Academic literature on the topic 'Velocimetry. granulometry'

Le but de ce travail de thèse est l'étude et la réalisation de sources laser de haute cohérence à semi-conducteurs III-V basées sur la technologie Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL) à puits quantiques (matériaux InGaAs/GaAs/AlGaAs), émettant dans le proche-IR sur des modes transverses du type Laguerre Gauss (LG) et Hermite Gauss (HG) d'ordre supérieur. Ces modes ont des structures de phase, d'amplitude et de polarisation complexes qui leur vaut souvent l'appellation de 'lumière complexe' ou 'structurée'. Nous mettrons l'accent particulièrement sur les modes LG possédant un moment angulaire orbital, et sur une source contrôlant le spin du photon. Ce type de sources laser présente un grand intérêt pour le développement de systèmes ou capteurs optiques dans différents domaines, tels que les télécommunications, les pinces optiques, et le piégeage et le refroidissement d'atomes, ainsi que la métrologie optique.Nous sommes amenés à étudier les modes propres des cavités optiques de haute finesse. Nous décrivons ces modes suivant les trois "axes" définissant l'état de photon: distributions longitudinal (fréquentiel), transverse (spatial) et de polarisation. Pour chacun de ces trois axes nous étudions les ingrédients physiques qui régissent la formation des modes, et développons les outils théoriques nécessaires à la manipulation et le calcul des états propres dans des cavités modifiées.Dans une seconde étape, puisque la sélection de modes dans une cavité laser passe par l'interaction matière-rayonnement, nous nous penchons sur la dynamique de ces systèmes en écrivant les équations de Maxwell-Bloch pour notre laser. Ces équations nous permettent d'étudier le rôle de la dynamique temporelle dans la sélection des modes lasers et le chemin vers l'état stationnaire. Nous nous appuyons sur ces modèles pour expliquer certaines questions non/mal comprises, et qui mènent parfois à des interprétations erronées dans la littérature scientifique, notamment la sélection spontanée du sens de rotation du front de phase dans les modes vortex.Une partie de ce travail est consacré au développement et la caractérisation d'une technologie à semiconducteurs III-V, qui permet de sélectionner efficacement un mode laser donné, dans la base propre. Nous développons une approche basée sur des méta-matériaux intégrés à la structure de gain (le 1/2-VCSEL) et qui agit comme un masque de phase et d'amplitude. Nous nous appuyons sur cette technologie pour réaliser une cavité laser qui lève la dégénérescence des modes vortex contrarotatif et brise légèrement leur symétrie, ces deux étapes sont cruciales pour pourvoir sélectionner la charge et le signe du vortex généré et stabilisé. Afin de contrôler les modes de polarisation nous étudions les propriétés de polarisation de la cavité et du milieu à gain à puits quantique : la biréfringence, le dichroïsme, et le temps de spin flip dans les puits quantiques. Nous exploitons ces paramètres pour générer les états de polarisation désirés : linéaire stable, circulaire avec un moment angulaire de spin contrôlé par le spin de pompage. À la fin nous présentons la conception et la réalisation d'un capteur laser sous rétro-injection optique (self-mixing) pour la vélocimétrie linéaire et rotationnelle, en utilisant une source laser émettant sur un mode vortex. Ce capteur montre un exemple de mesure inaccessible avec un laser conventionnel. Il tire profit des propriétés uniques des modes vortex pour mesurer simultanément la vitesse linéaire et angulaire des particules. Nous finirons cette partie par l'étude d'un autre design de capteur laser possible pour la granulométrie, utilisant d'autres types de modes laser générés dans ce travail
The goal of this PhD thesis is the study, design and the development of highly coherent III-V semiconductor laser sources based on multi-quantum wells (InGaAs/GaAs/AlGaAs) Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser (VeCSEL), operating in the near infra-red (IR), and emitting high order Laguerre-Gauss (LG) and Hermite-Gauss (HG) modes. These modes, usually called ‘complex' or ‘structured' light, have a complex wavefronts, amplitudes and polarizations structures. We especially focus on lasers with modes carrying OAM, and also on sources with controlled photon's spin. These modes are of great interest for the development optical systems in several fields, such as telecommunications, optical tweezers, atom trapping and cooling, and sensing applications. We need to study the light eigenstates in high-finesse laser cavities, we describe these eigenstates with respect to the three axis of the light that define the photon state: longitudinal (frequency), transverse (spatial), and polarization. For each one of these axis, we study the physical ingredients governing mode formation, and develop the theoretical tools required for the calculation of the eigenmodes in non-conventional cavities.In a second step, as the mode selection in a laser involves light-matter interaction, we focus on dynamic study by writing the semi classical Maxwell-Bloch equations for our lasers. These equations allow us to study the role of temporal dynamics in laser mode selection, as well as the path the steady state. We use these theoretical models to explain some none /poorly understood questions, and which lead sometimes to erroneous interpretations in the scientific literature. We see in particular the question of the spontaneous selection of the wavefront handedness in vortex modes. We also address the development and the characterization of a III-V semiconductor based technology that enables us to efficiently select the wanted mode in the eigenbasis. We adopt an approach based on metamaterials integrated on the semiconductor gain structure (1/2- VCSEL) that play the role of a phase and amplitude mask. We use this technology to build a laser cavity that lifts the degeneracy and breaks the symmetry between vortex modes with opposite handedness. These two effects are of paramount importance when one wants to select a vortex mode with a well-defined charge and handedness. In order to control the polarization modes, we study the polarization properties of the optical cavity and the quantum-well based gain medium: the birefringence the dichroism, and the spin-flip time in the quantum wells. We make use of these elements to generate the wanted polarization states: stable linear, and circular carrying an angular momentum controlled via the pump spin. In the end, we present the design and building of a feedback laser sensor (self-mixing) for linear and rotational velocimetry, using a laser source emitting a vortex beam. This sensor shows an example of a measurement inaccessible using conventional laser sources. It takes advantage of the orbital angular momentum of the vortex beam to measure both translational and rotational velocities using the Doppler effect. We end this part by presenting other possible sensor designs for particle sizing, using other exotic modes generated in this work

On etudie l'influence des particules fines sur la turbulence d'un ecoulement de suspension polydisperse (grosses et fines particules). Pour cela, nous avons procede dans un premier temps a la mesure des vitesses moyennes locales des particules et du fluide porteur ainsi qu'aux valeurs quadratiques moyennes locales des fluctuations de vitesse en ecoulement monodisperse. En correlant la vitesse et le diametre des particules pour chaque classe de diametres, nous avons pu mettre en evidence une vitesse de glissement entre les particules solides et le fluide porteur. Nous avons determine par ailleurs l'intensite de turbulence pour le fluide porteur et des ecoulements monodisperses pour quatre classes de diametre (0,1; 0,3; 0,5 et 1 mm) etudiant ainsi l'influence de la concentration de transport sur l'intensite de turbulence. En mesurant les pertes de charge en ecoulement monodisperse puis polydisperse, nous avons verifie que la presence de particules fines reduisait le frottement pour les grosses particules. Les mesures de turbulence en ecoulement monodisperse (grosses particules), puis en ecoulement polydisperse (grosses et fines particules), nous ont permis de mettre en evidence une reduction de la turbulence accompagnant la reduction de frottement

Dans une colonne a bulles, des gouttelettes sont produites a la surface libre du liquide par eclatement de bulles ou par agitation. Compte tenu de leur taille elles peuvent etre entrainees par le courant gazeux ou retourner a l'interface par l'action de la pesanteur. Ainsi, le but de la presente etude est de comprendre ces phenomenes. Des experiences ont ete realisees concernant le taux de presence du gaz dans la colonne a bulles a l'aide d'une sonde optique, l'eclatement des bulles a l'aide d'une camera video rapide (200 images/seconde) et la mesure simultanee de la taille et de la vitesse des gouttelettes au-dessus de l'interface a l'aide d'un granulometre laser. On a trouve que la colonne a bulles peut se diviser en trois regions: une zone d'entree a profil plat du taux de presence, une zone stable ou le regime d'ecoulement est constant et une zone interfaciale caracterisee par une augmentation rapide du taux de presence. On a montre que les gouttelettes sont produites par le film liquide du dome de la bulle. Il a ete visualise le processus d'eclatement des bulles. Il est propose une fonction de distribution de densite de probabilite du type log-normal dite a deux parametres afin de decrire les distributions fortement polydispersees en taille. On a determine l'entrainement, la concentration, le taux de presence volumique et l'aire interfaciale des gouttelettes. Finalement, on a mis en evidence l'influence de la turbulence du fluide porteur sur la vitesse terminale des gouttelettes de taille inferieure a l'echelle de kolmogoroff. Cette vitesse est inferieure a celle calculee en utilisant la courbe standard de trainee

S požadavky materiálových věd na stále menší částice jsou potřebné i nové přístupy a metody jejich klasifikace. V disertační práci jsou zkoumány struktury turbulentního proudění a trajektorie částic uvnitř dynamického větrného třídiče. Zvyšující se výpočtový výkon a nové modely turbulence a přístupy modelování komplexních plně turbulentních problémů řešením Navier-Stokesových rovnic umožňují zkoumání stále menších lokálních proudových struktur a vlastností proudění s větší přesností. Částice menší než 10 mikronů jsou více ovlivnitelné a jejich klasifikace do hrubé nebo jemné frakce závisí na malých vírových strukturách. Práce se zaměřuje na podmínky nutné ke klasifikaci částic pod 10 mikronů, což je současná hranice možností metody větrné separace. CFD software a poslední poznatky modelování turbulence jsou použity v numerické simulaci proudových polí dynamického větrného třídiče a jsou zkoumány efekty měnících se operačních parametrů na proudová pole a klasifikaci diskrétní fáze. Experimentální verifikace numerických predikcí je realizovaná prostřednictvím částicové anemometrie na základě statistického zpracování obrazu (PIV) a proudění lopatkami rotoru je vizualizováno. Predikované trajektorie částic jsou experimentálně ověřeny třídícími testy na větrném třídiči a granulometrie je určená pomocí laserové difrakční metody. Zkoumány jsou Trompovy křivky a efektivita třídění.