Les fibres optiques représentent une évolution technologique fantastique. Leur utilité n'est plus à prouver, que ce soit pour transmettre des signaux de télécommunications, produire des cavités laser de toutes sortes ou des capteurs permettant d'obtenir de l'information sur un système. Ces capteurs utilisent les capacités intrinsèques des fibres optiques telles que la passivité chimique et électrique, une petite taille, la polyvalence et la robustesse afin de produire une solution de détection généralement peu coûteuse et permettant une détection à une grande distance. De plus, l'interférométrie permet souvent d'obtenir d'incroyables valeurs de résolution avec des capteurs fibrés. Dans le cadre de ce projet, nous proposons un schéma de capteur fibré interférométrique actif. Le capteur utilise le battement de fréquences entre deux cavités laser DFBs (Distributed FeedBack) jumelles pour une mesure très sensible. Un DFB est une cavité laser fait d'un réseau de Bragg à saut de phase au centre, inscrit dans de la fibre dopée, ici du thulium. L'utilisation de deux cavités laser jumelles permet l'émission de deux signaux laser à une longueur d'onde presqu'identique. Lorsque ces signaux sont combinés sur un photodétecteur, le battement de fréquence entre ceux-ci est détecté dans le domaine des radio-fréquences. Toute variation de la longueur d'onde d'émission d'une des deux cavités produite par un paramètre, tel qu'une variation de la longueur ou de l'indice de réfraction de la cavité, entraîne une variation détectable de la fréquence du battement. Cette méthode interférométrique permet la production d'un capteur ponctuel sensible, à haute résolution, très polyvalent, simple et peu coûteux. C'est l'utilisation de deux DFBs distincts pour produire le capteur qui apporte ces excellentes qualités au capteur. Aux chapitres 1 et 2 seront abordés respectivement la théorie entourant les capteurs fibrés et plus précisément les capteurs interférométriques, ainsi qu'une revue de littérature de l'état de l'art dans ce domaine. Le chapitre 3 aborde la fabrication et la caractérisation de cavités laser qui serviront à former le capteur. Une preuve de concept du capteur utilisé pour la mesure d'une variation de température ou de tension est présentée au chapitre 4. Une résolution de 7x10⁻⁴ ° C en température et de 24nϵ en tension est obtenue. Finalement, au chapitre 5, une méthode permettant la mesure d'une variation d'indice de réfraction avec le capteur, ainsi que les performances attendues d'un tel capteur seront présentées. Ces travaux présentent donc une preuve de concept pour un capteur interférométrique actif sensible dont la polyvalence ouvre la porte à la détection d'une multitude de paramètres. / Optical fibers are a fantastic and useful technology. They can be used to transmit telecommunications signals, make various laser cavities or produce sensors allowing us to gather information on a system. These sensors use the intrinsic characteristics of optical fibers, such as low chemical and electrical reactivity, small size, versatility and robustness in order to produce remote detection solutions that are generally low cost. Using interferometry, great resolution values can be obtained with fibered sensors. With this project, we propose a scheme for an active interferometric fibered sensor. This sensor uses the beat frequency between two twin DFB (Distributed FeedBack) cavities to obtain a very sensitive measurement. The fiber DFB we use is a laser cavity made from a Pi-shifted Bragg grating, inscribed into thulium doped fiber. By using two twin lasers, the wavelength of both laser signals are almost identical. When these optical signals are combined on a photodector, the beat frequency between them is detected in the radio-frequency domain. A variation of the emission wavelength of one laser produced by a variation of length or refractive index of the cavity leads to a detectable variation of the beat frequency. This interferometric method allows the production of a sensitive point sensor, with high resolution, versatile, simple and at low cost. It is the use of two distinct twin DFBs to make the sensor that confers it these excellent qualities. In chapter 1 and 2, theory around fibered sensors and more precisely interferometric sensors will be covered, as well as a literarture review of the state of the art in this field. Chapter 3 will present the fabrication and characterisation of the laser cavities that make up the sensor. Measurements of temperature and strain variation will serve as a proof of concept in chapter 4. A resolution of 7x10⁻⁴ ° C in temperature and 24nϵ in strain is obtained. Finally, in chapter 5, a method allowing to measure a variation of refractive index with the sensor is presented, as well as the expected performances of such a sensor. This work therefore presents a proof of concept for a sensitive active interferometric fibered sensor whose versatility opens the door to the detection of a multitude of parameters.

Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans

Le système nerveux central (SNC) est composé d'une population hétérogène de neurones. L'étude de leurs propriétés fonctionnelles à l'intérieur du SNC est indispensable afin de parvenir à comprendre leur rôle dans l'intégration du signal à l'intérieur d'un réseau. Pour accéder à ces informations, il est essentiel de pouvoir enregistrer de manière électrophysiologique des cellules identifiées dans le tissu intact. Ce type d'enregistrement ciblé est un défi, spécialement pour les circuits locaux de neurones. Pour prendre pleinement avantage des récentes techniques de marquages fluorescents, l'habilité à enregistrer des cellules individuelles électrophysiologiquement doit être combinée à un système de détection optique. Ce système doit être lui aussi capable de détecter les neurones sur une base individuelle profondément dans le SNC. Cette thèse fait la description d'une nouvelle microsonde optique et électrique basée sur une fibre optique à deux cœurs : un cœur optique permettant d'excitation local de la fluorescence de cellules marquées par un fluorophore et permettant aussi de collecter la fluorescence émise, et un cœur creux remplis d'électrolytes permettant l'enregistrement électrophysiologique unitaire de manière extracellulaire. Cette nouvelle approche permet la production de microsondes ayant suffisamment de résolution spatiale optique pour détecter une cellule unique : la microsonde peut être étirée pour obtenir un diamètre de pointe allant jusqu'à 6 µm, ce qui est plus petit que les corps cellulaires de la plupart des populations neuronales. La thèse présente l'évolution des différents designs de microsonde et du montage expérimental. Pour caractériser les propriétés optiques des sondes, une série d'expériences in vitro (sur des tranches cérébrales de rat) ont été réalisées ainsi qu'une série de simulations numériques. Par la suite, des expériences in vivo (sur le SNC de rat et souris) ont été faites pour identifier et enregistrer des neurones spinothalamique unitaires marqués au DiI ainsi que des neurones cérébraux de souris génétiquement modifiés pour exprimer de la GFP dans leurs cellules GABAergiques. Cette thèse présente aussi un critère spatial optique et électrophysiologique afin de confirmer la co-détection de cellules unitaire. Cette nouvelle microsonde ouvre de larges possibilités pour les enregistrements électrophysiologiques in vivo en donnant accès, en parallèle, aux signaux optiques unicellulaires. / The central nervous system is composed of heterogeneous populations of neurons. Studying their functional properties in the intact central nervous system (CNS) is key to be able to understand their respective role in signal processing within entire networks. To achieve this, it is essential to be able to record electrophysiologically from identified neurons in the intact tissue. Recording from identified cells types in vivo has remained a challenge, especially for local circuit neurons. Novel fluorescent labeling techniques open new possibilities on that front. To take full advantage of these recent developments, the ability to record electrophysiological signals from single neurons must be combined with optical detection of individual cells deep into CNS tissue. Here it describe the development of a novel microprobe based on a dual core optical fiber: an optical core that excites locally fluorescent labeled cells and collects back the fluorescence, and an electrolyte filled hollow core that performs classical extracellular single unit electrophysiological measurements. In contrast to previous solutions, this novel design allows production of microprobes with sufficient optical resolution for single cell detection: the microprobes could be pulled down to tips sizes of 6 µm, which is smaller than the cell body diameter of most neuron populations. It is presented the evolution of the microprobe design and the experimental setup. To characterize the optical properties of the probes, it is showed a series of in vitro experiments and numerical simulations. Then, it is presented in vivo experiment to identify and record single spinal neurons labeled retrogradely with fluorescent dyes as well as single GABAergic interneurons expressing GFP in the brain of transgenic mice. It's also established a spatial criterion to correlate optical and electrophysiological signals, confirming co-detection of single cells. This novel microprobe vastly expands possibilities for in vivo electrophysiological recording by providing parallel access to single cell optical monitoring.

Pour les structures en béton armé, la corrosion des armatures représente la plupart des pathologies observées. Aujourd'hui, pour réduire les coûts de maintenance, une détection avant l'apparition de la corrosion permettrait d'optimiser la gestion des infrastructures. Il est observé que les détériorations les plus rapides sur les structures en béton armé se développent en présence simultanée d'eau liquide et d'ions chlorure qui accélèrent l'apparition et le développement de la corrosion des armatures. Lorsque la concentration de chlorures dans le béton d'enrobage dépasse un certain seuil, la couche de passivation est détruite, et la corrosion des aciers d'armature s'initie. Ce phénomène est accentué dans les pays où les sels de déglaçage sont utilisés pour la sécurité routière, ainsi qu'en bordure de zones maritimes. Ce mémoire propose une nouvelle méthode de monitorage non destructive permettant d'observer l'évolution des concentrations en ions chlorure dans le béton d'enrobage. Ce monitorage permet de surveiller en continu, et en temps réel, la concentration en chlorures libres dans les pores de béton afin d'évaluer la phase d'initiation de la corrosion. Le monitorage consiste en un capteur chimique à fibres optiques qui a été développé et testé. Des études théoriques et expérimentales ont permis la calibration et validation du capteur dans des échantillons de mortier. Une lumière bleue transite à l'intérieur des fibres optiques, atteignant à leur extrémité une pastille sensible aux ions chlorure. Avec l'analyse par spectroscopie de fluorescence, souvent utilisée dans le domaine de la biochimie et de la médecine, les concentrations d'ions chlorure libres dans l'eau interstitielle du béton sont déterminées. Ce capteur de petite taille, est facile à placer à différentes profondeurs dans le béton d'enrobage permettant de suivre en continu la concentration des chlorures contenue dans l'eau interstitielle à l'intérieur des pores du béton. / For reinforced concrete structures, corrosion of reinforcements represents most of the pathologies observed. Today, to reduce maintenance costs, detection before the onset of corrosion would optimize infrastructure management. It is observed that the fastest deterioration on reinforced concrete structures develop in the simultaneous presence of liquid water and chloride ions which accelerate the appearance and development of reinforcement corrosion. When the concentration of chlorides in the concrete coating exceeds a certain threshold, the passivation layer is destroyed, and the corrosion of reinforcing steel is initiated. This phenomenon is accentuated in countries where de-icing salts are used for road safety, as well as, in marine regions. This research work proposes a new non-destructive monitoring method allowing to observe the evolution of the chloride ion concentrations in the cover concrete. This sensor makes it possible to continuously monitor, in real time, the concentration of free chlorides in the concrete pores in order to evaluate the initiation phase of the corrosion. The innovative instrument consists of a fiber optic chemical sensor that has been developed and tested. Theoretical and experimental studies allowed the calibration and validation of the sensor in mortar samples. Blue light travels inside the optical fibers, reaching at their ends a patch sensitive to chloride ions. With fluorescence spectroscopy analysis, often used in the field of biochemistry and medicine, the concentrations of free chloride ions are determined. This small-sized sensor is easy to place at different depths into concrete structures, to continuously monitor the concentration of chlorides contained in the pore solution.

Cette thèse porte sur le développement et la caractérisation d’une matrice 2D de détecteurs à fibres scintillantes plastiques pour la dosimétrie des faisceaux de photons d’énergie mégavoltage utilisés en radiothérapie. Les propriétés visées lors de la conception du détecteur matriciel furent la justesse, l’équivalence à l’eau, une bonne résolution spatiale, un nombre élevé de détecteurs, et une lecture à haute fréquence des doses déposées. La première partie de cette thèse fut consacrée à améliorer la justesse de la méthode spectrale utilisée pour corriger l’effet Cerenkov. Deux procédures aptes à extraire de façon juste les coefficients d’étalonnage ont été développées. Les résultats ont montré que cette méthode peut corriger l’effet Cerenkov avec une justesse de 1%. La seconde partie de cette thèse fut consacrée à la conception, la réalisation et la validation d’un détecteur matriciel composé de 781 dosimètres insérés dans un fantôme eau-équivalent. Un système optique a aussi été développé. Il fut déterminé qu’en moyenne, l’écart-type des mesures est inférieure à 1 % pour les doses supérieures à 6.3 cGy. Il fut aussi démontré que les distributions de dose ne sont pas perturbées (à +/- 1.1 %) par la présence des dosimètres à l’intérieur du fantôme. La caractérisation de la dépendance angulaire a révélée que les incidences des faisceaux ont peu d’impact sur la justesse des mesures. Le détecteur matriciel a aussi été validé dans le contexte de la radiothérapie à intensité modulée (IMRT). Onze plans de traitement ont été mesurés et les résultats ont montré d’excellents accords avec les doses calculées à l’aide d’algorithmes convolution-superposition ou mesurées avec des films radiochromiques. La sensibilité et la spécificité du détecteur matriciel aux erreurs de position d’une lame et d’un banc de lame d’un collimateur multi-lames (MLC) ont été déterminées en appliquant la théorie de détection du signal. Cette étude conclut que les dosimètres à fibres scintillantes plastiques pourraient permettre d’améliorer la qualité de la dosimétrie en IMRT, en raison de leurs avantages par rapport aux autres dosimètres, tels que l’équivalence à l’eau, une haute résolution spatiale, la lecture à haute fréquence, et une très faible dépendance angulaire. / This thesis deals with the development and characterization of a 2D array of plastic scintillation detectors for the dosimetry of megavoltage energy photon beams used in radiation therapy. The characteristics sought with the detector array are accuracy, water-equivalence, a good spatial resolution, a large number of detectors and a high frequency readout of the doses deposited. The first part of this thesis is devoted to the improvement of the accuracy of the spectral method used to correct the Cerenkov effect. A study has determined the optimal attenuation characteristics for the optical fibers and two procedures able to accurately extract the calibration coefficients were developed. Measurements performed in various situations showed that this method can correct the Cerenkov effect with an accuracy of 1 %. The second part of this thesis relates to the design, realization and validation of a detector array consisting of 781 plastic scintillation detectors inserted vertically into a plane of a water-equivalent phantom. An novel optical system was also designed. It was determined that, on average, the standard deviation of measurements is smaller than 1 % for doses deposited greater than 6.3 cGy. It was also demonstrated that the dose distributions are not perturbed (within +/- 1.1 %) by the presence of the detectors inside the phantom. The characterization of the angular dependence showed that the incidences of radiation beams have very little effect on the accuracy of measurements. The detector array was also validated in the context of intensity-modulated radiation therapy (IMRT). Eleven treatment plans were measured and the results showed excellent agreements with dose distributions calculated with convolution-superposition algorithms or measured with radiochromic films. The sensitivity and specificity of the detector array to position errors of one leaf and one leaf bank of a multileaf collimator (MLC) were also determined by applying the principles of signal detection theory. The study concluded that plastic scintillation detectors could allow improving the quality of dosimetry in IMRT, due to their advantages compared to other dosimeters, such as water-equivalence, high frequency readout, high spatial resolution and a very low angular dependence.

Cette maîtrise a été financée à l'aide une bourse en milieu pratique «BMP innovation» dans le cadre d'un partenariat entreprise-université. La société Opsens a développé un capteur de pression de type interférométrique à fibre optique pour le monitorage de la pression dans le fond de puits de pétrole. Ce capteur (OPP-W GEN I) a déjà fait ses preuves dans des environnements corrosifs à des températures et pressions allant jusqu'à 300°C et 5000kPa. La société désire produire une nouvelle version du produit (OPP-W GEN II) avec une plage d'utilisation plus grande (300°C, 35000kPa). Toutefois, la technique de liaison (soudure) actuelle entre la membrane et la base du capteur ne permet pas une plage de pression aussi grande. Le but du projet de maîtrise est de développer une nouvelle soudure répondant aux exigences de la deuxième version du produit. La recherche se divise en trois différentes méthodes. Le brasage dur avec aluminium a d'abord été expérimenté. Il s'agit de chauffer sous vide un métal entre deux surfaces jusqu'à liquéfaction et de refroidir doucement par la suite. L'oxydation de l'aluminium a ensuite été testée par différentes façons. L'objectif était de produire une stoechiométrie semblable à celle du saphir (AI₂O₃). La deuxième méthode utilise un laser continu Nd-YAG au lieu du four pour chauffer le métal. L'énergie du faisceau focalisé permet de liquéfier très localement le milieu absorbant. En opérant ainsi, on espérait créer des zones de stress et une structure de l'aluminium plus encline à la diffusion de l'oxygène. Toutefois, les résultats montrent que cette technique ne facilite aucunement l'oxydation. La dernière méthode expérimentée utilise un laser femtoseconde. La microsoudure par ce type de laser se démarque des autres techniques de soudure sur plusieurs points. D'abord, elle ne nécessite aucun matériau d'apport. Les effets non linéaires des impulsions ultra-brèves créent la chaleur nécessaire à la soudure. De plus, la zone thermiquement affectée est très réduite (de l'ordre du micromètre).