et est proportionnelle à l'aire physique qu'entourent les deux bras de l'interféromètre. Nous utilisons des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d'interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d'interrogation de 800 ms, nous parvenons à une aire physique de 11 cm^2. Le manuscrit décrit les améliorations apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d'alignement relatif des faisceaux Raman au niveau du microrad est présentée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d'interférer. La caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection sont également décrites. Nous démontrons une sensibilité de 160 nrad/s à 1 s, et une stabilité long terme de 1.8 nrad/s après 10 000 s d'intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du SYRTE de 2009, et d'un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d'interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale
This thesis aims at pushing the performances of a cold atom interferometer principally sensitive to rates of rotation in a particular axis. In our experiment, Cesium atoms are laser cooled, trapped and launched in a fountain configuration. According to the Sagnac effect, the sensitivity of the interferometer to rotation is proportional to the area enclosed by the interferometer arms. We use stimulated Raman transitions to split the atoms in two paths and to form a folded Mach-Zehnder-like interferometer architecture using four Raman pulses. With an interrogation time of the atoms of 800 ms, we achieve a Sagnac area as high as 11 cm^2. The thesis describes the improvements to the experimental setup to operate the gyroscope with such a high Sagnac area. A procedure for the relative alignment of the Raman beams at the microrad level is presented, which is critical to meet the interference condition of the cold atoms at the interferometer output. The characterization and mitigation of the vibration noise, affecting the gyroscope, is also demonstrated. We finally demonstrate a short term rotation stability of 160 nrad/s at 1 s and a long term stability of 1.8 nrad/s after 10 000 s of integration time. This stability level represents a factor 5 improvement compared to the previous SYRTE gyroscope experiment of 2009 and a factor 15 compared to other published results. The thesis work also presents a new method of interrogation to operate the gyroscope without dead times, which is important for various applications of cold atom sensors in inertial navigation, geophysics and in fundamental physics

Nous présentons l’étude d’un capteur inertiel basé sur l’interférence d’ondes atomiques permettant d’effectuer des mesures simultanées de rotations et d’accélérations. Contrairement aux appareils précédents, l’utilisation d’atomes refroidis par laser permet d’obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d’atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d’impulsions p/2–p–p/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d’ondes atomiques. A la sortie de l’interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l’accélération et à la vitesse de rotation de l’appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l’exactitude de l’appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l’influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10-7 rad. S-1 et 8 10-7 m. S-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d’accélération. Une première étude de l’exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre
We present the study of an inertial sensor based on matter-wave interferences. This device gives high precision measurement for both rotation rate and acceleration. In contrast with previous analog setups we emphasize on the long term stability and the compactness of the device by the use of laser cooled atoms. Two cold atomic sources of Cesium are launched on counter-propagating parabolic trajectories. At the top of the trajectory, the atoms interact with light pulses inducing stimulated Raman transitions (p/2–p–p/2 pulse sequence). These pulses split, deflect and recombine the wave-packets to realise the interferometer. The phase difference measured at the output of the interferometer is linked to the acceleration and the rotation rate of the device. This signal is also sensitive to some imperfections of the experimental setup which can impact the stability (laser phase noise, magnetic field fluctuation, vibration noise) or the accuracy (magnetic field gradients, trajectories imperfections, light shifts) of the measurement. The influence of these effects is analysed. We also study the improvements of the setup (mainly concerning the atomic trajectories) and the stability obtained in configurations using horizontal and vertical Raman lasers. In this case, the sensitivity reached is respectively 3,5 10-7 rad. S-1 and 8 10-7 m. S-2 in 1 s for rotation and acceleration measurement. We present a first study of the accuracy of the measurement by using the Earth rotation

Cette thèse présente l’étude d’un gyromètre à atomes froids fondé sur l’interférence de paquets d’onde atomiques. Les paquets d’onde sont manipulés à l’aide d’impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées. Ces transitions sont utilisées pour réaliser un interféromètre atomique d’aire non nulle, dont le déphasage en sortie, est proportionnel à la vitesse de rotation et à l’accélération de l’instrument. La particularité de notre gyromètre à atomes, par rapport aux dispositifs précédents, réside dans l’utilisation d’atomes refroidis par laser, ce qui permet la réalisation d’un instrument compact et stable sur le long terme. L’amélioration du dispositif expérimental a permis d’atteindre des sensibilités sur 1 seconde de 2,4 10-7 rad. S-1 et de 6 10-7 m. S-2 pour des mesures de rotation et d’accélération. Ce travail montre que pour les mesures de rotation la résolution est limitée par le bruit de projection quantique et pour les mesures d’accélération par les vibrations parasites. Au cours de cette thèse, j'ai également étudié en détail l'influence des déphasages induits lors des interactions Raman (déplacement lumineux, défauts de front d’onde des lasers). En particulier, nous avons montré que ces effets limitent la stabilité long terme des mesures. Une étude de l’exactitude des mesures sera également présentée, en utilisant la rotation de la Terre.

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.

Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

Proposition of a new FDTD (Finite Difference Time Domain) algorithm for modelling a rotating Sagnac gyroscope and its applications to the reduction of perturbations [. . . ]
Proposition d'un nouvel algorithme FDTD (Finite Difference Time Domain) simulant un gyroscope Sagnac en rotation : application à la réduction des perturbations [. . . ]

The purpose of this study is to determine the impact on student use of electronic information systems when teachers have been given instruction on their use. By providing teachers with a solid introduction to the technology, a handy reference book, and an easy-to-use evaluation tool, it is expected that they will incorporate information found on the internet into their lessons at least twice a month. In addition, teachers will allow students to access information on their own, provided computers and Internet access are available, at least once a month.

Ce mémoire présente la conception et réalisation d'un montage expérimental pour le développement d'un interféromètre à atomes froids de 87Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l'objectif final étant la réalisation d'un capteur inertiel de rotations. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous a permis d'identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d'un paquet d'onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l'interféromètre atomique, ainsi que toute l'électronique de contrôle de cette expérience
This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.

Nous présentons l'étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations.
Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions pi/2-pi-pi/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l'influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10^-7 rad.s^-1 et 8 10^-7 m.s^-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.

Depuis les développements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matière ont fleuri. On présente la première réalisation d'un gyromètre fonctionnant sur des ondes associées à des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilité et une stabilité inégalées. L'appareil, basé sur l'effet Sagnac, est un interféromètre atomique dont les séparatrices et miroirs sont réalisés à l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées aux nuages d'atomes froids de césium. En sortie de l'interféromètre, le déphasage dépend de la vitesse de rotation et de l'accélération de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'accélération de la rotation. Une géométrie novatrice permet de réduire les déphasages parasites dus aux aberrations des optiques, en rétroréfléchissant les faisceaux lasers réalisant les séparatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caractérisation sont présentées dans cette thèse. Grâce à la mise en place d'un système d'isolation des vibrations, les sensibilités obtenues sur une seconde sont de 2,2.10-6 rad.s-1 pour la rotation et 6,2.10-6 m.s-2 pour l'accélération. Cette première caractérisation a mis en évidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'expérience permettront d'améliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interféromètre a été testé, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette géométrie ouvre la voie à de nouveaux types de gyromètres, de très hautes sensibilité et stabilité.

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30 nrad/s/Hz^1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,23 nrad/s en 30 000 s
Sagnac atomic gyroscopes have great potential due to their high sensitivity to rotation. The SYRTE atomic gyroscope uses laser cooled cesium atoms. Thank to stimulated Raman transitions, we form a folded Mach-Zehnder type interferometer. The instrument allows interrogation times up to 800~ms, which corresponds to a 11~cm$^2$ Sagnac area, the largest demonstrated for atom interferometers. This is a major step toward the use of such instruments in inertial navigation. I describe the methods implemented to push the short-term sensitivity and performed the first detailed study of systematics, such as those linked to light-shifts due to the preparation and the detection of the atoms and those linked to misalignment of parallelism of the mirrors and of the trajectories of the atoms. I demonstrated a short-term stability of 30~nrad.s$^{-1}$.Hz$^{-1/2}$ in triple interleaved joint interrogation which improves the state of the art by a factor 3. The state of the art has also been improved by a factor 5 in long-term with a 0,2~nrad.s$^{-1}$ stability in 30~000~s

One of the most studied topics of the history of Modern Physics is the transition between the 19th century newtonian world-view and the 20th century physics based on the development of relativity theories and quantum mechanics. After Kuhn’s definition of “scientific revolution” and “normal science”, several scholars considered the creation, development and reception of special and general relativity theories a scientific revolution. In particular, this thesis refer to Renn’s writings, which defined “relativity revolution” the process that led to ‘the introduction of fundamentally new concepts of space, time, matter and radiation’ in 1905, and was completed with Einstein’s creation of the theory of general relativity in 1915. One of the main features of the relativity revolution was the explicit dismissal of the luminiferous ether as the real support of the light and/or electromagnetic waves. The conceptual changes linked to the relativistic physical theories (including the refusal of the ether) caused several kinds of controversies within the national scientific communities. Some scientists opposed Einstein’s theories on the basis of epistemological analysis and metaphysical conceptions of reality. This field of study is considered to be part of the historiographical context of the “reception of relativity” and the few scholars who concerned themselves with the analysis of this framework underlined the existence of national differences in the reception of the physical meanings and epistemological features of the relativistic theories. The thesis is a part of this (not developed) historiographical context, and it approaches some specific experimental issues whose features has never been analysed in their complexity. At the beginning of the 20th century (in the period of relativity revolution) two ether-drift experiments were performed, which created a debate on their relevance and meaning within the framework of relativity theories: the discovery of the Sagnac effect (Paris, 1913) and Miller’s repetition of the Michelson-Morley experiment (Mount Wilson, CA, 1921-26). Both Sagnac and Miller interpreted their experiments as a confutation of the principles on which special relativity theory was based. They were not alone in the anti-relativistic interpretation of their findings. A minority of scientists are still claiming that these discoveries were fundamental and that they were discarded (or put aside) without acceptable explanations. Even though the controversy about these events is now at the fringe of the development of physics, these two cases could represent interesting examples of the national differences in the reception of relativity and the indissoluble link between theory and experiments in the interpretation of observational results. Moreover, the use of these experiments by dissident authors created a break between the “standard history” and the “unorthodox history” that needs to be analyzed in detail. The aim of the thesis is to address the historiographical lack on these experiments with a comparative analysis of their history from their immediate reception in the national scientific community in which they were performed until their eventual inclusion in the development of normal science. The choice of a comparative analysis using the spatial unity of nation is justified by the historiographical tradition involved in the studies of the reception of relativity. Apart from the ether context in which these experiments were made, their results have very different scientific meanings. The Sagnac Effect is a fringe shift at the first order in an interferometer set in uniform rotation with respect to the fringe position for the stationary one. The result obtained by Sagnac in 1913 was accepted and the Sagnac effect is used nowadays in aero-spatial navigation and in the synchronization of GPS. Thus the historiographical questions about this experiment are related to the interpretations of the effect within the debate between ether theories and relativity theories. According to the historian of Physics J. Stachel the uniform rotation constitute a “missing link” between special relativity theory and general relativity theory. In this passage the German mathematician T. Kaluza derived the formula of the Sagnac effect in the development of relativity programme in 1910, before the discovery of the effect. In this way, the effect was included in the relativity revolution without any ad hoc hypothesis. The situation was very different in France, where the effect was used by anti-relativistic scientists until P. Langevin published a paper in which he derived the Sagnac formula within the general relativistic framework. Miller’s experiments were a repetition of the Michelson-Morley experiment. They showed a positive result, that is a slight fringe shift periodic with respect to the sidereal time. Miller interpreted his data as a demonstration of the earth’s absolute motion through the ether, which has the value of 10 km/s at the top of Mont Wilson. Contrary to the Sagnac effect, Miller’s results were eventually discarded by the scientific community for several reasons. One of the main reasons was that between 1926 and 1930 some researchers repeated the MM experiment, but no one found the same effect. This lack of confirmation and the non-existence of an ether theory that could compete with special relativity theory made Miller’s result an enigmatic one. Thus it became of little interest to the scientific community, until 1954 when Shankland and three colleagues reanalysed the data and found a possible explanation in a temperature effect. The scientific community regarded this explanation as the conclusion of the matter without any debate, but some contemporary anti-relativists contest Shankland’s methodology. The comparative analysis realized in the thesis was based on different questions: How the national scientific communities reacted to the claims of Sagnac and Miller? In which way these results were included in the development of physical theories in the ‘20s? What was the approach of leading theorists to these experiments? When and how did the MM experiment end? When and why was Miller’s result discarded? When and why was the Sagnac effect included in the relativistic research programme? Which role (if any) did sociological elements play in the US and French reactions to these experiments? How was Langevin’s derivation received by French scientific community? Why did Shankland decide to perform the difficult re-analysis of Miller’s data? How did Shankland’s re-analysis find a possible solution? Other questions could also be asked in relation to philosophical and methodological analyses of this history: Which were the common and the conflicting features amongst the different repetitions of the same type of experiment? Which behaviour could be called rational and which could be called irrational in the history related to these experimental results? The comparative analysis was made on the scientific papers as well as on private documents of the principal actors involved in the events. In particular, the use of private documents has permitted to underline some sociological elements that played a relevant role in the history. The analysis of differences and analogies between the two cases in their national context at the beginning of the 20th century highlight the deep break that there was between the followers of relativity and the physicists of the “old school”. Moreover the thesis highlight some epistemic factors that played an important role in the accumulation of consensus on relativity during the 20th century.

Ce manuscrit décrit l'étude et le développement de capteurs inertiels fondés sur l'utilisation de l'interférométrie atomique. Une introduction historique du domaine est suivie d'une description du principe de fonctionnement des interféromètres, fondés sur l'utilisation de transition Raman stimulées comme séparatrices atomiques d'une part et d'atomes refroidis par laser d'autre part. L'étude porte principalement sur trois systèmes expérimentaux : deux gyromètres et un gravimètre. Leurs performances respectives sont présentées et comparées à l'état de l'art des capteurs standard et mises en perpective des différents domaines d'application envisagés. Les limites expérimentales sont identifiées comme étant liées à l'interaction entre atomes et séparatrices lasers. Le manuscrit se termine par une présentation des perspectives en terme de performances ultimes et de nouveaux concepts, notamment fondés sur l'utilisation d'atomes ultra-froids, ainsi que d'un certain nombre de missions spatiales envisagées utilisant des capteurs inertiels par interférométrie atomique.

Emergency Response Teams increasingly use interactive technology to help manage information and communications. The challenge is to maintain a high situation awareness for different interactive devices sizes. This research specifically compared a handheld interactive device in the form of an iPad with a large interactive multi-touch tabletop. A search and rescue inspired simulator was designed to test operator situation awareness for the two sized devices. The results show that operators had better situation awareness on the tabletop device when the operation related to detecting of moving targets, searching target locations, distinguishing target types, and comprehending displayed information.

L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance.

Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport a l'état précédent. Une sensibilité de 2×10^-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques.

L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces a faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2×10^-5 g/√Hz sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 µm. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés a été effectuée, qui sera utile pour les mesures futures.

Nous présentons la caractérisation d'un nouveau gyromètre à ondes de matière de très grande sensibilité. L'utilisation d'une seule source d'atomes de Césium refroidis par laser dans une configuration de type fontaine permet d'atteindre des temps d'interaction proches de 1 s. La manipulation cohérente des atomes est réalisée par des transitions Raman stimulées : une nouvelle séquence d'interrogation à 4 impulsions, insensible à l'accélération continue, nous a permis d'atteindre une aire macroscopique de 2,4 cm² sensible à l'effet Sagnac. La taille de l'instrument le rend particulièrement sensible aux vibrations : une isolation passive acoustique et sismique a été développée pour découpler le capteur de son environnement. La mesure de l'accélération résiduelle des miroirs permet de corriger a posteriori la phase atomique, et améliore ainsi la sensibilité de l'instrument. Une nouvelle technique de mesure sans temps mort a été démontrée : celle-ci permet d'améliorer la sensibilité d'un interféromètre de type horloge d'un ordre de grandeur, et présente de potentielles applications pour d'autres classes de capteurs inertiels atomiques ainsi que pour la navigation inertielle.

The transport and retention of sardine (Sardinops sagax) eggs on the west and south coasts of South Africa were investigated using a Lagrangrian, particle tracking, individual-based model (IBM), coupled with two 3-D hydrodynamic Regional Ocean Modeling System (ROMS) model configurations of different generations. The same IBM is coupled with PLUME, an older ROMS model configuration used in a previous sardine IBM for the southern Benguela, as well as BENGSAFE, a more recent, better resolved ROMS model configuration. Results from the two runs were compared to see if and how the underlying ocean model affects modelled retention and transport. An updated IBM, extended spatially and temporally to better represent sardine spawning and recruitment, was then coupled with the BENGSAFE model configuration, and assessed. The effects of spawning area, and month, year and depth of particle release, were investigated for each coupled 3D-IBM simulation using linear models. The portion of particles transported from the south coast to the west coast was a focus throughout, as this is of great importance to the management of the sardine fishery. In all simulations, three main systems were identified depending on where particles were released and recruited. Two of these systems were retention-based: particles released on the west coast and retained in the west coast recruitment area (WC-WC), and particles released on the south coast and retained in the south coast recruitment area (SC-SC). The other system is transport-based and represents particles released on the south coast and transported by ocean dynamics to recruit in the west coast recruitment area. Results were similar for the west coast when either hydro- dynamic model configuration was used; depth of release proved to be important in this system with its effect varying depending where on the west coast particles were released. Differences occurred on the south coast, with more transport to the west coast and more offshore loss in the higher resolved BENGSAFE IBM than the PLUME IBM. The difference was attributed to the positioning of the PLUME model's boundary in close proximity to the Agulhas Current, and the conditions at this boundary not properly resolving the current. The initial BENGSAFE IBM was spatially restricted to match the PLUME IBM, and therefore south coast spawning and recruitment was not fully represented. Therefore, the BENGSAFE IBM was spatially extended on the south coast and run for a longer time period. Similar results were obtained in the extended BENGSAFE IBM and the initial BENGSAFE IBM. However south coast retention increased and the average percentage of particles transported to the west coast decreased slightly. Spawning area proved to be an important determinant of retention and transport success in all recruitment systems, and the further east a particle was spawned the less likely it was to be transported to the west coast, and the more likely it was to be retained on the south coast. Transport to the west coast was most successful in late winter; a significant monthly effect on transport success was present. Correlations between standardised anomalies for stock assessment model estimated recruitment and IBM modelled retention/transport for the west and south coast were not significant, highlighting that retention and transport are not the only determinants of recruitment success. The extended BENGSAFE IBM can act as a base level to which extra layers of biological complexities can be added, such as horizontal and vertical egg distribution matching observations, incorporating gonadosomatic index (GSI) values, diurnal vertical migration and buoyancy.

Un capteur inertiel a interférométrie atomique utilisant des atomes froids d'un atome alcalin, le césium 133, est réalise a l'observatoire de Paris. Il se compose de deux interféromètres temporels a ondes de Broglie disposes tête-bêche. Chacun d'eux permet de mesurer les accélérations et rotations du référentiel de laboratoire par rapport au référentiel inertiel des atomes. L'accélération de Coriolis est calculée par soustraction des deux signaux obtenus. On utilise comme source un nuage d'atomes captures dans un piège magnéto-optique. Lances en vol parabolique, la trajectoire classique des atomes est séparée en deux chemins interféromètriques distincts par action sur l'état interne de l'atome couplé à un changement de son impulsion. L'interféromètre est de type ramsey-borde symétrique. La séparation, la déviation et la recombinaison des fonctions d'onde cohérentes sont assurées par trois transitions Raman a deux photons, entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental du césium, par un seul et unique faisceau module temporellement. Ce travail dresse un premier bilan métrologique de l'appareil. La mesure est intrinsèquement limitée par le bruit blanc de projection quantique. Les bruits mécaniques de rotation et de température des atomes ont un niveau plus élevé. Un terme croise entre la non-superposition des trajectoires des deux faisceaux atomiques contra-propageants et les défauts de front d'ondes des faisceaux Raman dégrade la stabilité du signal. Les bruits de phase des faisceaux Raman, même s'ils sont identiques sur les deux interféromètres et disparaissent par soustraction, doivent être minimises. Il en va de même des accélérations parasites. L'étude théorique de la diffraction suivant la loi des matrices A,B,C,D d'un paquet d'ondes de mode hérmito-gaussien, et régie par l'équation de Schrödinger a hamiltonien quadratique en positon et impulsion, affine le calcul de l'effet Sagnac et du déphasage résiduel du aux aberrations optiques
An inertial sensor using matter-wave interferometry with cold alcalii atoms (133 cesium) is under construction at the observatoire de Paris. Two counter- propagating temporal atomic interferometers measure accelerations and rotations of the laboratory frame compared to the inertial frame of the atoms. Carioles acceleration is calculated by subtraction of both signals. The source is a cloud of atoms captured in a magnetic optical trap. The atoms are launched in parabolic flight and separated in two classical trajectories by acting on their internal state coupled to their external impulse state. A symmetric Ramsey-borde interferometer is used : separation, deviation and recombination of the coherent wave functions is made by three two-photon Raman transitions between both hyperfine levels of the cesium ground level with a single temporal modulated laser. This work draws an error budget of the apparatus. Quantum projection white noise is the intrinsic limitation of the measure. Rotation mechanical noises and temperature fluctuations of the clouds have a higher level. A cross effect between optical aberrations of the Raman lasers and non-superposition of the counter-propagating atomic streams decreases signal stability. The phase noise of the Raman lasers, so as parasite accelerations, even disappearing by subtraction because they are equal on both interferometers, must be minimized. The theoretical study was about the diffraction of an hermite-gauss wave packet subdued to Schrödinger equation with an Hamiltonian which is quadratic in position and impulse. It has sharpened the calculation of the Sagnac effect and the residual phase shift due to optical aberrations

Dans ce mémoire nous présentons une étude sur les sources atomiques pour des senseurs atomiques à long temps de vol ainsi que la construction de deux sources atomiques. Dans un premier temps nous montrons que les propriétés de collimation et de cohérence nécessaires à l'interférometrie atomique à long temps de vol peuvent être fournies par les gaz atomiques dégénérés et nous explicitons le lien entre le facteur d'échelle du senseur inertiel et la géométrie de l'interféromètre. Puis, nous étudions la possibilité de conduire des expériences de senseurs inertiels par interférométrie atomique en chute libre dans un avion. La microgravité ainsi créée peut permettre d'accéder à 4 secondes de temps d'interrogation, et nous explicitons un protocole pour tester le principe d'équivalence par interférométrie atomique pendant cette période de chute libre. Nous décrivons la source d'atomes froids que nous avons construit et testé en microgravité. Enfin, nous consacrons une part importante de ce mémoire à la description d'un nouveau montage expérimental dont le but est de produire un mélange bosons-fermions dégénéré. Nous décrivons et caractérisons les technologies développées, telles que les nouveaux lasers semiconducteurs accordables et le piège optique compressible. Nous présentons les premiers résultats de chargement d'atomes froids dans une pince optique utilisant un laser inédit pour le piégeage atomique, un laser à fibre à 1560nm. Nous utilisons le fort décalage lumineux, unique à notre système, pour développer une nouvelle technique d'imagerie, sélective en énergie potentielle.

Denna uppsats är en litteraturstudie av Roots: The Saga of an American Family. Studien syftar till att undersöka argumentet att rasism har en långvarig effekt på de människor som utsätts för rasism. I detta fall, karaktärerna i romanen som utsätts för rasismens olika hemskheter så som slaveri. Genom användningen av Robert Jensen, WEB Du Bois och Edward Saids teorier (dvs. Privileged/unprivileged, The Veil, Double Consciousness och Others) har romanen Roots analyserats. Slutsatsen visar på hur slaveriet påverkade huvudpersonerna och hur effekten av slaveri lyckats beröva de svarta människorna i romanen deras ursprungliga identitet. Slaveriet ersattes istället av en kollektiv identitet av mindre värde än vita människors identitet vilket lämnat långvariga psykiska ärr för karaktärerna i romanen. Det pedagogiska fokus som används i uppsatsen är den så kallad cooperative learning metoden.

Simple content analysis methods, such as the Bechdel test and measuring percentage of female talk time or characters, have seen a surge of attention from mainstream media and in social media the last couple of years. Underlying assumptions are generally shared with the gender role socialization model and consequently, an importance is stated, due to a high degree to which impressions from media shape in particular young children’s identification processes. For young girls, the Disney Princesses franchise (with Frozen included) stands out as the number one player commercially as well as in customer awareness. The vertical lineup of Disney princesses spans from the passive and domestic working Snow White in 1937 to independent and super-power wielding princess Elsa in 2013, which makes the line of films an optimal test subject in evaluating above-mentioned simple content analysis methods. As a control, a meta-study has been conducted on previous academic studies on the same range of films. The sampled research, within fields spanning from qualitative content analysis and semiotics to coded content analysis, all come to the same conclusions regarding the general changes over time in representations of female characters. The objective of this thesis is to answer whether or not there is a correlation between these changes and those indicated by the simple content analysis methods, i.e. whether or not the simple popular methods are in general coherence with the more intricate academic methods.

Betyg VG (skala IG-VG)

碩士
國立臺灣科技大學
工程技術研究所
83
There are many ways to measure the angular velocity of an object or a system by using optic fiber systems, which have been studied by some researchers. In this study, the optic fiber Sagnac interferometer sensing system was utilized to sense the rotation speed of a step-motor. Two ways were adopted to create rotation, one is 2 phase excitation, another is 1-2 phase excitation. The interferometer signals have been observed by combining the electronic circuit techniques of PZT phase modulation and phase sensitive detection(PSD). In addition, the open loop phase nulling technique which can raise the linearity and reduce signal drift the input signal (rad/sec), the results of fundamental frequency and harmonic frequency are cocsistent with the prediction of theoretical mathematical formula.

碩士
國立臺灣科技大學
電子工程系
103
In this thesis, the characteristics of super-fluorescent fiber source (SFS), the recovery of photo-annealing effect and the application of fiber optic gyroscope (FOG) were discussed. The main scheme used here was a double-pass backward SFS (DPB-SFS) based on a broadband fiber Bragg grating (BFBG), which is temperature-compensated by carbon fiber reinforced plastic (CFRP). First, two types of Erbium-doped fiber (EDF), HG980 B1 and AG980H, in different lengths were used in the DPB-SFS. The properties of DPB-SFS using both types of EDFs were studied in their output power, mean-wavelength and 3 dB bandwidth. The best output power, mean-wavelength and 3 dB bandwidth were 10.65 dBm, 1549.3 nm and 16.92 nm, respectively, using 5 m EDF (HG980 B1). Then, we discussed the photo-annealing effect. The EDFs were exposed in 60Co gamma-radiation with a total dose of 200 krad. Because the molecular bonding of EDF would be damaged by the radiation, a 637 nm red light laser was used to recovery the radiation-induced loss. The properties of radiation-induced loss and recovery were characterized by measuring the absorption spectra of EDFs which were pumped by a 980 nm broadband light source. Results showed that both types of EDF could be photo-annealed by the 637 nm red light laser. The AG980H EDF suffered greater loss than the other, but the loss could be healed up to 12.71 dB after photo-annealed. After that, the thermal and real-time radiation stabilities of DPB-SFS were discussed. In this part, we discussed the thermal stability by using 5 m EDF (HG980B1) and the temperature ranging from 0 to 70 oC. The measured variation of output power, mean-wavelength and 3 dB bandwidth were 0.12 dB, 2 ppm/oC and 2.2 %, respectively. To verify real-time radiation stability, a 5 m HG980B1 EDF was set in the radiation chamber for 4.55-hour 60Co gamma-radiation exposure with a total dose of 200 krad. Again, a 637 nm red light laser was used to the DPB-SFS for in-time recovery of radiation-induced loss. The measured variation of output power, mean-wavelength and 3 dB bandwidth were 1.31 dB, 178.67 ppm and 0.7 %, respectively. Finally, for the investigation of Sagnac interferometer, the horizontal sensing based on Sagnac effect was introduced, and the DPB-SFS with 5 m HG980B1 EDF was used as sensing light source. Three interferometer schemes based on 2x2 fiber couplers in different lengths of EDF (3 m, 4 m and 5m) were investigated. The results showed that the variation of output power was periodic up and down in cosine function when the rotation angles varys from 0o to 90o both on clockwise and counter-clockwise direction. Taking 5 m interferometer for example; the slope on linear region is 0.05 mW power per rotation angle.

碩士
高雄師範大學
光電與通訊工程學系
98
We present a multiwavelength fiber laser using nonlinear polarization rotation effect to suppress mode competition from the erbium doped fiber. The proposed new type of comb filter used in the multiwavelength fiber laser can produce more available and continuous operation wavelengths with better performances of FSR, SNR and linewidth. The fiber laser substitute dual pass in-line Sagnac interferometer for single pass in-line Sagnac interferometer . We use this new type of dual pass comb filters in our proposed fiber laser to successfully increase the SNR of lasing spectrum more than 30dB. The combination of the nonlinear polarization rotation effect devices and the dual pass comb filter can share an in-line fiber polarizer so as to simply the laser structure and reduce the cost. We properly adjust the phase of nonlinear polarization rotation effect, cavity length and pumping power respectively. The phase adjusting of the nonlinear polarization rotation effect can obtain three kinds of wavelength fiber laser spectra which bandwidth are 47 nm, 41 nm and 29 nm respectively. The optima cavity length is set at 2km to achieve the better laser performances. Various pumping powers injected into the multi-wavelength fiber laser can obtain different lasing spectra. The pumping power operating at 700mW can get the 6dB bandwidth of 47nm and SNR more than 20dB. When the pumping power operates at 200mW with fixed phase of nonlinear polarization rotation, an ultra broadband of lasing spectrum with 110 wavelength-lasing peaks periodically distributed from 1564nm to 1608nm accompanied with average lasing linewidth of 0.08nm, average FSR of 0.4nm and average SNR of 37dB. To the best of our knowledge, these results are the best performances than the previous references that ever announced in the field of multiwavelength fiber laser spectra more than 110 peaks.

Phosphorus load reduction and dreissenid invasion are the two most important factors that influence europhication dynamics in the Great Lakes. The 1978 amendments to the Great Lakes Water Quality Agreement (GLWQA) between the United States and Canada established target phosphorus loads for the lakes, leading to reductions in external phosphorus loading to the Great Lakes. With diminished phosphorus levels, further nutrient management was a minor concern until the proliferation of invasive dreissenid mussels. Dreissenid mussels were first documented in the Laurentian Great Lakes in the late 1980s. Zebra mussels (Dreissena polymorpha) spread quickly into shallow, hard-substrate areas; quagga mussels (Dreissena rostriformis bugensis) spread more slowly and are currently colonizing deep, offshore areas. These mussels have the potential to modify biogeochemical processes and food web structure, altering nutrient cycling and availability. Following the mussel invasion, cyanobacterial blooms and nuisance benthic algal growth have reappeared in many nearshore areas of the Great Lakes.

This dissertation characterizes long-term patterns of phosphorus loading and mussel populations for Saginaw Bay, and estimates the effects of load reductions and dreissenid invasion on several aspects of pelagic water quality, focusing on phosphorus flux and cycling in Saginaw Bay. Bayesian approaches were used to quantify the impacts of load reduction and mussel invasion, while at the same time addressing model parameter uncertainty and prediction uncertainty associated with long-term observational data. Annual total phosphorus load estimates suggest a decreasing trend until the late 1970s to early 1980s, reflecting the effectiveness of point source controls implemented pursuant to GLWQA. Despite the decrease, however, the annual loads have not likely met the 440 tonne yr-1 target established for Saginaw Bay. In 1990 zebra mussels were discovered in the bay and by 1992 they were widespread and peaked with densities of >30,000 m-2. Following the peak, mean densities dropped and modeling results predict that the density will reach equilibria at ~600 m-2. When mussels appeared, the proportion of tributary phosphorus retained in Saginaw Bay increased from ~0.5 to ~0.7, reducing phosphorus export to the main body of Lake Huron. The combined effects of increased phosphorus retention and decreased phosphorus loading have caused an ~60% decrease in phosphorus export from Saginaw Bay to Lake Huron. The analysis of long-term patterns of pelagic water quality highlights the sustained effects of mussel invasion on altering water quality parameters in Saginaw Bay; there was a consistent decrease in chlorophyll concentrations by ~46%, and total phosphorus concentrations by ~25%, and an increase in secchi depths by ~15% over ~20 year invasion of mussels. A comparison of chlorophyll-phospohrus relationship between pre- and post-invasion periods suggest the reduced chlorophyll yield for a given phosphorus concentration after the mussel invasion. Further, decreases in both total phosphorus and chlorophyll concentrations were found in the majority of 24 mussel-invaded US lakes in addition to Saginaw Bay, and modeling results predict less chlorophyll yields per unit phosphorus level that ranges from oligo- to mesotrophic conditions. All lines of evidence presented in the dissertation point to the important roles of load reductions and invasive mussels affecting eutrophication dynamics in lake ecosystems.

Dissertation

Natural and constructed rocky reef habitats constitute important areas for lithophilic spawning fishes and their embryonic and larval offspring. Interstitial spaces created by the structure of rocky reefs create micro-environments where incubating embryos and juvenile fishes are potentially protected from predators. However, if interstitial spaces are filled or blocked by sediment deposition or biofouling, the reef structure may lose the protective benefits for embryonic and larval fish survival. Lake whitefish (Coregonus clupeaformis) and walleye (Sander vitreus) are native Great Lake lithophilic broadcast spawning fish that use rocky spawning habitats that are vulnerable to degradation caused by deposition of suspended sediments. To restore degraded rocky reef habitat, common practices include addition of material to existing reef structures or construction of new reefs, but both of these practices can be costly and time intensive. In this study, we measured the effect of different types and amounts of sediment cover on hatching success of walleye eggs and assessed if differences in female walleye (female length and egg size) account for tolerance to sediment cover. Additionally, we explored an alternative approach for reef restoration, custodial maintenance, in which we created two novel devices to potentially clean rocky reef habitat. We carried out two laboratory experiments in 2018 and 2019 to test the effect of sediment cover on hatching success of walleye eggs (2018) and to test how female identity and female length or egg size may interact with sediment cover to influence hatching success (2019). We exposed walleye eggs to instantaneous sediment cover (0 mm – 7mm) of either sand (course) or silt (fine) sediments from fertilization until day 15 of incubation. Our results indicated that walleye eggs were sensitive to silt cover (71% mortality- 2 mm cover silt) but not sand (47% mortality- 7mm cover sand). While there was an indication that hatching success was marginally related to female length and egg size, we concluded that sediment cover seemed to have similar effects on eggs, regardless of female length or egg size. The susceptibility of walleye eggs to mortality caused by sediment cover underscores the need for non-degraded spawning habitat. Our two cleaning devices used either propulsion or pressurized water jets to clean sediments from the rocky structure as they were towed behind a small vessel (i.e., did not require the use of SCUBA divers). We used devices to clean two natural rocky reefs in Saginaw Bay, Lake Huron in 2018 and 2019. We measured relative hardness before and after use of devices on cleaned and uncleaned study plots to determine effectiveness of devices. In addition, we measured egg deposition by fall (lake whitefish) and spring (walleye) lithophilic spawners on study plots to determine potential differences in fish usage of cleaned and uncleaned areas. We found that cleaning devices contributed to changes in relative hardness among study plots. Egg deposition was also variable on study plots but in general, egg deposition was consistently highest on treatment plots cleaned by our device that used propulsion. The practicality of cleaning devices was seemingly related to the magnitude of degradation of rocky reefs, nevertheless, our results show that the use of these or similar devices may potentially increase egg deposition by creating areas of higher-quality habitat. While more testing is necessary to fully understand the potential of our reef cleaning devices, this two-year study suggests that these devices may be capable of restoring degraded rocky spawning habitat which could potentially minimize the negative effects associated with sediment degradation on lithophilic spawning fish.