Particle analysis using multiwavelength UV-visible spectroscopy provides the potential for extracting quantitative red blood cell information, such as hemoglobin concentration, cell size, and cell count. However, if there is a significant presence of hypochromism as a result of the concentrated hemoglobin (physiological value of 33%), successful quantification of red cell values would require a correction. Hypochromism has been traditionally defined as a decrease in absorption relative to the values expected from the Beer-Lambert Law due to electronic interactions of chromophores residing in close proximity of one another. This phenomenon has been suggested to be present in macroscopic systems composed of strong chromophores such as nucleic acids, chlorophyll, and hemoglobin. The study presented in this dissertation examines the presence of hypochromism in red blood cells as a part of a larger goal to qualitatively and quantatively characterize red blood cells using multiwavelength UV-visible spectroscopy. The strategy of the study was three-fold: 1) to determine the instrumental configuration that would provide the most complete information in the acquired spectra, 2) to develop an experimental model system in which the hemoglobin content in red blood cells could be modified to various concentrations, and 3) to implement an interpretation model based on light scattering theory (which accounts for both the scattering and absorption components of the optical density spectrum) to provide quantitative information for the experimental system. By this process, hypochromicity was redefined into two categories with molecular hypochromicity representing the traditional definition and macroscopic hypochromicity being an attenuation of the absorption component due to a scattering-related effect. Successful simulations of experimental red cell spectra containing various amounts of hemoglobin were obtained using the theoretical model. Furthermore, successful quantitative interpretation of the red blood cell spectra was achieved in the context of corpuscular hemoglobin concentration, corpuscular volume, and cell count solely by accounting for the scattering and absorption effects of the particle, indicating that molecular hypochromicity was insignificant in this macroscopic system.

Dans ce travail de thèse différents outils théoriques, numériques et expérimentaux, ont été développés afin d´étudier les conditions de stabilité d'un procédé de fibrage du verre-E. Un interféromètre phase Doppler et un diffractomètre haute résolution ont été mis au point pour mesurer, en temps réel, l'évolution du diamètre d'une fibre (D = 5−42µm) en sortie de filière (vitesses : Vf = 5 − 65ms-1). L'interféromètre permet également de mesurer la tension de fibrage. Les résolutions obtenues avec ces systèmes (respectivement de 0.35µm et 0.02µm) l'ont été grâce au développement d'un modèle rigoureux de diffusion de la lumière par une cylindre multicouche et en prenant en compte des effets optiques propres à ce procédé : biréfringence uni-axe induite par la tension de fibrage, dépendance de l'indice de réfraction avec les conditions de refroidissement, fibres creuses... Le procédé de fibrage a été modélisé par l'étirage d'un jet visqueux à haute température, 1D et axisymétrique. Ce modèle hydrodynamique, physique, permet notamment de prédire l'évolution du profil axiale de température du jet, son profil de contraction... pour des régimes stationnaires et non stationnaires. Les travaux expérimentaux réalisés sur une filière mono téton ont montré que la stabilité du procédé est maximale pour des températures de fibrage de T0 = 1145− 1175°C et des fibres dont le diamètre est inférieur à D ≈ 15µm. Cependant, même dans ces conditions, le diamètre de la fibre produite fluctue périodiquement avec une amplitude moyenne de l'ordre de σD/D ≈ 1.8%. La fréquence de ces oscillations croît avec la température de fibrage : νosc = 0.5 → 0.9Hz pour T0 = 1145 → 1250˚C. Le taux moyen des fluctuations du diamètre est de l'ordre de dσD/dt ≈ 1.9µms-1 et dσD/dL ≈ 0.07µm-1 (pour Vf = 20m/s).

Les aérosols atmosphériques sont une composante essentielle de la pollution urbaine et un agent clé de la physico-chimie de l'atmosphère. Néanmoins, ils sont très mal caractérisés et de nouvelles méthodes d'étude sont nécessaires. Dans ce but, le travail présenté suit trois axes.<br />Le premier axe est la mesure quantitative des aérosols urbains au-dessus de Lyon par une nouvelle méthode combinant la télédétection optique par lidar et l'analyse de particules prélevées par impaction sur des filtres classiques. La composition et la distribution de taille des aérosols prélevés sont déterminés par microscopie optique et microanalyse. Ces informations servent à calculer les coefficients d'extinction et de rétrodiffusion grâce à un algorithme dont la particularité est de prendre en compte la nature fractale des plus petites particules. <br />Ce calcul permet de calibrer l'inversion du signal Lidar. Cette méthode combine ainsi la richesse des informations issues des filtres avec la souplesse du lidar qui donne accès à la dynamique spatiale et temporelle de la concentration globale des aérosols. Simultanément, une étude épidémiologique est effectuée sur l'exposition de volontaires aux aérosols, au travers d'une collaboration avec de Département d'Écologie Urbaine de la Ville de Lyon.<br />Parallèlement, en vue de mesurer l'efficacité des processus chimiques hétérogènes à la surface des aérosols, nous développons une enceinte de simulation permettant d'étudier une particule isolée. Dans ce but, nous avons mis au point des méthodes d'analyse optique non-destructive des particules, piégées dans un champ électrique. Nous mesurons leur taille à partir de la figure de diffusion de Mie, leur composition par spectroscopie micro-Raman, et leurs paramètres optiques utiles à l'inversion des signaux lidar grâce à une sphère intégratrice.<br />Enfin, les gouttes sphériques microscopiques se comportent comme des microcavités qui amplifient considérablement les processus optiques non-linéaires. Dans le but de développer de nouvelles techniques de détection, nous avons étudié la diffusion non-linéaire par des gouttes d'eau dont le rayon est de quelques dizaines de microns, et en particulier la génération de troisième harmonique pompée par un laser à impulsions ultrabrèves. La distribution angulaire correspondante est considérablement plus simple que celle de la diffusion de Mie linéaire, et dépend peu de la taille des gouttes. Par ailleurs, nos résultats suggèrent que les longueurs relatives de l'impulsion et de la cavité pourraient avoir une importance capitale dans la génération des processus stimulés. Ceci nous conduit à envisager un lidar non-linéaire qui serait sélectivement sensible aux particules de petites tailles.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé.

L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances d'une méthode d'imagerie optique non-invasive pour la détection de précancers et cancers précoces de la vessie, à l'aide d'une analyse de lumière laser rétro-diffusée. L'analyse de la distribution spatiale de la lumière à la surface de fantômes multi-couches imitant l'épithelium de vessie avec différentes propriétés d'absorption et de diffusion nous a permis de montrer les modifications de ces propriétés optiques entraînent des changements de la taille de la surface du spot de lumière rétro-diffusée, mesurables par une caméra vidéo. La méthode développée est également sensible à l'accumulation d'un photosensibilisateur et est applicable aussi bien pour des études en réflectance diffuse qu'en fluorescence induite. Les paramètres optiques des fantômes synthétiques tri-couches imitant différents états des épithéliums de vessie ont été calculés à partir de la théorie des ondes électromagnétiques appliquée aux diffuseurs sphériques sans et avec une couche. Ces paramètres ont servi comme entrées aux simulations de Monte Carlo qui ont permis d'obtenir les matrices des distributions d'intensité de réflectance diffuse. Notre étude démontre que les mesures en imagerie de réflectance diffuse non-polarisée permettent de fournir des informations utiles au diagnostic tissulaire.

La caractérisation de matériaux diffusants, tels les pigments, par leur indice optique complexe demeure actuellement un véritable challenge. Cet indice est la caractéristique intrinsèque au matériau, et est de ce fait, indispensable pour la simulation d'effets colorés et peut, dans le champ de la conservation-restauration, permettre la mise en place d'une méthode d'identification non-ambigüe des matériaux composant les œuvres d'art. L'objectif de cette recherche est d'élaborer une méthodologie permettant de déterminer l'indice optique complexe de ce type de matériaux. Elle constitue l'étape primordiale à l'élaboration d'une base de données d'indices optiques des pigments. Dans un premier temps, une étude théorique des phénomènes conjoint de diffusion et d'absorption résultant de l'interaction d'une onde électromagnétique avec un diffuseur, ou un ensemble de diffuseurs homogènes et sphériques, est développée. Elle consiste à définir l'influence des paramètres intrinsèques (des matériaux) et morphologiques (d'un milieu) sur les résultats obtenus lors de la résolution de l'équation du transfert radiatif (ETR) traité par la méthode 4-flux et de la théorie de Mie dans le sens direct. Dans un second temps, nous aborderons le problème inverse. À savoir, dans notre cas, remonter à l'indice complexe de particules diffusantes à partir des propriétés optiques de la couche. Nous illustrerons cette approche par l'étude d'un pigment rouge, le cinabre. Le modèle de calcul développé prend en compte les flux diffus et les flux spéculaires, mesurés sur les échantillons par spectrophotométrie couplée à une sphère d'intégration dans le domaine du visible

Metapovrchy sú nanoštruktúrované povrchy vytvorené za účelom špecifického ovládania propagácie svetla. Predstavujú revolúciu v oblastiach ultratenkých optických prvkov a nanofotonických obvodov. Zakomponovaním laditeľných dielektrických materiálov do metapovrchov sa otvára možnosť aktívne ovládať ich optické vlastnosti aj po tom, čo boli vyrobené. Oxid vanadičitý (VO2) takéto ladenie umožňuje vďaka svojej fázovej premene už pri teplote okolo 67°C a preto sa radí k najsľubnejším z laditeľných dielektrických materiálov. Nakoľko je možné postupnú fázovú premenu vo VO2 vybudiť opticky a lúč svetla je možné fokusovať do stopy s veľkosťou pár stoviek nanometrov, laditeľné metapovrchy obsahujúce VO2 by mohli byť ladené postupne a dokonca s nanometrovým rozlíšením. V tejto práci skúmame fázu a amplitúdu svetla po prechode VO2 nanoštruktúrami usporiadanými do metapovrchu navrhnutého pre viditeľnú zložku elektromagnetického žiarenia. Výskum fáze a amplitúdy je založený na numerických simuláciách VO2 nanoštruktúr (stavebných kameňov metapovrchov), ktoré sú následne overené experimentálnymi výsledkami. VO2 nanoštruktúry vykazujú taktiež Mieho dielektrické rezonancie, ktoré sú v závere tejto práce využité v postupne laditeľnom metapovrchu fungujúcom vo viditeľnej oblasti. Okrem termálneho ladenia je možné vyrobený metapovrch ovládať taktiež opticky, čo dokazuje možnosť postupného ladenia na nanometrových rozmeroch.

The living body tissues consist of cells which dimensions are bigger than a wavelength of visible light. Therefore a Mie scattering of reflected of backscaterred light occurs and different polarization states arise. The changes of polarization state due to the multiple scattering of light in the biological cellular tissues allow measure the aging of biological tissue. The reflected or backscattered polarized laser light exhibits multiple scattering on the sample surface and in its subsurface area.

Light-matter interaction in particles of subwavelength size mostly depends on the size, shape, composition of the particles and relies on the properties of incident light. Henceforth, resonant behavior of light can be effectively controlled by changing the aforesaid geometrical parameters. The aim of this study is to investigate the effect of size, shape, and material property dependency on the optimal bounds of scattering and absorption cross-section of nanoparticles. Mie theory is used here to solve Maxwell’s equations of light scattering from nanoparticles of different shape to calculate both scattering and absorption cross-sections of silicon and gold nanoparticles. In this work, numerical analysis based on Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method is performed to study the optical properties of different size and shapes of silicon and gold nanoparticles such as sphere, pyramid, ring, and cubical structures. In particular, this study reveals how the resonant behaviour (magnitude and peak position) of light varies in accordance with the change in size, shape and material of a specific particle structured in nanoscale. In conclusion, we can quantify the efficiency of a small absorbing or scattering medium and propose structures suitable for implementation in inverse design applications.

Als Aerosol bezeichnet man ein Ensemble aus festen oder flüssigen Partikeln, getragen von einem gasförmigen Medium. Zur Untersuchung von einzelnen über längere Zeit berührungsfrei gespeicherten Modellaerosolpartikeln wurde ein Experiment aufgebaut und charakterisiert. Eine elektrodynamische Falle nach Paul dient zur berührungsfreien Speicherung. In verschiedenen Rezipienten können Umweltparameter, wie die Temperatur, der Druck und die Gaszusammensetzung kontrolliert werden. Mit Hilfe der elastischen Mie-Streung und der inelastischen Raman-Streuung monochromatischen Lichts wird auf die Zusammensetzung, die Größe und den Brechungsindex in situ rückgeschlossen. Eine Computer-basierte Mess- und Regelungstechnik ermöglicht Prozessstudien mit Messdauern von einigen Sekunden bis zu mehreren Tagen, in denen die Änderung oben genannter Partikeleigenschaften unter Vorgabe bestimmter Umweltparameter beobachtet werden können. Zur Abschätzung der Größe von sphärischen und kristallinen Partikeln wurde eine Methode entwickelt, die die Musteranalyse des Streulichtfernfelds mit Hilfe der räumlichen Fourier-Transformation als Grundlage hat.Schnelle Prozesse, wie z.B. die Bewegung des Teilchens in der Falle oder Phasenübergänge von gespeicherten Partikeln, können mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und mit Musteranalyseverfahren charakterisiert werden.Schließlich wird die chemische Totalanalyse von einzelnen Partikeln unter Anwendung eines time-of-flight-Massenspektrometers beschrieben. Einzelne Partikel werden dazu mit Hilfe eines Transfersystems aus der Speicherumgebung in das Massenspektrometer überführt und anschließend ex situ analysiert.