L'objectif de ce travail est de développer deux modules pour créer une simulation Monte Carlo ayant comme objectif futur de calculer les doses de radiation d'un traitement en radiothérapie externe. Le premier module permet de lire, modéliser et réduire le nombre de voxels présent dans une série d'images médicales de type DICOM. La réduction doit se faire tout en gardant les informations essentielles pour une simulation Monte Carlo. Un algorithme a été développé pour appliquer une compression de type octree à la distribution des densités électroniques recueillies dans les images de tomodensitométrie. L'image résultante possède ainsi une certaine anisotropie au niveau de la résolution. Des résultats obtenus, la réduction du nombre total de voxels atteinte est de l'ordre de 75% de la taille initiale. Les simulations Monte Carlo démontrent qu'aucune information dosimétrique n'est perdue après la transformation. L'efficacité de la simulation se trouve améliorée tant au niveau de sa rapidité que de son utilisation de la mémoire. Le second module développé est un modèle d'accélérateur linéaire de type Primus (Siemens). Ce modèle permet d'obtenir des distributions de doses pour deux faisceaux de photons d'énergies différentes (6 et 23 megavolts [MV]). Dans les deux cas, les distributions de doses ont été comparées à des mesures expérimentales prises avec une chambre à ionisation. Les distributions de doses dans l'axe central du faisceau ont atteint un niveau de précision de 2%. Au niveau des distributions de doses hors axe, les déviations maximales sont de l'ordre de 5% et de 2mm dans les pénombres. Pour le faisceau de 23 MV, la géométrie présente une asymétrie qui devra être corrigée en modifiant le filtre égalisateur ou en utilisant une source de radiation asymétrique. Dans tous les cas, l'ouverture des collimateurs secondaires devra être optimisée afin d'éliminer les erreurs au niveau de la pénombre. Une fois ces modifications effectuées, les images DICOM compressées avec l'octree pourront être insérées à l'intérieur du modèle de l'accélérateur. Ce faisant, il suffirait d'ajuster la configuration des faisceaux et du patient pour évaluer un traitement en radiothérapie externe.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les réseaux sont des structures mathématiques abstraites qui sont utilisées pour modéliser une grande variété de systèmes complexes. Ils trouvent une application importante en épidémiologie, où on les utilise pour modéliser les contacts entre les individus d'une population afin d'étudier comment un agent viral pourrait s'y propager. Jusqu'à maintenant, la majorité des modèles mathématiques en épidémiologie sur réseaux ont été développés dans le cadre du paradigme de V épidémie isolée, dans lequel le seul processus étudié est la propagation d'un agent viral. En réalité, plusieurs processus peuvent toutefois avoir lieu simultanément et interagir au sein d'une même population. On parle alors de processus coévolutifs. Ce mémoire est consacré au développement des outils nécessaires à la modélisation de processus coévolutifs en épidémiologie sur réseaux. On s'intéresse plus particulièrement à deux types de coévolution, soit la coévolution d'un agent viral avec la topologie du réseau et la coévolution de deux agents viraux.

SpIOMM (le spectromètre-imageur de l’observatoire du Mont-Mégantic), installé à l’observatoire du Mont-Mégantic depuis 2004, est un spectromètre-imageur à transformée de Fourier qui reste, à ce jour, le seul instrument au monde en mesure d’échantillonner un champ de 12 minutes d’arc en 1.4 millions de spectres dans les longueurs d’onde du visible. L’installation, en 2010, d’une seconde caméra, qui a ouvert la possibilité d’utiliser les données présentes sur le second port de sortie de l’interféromètre, d’une part, et la réalisation de SITELLE (le spectromètre-imageur pour l’étude en long et en large des raies d’émission), une version améliorée de SpIOMM pour le télescope Canada-France-Hawaï, d’autre part, ont rendu impératif le développement d’un logiciel de réduction capable de combiner les données issues des deux ports de sorties pour en tirer toute l’information disponible. L’essentiel de cette thèse porte sur l’élaboration de ORBS, un logiciel de réduction des données de SpIOMM et SITELLE entièrement automatique et conçu sur un modèle architectural ouvert et évolutif. Une étude de la nébuleuse Wolf-Rayet M1-67, réalisée à partir des données de SpIOMM réduites avec ORBS, qui démontre clairement, et pour la première fois, l’existence de deux régions de matériel fortement enrichi en azote, est également présentée à titre d’application. / SpIOMM (spectromètre-imageur de l’observatoire du Mont-Mégantic), attached to the telescope of the Observatoire du Mont-Mégantic, is an imaging Fourier transform spectrometer which is still the only instrument in the world capable of sampling a 12 arc-minute field of view into 1.4 million spectra in the visible band. Since the installation in 2010 of a second camera, which has given the possibility of using the data on the second port of the interferometer, on the one hand, and the development of SITELLE (spectromètre-imageur pour l’étude en long et en large des raies d’émission), an upgraded version of SpIOMM, for the Canada-France-Hawaii Telescope, on the other hand, the design of a data reduction software capable of combining the data of both ports, has become a necessity. The main part of this thesis concerns ORBS, a data reduction software for SpIOMM and SITELLE fully automated and based on an open and upgradable architecture. An application to the study of the Wolf-Rayet nebula M1-67, which, for the first time, clearly demonstrates the existence of two regions made of a material strongly enriched in nitrogen, is also presented.

SITELLE est le nouveau spectromètre imageur à transformée de Fourier qui doit être installé au Télescope Canada-France-Hawaii. Le développement de son modèle de performance a permis d’évaluer les paramètres instrumentaux qui sont critiques par rapport aux exigences scientifiques. D’une part, une configuration hors-axe à miroirs plans a été sélectionnée pour répondre plus facilement à l’exigence de haute efficacité dans le proche ultraviolet. D’autre part, les critères d’asservissement ont été définis afin de concevoir un instrument limité par le bruit de photons pour une scène pertinente donnée. Ces performances doivent être maintenues pendant une acquisition totale de 4h sous des vibrations opérationnelles et toute vibration extérieure comme des bourrasques de vent sur le télescope. Enfin, le modèle de performance de SITELLE est au cœur du simulateur de rapport signal sur bruit qui permettra aux astrophysiciens d’évaluer les bénéfices potentiels de l’utilisation de ce spectromètre imageur pour leurs sujets d’études. / SITELLE is a new imaging Fourier transform spectrometer to be installed at the Canada-France- Hawaii Telescope. The development of its dedicated performance model drives the design of the instrument and the flow down of the science cases requirements into system requirements. First, the selected configuration with off-axis flat mirrors makes the achievement of a high efficiency in the near ultra violet easier. Secondly, servomechanism’s desirable performances were defined in order to design a photon noise limited instrument, based on a relevant scene. These performances should be maintained during a 4 hours data-cube acquisition, under operational vibrations and external effects such as wind gust hitting the telescope. Ultimately, this instrument performance model is the core of the signal to noise ratio simulator that will help observers to evaluate the potential benefits of SITELLE for their target.

"Thèse en cotutelle, Doctorat en physique; Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France" / L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser directe bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classées en trois types distincts:(type I, type II et type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induits. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leur synthèse, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le type I soit le type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly fabricate three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over the lithography technique, which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A occurring in the low pulse energy regime that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50- 50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. In addition, a comparitive study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modifications inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification.

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.

Ce mémoire porte sur l’étude d’un algorithme Monte Carlo en curiethérapie à bas débit de dose sur processeur graphique. Avec le développement de cette plate-forme de calcul, l’application de la méthode Monte Carlo fait un pas en avant quant à son utilisation clinique dans un département de radio-oncologie. Le travail se déroule en deux parties. Premièrement, le développement d’un algorithme Monte Carlo sur processeur graphique, bGPUMCD, est poursuivi dans le but d’en améliorer les performances. Deuxièmement, une source de curiethérapie à bas débit de dose, la SelectSeed de Nucletron, est simulée et étalonnée pour être en accord avec les données du rapport du Task Group 43 de l’American Association of Physicists in Medicine. Avec cette source, quatre cas cliniques sont ensuite simulés pour montrer la concordance des résultats avec un autre algorithme Monte Carlo bien établi et évaluer les temps de calcul pour une éventuelle utilisation clinique de l’algorithme.

Le mécanisme permettant d’expliquer l’origine de la masse des neutrinos demeure, encore aujourd’hui, un mystère complet dont la résolution est susceptible de modifier considérablement la structure du modèle standard en physique des particules élémentaires. Dans la littérature, plusieurs candidats potentiels sont donc proposés afin de combler cette lacune et, ainsi, faire la lumière sur certaines des propriétés les plus étranges des neutrinos. Parmi ceux-ci, les mécanismes seesaw de type I, II et III constituent sans doute les approches les plus attrayantes et les plus étudiées. Cependant, bien que ces mécanismes offrent un cadre de travail simple et élégant pour expliquer la faible masse des neutrinos (l’ordre de grandeur), ceux-ci n’offrent aucune prédiction sur les paramètres fondamentaux caractérisant le phénomène d’oscillation, soit les angles de mélange, les phases complexes et la hiérarchie des masses. Afin d’obtenir des prédictions concrètes sur la phénoménologie des neutrinos, certaines hypothèses de travail supplémentaires doivent donc être formulées pour contraindre la structure des matrices de masse obtenue. Dans ce travail, l’hypothèse anarchique propre au secteur des neutrinos est adoptée. Les matrices de masse générées par les trois mécanismes seesaw dans la limite des basses énergies sont traitées dans le contexte d’une théorie de matrices aléatoires, ce qui permet de définir et d’analyser de nouveaux ensembles matriciels aléatoires appelés ensembles seesaw. Un cadre théorique unifié est donc présenté pour la construction de ces ensembles. Grâce au formalisme élaboré, qui repose sur les outils traditionnels relevant de la théorie des matrices aléatoires, les densités de probabilité jointes caractérisant ces ensembles sont obtenues de façon analytique. Une étude détaillée de leurs propriétés est alors réalisée, ce qui permet d’extraire les tendances dominantes propres à ces mécanismes de masse et d’analyser leurs conséquences pour le secteur des neutrinos du modèle standard étendu. En ce qui concerne le spectre de masse, les résultats obtenus indiquent que les mécanismes seesaw de type I et de type III sont plus adéquats pour reproduire les observations expérimentales. De plus, une forte préférence pour la différence de masses associée à la hiérarchie normale est observée. En contrepartie, il est également démontré que pour une différence de masses donnée entre les trois générations, toutes les permutations des masses sont équiprobables, ce qui rend hors de portée toute prédiction concernant la hiérarchie du spectre (normale ou inverse) sous l’hypothèse anarchique. En ce qui concerne les variables du groupe de symétrie (les angles de mélange et les phases complexes), on constate, d’une part, que la notion de mélange quasi-maximal est naturellement favorisée et, d’autre part, que la matrice PMNS peut être décrite comme une matrice unitaire générique tirée au hasard d’un ensemble matriciel caractérisé par la mesure de Haar du groupe de Lie correspondant. Par ailleurs, il est également démontré que ces conclusions sont indépendantes du mécanisme de masse considéré. / The neutrino mass generation mechanism remains, to this day, a complete mystery which is likely to play an important role in understanding the foundations of the Standard Model of particle physics. In an effort to fill this gap and, ultimately, shed some light on some of the most intriguing properties of neutrinos, many theoretical models are proposed in the literature. Among the many candidates, the type I, type II and type III seesaw mechanisms may very well be the most attractive and the most studied propositions. However, despite the fact that these mechanisms provide a simple and elegant framework for explaining the smallness of neutrino masses (the order of magnitude), no prediction can be made on the fundamental parameters governing neutrino oscillations (the mixing angles, the CP-violating phases and the mass differences). Thus, to obtain concrete results regarding neutrino phenomenology, additional working assumptions must be made in order to constrain the structure of the corresponding mass matrices. In this work, the anarchy hypothesis relevant to the neutrino sector is investigated. The mass matrices generated by the three seesaw mechanisms in the low-energy limit are studied within the framework of random matrix theory, which leads to the development and the analysis of the seesaw ensembles. A unified and precise theoretical formalism, based on the usual tools of random matrix theory, is presented for the construction of these new random matrix ensembles. Using this formalism, the joint probability density functions characterizing these ensembles are obtained analytically, thus paving the way for a detailed study of their properties. This study is then carried out, revealing the underlying trends in these ensembles and, thereby, offering a thorough analysis of their consequences for the neutrino sector of the seesaw-extended Standard Model. Regarding the mass spectrum, it is found that the type I and type III seesaw mechanisms are better suited to accommodate experimental data. Moreover, the results indicate a strong preference for the mass splitting associated to normal hierarchy. However, since all permutations of the masses are found to be equally probable for a particular mass splitting between the three generations, predictions concerning the hierarchy of the mass spectrum (normal or inverted) remains out of reach in the framework of anarchy. Regarding the group variables (the mixing angles an CP-violating phases), it is found that near-maximal mixing is naturally favored by these ensembles and, that the PMNS matrix can be described as a generic unitary matrix drawn at random from a matrix ensemble characterized by the Haar measure of the corresponding Lie group. Furthermore, these conclusions are found to be independent of the mass mechanism considered.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Cette thèse constitue le fruit de plusieurs années de travaux principalement expérimentaux dans les domaines de la physique atomique et des champs laser intenses. Les premiers chapitres présentent les principes physiques pertinents à ce travail, les systèmes laser et les techniques de spectroscopie employées dans les expériences. Le travail comporte ensuite deux principaux volets. Le premier volet du travail scientifique original traite d'abord de l'étude des processus d'ionisation de l'atome de xénon par des impulsions laser ultra-brèves (7 fs) (chapitre 4) et dont la polarisation est modulée temporellement (chapitre 5). Au chapitre 2 est expliquée la technique de porte temporelle de polarisation ajustable permettant de raccourcir graduellement la durée effective d'une interaction lumière-matière. La spectroscopie ionique à temps de vol et la spectroscopie à imagerie photoélectronique sont employées respectivement pour étudier l'ionisation non séquentielle et les interactions multiphotoniques. Le chapitre 4 met d'abord en évidence la superposition de processus résonants et non résonants lors de l'ionisation multiphotonique du xénon par des impulsions ultra-brèves. Les probabilités pour l'ionisation multiple sont également obtenues et permettent de faire la distinction entre les domaines d'ionisation séquentielle et non séquentielle. Les résultats sont comparés avec un modèle d'ionisation non séquentielle développé au chapitre 3. Le chapitre 5 présente deux expériences dans lesquelles la durée d'interaction est réduite de façon continue jusqu'à l'ordre d'un cycle optique. D'abord, nous montrons la contribution d'un cycle optique du laser sur le processus de redifusion électronique vers son ion parent. Ensuite, en tirant avantage des règles de sélection, nous montrons la possibilité de confiner temporellement une transition multiphotonique résonante. Le deuxième volet du travail (chapitre 6) s'articule autour de la création et la caractérisation d'un système expérimental pour la production d'impulsions laser EUV ("Extreme UltraViolet") de durées attosecondes ([symbol]) selon le processus de génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un milieu gazeux. Nous expliquons la démarche scientifique employée dans l'élaboration du projet et présentons un nouveau type de cellule gazeuse pour la production du rayonnement EUV. Nous abordons la caractérisation spectrale et présentons les procédures d'optimisation de l'émission EUV. Finalement, nous effectuons un bilan récapitulatif du dispositif en indiquant les améliorations et les cheminements possibles pour le travail futur. / This thesis is the result of several years of experimental work mainly in the fields of atomic physics and intense laser fields. The first chapters present the relevant physical principles for this work, the laser systems and the spectroscopic techniques used in our experiments. The work has then two main parts. The first part of the original scientific work, deals with the study of ionization processes of the xenon atom with few-cycle laser pulses (7 fs) (chapter 4) as well as with polarizationgated pulses (chapter 5). We begin in chapter 2, where we explain an experimental technique called continuously adjustable polarization gating technique developed to shorten the effective duration of an interaction. The time-of-flight mass spectroscopy and the photoelectron imaging spectroscopy are used to study the non sequential ionization processes and the multiphoton interactions respectively. The chapter 4 first highlights the superposition of resonant and non resonant ionization processes obtained with a few-cycle laser pulse. The probabilities for multiple ionization are experimentally obtained and allow the distinction between sequential and non sequential ionization processes. The results are compared with a model developed in chapter 3. The chapter 5 presents two experiments where the duration of interaction is reduced continuously up to the order of an optical cycle. First, we show the contribution to non sequential double ionization of an optical cycle by the rescattering process of an electron toward its parent ion. Then, taking advantage of the selection rules we show the possibility of confining a multiphoton resonant transition in the time domain. The second part of the work is presented in chapter 6 and revolves around the creation and characterization of a device for the production of extreme-ultraviolet (EUV) attosecond ([symbol]) pulses by using the high-order harmonic generation process in a gaseous medium. We explain the scientific approach used in developing the project and we present a new type of gas cell for the production of EUV radiation. We discuss the spectral characterization and we present procedures for optimizing the EUV emission. Finally, we conduct a summary assessment of the device by showing the improvements and possible paths for future work.

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.