Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique. / The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed.

Un moyen d'accroître l'efficacité et de réduire la pollution dans les domaines du transport et de l'énergie consiste à concevoir des injecteurs de carburant produisant une meilleure atomisation. Au cours de cette thèse, des expériences ont été effectuées sur un injecteur airblast souvent utilisé dans les turbines à gaz. Pour réaliser ces expérimentations, un dispositif modèle en configuration annulaire a été créé afin d'étudier le cisaillement d'un film d'eau soumis à un écoulement d'air interne à forte vitesse. La technique d'imagerie rapide par ombroscopie a été utilisée pour analyser le développement du film liquide (fréquence et célérité des ondes) et l'atomisation de la nappe en sortie d'injecteur (modes de rupture). La modification des paramètres d'injection (vitesse des écoulements) a révélé un lien entre la topologie du film liquide et le régime d'atomisation primaire. Finalement, à titre exploratoire, l'influence de la géométrie de l'injecteur (longueur de préfilm) sur le mode d'atomisation primaire a également été mise en évidence

La miniaturisation des composants CMOS (complementary metal oxide semiconductor) et MEMS (micro-electro-mechanical system) a permis la réalisation de capteurs d'images de faible taille et à forte densité de pixels pour répondre à la demande d'imageurs faible coût. Classiquement, la grande densité de pixels est obtenue en réduisant simplement la taille des pixels. Cependant, cette réduction de taille détériore l'efficacité optique d'absorption des pixels, ce qui impose alors un compromis définissant une taille minimum de pixel. Les pixels ont aujourd'hui une taille de l'ordre de la longueur d'onde, et les systèmes de filtres de couleur qui eux aussi induisent parallèlement des pertes optiques, devraient être revus, de nouvelles méthodes de séparation spectrale devant être envisagées. Cette thèse explore diverses techniques pouvant être utilisées pour trier différentes longueurs d'ondes, principalement dans le lointain infrarouge (8µm-12µm) et dans le visible (0.4µm-0.7µm) vers les pixels adéquats, supprimant ainsi les pertes traditionnelles par filtrage (par absorption ou réflexion).Nous introduisons le concept de tri spectral basé sur la NOE (normalized optical efficiency), qui est le ratio de l'absorption d'un pixel sur l'énergie totale incidente sur un ensemble de pixels. Pour un nombre donné N de pixels d'une sous-matrice de l'imageur (matrice de Bayer), le phénomène de tri spectral a lieu lorsque le NOE de chaque pixel est supérieur à 1/N. Nous étudions tout d'abord par simulation optique des antennes patch de différentes tailles pour trier efficacement la lumière infrarouge. Le réseau d'antennes a été fabriqué et caractérisé dans la plateforme technologique du CEA-LETI pour valider l'étude théorique. Nous rapportons ensuite une étude sur l'utilisation de 2 structures MSM (metal-semiconductor-metal) pour atteindre une absorption supérieure à 50% à 2 longueurs d'ondes dans un détecteur Silicium. Finalement, nous présentons notre étude finale sur une structure multicouche assistée par réseau pour le tri spectral dans le visible, qui permettrait de réduire la taille des pixels dans les imageurs visibles sous le seuil du micron tout en améliorant l'efficacité d'absorption. Nous avons déduit une compréhension de la stratégie de design de telles structures de tri, et présentons une structure de tri conçue pour réaliser du tri spectral avec une efficacité de l'ordre de 80% pour des pixels de taille inférieure à 0,5µm. / The advancement and scaling effect in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and micro-electro-mechanical system (MEMS) technology has made possible to make smaller image sensors with higher density of imaging pixels to respond at the demand of low cost imagers. Generally, the higher pixel density in imaging system is achieved by shrinking the size of each pixel in an array. The shrinking of pixel dimension however deteriorates the optical efficiency and therefore impose the tradeoff between the performance and minimum achievable pixel size. As the pixel size continues to shrink and approach the dimensions comparable to the wavelength, the spectral separation techniques used in current generation imaging system should be revised and new design methodologies have to be explored. This dissertation explored different techniques that could be used to efficiently sort the band of different wavelengths, mainly in far-infrared (8µm - 12µm) and visible (0.4 µm – 0.7 µm) spectrum in different spatial locations. We introduced the concept of spectral sorting based on normalized optical efficiency (NOE). For given number of pixels (N) or detectors, we define the phenomenon of sorting if NOE of individual pixels, considering incidence power from all pixel domain, is greater than 1/N. First we study differently sized optical patch antenna to efficiently sort the infrared light in different spatial locations using numerical techniques. Using array of such antennas we find the near perfect absorption of multiple wavelengths in infrared spectrum. The antenna arrays are fabricated and characterized in CEA-LETI platform to validate our study. We also report our study on using two differently sized Metal-Semiconductor-Metal (MSM) nanostructures to achieve absorption higher than 50% in individual silicon detector for visible spectrum. Finally we present our study on grating based dielectric multilayer structure for sorting of visible light which could enable to shrink the pixel size of visible imaging system to submicron dimension. We derived the comprehensive design strategy of such sorting structure and present the sorting structure designed to achieve optical efficiency as high as 80% in pixel size of as less as 0.5µm.

La présente dissertation est principalement consacrée à la conception et à la caractérisation d’une sonde universelle pour l’imagerie volumétrique ultrasons-optoacoustique et le développement d’un algorithme de reconstruction adapté aux exigences physiques pour la conception du système. Les traits distinctifs de cette dissertation sont l’introduction d’une nouvelle géométrie pour les sondes manuelles ultrasons-optoacoustique et des évaluations systématiques basées sur des méthodes de pré-reconstruction et post-reconstruction. Pour éviter l’interprétation biaisée, une évaluation capable d’évaluer le potentiel de la sonde doit être faite. Les caractéristiques mentionnées établissent un cadre pour l’évaluation des performances du système d’imagerie d’une manière précise. En outre, elle permet d’optimiser les performances suivant l’objectif fixé. Ainsi, deux algorithmes de reconstruction anticipée ont été élaborés pour la conception du système OPUS (optoacoustique ultrasons) capables de produire des images avec un contraste et une résolution homogènes sur tout le volume d’intérêt. L’intérêt d’avoir de tels algorithmes est principalement dû au fait que l’analyse des données médicales est souvent faite dans des conditions difficiles, car on est face au bruit, au faible contraste, aux projections limités et à des transformations indésirables opérées par les systèmes d’acquisition. Cette thèse montre, aussi, comment les artefacts de reconstruction peuvent être réduits en compensant les propriétés d’ouverture et en atténuant les artefacts dus à l’échantillonnage angulaire parcimonieux. Afin de transférer cette méthodologie à la clinique et de valider les résultats théoriques, une plate-forme d’imagerie expérimentale a été développée. En utilisant le système de mesure développé, l’évolution d’une nouvelle géométrie annulaire parcimonieuse et sa dynamique ont été étudiées et une preuve de concept a été démontrée à travers des mesures expérimentales dans le but d’évaluer les progrès réalisés. / When the interest is in multiscale and multipurpose imaging, there exists such a will in integrating multi-modalilties into a synergistic paradigm in order to leverage the diagnostic values of the interrogating agents. Employing multiple wavelengths radiation, optoacoustic imaging benefits from the optical contrast to specifically resolve molecular structure of tissue in a non-invasive manner. Hybridizing optoacoustic and ultrasound imaging comes with the promises of delivering the complementary morphological, functional and metabolic information of the tissue. This dissertation is mainly devoted to the design and characterization of a hybridized universal handheld probe for optoacoustic ultrasound volumetric imaging and developing adaptive reconstruction algorithms toward the physical requirements of the designed system. The distinguishing features of this dissertation are the introduction of a new geometry for optoacoustic ultrasonic handheld probe and systematic assessments based on pre and post reconstruction methods. To avoid the biased interpretation, a de facto performance assessment being capable of evaluating the potentials of the designed probe in an unbiased manner must be practiced. The aforementioned features establish a framework for characterization of the imaging system performance in an accurate manner. Moreover, it allows further task performance optimization as well. Correspondingly, two advanced reconstruction algorithms have been elaborated towards the requirement of the designed optoacoustic-ultrasound (OPUS) imaging system in order to maximize its ability to produce images with homogeneous contrast and resolution over the entire volume of interest. This interest is mainly due to the fact that the medical data analysis pipeline is often carried out in challenging conditions, since one has to deal with noise, low contrast, limited projections and undesirable transformations operated by the acquisition system. The presented thesis shows how reconstruction artifacts can be reduced by compensating for the detecting aperture properties and alleviate artifacts due to sparse angular sampling. In pursuit of transferring this methodology to clinic and validating the theoretical results, a synthetic imaging platform was developed. Using the measurement system, the evolution of a novel sparse annular geometry and its dynamics has been investigated and a proof of concept was demonstrated via experimental measurement with the intention of benchmarking progress.

La marge convergente Nord-andine, où la subduction de la plaque Nazca sous la plaque Amérique du Sud a lieu, est caractérisée par une segmentation morphologique, structurale et sismique. Le segment qui correspond à la frontière entre la Colombie et l'Équateur a subi au cours du siècle dernier quatre grands séismes de subduction en 1906, 1942, 1958 et 1979. Afin de déterminer la structure lithosphérique à la frontière Colombie-Equateur et discuter de l'étendue spatiale de certaines hétérogénéités de vitesse imagées en 2D qui ont été associées au comportement sismique de la marge, une campagne sismique 3D a été réalisée, entre mars et avril 2005. Ce travail porte sur l'obtention d'un modèle tomographique 3D de vitesse de la zone de subduction à la frontière entre la Colombie et l'Équateur basé sur l'inversion des temps de premières arrivées des données de sismique réfraction. La tomographie 3D nous permet d'identifier deux structures particulières dans la marge, qui semblent jouer un rôle géodynamique important dans la région, un butoir à faible gradient de vitesse qui pourrait correspondre à une zone altérée de la marge par fracturation et percolation de fluides et une zone à faible vitesse entre 5 et 10 km de profondeur qui pourrait aussi marquer la présence de fluides. Ces deux structures semblent se trouver en relation géométrique avec la zone de rupture du séisme de 1958.

L'étude de la propagation de la lumière en milieu diffusant est d'un grand intérêt pour l'imagerie biologique et médicale non-invasive. Diverses méthodes temporelles femtosecondes sont basées sur l'exploitation de portes optiques ultrarapides destinées à éliminer la composante de la lumière diffusée par les structures environnant l'objet à imager. Une impulsion laser d'une centaine de femtosecondes comprend au minimum une quarantaine de cycles optiques et la notion d'onde est encore significative. Dès lors, une détection cohérente basée sur l'exploitation d'interférences pourrait à priori se superposer à une détection temporelle et en améliorer le rapport signal sur bruit. Le but de cette thèse est d'évaluer cette possibilité en développant des méthodes quantitatives de mesure de la cohérence d'impulsions laser diffusées. La première partie de la thèse présente un inventaire des méthodes actuelles d'imagerie en milieu diffusant, notamment l'OCT, la microscopie confocale et l'imagerie femtoseconde. L'intérêt des méthodes femtosecondes, utilisant des portes temporelles ultrarapides, est justifié par des simulations Monte Carlo basées sur des paramètres de diffusion rencontrés en milieu biologique. Dans la deuxième partie, après avoir monté un corrélateur interférométrique non-linéaire, les phénomènes de décohérence et d'élargissement temporel d'impulsions laser sont observés dans des milieux composés d'eau et de lait. L'utilisation d'un filtrage cohérent pour une méthode d'imagerie amplifiée est discutée. La troisième partie introduit l'interférométrie spatiale-spectrale et son application à l'étude de la cohérence et de la réponse impulsionnelle pour des milieux plus diffusants (plus de 3 diffusions). La relation entre cette réponse et les photons diffusés vers l'avant y est affirmée. La thèse montre en particulier que cette méthode ne permet pas la caractérisation complète de la réponse impulsionnelle, contrairement à ce qu'annonce une méthode d'imagerie spectrale suggérée récemment d'un point de vue théorique. Néanmoins la possibilité de l'utiliser pour un milieu sous une diffusion Rayleigh, plutôt que Mie, reste ouverte. Ce travail circonscrit les conditions d'utilisation de la cohérence dans les méthodes d'imagerie diffuse par portes temporelles femtosecondes. Cette thèse s'appuie sur des méthodes et outils expérimentaux développés spécifiquement pour la mesure de la décohérence en relation à l'élargissement temporel d'impulsions laser diffusées.

Pulmonary embolism (PE) is an extremely common and highly lethal condition that is a leading cause of death in all age groups. PE is the third most common cause of death in hospitalized patients, with an estimated 0.24% annual death rate of the population. Its symptoms are often vague and its diagnosis is a major medical challenge, with 70% of missed diagnosis in people dying from PE in hospitals. If left untreated, approximately one third of patients who survive an initial PE subsequently die from a future embolic episode. Most patients succumb to PE within the first few hours of the event. However, when properly identified, an effective treatment consisting of anticoagulants or thrombolytics is administered that dramatically reduces the mortality rate of the disease. Typically, the diagnosis of PE is manually performed by radiologists on CT images. It is a time-consuming and error-prone process, in particular because of the huge amount of data and more specifically in the case of sub-segmental and peripheral clots, which are less visible. Indeed, a typical CT dataset that is used for PE diagnosis can have more that 600 slices, the size of the smallest visible volume being in the order of magnitude of one millimeter. The duration of that review process by radiologists, excluding acquisition time, is in the order of 5 to 10 minutes, depending on evidence of the clots. The duration of an exam may become a concern considering that there is currently a lack of radiologists, that is partly due to the availability of new modalities, the increasing complexity of existing ones, and the growing number of new applications of medical imaging (functional imaging, heart CT, etc.). In that context, a computer aid can be provided whose main goal would be to decrease the time required to perform an exam, by acting either as a safeguard for radiologists or even better, if sufficiently robust and conservative, as a preliminary detection step in a computer-aided diagnosis (CAD) system. The work presented in this thesis consists of a combination of a method for segmenting the pulmonary arteries (PA), two emboli detection methods as well as a scheme for the evaluation of the performance. The segmentation of the PA serves one of the clot detection methods, and is carried out through a region growing algorithm that makes use of a priori knowledge of vessels topology. Two different approaches for clot detection are introduced. The evaluation of the method is also discussed, and a scheme for measuring its performance in terms of sensitivity and specificity is proposed, including a practical approach to making reference detection data, or ground truths, by radiologists.

The motor activity involves the activation of an extremely complex function that begins even before the action becomes perceptible. The very large number of degrees of freedom possessed by the hand seems to provide almost endless possibilities of movements. To grasp an object, it is necessary to take into account all its physical characteristics (topography, orientation, size and shape). When transmitting strength though his hand during the act of prehension, the subject must take into account the estimated weight of the object, the texture of its surface as well as the degree of stability he is aiming at. Thus, the number of parameters to deal with in order to perform the grasp seems very large. However, Napier (1956) tried to simplify the study of the prehension movement by defining two types of grip: the precision grip and the power grip. Their analysis provided a new parameter, named the opposition axis (Napier, 1955; Iberall et al. 1986), in reference to the spatial line connecting the index to the thumb and through which the forces applied to the object are transmitted during the grasp. In order to further study the prehension through the observation of the opposition axis behavior, we have performed the kinematics analysis of the hand during a prehension movement of cylindrical objects using a precision grip. A computerized motion analyzer was used to record the position of the markers placed on the hand during the grasp. A special attention was give to the position of the opposition axis at the end of the movement. Three experiments were performed involving real and simulated grasps of cylindrical objects. The results show that the opposition axis behaves as a controlled variable of both real and simulated prehension movements. This result is analyzed from a modular point of view according to the pragmatic theory of the prehension movement.