Ce projet de recherche s’inscrit dans le domaine de la dosimétrie à scintillation en radiothérapie, plus précisément en curiethérapie à haut débit de dose (HDR). Lors de ce type de traitement, la dose est délivrée localement, ce qui implique de hauts gradients de dose autour de la source. Le but de ce travail est d’obtenir un détecteur mesurant la dose en 2 points distincts et optimisé pour la mesure de dose en curiethérapie HDR. Pour ce faire, le projet de recherche est séparé en deux études : la caractérisation spectrale du détecteur à 2-points et la caractérisation du système de photodétecteur menant à la mesure de la dose. D’abord, la chaine optique d’un détecteur à scintillation à 2-points est caractérisée à l’aide d’un spectromètre afin de déterminer les composantes scintillantes optimales. Cette étude permet de construire quelques détecteurs à partir des composantes choisies pour ensuite les tester avec le système de photodétecteur multi-point. Le système de photodétecteur est aussi caractérisé de façon à évaluer les limites de sensibilité pour le détecteur 2-points choisi précédemment. L’objectif final est de pouvoir mesurer le débit de dose avec précision et justesse aux deux points de mesure du détecteur multi-point lors d’un traitement de curiethérapie HDR. / In high dose rate brachytherapy, the dose is delivered locally to the tumour and due to the inverse square law therefore the source is surrounded by high dose gradient. Thus a small uncertainty in the source position can cause a significant dose discrepancy. This project uses scintillation dosimetry for HDR brachytherapy dose measurement applications. The purpose of this work is to develop a detector able to measure the dose at 2 separate points, and optimize for such HDR brachytherapy applications. This project is divided into two parts: the spectral characterization of a 2-points detector, and the characterization of the photodetector system. First, the 2-points detector’s optical chain is characterized using a spectrometer. This allows to determine the optimal scintillating components and to then build optimal 2-points detectors. Second, the photodetector system is also characterized using the detectors built in the first section of the project. The final goal is to use the multi-points detector for precise and accurate dose measurements for both measuring points during HDR brachytherapy treatments.

Nous rapportons dans ce mémoire l'utilisation de la détection sensible à la phase pour la suppression du bruit de fond dans une mesure de fluorescence. Une telle action pourrait contribuer à Vaugmentation du rapport signal/bruit des mesures prises dans des environnements où la diffusion de lumière et la fluorescence d'espèces parasites sont des sources de bruit de fond importantes. Pour ce faire, nous avons séparé le projet en deux parties, soit la mesure du temps de vie de fluorescence et la suppression du bruit de fond par la détection sensible à la phase. Nous avons conçu dans la première partie un montage optique permettant la mesure de temps de vie de fluorescence dans le domaine fréquentiel de l'ordre de la nanoseconde pour des fluorophores en solution. Nous avons également caractérisé à l'aide de ce montage, différentes propriétés de mélanges de fluorophores ainsi qu'un système de nanoparticules de silice dopées de fluorescéine isothiocyanate munies ou non d'un coeur en argent. Pour la deuxième partie, nous avons utilisé la variation du déphasage d'un signal de modulation d'un amplificateur à détection synchrone pour se placer dans une condition de différence d'angle de phase permettant la suppression d'une composante du signal récolté. Cette technique a permis l'augmentation d'un facteur 10 sur la sensibilité précédente pour la mesure du temps de vie de fluorescence.

La dosimétrie est la branche de la physique médicale chargée de mesurer la dose. Une variété de dosimètres ont été créés au cours des 100 dernières aimées afin de pouvoir mesurer avec précision la dose donnée aux patients subissant un traitement médical avec des rayonnements ionisants. Le plus important de ces dosimètres est sans conteste la chambre à ionisation, qui collecte la charge produite lors de l'ionisation de l'air par le passage de radiation. Cependant, les avancées technologiques récentes en radiothérapie externe, telles la modulation d'intensité qui utilise une superposition de petits champs, poussent les chambres à ionisation dans leurs derniers retranchements et motivent le développement de technologies alternatives. Une technologie d'intérêt est le scintillateur en plastique qui émet des photons optiques en réponse à une stimulation aux rayons X. Ce projet de recherche concerne le développement d'un prototype de dosimètre matriciel utilisant des fibres optiques scintillantes. Plusieurs aspects de conception du système seront abordés tels que : la conception mécanique et le blindage radiatif, la conception optique. Ce mémoire se termine avec des mesures de dose réalisées avec un accélérateur linéaire médical à l'Hôtel-Dieu de Québec.

Bien cerner le rôle des processus liés à la formation et l’évolution des nuages moléculaires est essentiel à notre compréhension globale du milieu interstellaire (MIS) et de la formation stellaire. Les complexes gazeux à haute latitude galactique sont des laboratoires parfaits pour étudier la physique du MIS puisque n’entre en jeu que la turbulence, les champs magnétiques et le champ de radiation interstellaire. Utilisant des indices fournis par des raies d’absorption du H2 dans l’UV et la variation de couleur des grains de poussière, nous avons fait une recherche systématique de lieux de formation de molécules dans l’espoir de trouver des sites à différentes étapes d’évolution. / Understanding the processes related to the formation and evolution of molecular clouds is essential to our understanding of the interstellar medium (ISM) at large and of star formation. High galactic latitude clouds are ideal laboratories for studying the physics of the ISM as only turbulence, magnetic fields and the interstellar radiation come into play. Using clues from H2 absorption lines in UV and by comparing dust emissions to HI column density, we have probed the morphology and dynamics of many molecular clouds, in the hopes of identifying regions at different stages of evolution.

Nous présentons ici une nouvelle étude du reste de supernova G78.2 +2.1 basée sur les plus récentes données du Relevé Canadien du Plan Galactique (RCPG ou CGPS en anglais). Suite à une soustraction du rayonnement thermique à l'aide d'une corrélation entre le continu radio à 1420 MHz (CGPS) et le continu en infrarouge à 60^m, une analyse de l'indice spectral de température nous donne (3 — 2,75 pour le reste de supernova (RSN), soit une valeur de 0,2 supérieure à celle obtenue lors de travaux antérieurs. De plus, une très grande variation de cet indice est observée sur l'ensemble de l'objet mais plus spécifiquement dans la partie ouest de G78.2 +2.1. Également, l'analyse de l'hydrogène neutre (HI) a permis de mettre en évidence des structures que l'on pense être associées au reste de supernova. / We present a new study of the supernova remnant G78.2 +2.1 made with recent data from the Canadian Galactic Plane Survey (CGPS). A thermal correlation constructed from the radio (1420MHz) and infrared (60 //m) images allowed us to subtract the thermal emission from the original image. A spectral index analysis yields a value of temperature spectral index 0 = 2, 75 for the supernova remnant, or 0,2 over the value found in previous works. Furthermore, many variations of the spectral index are observed over the whole object, specifically in the western part of G78.2 +2.1. An analysis of the HI data allowed us to find structures that we argue are associated with the super nova remnant.

Les axicons sont principalement connus pour leur propriété à produire des faisceaux Bessel. Cependant, certains ont également la propriété de produire une focalisation en anneau soit directement ou avec l’ajout d’une lentille. Nous avons analysé la possibilité de faire un axicon avec un profil d’indice de réfraction qui produirait un anneau. Plus précisément, nous avons analysé la possibilité de faire une composante qui incorpore la fonction linéaire d’une lentille conique et la fonction parabolique d'une lentille. Le profil d’indice de réfraction analysé a une variation radiale et permet de produire une focalisation annulaire périodique. Un profil similaire a déjà été étudié sommairement par E. Marchand puis par Rosa M. Gonzalez. Cependant, les solutions proposées par eux sont des solutions approximatives et leur analyse est limitée. Il existe déjà des fibres optiques avec des indices de réfraction semblable à ce que l’on cherche, donc ces axicons ont le potentiel d’être utilisés directement pour une fibre optique. Nous avons déterminé la solution exacte du profil d’indice de réfraction qui permet la focalisation en anneau et nous avons démontré théoriquement que l’anneau produit est de bonne qualité. Nous avons étudié la possibilité de produire un faisceau Bessel à partir de cette composante optique que nous nommons GLA (Grin Lens Axicon) et les simulations montrent que le Faisceau Bessel peut être de très bonne qualité. Des tests expérimentaux ont été faits pour montrer qu’il est possible de produire un faisceau Bessel avec le GLA. / Axicons are mostly known for their capacity to produce Bessel beam. However, some axicon has the propriety to produce annular focusing whether directly or by adding a lens. In this text we have study the possibility to produce an axicon with gradient index of refraction that produce an annular focusing. More precisely we study the possibility to produce a component which incorporates the linear function of a conical lens and the parabolic function of a lens. The study refraction index profile has a radial variation and allow to a periodic annular focalisation. A similar refractive index profile has already been study by E. Marchand then by Rosa M. However, the solutions proposed by them are approximate solutions and their studies are limited. Some optical fiber already has index profile like the one we are interest so this axicon have the potential to be use for optical fiber application. We have demonstrated theoretically the exact refractive index profile that produce annular focusing and we have demonstrated theoretically that the ring produce is of good quality. We have also studied the possibility to produce a Bessel beam with this device that we name GLA (Grin Lens Axicon) and the simulation show that the beam could be of excellent quality. Some experimental tests have been done to show that it is possible to produce a Bessel beam with a GLA.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Les objets d’études de la science moderne sont souvent complexes : sociétés, pandémies, grilles électriques, niches écologiques, etc. La science des réseaux cherche à mieux com- prendre ces systèmes en examinant leur structure. Elle fait abstraction du détail, en rédui- sant tout système à une simple collection de noeuds (les éléments constitutifs du système) connectés par des liens (interactions). Fort d’une vingtaine d’années de recherche, on peut constater que cette approche a mené à de grands succès scientifiques. Cette thèse est consacrée à l’intersection entre la science des réseaux et l’inférence statistique. On y traite de deux problèmes d’inférence classiques : estimation et test d’hypothèses. La partie principale de la thèse est dédiée à l’estimation. Dans un premier temps, on étu- die un modèle génératif bien connu (le modèle stochastique par blocs), développé dans le but d’identifier les régularités de la structure des réseaux complexes. Les contributions origi- nales de cette partie sont (a) l’unification de la grande majorité des méthodes de détection de régularités sous l’égide du modèle par blocs, et (b) une analyse en taille finie de la cohérence de ce modèle. La combinaison de ces analyses place l’ensemble des méthodes de détection de régularités sur des bases statistiques solides. Dans un deuxième temps, on se penche sur le problème de la reconstruction du passé d’un réseau, à partir d’une seule observation. À nouveau, on l’aborde à l’aide de modèles génératifs, le transformant ainsi en un problème d’estimation. Les résultats principaux de cette partie sont des méthodes algorithmiques per- mettant de solutionner la reconstruction efficacement, et l’identification d’une transition de phase dans la qualité de la reconstruction, lorsque le niveau d’inégalité des réseaux étudiés est varié. On se penche finalement sur un traitement par test d’hypothèses des systèmes complexes. Cette partie, plus succincte, est présentée dans un langage mathématique plus général que celui des réseaux, soit celui des complexes simpliciaux. On obtient un modèle aléatoire pour complexe simplicial, ainsi qu’un algorithme d’échantillonnage efficace pour ce modèle. On termine en montrant qu’on peut utiliser ces outils pour tester des hypothèses sur la structure des systèmes complexes réels, via une propriété inaccessible dans la représentation réseau (les groupes d’homologie des complexes). / Modern science is often concerned with complex objects of inquiry: intricate webs of social interactions, pandemics, power grids, ecological niches under climatological pressure, etc. When the goal is to gain insights into the function and mechanism of these complex systems, a possible approach is to map their structure using a collection of nodes (the parts of the systems) connected by edges (their interactions). The resulting complex networks capture the structural essence of these systems. Years of successes show that the network abstraction often suffices to understand a plethora of complex phenomena. It can be argued that a principled and rigorous approach to data analysis is chief among the challenges faced by network science today. With this in mind, the goal of this thesis is to tackle a number of important problems at the intersection of network science and statistical inference, of two types: The problems of estimations and the testing of hypotheses. Most of the thesis is devoted to estimation problems. We begin with a thorough analysis of a well-known generative model (the stochastic block model), introduced 40 years ago to identify patterns and regularities in the structure of real networks. The main original con- tributions of this part are (a) the unification of the majority of known regularity detection methods under the stochastic block model, and (b) a thorough characterization of its con- sistency in the finite-size regime. Together, these two contributions put regularity detection methods on firmer statistical foundations. We then turn to a completely different estimation problem: The reconstruction of the past of complex networks, from a single snapshot. The unifying theme is our statistical treatment of this problem, again based on generative model- ing. Our major results are: the inference framework itself; an efficient history reconstruction method; and the discovery of a phase transition in the recoverability of history, driven by inequalities (the more unequal, the harder the reconstruction problem). We conclude with a short section, where we investigate hypothesis testing in complex sys- tems. This epilogue is framed in the broader mathematical context of simplicial complexes, a natural generalization of complex networks. We obtain a random model for these objects, and the associated efficient sampling algorithm. We finish by showing how these tools can be used to test hypotheses about the structure of real systems, using their homology groups.

Les miroirs déformables ferrofluidiques sont construits à de plus faibles coûts et permettent de plus grandes amplitudes de déformations que les miroirs déformables solides. Avant le présent travail, ils semblaient être moins rapides. Pour cette raison, le but de ce mémoire est de mieux caractériser et améliorer leur dynamique. On montre que les miroirs ferrofluidiques actuels sont limités à une fréquence de coupure, définie par un déphasage de 90 degrés, autour de 20 Hz. Toutefois, augmenter la viscosité du liquide, déposer une membrane ou ajouter un champ magnétique externe sont des solutions qui permettent d'augmenter leur vitesse. Par exemple, avec un ferrofluide ayant une viscosité de 494 cP, on obtient un retard critique à l'aide d'ondes carrées de 450 Hz, ce qui correspond à une fréquence de correction de 900 Hz dans un système d'optique adaptative. On présente également l'idée d'utiliser des impulsions de surcharge pour contrer la perte d'amplitude aux hautes fréquences et ainsi obtenir une réponse de la hauteur du liquide ayant une forme assez carrée.

La galaxie spirale barrée NGC 5430 est particulière en ce sens qu’elle présente un noeud Wolf-Rayet très lumineux et des bras asymétriques. Des spectres longue-fente le long de la barre et dans le bras déformé ainsi que des données SpIOMM couvrant l’ensemble de la galaxie ont été analysées. L’absorption stellaire sous-jacente a été soustraite des spectres longue-fente à l’aide d’un ajustement de modèles théoriques de populations stellaires fait avec le programme GANDALF. L’absorption a un impact très important sur le calcul de l’extinction ainsi que sur les différents diagnostics propres aux régions HII et aux populations stellaires jeunes. Enfin, cette étude montre que NGC 5430 comporte une composante gazeuse ionisée diffuse sur toute son étendue et qu’il est important d’en tenir compte afin d’appliquer correctement les diagnostics. Un des scénarios évolutifs proposés au terme de cette étude est que le noeud Wolf-Rayet constitue le restant d’une petite galaxie ou d’un nuage intergalactique qui serait entré en collision avec NGC 5430. Une structure englobant le noeud Wolf-Rayet se déplace à une vitesse considérablement inférieure (50 - 70 km s-1) à celle attendue à une telle distance du centre de la galaxie (200 - 220 km s-1). De plus, le noeud Wolf-Rayet semble très massif puisque l’intensité maximale du continu stellaire de cette région est semblable à celle du noyau et est de loin supérieure à celle de l’autre côté de la barre. Le nombre d’étoiles Wolf-Rayet (2150) est aussi considérable. Il n’est toutefois pas exclu que la différence de vitesses observée témoigne d’un écoulement de gaz le long de la barre, qui alimenterait la formation stellaire du noeud Wolf-Rayet ou du noyau. / The barred spiral galaxy NGC 5430 is unique in that it presents a very bright Wolf-Rayet node and asymmetric arms. Long-slit spectra along the bar and in the irregular arm as well as SpIOMM data covering the entire galaxy were analyzed. The underlying absorption was subtracted from the long-slit spectra using the program GANDALF that combines several models of stellar populations. The analysis revealed that the absorption has a very significant impact on the calculation of extinction and on the different diagnosis used to study HII regions and young stellar populations. Finally, this work shows that NGC 5430 has a diffuse ionized gas component superposed over its disk and that it is important to take it into account in order to apply the appropriate diagnosis. A proposed evolutionary scenario is that the Wolf-Rayet node harbors the remains of a small galaxy or an intergalactic cloud that would have collided with NGC 5430. A structure encompassing the Wolf-Rayet node moves at a considerably lower velocity (50 - 70 km s-1) than expected at such a distance from the center of the galaxy (200 - 220 km s-1). Furthermore, the Wolf-Rayet node seems very massive since the maximum intensity of the stellar continuum in this region is similar to that of the nucleus and is far superior to that of an equidistant region on the other side of the bar. The number of Wolf-Rayet stars in the knot also seems very large (2150). It is however not excluded that the observed difference in velocity testifies of a gas flow along the bar, which would nourish star formation at the Wolf-Rayet node or at the galaxy center. v

Au milieu des années 90, un nouveau type de fibre optique présentant des propriétés de guidage inédites pour des fibres de silice est apparu : les fibres optiques à gaine trouée (FGT). Cette thèse présente nos travaux portant sur le développement de composants photoniques basés sur ce nouveau type de fibre. En particulier, trois fibres très différentes ont été fabriquées, modélisées et caractérisées dans le cadre de ces travaux de doctorat: une FGT infiniment monomode ayant une bonne compatibilité modale avec les fibres à saut d'indice monomodes conventionnelles, une FGT hautement non-linéaire et biréfringente ayant des propriétés de dispersion appropriées pour être utilisées en conjonction avec un laser à impulsion brèves Ti:Saphir et finalement une FGT double-gaine large-mode dopée Ytterbium. La méthode de fabrication que nous avons développée pour la réalisation des différents types de fibres est présentée de même que le principe de fonctionnement du logiciel de simulation basé sur la méthode des différences finies dans le domaine spectral qui nous a servi à modéliser les propriétés physiques de nos fibres. La possibilité offerte par la technologie des FGT de concevoir des fibres optiques infiniment monomodes de l'ultraviolet à l'infrarouge constitue une des propriétés les plus surprenantes des FGT. Une méthode permettant d'effectuer des épissures impliquant de telles fibres à l'aide d'une fusionneuse à arc électrique conventionnelle est expliquée et, pour la première fois, une étude quantitative portant sur la solidité de ces épissures et des pertes qui leur sont associées est présentée. La réalisation d'épissures entre une FGT infiniment monomode et une fibre monomode à saut d'indice conventionnelle de même qu'entre deux sections de FGT identiques a été investiguée. Les FGT peuvent aussi être conçues de manière à ce qu'elles aient une très petite aire effective et un zéro de dispersion décalé vers les courtes longueurs d'onde. Nous avons fabriqué une telle fibre hautement non-linéaire et biréfringente ayant un cœur de dimensions adéquates pour obtenir un zéro de dispersion située à 705 nm et 735 nm pour les axes rapide et lent respectivement. Cette fibre a été utilisée pour investiguer la génération de supercontinuum dans un contexte de pompage en régime de dispersion anomale par des impulsions brèves. Nos résultats expérimentaux démontrent de façon visuellement claire que le mécanisme responsable de l'élargissement spectral initial dans de telles conditions de pompage est la fission de solitons d'ordres supérieurs en solitons fondamentaux décalés vers le rouge accompagnés de radiation non-solitonique décalée vers le bleu. Une étude portant sur l'influence de l'intensité injectée ainsi que l'orientation de la polarisation de la pompe sur les caractéristiques du supercontinuum résultant est aussi présentée. Un domaine de recherche pour lequel les propriétés nouvelles des fibres à gaine trouée sont d'un intérêt considérable est sans contredit le développement de sources laser fibrées pour les applications haute-puissance. Nous présentons un design original de fibre active double-gaine large-mode dopée Ytterbium que nous avons fabriquée et caractérisée en configuration laser. Les performances de ce laser sont analysées et diverses avenues pour améliorer ses performances sont proposées. / A new kind of optical fiber presenting quite unusual guiding properties for silica-based fibers has appeared in the mid 1990's: the Photonic Crystal Fiber (PCF), also known as Holey Fibers. This thesis presents our work on the development of photonics components based on these new fibers. Three very different fiber designs have been fabricated, modeled and characterized in this research project: an endlessly singlemode PCF featuring a good modal compatibility with standard step-index singlemode fibers, a highly nonlinear and birefringent PCF whose dispersion characteristics are well suited for being pumped by a Ti:Sapphire femtosecond laser and finally, an Ytterbium-doped large mode area doubleclad PCF. The fabrication method for ail these fiber designs is presented as well as the operation principle of the modeling tool based on the finite-difference frequency-domain we developed to model the physical properties of these fibers. One of the most striking properties of the PCF technology is the fact that these fibers can be designed to be endlessly singlemode from the ultraviolet to the infrared. A splicing procedure adapted to splice such fibers by using standard electric-arc fusion splicers is demonstrated and, for the first time, a quantitative study on the strength of the resulting splices as well as their losses is presented. We have successfully achieved low-loss splices between our endlessly singlemode PCF and conventional step-index singlemode fiber as well as between two identical sections of PCF. Holey fibers can also be designed to have a very small effective area and a zero dispersion wavelength shifted toward shorter wavelengths. We have fabricated such a highly nonlinear and birefringent fiber whose core dimensions lead to zero dispersion wavelengths located at 705 nm and 735 nm for the fast and slow axes respectively. This fiber has been used to investigate supercontinuum generation by femtosecond pulses pumping in the anomalous dispersion regime. Our experimental results demonstrates in a visually clear fashion that the fundamental mechanism leading to the initial spectral broadening in this particular pumping scheme is the fission of higher-order solitons into multiple redshifted fundamental solitons along with blueshifted non-solitonic radiation. The influence of both the injected intensity and the input polarization orientation on the resulting supercontinuum is presented and discussed. A research field for which the novel properties achievable by holey fibers are of great interest is the field of fiber laser sources for high power applications. We present a new design of an Ytterbium-doped large-mode-area double-clad holey fiber we have fabricated and characterized in laser configuration. The performances achieved by this laser are analyzed and different modifications to the fiber design that would improve its performances are proposed.