In order to generate high harmonics (multi-keV regime) from which a coherent X-ray source can be made, ultrashort mid-infrared laser pulses are necessary. This document presents the basics of the generation of IR pulses using Nd:YAG and Ti:Sapphire systems currently in use in Prof. Bernd Witzel’s laboratory. A first section explains the process by which the original pump laser (Nd:YAG, 1064 nm, 10 ns) is converted into a secondary pump at 2 µm, which is a mandatory step in order to interact with the amplifying medium due to the molecular structure of CO2. This conversion is realized by using an optical parametric oscillator (OPO) and an optical parametric amplifier (OPA). More precisely, the selection of the non-linear medium to use for the OPO and OPA (KTP) is explained. In addition, which mirrors are best-suited for the OPO and the relevant non-linear physical equations (amplitude-coupled equations) are described. Next, a second section aims to expose the theory that makes it possible to use a 2 µm nanosecond pump to amplify the 10 µm, femtosecond radiation derived from a femtosecond Ti:Sapphire laser. The limits and conditions for this process are explained; in short, we find that the CO2 gas pressure must reach 40 atm. In order to do so, an aluminum gas cell with two thick ZnSe windows must be used. Finally, the last part of this thesis describes and explains the design of the aforementioned CO2 cell necessary to the amplifying process. The optimal length of the cell, its geometry and its windows (made from ZnSe, with a 5.1 mm thickness) are the subject of a detailed analysis

La spectroscopie double-peigne est une technique qui consiste à faire interférer deux peignes de fréquences laser légèrement désynchronisés ayant sondé un échantillon afin de retrouver sa signature spectrale avec une haute résolution et à grande vitesse. Cependant, elle requiert deux lasers qui sont mutuellement cohérents, une contrainte qui est habituellement satisfaite par stabilisation active au prix d’une plus grande complexité matérielle. Cette thèse aborde ce problème en présentant des solutions qui permettent l’utilisation de peignes en opération libre, simplifiant ainsi la technique du double-peigne. On démontre d’abord une plateforme laser compacte capable de générer une paire de peignes de fréquences qui sont affectés de manière similaire par les perturbations environnementales. Elle est basée sur une puce de verre dopée à l’erbium contenant plusieurs guides d’ondes inscrits par laser et séparés de quelques centaines de microns. Deux guides adjacents sont pompés simultanément et opérés en régime de synchronisation modale à ∼ 1 GHz dans la bande de 1.5 μm pour fournir une paire de peignes corrélés. Le bruit de fréquence en opération libre de cette source est ensuite caractérisé et on estime un temps de cohérence mutuelle qui dépasse le temps de mesure requis pour obtenir un spectre à haute résolution. Ceci est rendu possible grâce à l’utilisation de lasers qui sont intrinsèquement peu bruités, à l’intégration mécanique de la source, et à l’utilisation d’une grande différence entre les cadences des peignes. On présente aussi deux algorithmes de correction qui, lorsque combinés avec notre source double-peigne, permettent d’étendre artificiellement son temps de cohérence afin d’augmenter le temps de moyennage utile sans sacrifier la résolution spectrale. Ces algorithmes estiment et compensent la phase et le temps d’arrivée des interférogrammes mesurés, et ce sans recourir à aucune mesure externe des fluctuations des peignes. Ils sont d’abord décrits en détail puis leurs limites sont déterminées de façon quantitative à partir des paramètres des peignes et de leur bruit de fréquence relatif, où une grande différence entre les cadences apparaît comme étant la clé d’une correction réussie. Finalement, les performances du spectromètre double-peigne assisté par la correction logicielle sont démontrées en mesurant le spectre de transmission de l’acétylène et du cyanure d’hydrogène avec un échantillonnage spectral de ∼1 GHz. La qualité des mesures est validée par comparaison avec des spectres simulés à partir de données connues. / Dual-comb spectroscopy is a technique where two slightly detuned laser frequency combs are interfered together after probing a sample under study in order to retrieve its spectral signature with a high resolution and at high speed. However, it requires two lasers that are mutually coherent, a constraint that is most often satisfied by active stabilization at the cost of an increased hardware complexity. This thesis tackles this issue by presenting solutions that allow the use of free-running combs, thus simplifying the dual-comb technique. First, we demonstrate a compact laser platform able to generate a pair of frequency combs that are similarly affected by environmental perturbations. It is based on an erbium-doped glass chip containing a number of ultrafast-laser-inscribed waveguides separated by a few hundred microns. Two adjacent waveguides are pumped simultaneously and passively mode-locked at ∼1 GHz in the 1.5 μm band to deliver a pair of correlated frequency combs. The free-running frequency noise of this source is characterized thoroughly and its mutual coherence time is found to exceed the measurement time required to retrieve a high-resolution spectrum. This is made possible by the use of intrinsically low-noise waveguide lasers, by the dual-comb source’s mechanical integration, and by the use of a large repetition rate difference between the combs. We also present two correction algorithms that, when combined with our dual-comb source, allow to artificially extend its coherence time in order to increase the useful averaging time without sacrificing the spectral resolution. These algorithms work by estimating and compensating the phase and timing of the measured interferograms without relying on any external measurement of the combs’ fluctuations. They are first described in detail and their limitations are determined quantitatively in terms of the combs’ parameters and relative frequency noise, where a large repetition rate difference appears to be the key to a successful correction. Finally, the performance of the dual-comb spectrometer assisted by a software correction is demonstrated by measuring the transmission spectrum of acetylene and hydrogen cyanide with a spectral sampling of ∼1 GHz. The quality of the measurements is validated by comparison to spectra simulated from known data.

Titre de l'écran-titre (visionné le 2 octobre 2023) / Ce mémoire s'intéresse au développement d'un analyseur de spectre cohérent (COSA) utilisant un module laser à rétroaction répartie (DFB) comme oscillateur local (LO). L'objectif est de concevoir un analyseur de spectre cohérent plus petit, robuste et moins chers en remplaçant les lasers à cavité externe normalement utilisés, permettant ainsi d'employer de tels appareils autant dans des environnements de recherche scientifique et d'ingénierie que sur des lignes de productions ou de liens de communication déployés. L'introduction présente les méthodes d'analyse du spectre optique existantes ainsi que leurs limitations et les avantages des analyseurs de spectre optique cohérents par rapport à ces méthodes. Les bases théoriques derrière le fonctionnement des COSA sont également présentées. Le premier chapitre décrit le montage expérimental du COSA utilisé dans le cadre du mémoire. Les deux branches le composant sont décrites et la calibration nécessaire au fonctionnement de l'appareil est présentée. Le deuxième chapitre caractérise les performances de l'appareil. Le rapport signal sur bruit optique (OSNR) et la largeur de raie du signal à la sortie de l'amplificateur optique semi-conducteur (SOA) du module laser DFB sont mesurés et comparés aux performances de la portion électrique du montage afin de déterminer la dynamique et la résolution du COSA. L'appareil est ensuite utilisé pour mesurer le spectre d'un laser à cavité externe, avec et sans modulation d'amplitude, ainsi qu'avec un laser DFB. On trouve expérimentalement que le système possède une dynamique pouvant atteindre plus de 50 dB et une résolution de 10 MHz correspondant à la largeur de bande des filtres RF utilisés.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 octobre 2023) / Le mémoire s'inscrit dans un contexte de segmentation vasculaire en trois dimensions. Il s'intéresse à l'analyse d'angiogrammes cérébraux de souris acquis par microscopie deux photons in vivo. Le projet vise à départager automatiquement l'appartenance d'un voxel à l'architecture vasculaire cérébrale ou aux autres tissus. La littérature spécifique à la segmentation vasculaire d'angiogrammes acquis par microscopie deux-photons est émergente. Les modèles existants tentent de s'adapter aux limites physiques et biologiques de cette modalité afin d'extraire l'information vasculaire. La performance d'un modèle d'apprentissage profond récent est quantifiée. Les résultats motivent l'exploration des paramètres susceptibles de limiter la qualité et la robustesse de la segmentation. Un nouvel algorithme de segmentation est développé en intégrant la géométrie des vaisseaux sanguins au sein du processus de classification. La pertinence des métriques de segmentation est discutée dans un contexte de débalancement entre la classe vasculaire et les tissus. Le mémoire vise à fournir et comparer des outils numériques permettant de guider la segmentation automatique d'angiogrammes cérébraux acquis par microscopie deux-photons.

L’objectif de ce mémoire est de partager les connaissances obtenues lors de mon travail sur la spectroscopie à deux peignes et ses applications sur les matériaux solides. Pour y parvenir, certain sujets connexes sont élaborés. Dans l’ordre, on y aborde la physique des lasers, le verrouillage et la stabilisation des modes, l’interférométrie générale et celle des peignes, ainsi que la modification des impulsions des peignes de fréquence en utilisant l’ptique non-linéaires. On présente ensuite deux études expérimentales. La première porte sur la combinaison de la spectroscopie à deux peignes avec la technique pompe-sonde et la seconde sur l’analyse de la variance baseline en contexte de la spectroscopie à deux peignes. / The goal of this memoire is to communicate my work regarding the application of dual comb spectroscopy to materials beyond traditional gas phase spectroscopy. A variety of topics required to understand my work are presented, such as general laser physics, mode-locking, stabilization of the repetition rate and carrier envelope offset, interferometry, dual comb spectroscopy, and the modification of said combs via non-linear optics. Two experimental studies are presented as well. These include the combination of dual comb spectroscopy with the pump-probe technique, as well as an analysis of baseline variance incontext of dual comb spectroscopy.

Le développement de matériaux vitreux magnéto-optiques présentant un effet Faraday élevé répond à un besoin grandissant dans l'industrie des isolateurs de Faraday. Ceux présent sur le marché actuellement sont des monocristaux de Tb₃Ga₅O₁₂ avec une concentration en Tb élevée et un procédé de fabrication coûteux. Dans ce sens, l'objectif de cette thèse est de réaliser des verres et fibres optiques fortement concentrés en terbium. La première approche est basée sur l'élaboration dite « conventionnelle » de verre par la méthode fusion-trempe. Des verres de fluorophosphate suivant la loi de composition (100-x)(70 NaPO₃ ­ 30 BaF₂) x TbF₃ avec x = 35, 40, 45 et 50 mol.% ont été explorés et a permis l'obtention de verre massif présentant une constante de Verdet à 650 nm de -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour la composition optimale avec x = 50 mol.% en TbF₃. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour un verre de fluorophosphate. Ensuite, la seconde approche consiste à amplifier la réponse magnéto-optique du terbium en l'associant à une autre terre-rare via le co-dopage. À partir de la composition des verres co-dopés suivant la composition (en mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x REF₃) avec les niveaux de substitution x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 et 100 où RE = Pr, Dy et Ho ont été explorés. Des constantes de verdet à 600 nm de -84,2, -84,5 et -84,5 rad.T⁻¹.m⁻¹ ont été rapportées pour les verres co-dopés respectivement avec du praséodyme, de l'holmium et du dysprosium comparativement à une constante de Verdet de -81,9 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour le verre correspondant non co-dopé. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration de l'augmentation de l'effet Faraday par co-dopage dans des matériaux vitreux. L'influence de la géométrie de l'environnement des ions lanthanides sur l'effet associé au co-dopage a été réalisée dans des vitrocéramiques élaborées à partir des verres co-dopés de composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0,5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) avec x = 0, 1, 2, 3, 4 et 5. Ceci a permis d'observer une augmentation de l'effet Faraday par co-dopage de 7,5% pour une matrice cristalline comparativement à une augmentation de 3,7% dans une matrice vitreuse. L'interaction de super-échange associé au co-dopage est alors optimisée dans le cadre d'un environnement cristallin en raison du meilleur recouvrement orbitalaire associé. Une approche « non-conventionnelle » pour outrepasser les limites de solubilité du terbium dans une matrice vitreuse est explorée. Elle consiste en l'élaboration de verre par lévitation aérodynamique permettant d'éliminer la cristallisation induite par l'interface liquide-creuset. Des compositions binaires 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ et 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ en mol.% sont explorés et des constantes de Verdet respectives de -152 et -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ à 632 nm sont rapportées. L'exploration de compositions binaires permet également de mettre en évidence l'influence de la matrice sur l'effet Faraday. Enfin, la dernière approche vise à obtenir une fibre optique de silice à partir du procédé MCVD fonctionnalisée par l'incorporation de nanoparticules de Tb₂O₃. L'optimisation de la dispersion ex-situ de nanoparticules via le système MCVD a permis d'obtenir 4 km de fibre optique présentant une concentration de 0,1 at.% en terbium dans le cœur. Cette fibre de silice présente une constante de Verdet à 660 nm de -7,06 rad.T⁻¹.m⁻¹ pour une atténuation variant de 1,34 à 0,13 dB.m⁻¹ de 700 à 1100 nm. Cette valeur de constante de Verdet est la plus élevée rapportée pour une fibre de silice élaboré par MCVD. / The development of magneto-optical glassy materials with a high Faraday effect meets a growing need in the Faraday insulator industry. Those currently on the market are single crystals of Tb₃Ga₅O₁₂ with a high concentration of Tb and an expensive fabrication process. In this sense, the objective of this thesis is to realize glasses and optical fibers highly concentrated in terbium. The first approach is based on the so-called "conventional" elaboration of glass by the melt-quenching method. Fluorophosphate glasses following the composition law (100-x)(70 NaPO₃ - 30 BaF₂) x TbF₃ with x = 35, 40, 45 and 50 mol.% have been explored and allowed to obtain a bulk glass presenting a Verdet constant at 650 nm of -78 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the optimal composition with x = 50 mol.% in TbF₃. This value of Verdet constant is the highest reported for a fluorophosphate glass. Then, the second approach consists in amplifying the magneto-optical response of terbium by associating it with another rare-earth via co-doping. From the composition of the co-doped glasses following the composition (in mol.%) 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ x REF₃) with substitution levels x = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 25, 50 and 100 where RE = Pr, Dy and Ho were explored. Verdet constants at 600 nm of -84.2, -84.5 and -84.5 rad.T⁻¹.m⁻¹ were reported for the glasses co-doped with praseodymium, holmium and dysprosium respectively compared to a Verdet constant of -81.9 rad.T⁻¹.m⁻¹ for the corresponding non-co-doped glass. To our knowledge, this is the first demonstration of the enhancement of the Faraday effect by co-doping in glassy materials. The influence of the geometry of the lanthanide ion environment on the effect associated with co-doping was carried out in glass-ceramics developed from co-doped glasses of composition 35 NaPO₃ - 15 BaF₂ - 0.5 ((100-x) TbF₃ - x PrF₃) with x = 0, 1, 2, 3, 4 and 5. This resulted in an increase in Faraday effect by co-doping of 7.5% for a crystalline matrix compared to an increase of 3.7% in a glassy matrix. The super exchange interaction associated with co-doping is then optimized in the context of a crystalline environment due to the better associated orbital overlap. An "unconventional" approach to overcome the solubility limits of terbium in a glass matrix is explored. It consists in the elaboration of glass by aerodynamic levitation allowing to eliminate the crystallization induced by the liquid-crucible interface. Binary compositions 50 SiO₂ - 50 Tb₂O₃ and 60 Al₂O₃ - 40 Tb₂O₃ in mol.% are explored and respective Verdet constants of -152 and -160 rad.T⁻¹.m⁻¹ at 632 nm are reported. The exploration of binary compositions also allows to highlight the influence of the matrix on the Faraday effect. Finally, the last approach aims at obtaining a silica optical fiber, from the MCVD process, functionalized by the incorporation of Tb₂O₃ nanoparticles. The optimization of the ex-situ dispersion of nanoparticles via the MCVD system allowed to obtain 4 km of optical fiber with a concentration of 0.1 at.% of terbium in the core. This silica fiber presents a Verdet constant at 660 nm of -7.06 rad.T⁻¹.m⁻¹ for an attenuation varying from 1.34 to 0.13 dB.m⁻¹ from 700 to 1100 nm. This value of Verdet constant is the highest reported for a silica fiber processed by MCVD.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les verres de chalcogénure sont reconnus depuis longtemps comme le meilleur matériau pour la transmission de la lumière infrarouge et les propriétés non linéaires. Bien que ces propriétés aient été considérablement explorées dans les verres massifs, l'utilisation de verres de chalcogénure dans des applications de faible dimensions, telles que les micro et nano composants pour la photonique intégrée, a été fortement limitée en raison des difficultés de fabrication et de traitement des composants passifs et actifs de verres de chalcogénure. Les caractéristiques intrinsèques des verres de chalcogénures comme la photosensibilité élevée, la température de transition vitreuse faible et la sensibilité élevée aux solutions basiques, ont toujours été un obstacle pour la fabrication de nano et micro-composants optiques. Les procédés standards de microfabrication créent des structures non uniformes avec une haute densité de défauts et un faible rendement. De plus, comme élément actif, le développement de lasers et d'amplificateurs opérant dans l'infrarouge moyen en utilisant les chalcogénures comme matériau hôte pour les émissions de terres rares est également complexe. Malgré la transparence dans le moyen IR, les faibles énergies des phonons, et l'indice de réfraction élevé, l'incorporation des ions de terres rares dans la matrice vitreuse, sans obtenir d'agglomération et de séparation de phase, est un défi important. Dans ce doctorat, nous étudions deux approches qui peuvent apporter des solutions aux deux problèmes : la fabrication de micro et nanostructures de chalcogénure de haute qualité et l'incorporation de dopants dans des structures optiques de faible dimension. Nous étudions le système vitreux As-Se en couche mince pour la production de micro-composants optiques. La méthode de démouillage et de refusion thermique est proposée comme alternative pour corriger les défauts produits lors du processus de photolithographie ainsi que pour produire des îlots de matière répartis sur le substrat. Le démouillage des couches minces de As-Se est également utilisé pour étudier la dynamique et la cinétique du transport de masse, régies par les forces moléculaires et le flux visqueux du verre. Nous avons découvert qu'un tel processus est principalement déterminé par la structure moléculaire du verre et la connectivité du réseau et qu'il peut être contrôlé par des paramètres comme l'épaisseur de la couche mince, la température, la vitesse de chauffage et l'atmosphère, permettant la création de microstructures avec des rapports de forme élevés et de bonnes qualités optiques. La production de couches minces d'As-Se dopées à l'erbium est également abordée par l'utilisation de la méthode de co-évaporation. Nous avons pu augmenter les limites de dopage au-dessus des limites structurelles du verre As-Se en évaporant simultanément l'erbium métallique par évaporation thermique et le verre par la technique du faisceau d'électrons. Cette méthode réduit le taux d'agglomération de l'erbium et crée des films homogènes et uniformes avec une efficacité d'émission augmentée et des propriétés de fluorescence prometteuses. De plus, le rôle des défauts de chalcogénure (états localisés inter-bandes interdites) dans le mécanisme d'échange d'énergie, qui permet à l'erbium d'émettre dans une région d'excitation plus large, est étudié. Finalement, nous utilisons le traitement thermique dans le matériau dopé à l'erbium et induisons une refusion thermique de la matrice vitreuse As₂₀Se₈₀ dopée à l'erbium, dans la configuration de couche mince et de guide d'onde. Nous avons constaté que la refusion thermique peut être utilisée pour améliorer la morphologie du guide d'onde tout en augmentant simultanément l'émission de fluorescence. Ce travail démontre qu'avec les bonnes stratégies de fabrication et de traitement thermique, il est possible d'exploiter les propriétés exceptionnelles des verres de chalcogénure, qui ont le potentiel de révolutionner le domaine en plein essor de la photonique intégrée des matériaux exotiques. / Chalcogenide glasses have long been recognized for being the best material for infrared light transmission and nonlinear properties. Although such properties have been considerably explored in the bulk form, the use of chalcogenide glasses in low-dimension applications, such as micro and nano components for integrated photonics, has been severely limited due to the difficulties in the fabrication and processing of chalcogenide passive and active components. The intrinsic characteristics of chalcogenide glasses such as high photosensitivity, low glass transition temperature, and high sensitivity to basic solutions, have long been an hurdle for the fabrication of micro and nano-optical components. The standard processes of microfabrication results in non-uniform structures with a high density of defects and low yield. Furthermore, as an active element, the development of mid-IR lasers and amplifiers by using chalcogenide as host material for rare earth mid-IR emissions is also troublesome. Despite the transparency in mid-IR, the low phonon energies, and the high refractive index, the incorporation of rare earth ions into the glass matrix without obtaining agglomeration and phase separation remains a significant challenge. In this Ph.D. thesis, we investigate two approaches that may shed light on the solutions to both problems: the fabrication of high-quality chalcogenide micro and nanostructures and the incorporation of dopants into low-dimension optical structures. We investigate the As-Se glassy system in thin film configuration for the potential production of micro-optical components. The dewetting and thermal reflow method is proposed as an alternative for correcting defects produced during the photolithography process as well as producing islands of material distributed on the substrate. Dewetting of As-Se thin films is also used to investigate the dynamics and kinetics of mass transport, governed by the molecular forces and the glass viscous flow. We discovered that such process is primarily determined by the molecular structure of the glass and network connectivity and that it can be controlled by parameters such as thickness, temperature, heating rate, and atmosphere, allowing the creation of high aspect ratio microstructures with good optical quality. The production of erbium-doped As-Se thin films is also approached by the use of the co-evaporation method. We were able to increase the limits of doping beyond the structural limitations of the As-Se structure by thermally evaporating metallic erbium while simultaneously evaporating glass by the electron beam technique. This method reduces the rate of erbium agglomeration and creates homogeneous and uniform films with increased emission efficiency and promising fluorescence properties. Moreover, the role of chalcogenide defect states (localized inter-band gap states) in the energy exchange mechanism that allows erbium to emit over a wider excitation region is investigated. Finally, we implement the thermal processing in the Er-doped material, and induce thermal reflow in the erbium-doped glassy matrix As₂₀Se₈₀, in thin film and waveguide configuration. We found that thermal reflow can be used to improve the waveguide morphology while simultaneously increasing the fluorescence emission. This work demonstrates that with the appropriate production and processing strategies, it is possible to exploit the outstanding properties of chalcogenide glasses, which have the potential to revolutionize the growing field of integrated photonics of exotic materials.

Cette thèse porte sur le raffinement d’un modèle du bruit utilisé pour des mesures spectroscopiques réalisées avec des peignes de fréquences optiques. La majorité des travaux antérieurs utilisaient des peignes de fréquences où le glissement (chirp) est minimisé, en supposant que tout glissement différentiel entre les peignes allait réduire le rapport signal sur bruit. L’hypothèse sous-jacente était que l’impact du bruit multiplicatif serait augmenté, le glissement lui permettant d’agir plus longtemps sur le signal d’interférence. Cependant, d’autres recherches indiquaient plutôt contraire : le chirp pourrait améliorer la mesure. Cette thèse cherche à augmenter la compréhension du comportement du bruit lorsque les peignes ont des glissements différentiels. De plus, celle-ci apporte de nouvelles évidences sur l’utilité du chirp dans ce type de mesure. À cet effet, nous avons fait une révision bibliographique des modèles du bruit dans les peignes de fréquences optiques. Ensuite, du point de vue théorique, nous avons analysé les effets du chirp sur les bruits additifs et multiplicatifs. Pour le bruit d’intensité, nous avons proposé un modèle phénoménologique décrivant le comportement de l’émission spontanée amplifiée (ASE) dans un laser à verrouillage de mode par rotation non linéaire de polarisation. Les spectres des peignes et leurs battements ont été caractérisés en portant une attention particulière à leur relation avec l’ASE. La thèse permet de conclure que le chirp différentiel n’affecte pas les niveaux des densités spectrales de bruit. Grâce au glissement différentiel de fréquence, il est possible d’envoyer plus puissance à l’échantillon et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit des instruments à peignes de fréquence. D’un autre côté, la caractérisation de l’ASE a établi sa nature non-stationnaire. Elle a aussi expliqué des attributs spectraux qui sont observés régulièrement dans les signaux de battement des peignes. Finalement, en supposant que l’ASE circule largement dans une cavité opérée sous le seuil, sa caractérisation fournit une méthode pour estimer le déphasage non linéaire que subit le train d’impulsions femtosecondes. / This thesis proposes a noise model refinement for spectroscopic measurements using dual optical frequency combs. Until now most studies centered their efforts on noise characterization using chirp free combs based on an unproved hypothesis: measurements would get worse with chirped combs since multiplicative noises would be present over a longer duration on the interference pattern thus leading to a greater impact. However, at least one experimental result hinted to the contrary: differential chirp would actually improve the signal to noise ratio. This thesis therefore aims at increasing the understanding of noise when a differential chirp is present in a dual comb measurement. The specific goal is to provide new insights about the usefulness of chirp in this kind of measurement. With this in mind, we conducted a literature review of noise models in optical frequency combs. We subsequently analyzed the chirp’s effect in the presence of both additive and multiplicative noise. The thesis also proposes a phenomenological model to describe the amplified spontaneous emission - ASE in short pulse lasers mode locked using non linear polarization rotation. Finally the comb spectra and their beat notes are characterized putting special attention to their relation with the ASE components. As conclusions, we can report that noise power spectral density levels do not change with a differential chirp. Chirping allows sending a greater optical power through the sample, such that the measurement signal to noise ratio can be improved. On the other hand, the ASE characterization established its non-stationary nature and explained very well characteristic features routinely observed in dual comb beat notes that were not fully understood. Finally, assuming the ASE experiences a sub threshold linear cavity allows using theses features to estimate the non linear phase shift experienced by the modelocked pulse train in the laser cavity.

La tomographie optique diffuse (TOD) et la tomographie optique diffuse par fluorescence (TODF) sont de nouvelles techniques d'imagerie médicale fort prometteuses. L'utilisation de lumière dans le proche infrarouge(PIR) permet une acquisition in vivo fréquente et même en continue sans danger pour l'opérateur ou pour le sujet. Ces méthodes sont présentement le sujet de plusieurs recherches notamment par le groupe TomOptUS. Un appareil d'imagerie optique sur petit animal, le Quidd Optical imaging System (QOS) est disponible au Centre Hospitalier Universitaire de Sherbrooke (CHUS). Muni d'une caméra refroidie à haute sensibilité et d'actionneurs contrôlés par ordinateur, il donne une grande flexibilité dans la géométrie d'acquisition en permettant notamment une rotation de la caméra sur une plage de ±60 degrés. L'appareil ne permet toutefois que l'acquisition de données en rétro-diffusion (ou épi-illumination), c'est à dire que la détection sur l'animal se fait du même côté que l'illumination. En TODF, un enjeu majeur est de pouvoir imager en profondeur dans les tissus. Pour ce faire, il devient important d'avoir accès à des mesures en transillumination. Le présent mémoire traite de l'ajout de degrés de libertés au QOS affin de permettre l'imagerie en transillumination tout en conservant la capacité d'épi-illumination. La configuration développée permet de déplacer l'excitation lumineuse indépendamment de l'acquisition et ce linéairement ainsi qu'angulairement autour du sujet. L'implantation nécessitant trois degrés de libertés (DDL) supplémentaires, l'utilisation de composantes standard a été préférée. Étant donné les contraintes identifiées, un actionneur rotatif ainsi que son contrôleur à base de micro-contrôleur ont été développés. Le présent document détaille les choix de conception ainsi que l'architecture du contrôleur. Avec la réalisation de ce projet, les utilisateurs du QOS disposent dorénavant d'un appareil flexible permettant l'acquisition de données tomographiques qui aideront à imager en profondeur dans le sujet. Quoique ceci ne fasse pas partie du cadre de cette maîtrise, le but ultime de l'acquisition de ces données est la reconstruction en trois dimensions de l'intérieur de l'animal imagé.

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.