In this thesis two previously separate fields of study are brought together: optical micromanipulation and ultrashort laser research. Here, the benefits of combining the high peak powers of ultrashort pulsed lasers and conventional optical micromanipulation techniques are explored. As optical trapping has been studied extensively, the focus of this research is on optical guiding. Moreover, the emphasis is on the use of Bessel beams as these have been shown to offer greater guiding distances than comparable Gaussian beams. The studies within this thesis show that optical guiding in Bessel and Gaussian beams is governed by the average power of the laser. However, the benefits of guiding with ultrashort pulsed lasers to exploit multi-photon processes become evident as the demonstration of simultaneous optical guiding and second harmonic generation in microscopic nonlinear crystal fragments is detailed. This work is developed by using ultrashort pulses to induce two-photon excitation-induced fluorescence in the guiding medium. This allows direct visualisation of the beam-particle interaction and measurement of the reconstruction of the Bessel beam around an object. Some studies using two-photon excitation to investigate Bessel beam penetration through turbid media are discussed. Finally, the work is concluded by exploring the use of pulsed white-light lasers in optical guiding. The wavelength-dependent propagation and reconstruction properties of the white-light Bessel beam are studied before some preliminary optical guiding experiments are discussed. From this, the broad bandwidth of the supercontinuum source is found to offer extended guiding distances in Gaussian beams thereby negating the need for Bessel beams.

From both theoretical and applied perspectives, first passage<br />time problems for random processes are challenging and of great<br />interest. In this thesis, our contribution consists on providing<br />explicit or quasi-explicit solutions for these problems in two<br />different settings.<br /><br />In the first one, we deal with problems related to the<br />distribution of the first passage time (FPT) of a Brownian motion<br />over a continuous curve. We provide several representations for<br />the density of the FPT of a fixed level by an Ornstein-Uhlenbeck<br />process. This problem is known to be closely connected to the one<br />of the FPT of a Brownian motion over the square root boundary.<br />Then, we compute the joint Laplace transform of the $L^1$ and<br />$L^2$ norms of the $3$-dimensional Bessel bridges. This result is<br />used to illustrate a relationship which we establish between the<br />laws of the FPT of a Brownian motion over a twice continuously<br />differentiable curve and the quadratic and linear ones. Finally,<br />we introduce a transformation which maps a continuous function<br />into a family of continuous functions and we establish its<br />analytical and algebraic properties. We deduce a simple and<br />explicit relationship between the densities of the FPT over each<br />element of this family by a selfsimilar diffusion.<br /><br /> In the second setting, we are concerned with the study of<br />exit problems associated to Generalized Ornstein-Uhlenbeck<br />processes. These are constructed from the classical<br />Ornstein-Uhlenbeck process by simply replacing the driving<br />Brownian motion by a Lévy process. They are diffusions with<br />possible jumps. We consider two cases: The spectrally negative<br />case, that is when the process has only downward jumps and the<br />case when the Lévy process is a compound Poisson process with<br />exponentially distributed jumps. We derive an expression, in terms<br />of new special functions, for the joint Laplace transform of the<br />FPT of a fixed level and the primitives of theses processes taken<br />at this stopping time. This result allows to compute the Laplace<br />transform of the price of a European call option on the maximum on<br />the yield in the generalized Vasicek model. Finally, we study the<br />resolvent density of these processes when the Lévy process is<br />$\alpha$-stable ($1 < \alpha \leq 2$). In particular, we<br />construct their $q$-scale function which generalizes the<br />Mittag-Leffler function.

Deux opérateurs sont étudiés dans cette thèse: l'opérateur de Schrödinger radial, issu de la mécanique quantique non relativiste; puis le système AKNS singulier, adaptation de l'opérateur de Dirac radial provenant de la mécanique quantique relativiste. La première partie consiste en la résolution du problème direct associé à chacun des deux opérateurs: détermination des valeurs et vecteurs propres, ainsi que leur dépendance vis à vis des potentiels. La présence de fonctions de Bessel due à la singularité explicite induit des difficultés lors de la détermination d'asymptotiques. La seconde partie porte sur la résolution de ces problèmes spectraux inverses. À l'aide d'opérateurs de transformations nous évitons les difficultés induites par la singularité. Ils nous permettent de développer une théorie spectrale inverse pour les opérateurs singuliers considérés. Précisément, nous construisons une application spectrale bien adapté à l'étude de la stabilité du problème inverse ainsi qu'à l'étude des ensembles isospectraux. Un résultat d'injectivité est aussi obtenu pour les opérateurs AKNS et de Dirac singuliers avec potentiels réguliers.

Cette thèse porte sur des aspects théoriques et numériques de l'optimisation de forme ainsi que sur la stabilisation de fonctions solutions d'équations aux dérivées partielles. Dans la première partie, on s'intéresse à la minimisation des valeurs propres du laplacien avec conditions aux limites de Dirichlet. On étudie plus particulièrement la minimisation de la seconde valeur propre du laplacien sous contraintes de volume et de convexité. Après avoir démontré certaines propriétés qualitatives d'un ouvert optimal (régularité minimale et maximale, description géométrique du bord), nous répondons à une question posée par Troesh en 1973 : le stade (enveloppe convexe de deux disques tangents de memes rayons) n'est pas un ouvert optimal pour ce problème d'optimisation. Dans un deuxième chapitre, nous présentons différents résultats numériques ayant trait à la minimisation d'une valeur propre de rang donné. Dans un second temps, nous exposons certaines propriétés qualitatives d'un ensemble solution d'un problème de transport optimal. Là encore, ce travail est complété par des illustrations numériques obtenues à l'aide d'un algorithme de type stochastique. Le travail de la dernière partie est consacré à la stabilisation rapide de l'équation des ondes par des méthodes d'analyse non harmonique. Nous y présentons aussi un nouveau résultat de monotonie concernant des suites de zéros des dérivées de fonctions de Bessel.

Le sujet de ma thèse est la théorie de la pénalisation, développée originalement par B .Roynette, P. Vallois et M. Yor dans le cas du mouvement brownien. En quelques mots, cela consiste à favoriser des trajectoires de mesure nulle en mettant un poids sur la mesure de probabilité.<br />La première partie de ma thèse est la contrepartie discrète de leur travail:<br />Soit $\left(\Omega,\,\left(X_n,\,\mathcal F_n,\,n\geq0\right),\mathcal F_\infty=\bigvee_{n\geq0}\mathcal F_n,\,\p\right)$ la marche aléatoire symétrique où $\mathcal F_n$ est la filtration canonique.<br />Pour des fonctionnelles positives et adaptées $G:\mathbb N\times\Omega\time\Omega\rightarrow\mathbb R^+$, j'étudie $\forall n\in\mathbb N,\,\forall\Lambda_n\in\mathcal F_n$, la limite quand $p\rightarrow\infty$ de la quantité:<br />\begin{equation*}<br />\frac{\e_x[\mathds{1}_{\Lambda_n}G_p]}{\e_x[G_p]}<br />\end{equation*}<br />Quand cette limite existe, elle est égale à $Q\left(\Lambda_n\right):=\e_x[\mathds{1}_{\Lambda_n}M_n]$ où $\left(M_n,n\geq0\right)$ est une martingale positive non uniformément intégrable. La définition de $Q$ induit une nouvelle probabilité sur $\left(\Omega,\,\mathcal F_\infty\right)$ et on étudie alors $\left(X_n,n\geq0\right)$ sous $Q$.<br />Dans une seconde partie, j'essaye d'étendre cette théorie à un processus de naissance et de mort. Rappelons que ces processus ont la propriété de ne changer d'état que vers les états les plus proches et cela après un temps aléatoire exponentiel.<br />Plus précisément, je pénalise un processus de naissance et de mort transient par le nombre de visites dans l'état 0 (ce qui est comme une pénalisation par le temps local). Quand je force ce processus à visiter une infinité de fois l'état 0, je prouve que, sous la nouvelle mesure de probabilité induite par pénalisation, le processus se comporte comme un processus de naissance et de mort récurrente.}

Cette thése concerne l'existence et la régularité de solutions d'équations non-linéaires elliptiques, d'équations paraboliques et d'équations de Hesse avec mesures, et les critéres de l'existence de solutions grandes d'équations elliptiques et paraboliques non-linéaires. \textbf{Liste de publications} \begin{description} \item[1.] Avec M. F. Bidaut-Véron, L. Véron; {\em Quasilinear Lane-Emden equations with absorption and measure data,} Journal des Mathématiques Pures et Appliquées,~{\bf 102}, 315-337 (2014). \item[2] Avec L. Véron; {\em Quasilinear and Hessian type equations with exponential reaction and measure data,} Archive for Rational Mechanics and Analysis, {\bf 214}, 235-267 (2014). \item[3] Avec L. Véron; {\em Wiener criteria for existence of large solutions of quasilinear elliptic equations with absorption,} 17 pages, soumis, arXiv:1308.2956. \item[4] Avec M. F. Bidaut-Véron; {\em Stability properties for quasilinear parabolic equations with measure data,} 29 pages, á apparaître dans Journal of European Mathematical Society, arXiv:1409.1518. \item[5] Avec M. F. Bidaut-Véron; {\em Evolution equations of $p$-Laplace type with absorption or source terms and measure data}, 21 pages, á apparaître dans Communications in Contemporary Mathematics, arXiv:1409.1520. \item[6] {\em Potential estimates and quasilinear parabolic equations with measure data,} 118 pages, arXiv:1405.2587v1. \item[7] Avec L. Véron; {\em Wiener criteria for existence of large solutions of nonlinear parabolic equations with absorption in a non-cylindrical domain,} 29 pages, soumis,\\ arXiv:1406.3850. \item[8] Avec M. F. Bidaut-Véron; {Pointwise estimates and existence of solutions of porous medium and $p$-Laplace evolution equations with absorption and measure data,\em } 27 pages, soumis, arXiv:1407.2218. \end{description}\begin{description} \item[1.] Avec M. F. Bidaut-Véron, L. Véron; {\em Quasilinear Lane-Emden equations with absorption and measure data,} Journal des Mathématiques Pures et Appliquées,~{\bf 102}, 315-337 (2014). \item[2] Avec L. Véron; {\em Quasilinear and Hessian type equations with exponential reaction and measure data,} Archive for Rational Mechanics and Analysis, {\bf 214}, 235-267 (2014). \item[3] Avec L. Véron; {\em Wiener criteria for existence of large solutions of quasilinear elliptic equations with absorption,} 17 pages, soumis, arXiv:1308.2956. \item[4] Avec M. F. Bidaut-Véron; {\em Stability properties for quasilinear parabolic equations with measure data,} 29 pages, á apparaître dans Journal of European Mathematical Society, arXiv:1409.1518. \item[5] Avec M. F. Bidaut-Véron; {\em Evolution equations of $p$-Laplace type with absorption or source terms and measure data}, 21 pages, á apparaître dans Communications in Contemporary Mathematics, arXiv:1409.1520. \item[6] {\em Potential estimates and quasilinear parabolic equations with measure data,} 118 pages, arXiv:1405.2587v1. \item[7] Avec L. Véron; {\em Wiener criteria for existence of large solutions of nonlinear parabolic equations with absorption in a non-cylindrical domain,} 29 pages, soumis,\\ arXiv:1406.3850. \item[8] Avec M. F. Bidaut-Véron; {Pointwise estimates and existence of solutions of porous medium and $p$-Laplace evolution equations with absorption and measure data,\em } 27 pages, soumis, arXiv:1407.2218. \end{description}

Le travail effectué au cours de cette thèse a porté sur le développement et la mise en œuvre de nouvelles stratégies en microscopie non linéaire permettant d'augmenter le nombre de signaux non linéaires simultanément observables d'une part, et la vitesse d'acquisition d'autre part. Dans un premier temps, nous avons exploré la possibilité de produire des signaux multiples au moyen de deux trains d'impulsions synchronisés de longueur d'onde centrale distincte. Nous avons montré que cette approche permet d'exciter de façon optimale et simultanée trois protéines fluorescentes respectivement bleue, jaune, et rouge. Une application de cette méthode consiste à imager de grands volumes de tissus marqués avec des transgènes Brainbow dans le but d'étudier la connectivité ou le lignage cellulaire. Plus généralement, nous avons montré que cette approche permet de combiner plusieurs signaux non linéaires tels que la fluorescence, la génération de seconde (SHG) et de troisième (THG) harmoniques, ainsi que le mélange à quatre ondes (FWM). Dans un deuxième temps, nous avons étudié la possibilité d'augmenter la vitesse d'imagerie. Pour cela, nous avons mis en œuvre plusieurs manières de produire des faisceaux de Bessel focalisés afin d'augmenter la profondeur de champ d'un microscope à balayage. Enfin, en vue d'augmenter la vitesse d'acquisition tout en préservant le sectionnement optique, nous avons construit un microscope biphotonique à nappe de lumière de profil spatial programmable. Dans cette géométrie nous avons comparé les propriétés d'imagerie de profils d'excitation de type gaussien et de Bessel pour des applications en biologie du développement.

Diplomová práca pojednáva o skalárnej teórii difrakcie a zavádza dôležité riešenie vlnovej rovnice a to elipticky symetrický Gaussov zväzok. V praktickej časti bude popísané modelovanie difrakcie na kruhovom otvore dvoma rôznymi prístupmi. Model bude experimentálne overený experimentom. V záverečnej časti bude kriticky pojednané o výsledkoch experimentu a simulácie.

<p>Disertacija se bavi sumiranjem redova sa specijalnim funkcijama. Ovi redovi se posredstvom trigonometrijskih redova svode na redove sa Riemannovom zeta funkci&shy;jom i srodnim funkcijama. U određenim slučajevima sumacione formule se mogu dovesti na takozvani zatvoreni oblik, &scaron;to znači da se beskonačni redovi predstavljaju konačnim sumama. Predloženi metodi sumacije omogućavaju ubrzanje konvergencije, a mogu se primeniti i kod nekih graničnih problema matematičke fizike. Sumacione formule uključuju kao specijalne slučajeve neke formule poznate iz literature, ali i nove sume, s obzirom da su op&scaron;teg karaktera. Pomoću ovih formula sumirani su i redovi sa integralima trigonometrijskih i specijalnih funkcija.</p> / <p>This dissertation deals with the summation of series over special functions. Through<br />trigonometric series these series are reduced to series in terms of Riemann zeta and<br />related functions. They can be brought in closed form in some cases, i.e. infinite<br />series are expressed as finite sums. Closed form formulas make it possible to accele&shy;<br />rate the convergence of some series, and have many applications in various scientific<br />fields as well. For example, closed form solutions of the boundary value problem in<br />mathematical physics can be obtained. Summation formulas include particular cases<br />known from the literature, but because of their general character one can come to<br />new sums. By means of these formul&aacute;is the sums of series over integrals containing<br />trigonometric or special functions have been found.</p>

<p>H-mere i H-distribucije su mikrolokalni objekti koji se koriste za ispitivanje jake konvergencije slabo konvergentnog niza u prostorima Lebega i prostorima Soboljeva. H-mere su uveli Tartar i&nbsp; Zerar (koji ih zove mikrolokalne mere defekta), u radovima [34] i [19]. H-mere su Radonove mere koje daju informacije o mogu &acute; cim oblastima jake konvergencije slabo konvergentnog<em> L</em>² niza. Da bismo mogli da posmatramo i slabo konvergentne<em> L</em>^p nizove za 1 &lt; p &lt; &infin;, Antonić&nbsp; i Mitrović u radu [11] uvode H-distribucije.</p><p>U disertaciji dajemo konstrukciju H-distribucija za slabo konvergentne nizove u <em>W</em>^-k,p prostorima, kad je 1 &lt; p &lt; &infin;, k &isin; ℕ&nbsp;i pokazujemo da kada je H-distribucija pridružena slabo konvergetnim nizovima jednaka nuli za sve test funkcije, onda imamo lokalno jaku konverenciju datog niza.</p><p>Takođe je pokazan i lokalizacijski princip, koji nam daje oblast u kojoj imamo lokalno jaku&nbsp; konvergenciju slabo konvergentnog niza. H-mere i H-distribucije deluju na test funkcije &phi;&nbsp;i &psi;&nbsp;(odgovarajuće regularnosti) koje su definisane na ℝ^d i S^d-1 (jedinična sfera u ℝ^d), pri&nbsp; čemu je funkcija &psi;, koju zovemo množilac, ograničena. U disertaciji uvodimo i H-distribucije sa neograničenim simbolom, pri čemu posmatramo slabo&nbsp; konvergentne nizove u Beselovim H^p_-s prostorima, gde je 1 &lt; p &lt; &infin;; s &isin; ℝ. U ovom delu koristimo teoriju pseudo-diferencijalnih operatora i dokazujemo kompaktnost komutatora [<i>A</i>_&psi;, T_&phi;] za razne klase množioca &psi;,&nbsp; &scaron;to je potrebno za dokaz postojanja H-distribucija. Takođe pokazujemo odgovarajuću verziju lokalizacijskog principa.</p> / <p>H-measures and H-distributions are microlocal tools that can be used to investigate strong conver-gence of weakly convergent sequences in the Lebesgue and Sobolev spaces.</p><p>H-measures are introduced by Tartar and G&eacute;rard (as microlocal defect measures) in papers [34] and [19]. H-measures are Radon measures and they provide information about the set of points where given weakly convergent sequence in <em>L</em>² converges strongly. In paper [11], Antonić and Mitrović introduced&nbsp; H-distributions in order to work with weakly convergent <em>L</em>^p sequences.</p><p>In this thesis we give construction of H-distributions for weakly convergent <em>W^-</em>^k,p sequences, where 1 &lt; p &lt; &infin;; k &isin;&nbsp;N. We show that if the H-distribution corresponding to given weakly convergent sequence is equal to zero, then we have locally strong convergence of the sequence. We also prove localization principle.</p><p>H-measures and H-distributions act on test functions &phi; and &psi;&nbsp;(regular enough) which are defined on ℝ^d and ^d-1 (unit sphere in ℝ^d ) and the function &psi;, which is called multiplier, is bounded. We also introduce H-distributions with unboundedmultipliers and in this&nbsp; case we assume that weakly convergent sequences are in Bessel potential spaces H^p_-s , where 1 &lt; p &lt; &infin;, s &isin; ℝ. Theory of pseudo-differential operators is used in construction of H-distributions with unbounded multipliers. We prove compactness of the commutator [<em>A</em>_{<em>&psi;</em>},T_&phi; ] for different classes of multipliers y and appropriate version of localization principle.</p>