Semiclassical theories have proven to be a versatile tool in ultrafast strong field science. In this thesis, the power of classical trajectory Monte Carlo (CTMC) and quantum trajectory Monte Carlo (QTMC) simulations is celebrated by applying them in various strong field ionization settings. One question to be addressed concerns the way nonadiabaticity in the ionization process manifests itself. It will be shown how the assumption of a vanishing initial longitudinal momentum is the reason for the strong broadening of the initial time spread claimed in a popular nonadiabatic theory. Moreover, it will become clear how the broader time spread of this theory and the non-zero initial longitudinal momenta of another widely applied nonadiabatic theory approximately compensate each other during propagation for typically studied nonadiabatic parameters. However, parameters in the nonadiabatic but still experimentally relevant regime will be found where this approximation breaks down and the two different theories lead to distinguishably different momentum distributions at the detector after all, thus allowing to test which theory describes the situation at the tunnel exit more accurately. After having tunneled through the barrier formed by the laser and Coulomb poten-tial, the electron does not necessarily leave the atom for good but can be captured in a Rydberg state. A study of the intensity-dependence of the Rydberg yield will reveal, among other things, nonadiabatic effects that can be used as an independent test of nonadiabaticity in strong field ionization. Moreover, it will be shown that the duration of the laser pulse can be used to control both the yield and principal quantum number distribution of Rydberg atoms. The highly enhanced and spatially inhomogeneous fields close to a nanostructure are another setting in which atoms can be ionized. Here, the emergence of a prominent higher energy structure (HES) in the spectrum of photoelectrons will be reported. The narrow time-window in which the corresponding electrons are released suggests a promising method for creating a localized source of electron pulses of attosecond duration using tabletop laser technology. Having such potential applications in mind, analytical expressions are derived to describe the electrons’ motion in the inhomogeneous field, thus being able to control the spectral position and width of the HES. Moreover, a unifying theory will be developed in which the recently reported experimental finding of a low-energy peak (LEP) can be understood to arise due to the same mechanism as the theoretically predicted HES, despite those two effects having been found in different energy regimes so far. This unifying theory will show how the well-established experimental technique in which the LEP was reported, i.e. ionization directly from the nanotip rather than from atoms in its vicinity, should allow the realization of a prominent and narrow peak at higher energies as it was theoretically described in the framework of the HES. Despite being much weaker, the spatial inhomogeneity of the Coulomb potential can influence the photoelectron spectrum as well. It will be shown how the asymmetric Coulomb potential of a tilted diatomic molecule introduces an asymmetry in the photoelectron momentum distribution at the detector. The degree of asymmetry depends on whether the electron is born at the up- or downfield atom. This information is then used to quantify the ratio of ionization from the up- and downfield site from experimental photoelectron momentum distributions.

Semiclassical theories have proven to be a versatile tool in ultrafast strong field science. In this thesis, the power of classical trajectory Monte Carlo (CTMC) and quantum trajectory Monte Carlo (QTMC) simulations is celebrated by applying them in various strong field ionization settings. One question to be addressed concerns the way nonadiabaticity in the ionization process manifests itself. It will be shown how the assumption of a vanishing initial longitudinal momentum is the reason for the strong broadening of the initial time spread claimed in a popular nonadiabatic theory. Moreover, it will become clear how the broader time spread of this theory and the non-zero initial longitudinal momenta of another widely applied nonadiabatic theory approximately compensate each other during propagation for typically studied nonadiabatic parameters. However, parameters in the nonadiabatic but still experimentally relevant regime will be found where this approximation breaks down and the two different theories lead to distinguishably different momentum distributions at the detector after all, thus allowing to test which theory describes the situation at the tunnel exit more accurately. After having tunneled through the barrier formed by the laser and Coulomb poten-tial, the electron does not necessarily leave the atom for good but can be captured in a Rydberg state. A study of the intensity-dependence of the Rydberg yield will reveal, among other things, nonadiabatic effects that can be used as an independent test of nonadiabaticity in strong field ionization. Moreover, it will be shown that the duration of the laser pulse can be used to control both the yield and principal quantum number distribution of Rydberg atoms. The highly enhanced and spatially inhomogeneous fields close to a nanostructure are another setting in which atoms can be ionized. Here, the emergence of a prominent higher energy structure (HES) in the spectrum of photoelectrons will be reported. The narrow time-window in which the corresponding electrons are released suggests a promising method for creating a localized source of electron pulses of attosecond duration using tabletop laser technology. Having such potential applications in mind, analytical expressions are derived to describe the electrons’ motion in the inhomogeneous field, thus being able to control the spectral position and width of the HES. Moreover, a unifying theory will be developed in which the recently reported experimental finding of a low-energy peak (LEP) can be understood to arise due to the same mechanism as the theoretically predicted HES, despite those two effects having been found in different energy regimes so far. This unifying theory will show how the well-established experimental technique in which the LEP was reported, i.e. ionization directly from the nanotip rather than from atoms in its vicinity, should allow the realization of a prominent and narrow peak at higher energies as it was theoretically described in the framework of the HES. Despite being much weaker, the spatial inhomogeneity of the Coulomb potential can influence the photoelectron spectrum as well. It will be shown how the asymmetric Coulomb potential of a tilted diatomic molecule introduces an asymmetry in the photoelectron momentum distribution at the detector. The degree of asymmetry depends on whether the electron is born at the up- or downfield atom. This information is then used to quantify the ratio of ionization from the up- and downfield site from experimental photoelectron momentum distributions.

TRIUMF utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faiceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Le besoin d'accéder à des régions de plus en plus exotiques est une source de nouveaux défis pour la production de faisceaux. L'un d'entre eux concerne l'élimination des contaminations iso-bariques polluant le faisceau d'intérêt. Pour résoudre ce problème, un nouveau type de source d'ions tirant parti d'un quadriple radio-fréquence (RFQ) et de l'ionisation résonante par laser (LIS) a été développé. La gamme de fréquence du RFQ (500 kHz - 3 MHz) et l'amplitude du signal (10 - 200 V cc) permettent la production de tout isotope pouvant être ionisé par laser à ISAC. Les tests variés menés avec la nouvelle source RFQ - LIS ont permis de démontrer que presque 100 % des contaminants, ionisés par contact avec une surface chaude, pouvaient être repoussés, ne laissant qu'un faisceau d'ions purs ionisés par laser. Afin de développer un prototype fonctionnel, des simulations de trajectoires d'ions dans un RFQ opérant avec une onde carrée ont été effectuées. De plus, l'étude de la dynamique dans l'espace de phase et des équations du mouvement par méthode matricielle ont permis de simuler l'acceptance et la limite de charge d'espace du RFQ. Cette dernière a été établie à 90.5 nA pour une fréquence d'opération de 1 MHz et avec un paramtre quadriplaire qu de 0,59. Cette condition certifie le bon fonctionnement du RFQ puisque les intensités de faisceaux mesurées étaient généralement de quelques dizaines de nA. Afin d'accueillir la source nouvellement développée et de permettre le développement d'autres sources, un système expérimental a été construit. Il permet d'opérer à des énergies de faisceaux pouvant atteindre 35 keV. La chambre expérimentale est munie d'un déflecteur sphérique électrostatique (90°) ainsi que d'un spectromètre de masse pour permettre de caractériser la composition en masse des faisceaux d'ions produits. L'acquisition quasi simultanée de masses jusqu'à 300 amu ainsi que le système de détection double permettant des mesures d'intensités allant d'un seul ion à plusieurs nA, rendent le système pratique en comparaison des systèmes courants basés sur des aimants. Enfin, le nouveau système expérimental permet d'effectuer une grande variété de mesures. Ceci inclut les mesures d'efficacités de sources d'ions, la caractérisation des largeurs d'impulsions d'ions produits par laser ainsi que le développement de nouveaux schémas d'ionisation laser.

No / The Flinders Sensitive Line (FSL) rat is a genetic animal model of depression. Following recent findings that the brain fatty acid composition of FSL is characterised by increased arachidonic acid (AA), we used electrospray tandem mass spectrometry and 1H-NMR to examine lipid species in different brain areas. Cholesterol and sphingolipids were increased in the hypothalamus of the FSL rats. Furthermore, arachidonic acid-containing phosphatidylcholine species (AA-PC) were elevated with PC16:0/20:4, PC18:1/20:4 and PC18:0/20:4 (p<0.003) increased in the hypothalamus and striatum. In contrast, there was a decrease in some docosahexaenoic acid (DHA)-containing species, specifically PC18:1/22:6 (p<0.003) in the striatum and PE18:1/22:6 (p<0.004) in the prefrontal cortex. Since no significant differences were observed in the erythrocyte fatty acid concentrations, dietary or environmental causes for these observations are unlikely. The increase in AA-PC species which in this animal model may be associated with altered neuropathy target esterase activity, an enzyme involved in membrane PC homeostasis, may contribute to the depressive phenotype of the FSL rats.

No / Prostanoids modulate the activity of human pregnant myometrium and their functional role can be appreciated through characterisation of prostanoid receptors and tissue concentration of prostanoids. We have applied a lipidomic approach to elucidate the profile of prostanoids in human non-labouring and labouring myometrium. We have identified a total of nineteen prostanoids including prostacyclin, thromboxanes, prostaglandins and dihydro-prostaglandins. Prostacyclin was the predominant prostanoid in both non-labouring and labouring myometria, with PGD2 and PGF2¿ being the second most abundant. Although the total amount of prostanoids was increased in the labouring tissue, PGE2 and 13,14-dihydro-15-keto-PGE2 were the only prostanoids to increase significantly at early and late labour (p¿0.001). Our data suggest that PGF2¿ plays an important role in parturition, whilst the increase in PGE2 could occur to facilitate cervical dilation and relaxation of the lower myometrium during labour. Although the elevation in TXA2 was less marked than expected, in terms of translation to function even a relatively small increase in the level of this potent spasmogen may have significant effects.

La filamentation dans l'atmosphère est devenue un sujet de recherche des plus attrayants à cause de ses applications possibles à la télédétection de polluants, au contrôle de la foudre, à la génération d'impulsion laser de quelques cycles et à la génération de terahertz à distance. La filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense induit non seulement une transformation significative dans le profil spatio-temporel de l'impulsion laser, mais elle brise en plus la centro-symétrie du milieu de propagation. Le mécanisme physique derrière la filamentation est donc complexe. Plusieurs processus non linéaires intéressants se produisent simultanément au cœur du filament. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets principaux non linéaires qui surviennent pendant la filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense dans l'air. Les impulsions laser utilisées dans ces expériences proviennent d'une chaîne laser Ti : saphir commerciale. L'évolution complète d'un filament dans l'air est systématiquement étudiée. L'émission de fluorescence du filament, son diamètre et son contenu spectral sont mesurés. Nous montrons qu'un filament peut être vu comme une colonne « auto-guidée » avec deux sections d'ionisation: une première où l'ionisation est efficace suivie par une seconde, faiblement ionisée. Le diamètre du cœur du filament demeure quant à lui presque constant. L' « auto-conversion » vers les basses fréquences est observée en fonction de la longueur du filament et elle est causée par la réponse Raman moléculaire. Il est aussi démontré que l'intensité élevée au cœur du filament dans l'air induit une forte biréfringence instantanée due à la modulation de phase croisée d'origine électronique et une forte biréfringence retardée due à la réponse Raman. Cette dernière mène à la génération d'un séparateur de polarisation gazeux ultrarapide sans seuil de dommage ni limitation spectrale. De plus, on observe expérimentalement que l'émission terahertz provenant soit d'un filament à une couleur dans l'air, soit d'un filament à deux couleurs, a une polarisation elliptique. Ceci est attribué au bris de la symétrie de l'air dans le filament. Finalement, nous étudions la polarisation de la radiation terahertz provenant d'un filament soumis à un champ électrique DC. On montre qu'une nouvelle source de terahertz, différente de l'émission terahertz provenant d'un filament à une couleur sans champ externe, est générée en appliquant un champ électrique externe. La polarisation linéaire de cette source de terahertz est parallèle au champ DC. / Filamentation in the atmosphere has become one of the most attractive research topics due to its promising potential applications, such as remote atmospheric pollutants detection, lightning control, few-cycle laser pulse generation and remote terahertz generation, etc. The filamentation process of an intense femtosecond laser pulse not only induces significant transformations in the spatio-temporal profile of the laser pulse but also breaks the centro-symmetry of the propagation medium. Thus, the physical mechanism of the filamentation process is quite complex. Many interesting nonlinear processes take place simultaneously inside the filament core. The aim of this thesis is to investigate key nonlinear processes occurring during the filamentation of intense femtosecond laser pulses in air. The laser pulses used in the experiments are delivered by a commercial Ti-Sapphire femtosecond laser system. A full evolution of a femtosecond laser filament in air is systematically investigated, including the emitted fluorescence signal, the diameter of the filament core and the spectrum of the filament. It is found that a filament could be regarded as a self-guided column with two ionizing sections: one with efficient ionization followed by the other weakly ionized. The diameter of the filament core stays almost constant, and continuous self-frequency down shift in the spectrum is observed as a function of the filament length, which is due to molecular Raman response. It is also demonstrated that the high intensity within the core of an air-filament induced an instantaneous strong birefringence thanks to electronic cross phase modulation and a delayed strong birefringence due to rotational Raman response, the latter leading to the generation of an ultrafast gaseous polarization separator that is free from damage threshold and spectral bandwidth limitation. Moreover, it is experimentally observed that terahertz emission from either a one-color air-filament or a two-color air-filament is elliptically polarized due to symmetry-breaking of air in the filament zone. Finally, we investigated the polarization of the terahertz radiation from a DC-biased filament. It is demonstrated that a new terahertz source, apart from the terahertz emission from a one-color filament without DC-bias, is generated by applying a DC bias to a one-color filament. The linear polarization of this terahertz source is parallel to the DC field.

Le sujet de ce mémoire porte sur une nouvelle technologie, permettant d'améliorer l'utilisation d'un spectromètre de masse dans le domaine de l'analyse instrumentale de petites molécules (100 à 1200 uma), tant sur le point de vue de la rapidité d'analyse, que sur les coûts d'opérations et de maintenance. Dans un marché de plusieurs milliards de dollars, incluant entre autre l'industrie pharmaceutique, toxicologique ou environnementale, cela peut se traduire par des gains énormes. Cet instrument, la source d'ionisation LDTD (Laser Diode Thermal Desorption), a été développé entièrement par une entreprise québécoise et sera l'objet central de la présente étude en étant mis à l'essai afin de détecter et quantifier la présence dans le miel d'un résidu d'antibiotique dangereux pour l'être humain, le chloramphenicol (CAP). Lors du développement de cette méthode, une découverte particulière et fortuite a permis une amélioration de l'efficacité d'utilisation de l'appareil pour certaines applications en utilisant des acides gras comme agents exaltants. On démontrera donc l'efficacité de la source LDTD afin de détecter des niveaux de CAP aussi bas que dans les méthodes jusqu'à présent publiées, mais dans un temps d'analyse près de 100 fois plus rapide.

La filamentation du laser femtoseconde provient d'un équilibre dynamique entre l’autofocalisation Kerr et la défocalisation par le plasma autogénéré produit de l’ionisation multiphotonique/tunnel des molécules dans l'air. Ce phénomène a attiré beaucoup d’attention des scientifiques telles que la télédétection de polluants atmosphériques et l'identification moléculaire par l'alignement des molécules. Cependant, il y a une multitude de processus non linéaires lors de la filamentation. Quant à l'application, il est important d'avoir une compréhension des mécanismes physiques présents lors de la filamentation induite par l’optique non linéaire. Étant donné de nombreux de phénomènes et d’applications de la filamentation, cette thèse se concentre sur une partie de ces aspects. Ceux-ci sont la rotation de la polarisation laser dans les gaz atomiques/moléculaires, le processus d’émission laser des molécules d'eau dans l'étalonnage air, lde l'humidité à travers la spectroscopie induite par un filament, ainsi que le renforcement de la fluorescence par un réseau de diffraction de plasma. La rotation de la polarisation laser d'une sonde polarisée initialement linéaire a été étudié dans les gaz atomiques/moléculaires. Dans les gaz atomiques, la biréfringence ultrarapide induite par l’effet Kerr a été mesurée quantitativement. Dans les gaz moléculaires, la biréfringence et les états de polarisation de la production de la sonde ont été modulés à la renaissance rotationnelle de la molécule. Également, nous avons étudié expérimentalement la fluorescence induite par filament à partir des fragments dissociés dans l'air. Les émissions de fluorescence des radicaux libres OH à 308.9 nm et NH à 336.0 nm ont été observés dans l'air. La fluorescence rétrodiffusée par le groupement OH et le groupement NH présentait une augmentation exponentielle accompagnant l'augmentation de la longueur du filament qui indique l’existence de l'émission spontanée amplifiée (ASE). En plus, on étudie la spectroscopie de fluorescence induite par filament à partir du réseau de diffraction pour le plasma. Le réseau de diffraction pour le plasma a été généré par des filaments non colinéaires qui se superposés et synchronisés temporellement dans l'air. Une série de spectres des fragments excités du CN a été observée. L’intensité de fluorescence du radical CN en utilisant un réseau de diffraction par le plasma est beaucoup plus forte que celle utilisant des filaments séparés temporellement. / Femtosecond laser filamentation, which originates from a dynamic equilibrium between Kerr self-focusing and defocusing by the self-generated plasma produced by multiphoton/tunnel ionization of air molecules, has attracted a lot of scientific applications such as remote sensing of atmospheric pollutants, molecular identification by the alignment of molecules, etc. However, there are many nonlinear processes taking place during filamentation. From the application point of view, it is important to have a good understanding of the detailed physics behind filamentation induced nonlinear optics. Since there are many nonlinear phenomena and applications for filamentation, the thesis only focuses on few aspects of filamentation. Those are: the polarization rotation in atomic/molecular gases, the lasing action of water molecules in air, the humidity calibration through the filament-induced spectroscopy, as well as the fluorescence enhancement by plasma grating. The polarization rotation of an initially linearly polarized probe pulse was studied in atomic/molecular gases. In atomic gases, the ultrafast birefringence induced by Kerr effect was quantitatively measured. In molecular gases, the birefringence and the polarization states of the output probe were modulated at the rotational revival of molecule. We also experimentally investigate the filament-induced fluorescence from the dissociated fragments in air. Fluorescence emissions from OH free radicals at 308.9 nm and NH free radicals at 336.0 nm were observed in air. The backscattered fluorescence from both OH and NH exhibited an exponential increase with increasing filament length, indicating amplified spontaneous emission. We have further investigated the filament-induced fluorescence spectroscopy from a plasma grating. The plasma grating was generated by non-collinearly overlapping temporally synchronized filaments in air. A series of spectral lines from the excited fragments of CN was observed. The fluorescence intensity from CN radicals in plasma grating was much stronger as compared to the case of temporally separated filaments.

La dynamique de fragmentation des molécules poly-atomiques est un problème compliqué du fait de l'existence de couplages entre leurs différents degrés de liberté. Dans le but de comprendre le rôle de ces couplages, nous avons étudié la fragmentation de molécules triatomiques induite par impact d'ions rapides multichargés. L'intérêt de ces ions est de conduire à une ionisation multiple de la molécule au cours d'une interaction d'une durée de quelques attosecondes (10-18s). Ce temps est suffisamment bref pour que la relaxation, par fragmentation, de l'ion moléculaire ainsi créé se fasse hors de toute perturbation extérieure. Les premières études réalisées sur le CO2 soumis aux ions Ni24+ de 8 MeV/u ont montré que la fragmentation de l'ion moléculaire CO2q+ pouvait être modélisée par une fragmentation concertée synchrone (q=3) ou une fragmentation concertée asynchrone (q=2), i.e. par l'intermédiaire d'un mode de vibration asymétrique de la molécule. Nous avons réalisé des expériences avec des molécules non linéaires telles que NO2, D2O, H2O et HDO pour lesquelles les couplages entre degrés de liberté sont différents de ceux rencontrés dans les molécules linéaires comme CO2, et ainsi tester ce modèle de dissociation plus sévèrement. Dans le cas de fragmentation du NO22+ induite par des ions Ne8+ de 4.7Mev/u, des fortes différences, par rapport à CO22+, ont été observées en raison de la contribution de la géométrie. La fragmentation de HDO2+ a permis de confirmer à haute et basse énergie de collision, un important effet isotopique: la rupture de la liaison O-H est 5.7 fois plus probable que celle de la liaison O-D.

Dans les milieux ionisés existe un grand nombre d’espèces chimiques. Beaucoup sont en quantité minoritaire mais jouent pourtant, par leur grande réactivité, un rôle essentiel dans les processus de transformation chimique. Cette étude s’intéresse à la structure et à la dynamique des ions moléculaires, ainsi qu’aux collisions réactives pour des systèmes intervenant dans les atmosphères planétaires et dans le milieu interstellaire, comme les réactions mettant en jeu le monoxyde de carbone. Des modélisations numériques sont nécessaires à la préparation des expériences de fusion thermonucléaire. Enrichis par les résultats expérimentaux, concernant les ions d’hydrocarbures tels que le méthane, ils fournissent une aide pour l'interprétation des phénomènes observés dans les tokamaks. L’identification des réactions physiques à l’origine de la présence de particules dans le plasma est une étape importante afin de comprendre les environnements ionisés. Les systèmes examinés à Louvain-la-Neuve sont donc choisis pour leur intérêt immédiat en astrophysique ou en physique des plasmas. Alors que la connaissance des processus d'ionisation par impact d'électrons d’espèces atomiques ou ioniques simples est bien établie, ce n’est pas encore le cas lorsque la cible primaire est un ion moléculaire. L'existence d'au moins un degré de liberté supplémentaire rend possible la dissociation de l'ion moléculaire initial en plusieurs fragments, une partie de l’énergie potentielle est alors transférée sous forme d’énergie cinétique aux produits. En conséquence, ceux-ci sont généralement distribués dans de larges gammes angulaire et énergétique. L’analyse fine des distributions permet d’étudier les détails de la collision électronique. L’expérience a pour thématique majeure la mesure des sections efficaces absolues en fonction de l’énergie des électrons projectiles incidents, pour des réactions impliquant des espèces ioniques polyatomiques. L’observation des seuils de réaction et de l’énergie cinétique des fragments permet de déterminer la zone de Franck-Condon accessible et les états moléculaires impliqués dans les processus considérés. Les travaux réalisés au laboratoire ont démontré que l'appareillage existant est bien approprié à ce type d’étude. A un niveau plus fondamental, l’examen comparatif minutieux des présentes mesures, des résultats issus d’autres expériences et des prédictions des formalismes semi-empiriques, permet d’améliorer la connaissance des phénomènes collisionnels.