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Rayonnement classique, rayonnement quantique. Photon. Quantification du champ monomode et multimode. Fluctuations du vide. États nombre. États cohérents. États comprimés. Tests et applications. Paradoxe d'Einstein-Podolsky-Rosen. Inégalités de Bell. États intriqués. Téléportation quantique. Cryptographie quantique. Non-démolition quantique. Notions d'électrodynamique quantique. Diagrammes de Feynman. Applications de l'optique quantique.

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Sujets choisis parmi les domaines actifs de recherche fondamentale et industrielle en optique et en photonique. Exemples de sujets couverts : optique guidée, optique non linéaire, diagnostics optiques par imagerie et spectroscopie, métrologie optique, optique ultrarapide, communication optique à très haut débit, lasers de puissance à fibre, lumière lente, métamatériaux pour l'optique, cristaux photoniques bidimensionnels, optique à haute énergie, information quantique, ondes THz, microcavités optiques. Présentations par les professeurs et par des experts externes, exposés oraux des étudiants, rédaction d'un article de revue, travail de conception de dispositifs optiques.

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Structure et thermodynamique des surfaces. Processus élémentaires sur les surfaces : adsorption, désorption, décomposition, diffusion, ségrégation, îlots, surfactants, croissance sélective, techniques expérimentales. Modes de croissance bidimensionnels : théorie Burton-Cabrera-Frank, croissance par propagation des marches, croissance bidimensionnelle, épitaxie à basse température, modélisation. Couches contraintes : mécanismes de relaxation, modes hybrides, croissance Stranski-Krastanov, auto-organisation, séparation de phase. Théorie de la germination et de la coalescence. Réactions en phase solide : interdiffusion, réactions interfaciales, croissance de grains. Évolution de la micro-nanostructure : modèle de zone, texture, couches minces composites. Effet des photons, électrons et ions sur les processus cinétiques en surface et sur l'évolution microstructurale. http://www.polymtl.ca/etudes/cours/details.php?sigle=PHS6314

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Transport électronique dans les systèmes mésoscopiques. Confinement quantique et cohérence de phase électronique. Formalisme de Boltzmann. Formalisme de Kubo et Greenwood. Formalisme de Landauer et Büttiker. Phénomène de relaxation. Interactions et excitations collectives. Magnétotransport. Spintronique. Fils quantiques. Boîtes quantiques.

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Techniques avancées de fabrication, des propriétés fonctionnelles des couches minces et des revêtements destinés aux applications en optique, photonique, aérospatiale, génie biomédical, transport, énergie, environnement. Réactions physico-chimiques lors de dépôts assistés par plasma, ions, photons; interactions plasma-surface; diagnostic de procédés. Systèmes multicouches, couches inhomogènes et nanocomposites. Propriétés optiques des matériaux, conception des filtres optiques simples et avancés, métrologie optique - ellipsométrie spectroscopique et rétro-ingénierie. Propriétés nanomécaniques et tribologiques – mécanismes de rupture, d'usure, d'érosion, et de corrosion. Couches actives et matériaux intelligents possédant des propriétés électro et photochromiques, électro-optiques et piézoélectriques, thermoélectriques, thermomécaniques, photocatalytiques et autres.

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Matériaux organiques semi-conducteurs et conducteurs : structure chimique, structure électronique, caractéristiques physico-chimiques, propriétés photophysiques et photodynamiques, transport de porteurs de charge. Composantes organiques pour l'électronique : diodes électroluminescentes, transistors à effet de champ, transistors électroluminescents, cellules photovoltaïques. Bioélectronique organique. Fabrication et circuiterie de dispositifs organiques.

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Fibres optiques : propriétés, modes de propagation et applications. Dispersion dans les fibres optiques. Diodes électroluminescentes et diodes lasers. Amplificateurs à fibre optique. Photodétecteurs. Comportement dynamique de la photodiode. Concepts reliés au bruit : sources, estimations et impacts sur une mesure. Méthodes d'encodage optique pour la transmission de signaux : modulation en amplitude et en phase. Détection cohérente. Composants optiques : réseaux de Bragg, coupleurs, circulateurs, isolateurs, contrôleurs de polarisation, dispositifs de multiplexage, filtres, compensateurs de dispersion. Optique non-linéaire : modulation électro-optique, oscillation et amplification paramétrique, génération de supercontinuum, auto-modulation de phase, solitons, diffusion Raman et Brillouin stimulée. Senseurs à base de fibres optiques.

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Revue de l'électromagnétisme classique pour les milieux continus. Propriétés optiques des matériaux isotropes (dispersion et absorption). Propriétés optiques des matériaux anisotropes (polarisation, biréfringence des cristaux, activité optique). Surface des indices et ellipsoïde d'indice. Effets électro-optiques (effet Pockels et effet Kerr). Effets magnéto-optiques (effet Faraday). Optique non linéaire d'ordre 2 (génération de second harmonique, effets paramétriques). Effets d'ordre 3 (auto et intermodulation de phase, mélange à quatre ondes, conjugaison de phase). Solitons, effets Raman et Brillouin.

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Revue de la physique des semi-conducteurs et introduction aux méthodes d'analyse des composants électroniques. Étude des jonctions: alignement de bandes, jonction p-n, métal/semi-conducteur, métal/oxyde/semi-conducteur et hétérojonctions. Analyse du comportement statique et dynamique des composants: diode, transistor à effet de champ et transistor bipolaire à jonction. Survol des dispositifs optoélectroniques : photodétecteurs, cellules solaires, diodes électroluminescentes, diodes lasers. Discussion du rôle des hétérostructures avancées, des lois d'échelle et lien avec les procédés de microfabrication. Mesures électriques de dispositifs discrets et intégrés, utilisation de logiciels CAO pour la modélisation des composants.

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Introduction à la microfabrication et à la nanofabrication. Photolithographie : technologie optique et photorésines. Couches minces : méthodes physiques (évaporation, pulvérisation et laser), méthodes chimiques, dépôt électrochimique, procédé d'oxydation. Gravure: sèche par plasma et en milieu liquide. Notions de nanofabrication. Procédés pour la microélectronique, pour la photonique, pour les microsystèmes microélectromécaniques et les biocapteurs. Applications de la microfabrication. Laboratoire de microfabrication.

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Rappel des principes de microfabrication (dépôt de couches minces, photolithographie, gravure). Élaboration des principes de microsystèmes mécaniques (actionnement, senseurs, problématique de décollement des couches), électromécaniques (actionneurs, senseurs), optiques (commutateurs, détecteurs, filtres dynamiques), spatiaux (accéléromètres, senseurs infrarouges), fluidiques (valves, canaux), thermiques (actionneurs, senseurs), chimiques et biologiques. L'accent sera mis sur la conception de microsystèmes. Ceux-ci sont fabriqués par une succession d'étapes de microfabrication. La compatibilité de ces étapes pour atteindre le dispositif final est critique et sera par conséquent étudiée et illustrée par des exemples concrets.

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Phénomènes physiques, principalement optiques, impliqués dans l'obtention des images par les satellites de télédétection. Notions de mécanique orbitale, applications aux satellites d'observation de la Terre. Description de l'environnement électromagnétique terrestre : corps noir, propriétés radiométriques des objets, modèle atmosphérique de l'effet de serre. Échanges radiatifs et thermiques. Propagation des ondes à travers l'atmosphère : réfraction, absorption, diffusion de Mie et de Rayleigh, turbulence. Formation des images par les systèmes à lentille, les systèmes à balayage (radiomètre ou du type pushbroom), radar à ouverture synthétique.

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Conversion de l'énergie. Pollution de l'espace, de l'air, de l'eau, du sol et pollution souterraine due à la production et à la conversion de l'énergie. Détection et propagation de la pollution. Étude des impacts sur l'environnement et sur la santé pour les filières du charbon, du pétrole, de l'hydro-électrique et du nucléaire. Pollution et risques associés aux modes de production d'électricité géothermique, éolienne, solaire, par fusion et par biomasse.

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Classification des techniques de conversion d'énergie. Limites dans la conversion de l'énergie. Limites de la planète, étude de sensibilité. Limites thermodynamiques. Électromagnétisme appliqué à la conversion de l'énergie. Rendement énergétique des convertisseurs magnétohydrodynamique, des générateurs de types Faraday et Hall, des convertisseurs thermoélectriques, des piles photovoltaïques et des piles à combustible. Étude comparative des différentes techniques de conversion. Analyse de cycles avancés.

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Rappel des bases de l'optique moderne : optique ondulatoire, cohérence et interférence. Interaction de la lumière avec la matière : propriétés optiques des matériaux biologiques, propagation et interactions linéaires et non linéaires. Instrumentation en biophotonique : sources, capteurs et détection temporelle et spectrale. Applications en biologie : microscopie confocale, non linéaire et multiphotonique, imagerie moléculaire et micromanipulations. Applications en médecine : diagnostiques (spectroscopie, tomographies optiques cohérente et diffuse, techniques d'endoscopie et de microscopie clinique) et thérapeutiques (thérapie photodynamique et ablation par laser).

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Concepts physiques de la nanotechnologie et applications en biomédical. Différentes approches en nanotechnologie. Fabrication et fonctionnalisation des nanomatériaux métalliques et semiconducteurs utilisés en biomédical. Bionanoplasmoniques : concept de plasmons, théorie de Mie, nanophotothermie et applications thérapeutiques. Nanobiocapteurs optiques : théorie et application de la plasmonique, biocapteurs à base de résonance de plasmons de surface. Nanophotonique biomédicale : points quantiques, pinces optiques et nanochirurgie par laser. Nanomagnétisme biomédicale : propriétés des nanomatériaux magnétiques et applications en biodétection et en thérapie. Éthique et enjeux sociaux des nanotechnologies en biomédical.

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Introduction aux microsystèmes dédiés aux applications biologiques et aux laboratoires sur puces. Miniaturisation et effets d'échelle. Techniques de microfabrication dans le verre, le silicium et les polymères. Techniques de fonctionnalisation de surfaces. Propriétés des écoulements visqueux. Diffusion, convection et réaction dans les milieux aqueux. Capillarité. Effets électrocinétiques sur puces. Composantes de circuits microfluidiques : résistances hydrauliques, valves, mélangeurs, pompes. Applications des principes étudiés à la conception de biomicrosystèmes : modélisation par éléments finis, libération contrôlée de médicaments, PCR (polymerase chain reaction) sur puces, culture cellulaire 2D et 3D sur puces, séparation et piégeage par électrophorèse, biocapteurs intégrés.

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Introduction to the subject of ultrafast photonics; propagation of pulses in linear media: dispersion and its compensation; generation and characterization of femtosecond pulses; nonlinear effects of second order: second harmonic generation, difference frequency mixing, broadband optical parametric amplification; nonlinear effects of third order: nonlinear refractive index and phase modulation; effects in nonlinear pulse propagation including soliton formation and generation of supercontinuum; applications to synthesis of few-cycle pulses; ultrafast time-resolved spectroscopies: basic principles and examples in transient absorption, terahertz time-domain spectroscopy and two-dimensional spectroscopy; survey of contemporary topics (via student seminars), covering comtemporary topics, e.g. attosecond physics; high harmonic generation; precision metrology via femtosecond frequency combs.

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Approche ondulatoire des guides d'ondes optiques. Formulation Hamiltonienne des équations de Maxwell et propriétés fondamentales des modes guidés. Méthode de matrice de transfert : guides d'onde plans et fibres optiques circulaires. Modes guidés, modes de fuite, ondes de surface. Excitation des modes et efficacité de couplage. Communication par fibre optique. Guide d'ondes métamatériaux et guide d'ondes anti-résonnants. Théorie des perturbations et théorie des modes couplés. Applications aux composants : coupleurs, réseaux de Bragg, fibres effilées. Systèmes optiques. Modélisation numérique du comportement des dispositifs d'optique guidée avec la méthode des éléments finis.

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Interaction d'une onde électromagnétique avec les atomes et la matière. Temps de vie des états excités. Diffusions Rayleigh et Raman. Mécanismes d'élargissement. Instrumentation de spectroscopie : sources, détecteurs, dispersion et interférométrie. Symétrie : application de la théorie des points, classification des états et détermination des transitions permises. Spectroscopie rotationnelle et ses applications: énergies de rotation et détermination de la composition et la configuration des molécules. Spectroscopie vibrationnelle et ses applications: modes de vibration et principes d'identification d'un composé à partir de son spectre. Spectroscopie électronique et ses applications. Spectroscopie des solides : structure de bandes, transitions et propriétés optique, excitations (excitons, polaritons, plasmons, ...). Nanostructures quantiques et leurs avantages pour des applications technologiques.

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Exposés et discussions des projets de recherche des étudiants. Présentation orale d'une publication tirée de la littérature. Présentation orale d'un sujet choisi en collaboration avec son directeur de recherche.

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Séminaires départementaux. Rencontres et discussions avec les conférenciers invités.

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Projet d'études supérieures accompli sous la direction d'un professeur du département et comprenant une étude d'application de haut niveau ainsi que la rédaction d'un rapport de projet. Le travail comprend au moins 9 heures par semaine consacrées au projet pendant 15 semaines pour un total de 135 heures.