L’utilisation de la spectroscopie nucléaire comme outil de détection est limitée par le ratio du signal sur bruit. Les méthodes traditionnelles qui permettent d’outrepasser cette difficulté sont d’augmenter l’intensité du signal ou de diminuer le bruit. Pour amplifier le signal, il existe deux méthodes : avoir un émetteur plus intense ou avoir un détecteur de meilleur rapport signal sur bruit . Les techniques typiques de réduction de bruit de fond sont : l’application de filtres numériques et l’ajout de systèmes, tels des circuits de coïncidence, pour favoriser l’étude du signal. Dans le cadre de notre recherche, nous cherchons à détecter des traces d’éléments en utilisant l’activation par neutron. Nous sommes donc limités à avoir des émetteurs d’intensité faible. Beaucoup de chercheurs se penchent déjà sur la création et l’amélioration de détecteurs ayant de meilleures résolutions en énergie. L’approche que nous proposons utilise des détecteurs typiques ayant des résolutions standards et aucun système de suppression de bruit de fond. Nous avons développé un montage expérimental astucieux qui se charge de récolter un maximum d’information. Nous le couplons par la suite à un système d’analyse statistique robuste basé sur l’estimation du maximum de vraisemblance d’un modèle de mixture pour extraire les paramètres d’intérêt. Cette méthode mène à une amélioration flagrante du pouvoir de détection d’un tel système. Les résultats de cette recherche sont par la suite très utiles à tous les systèmes de spectroscopie semblables. Les méthodes d’acquisition et d’analyse développées sont en parfaite synergie avec les travaux de recherche qui se font ailleurs sur des systèmes de détecteurs plus exotiques. / The use of nuclear spectroscopy as a detection tool is limited by signal to noise ratio. The most common ways of overcoming this difficulty are either boosting the signal or dampening the noise. Boosting the signal can either be done by having a more powerful emitter or by having a better signal to noise ratio. Applying digital filters and having special experimental setups are the typical ways of enhancing the signal. In our case, the detection of trace elements with neutron activation analysis, we are limited by the nature of the problem to having small emitter signals. A good amount of research is already being done to develop new and exotic detectors to improve their energy resolution. The approach we propose uses typical detectors with average resolution and no background suppression. We propose an intelligent experimental design intended to extract a maximum of information from the experiment and an analysis algorithm based on a rigorous statistical model using a maximum likelihood approach to solving a mixture model in order to drastically improve detection efficiency. This method can be combined with more complex setups that use higher resolution detectors. As such the results of this project synergize well with what is being done elsewhere in the fields of spectroscopy and detector physics.

L'interférométrie de Fabry-Pérot nous permet de quantifier les mouvements systémiques du matériel ionisé confiné à l'intérieur de deux nébuleuses géantes : la région H II galactique W 4 et la région H II géante extragalactique N GC 595. La région H II W 4 fut autrefois qualifiée de sérieuse candidate de cheminée dynamique. La cinématique Hα du gaz ionisé, obtenue à l'Observatoire du mont Mégantic, révèle que la nébuleuse est séparée en deux portions distinctes, définies par leurs étendues en latitude. W 4-sud (0° [plus petit ou égal à] b [plus petit ou égal à] 3°) est largement régie par une série d'écoulements Champagne à petite échelle résultant de la photoérosion d'agrégats moléculaires associés à la nébuleuse. Une importante partie de W4-sud, par contre, semble renfermer une composante ionisée reliée à la photoionisation de la coquille HI enveloppant l'imposante région H II. Si W4-sud nous apparaît comme le dernier stade dans la vie d'un complexe moléculaire géant, W 4-nord (3° [plus petit que] b [plus petit ou égal à] 7°) confirme la formation d'une cheminée dynamique dans la nébuleuse. Des instabilités au niveau de la portion nord de la coquille se sont vraissemblablement développées, entraînant la rupture de cette dernière. Un scénario de raréfaction domine W4-nord menant à un gradient de vitesse sud-nord à grande échelle au fur et à mesure que le matériel ionisé est éjecté. Le comportement cinématique de la composante H+ indique que l'amas stellaire IC 1805 contribue à l'ionisation du matériel interstellaire au-dessus du plan galactique. Nous proposons que les objets astronomiques similaires à W4 correspondent au chaînon manquant entre les régions H II galactiques de petite taille et les régions H II géantes extragalactiques. La région H II géante extragalactique NGC 595 se classe au second rang des nébuleuses les plus imposantes de M33, une galaxie spirale membre du Groupe Local. L'objet fut cartographié en Ha et [S II] suite à diverses missions d'observations à l'Observatoire du mont Mégantic. Les données [0 III] furent, pour leur part, obtenues au Télescope Canada-France-Hawaii par le directeur de thèse. Les observations spectro-interférométriques du gaz ionisé sont utilisées en combinaison avec des observations radio de la raie à 21 cm. Les largeurs de raie indiquent des mouvements supersoniques, un comportement régulièrement observé dans les objets extragalactiques. Ce comportement est potentiellement expliqué par le fait qu'écoulements Champagne et une forte turbulence isotrope dominent l'intérieur de la nébuleuse géante. En première approximation, il semblerait que composantes H+, 0++ et S+ ne coexistent pas spatialement. Une région au voisinage de l'amas stellaire montre un dédoublement de raies en Ha et [0 III]. Nous proposons que cette particularité spectrale résulte de bulles de vents stellaires en expansion confinées à l'intérieur d'objet. L'étude de NGC 595 nous permet de présenter la première carte bidimensionnelle en densités électroniques associée à une région H II géante extragalactique.

Ce projet vise l'étude de la thermodésorption laser sur un dépôt de polytétrafluoroéthylène (téflon) dans une source ionique LDTD dans le but d'améliorer la détection de certaines molécules qui sont thermiquement instables ou qui ont une faible volatilité. Trois types de téflon ont été déposés sur des supports à échantillons de type LazWellTM : du téflon JAL a été vaporisé sur la feuille d'acier inoxydable avant le montage du support; un ruban de téflon a été étiré, déposé puis aminci sur la feuille d'acier inoxydable aussi avant le montage du support; une suspension de microbilles de téflon a été déposée au fond des puits du support après le montage de celui-ci. Ces dépôts ont occasionné de la suppression ionique au sein de la source ionique ainsi qu'une congestion de l'orifice du spectromètre de masse lors des analyses. La détection des analytes a été tout de même possible, mais à une sensibilité moindre qu'espérée. Ce mémoire présente également une discussion sur la composition des différents téflons utilisés ainsi que sur leur ionisation. De plus, on y discute de la facilité à analyser des produits à faible tension de vapeur que sont le Santovac® 5 et l 'huile de silicone DC 705.

Résumé Ce projet s’inscrit comme un effort de modélisation et de développement d’outils analytiques décrivant la focalisation non-paraxiale de champs électromagnétiques. Des solutions vecto- rielles sont développées, suivant une généralisation du formalisme intégral de Richards-Wolf. La thèse se scinde en deux principales avenues. La première consiste à décrire, en langage mathématique moderne, le formalisme de Richards-Wolf qui permet de décrire les champs électromagnétiques vectoriels au foyer de systèmes focalisants. Le formalisme est exploré et plusieurs solutions analytiques aux équations intégrales de Richards-Wolf sont introduites. La deuxième avenue consiste en la généralisation du formalisme de Richards-Wolf pour des systèmes à foyer étendu (par exemple, distribué sur une ligne). Utilisant une méthode com- binée, basée sur le tracé de rayon et le traitement intégral de la diffraction, le modèle permet une amélioration en trois volets des descriptions classiques des champs au foyer. En premier lieu, l’analyse vectorielle de la diffraction permet de s’affranchir de toute hypothèse paraxiale. En second lieu, l’analyse exacte et l’analogie rayon/onde plane uniforme permet d’éviter la description de systèmes à foyer étendu par des termes de phases aberrés, qui réduisent la robustesse du modèle et la justesse des solutions trouvées. Finalement, l’élégance analytique de la méthode permet une compréhension physique plus instinctive des phénomènes d’inter- férence au foyer de systèmes complexes et encourage le développement de méthodes inverses, permettant de retracer les conditions nécessaires à l’obtention d’un profil d’intensité et de phase données, sans a priori sur le système focalisant. Sur le plan concret, les outils mathématiques décrits et développés dans cette thèse permettent une avancée pour l’étude de phénomènes et le développement de technologies, notamment en microscopie à haute-résolution, mais également en stockage de données, en piégeage optique ou même en accélération de particules à l’échelle microscopique. Il s’agit de la première méthode systématique proposée pour calculer le profil de faisceaux focalisés par des sections coniques (sphères, ellipses, etc.) par des moyens analytiques. / This project is part of a global effort toward modelization and development of mathemat- ical tools describing non-paraxial focusing of electromagnetic fields. Vectorial solutions are proposed, according to a generalization of the Richards-Wolf formalism. The objective of this thesis is two-fold. The first part covers the Richards-Wolf formalism with a modern mathematical formulation, which permits the formal description of focused vectorial electromagnetic fields. An in-depth exploration of the theory is exposed and multiple analytical solutions of the integrals are given. The second part covers the generalization of the Richards-Wolf formalism to systems without a single-point focus, by combining geometrical optics and diffraction principles. The vectorial analysis agrees with the assumption of non-paraxial focusing while the development is free of constraints upon the existence of an optical focus. Finally, the analytical treatment helps forge a physical intuition of the electromagnetic solutions and the development of inverse methods, which would help find the necessary illumination upon a system to produce a given electromagnetic pattern near the focus. The mathematical tools presented in this thesis may lead to advances in high-resolution microscopy, data encryption, optical tweezers and particle acceleration.

Le design d’un dispositif optique sans lentille et portatif est basé sur la microscopie holographique numérique pour des applications de terrain ou de point-of-care. L’appareil développé repose sur cette technique de microscopie car elle permet de reconstruire le front d’onde diffracté (phase et intensité) par un échantillon biologique observé. Le dimensionnement de cet appareil dépend de l’illumination utilisée ainsi que des contraintes physiques associées à la détection. Afin de maximiser l’information pertinente et enregistrable d’échantillons faiblement diffusants, des simulations FDTD sont utilisées. La propagation des champs diffractés à l’aide d’outils fidèles permet de générer des hologrammes échantillonnés à la façon d’un détecteur et de reconstruire les spécimens avec un grossissement. Par exemple, la reconstruction numérique de l’hologramme associé à la diffraction d’une bille de diamètre de 5 mm simulée via la méthode FDTD, et grossie selon un grandissement Gy = 20, est de 107.22 mm pour la méthode de propagation du spectre angulaire DFFT. La procédure proposée ouvre donc la voie à l’étude du champ diffracté utilisable dans un contexte d’holographie numérique, et ce pour des échantillons numériques pouvant modéliser des spécimens biologiques. D’ailleurs, le dispositif sans lentille mis sur pied à partir d’un coupleur de fibre optique offre une visibilité atteignant V = 0:8435 pour une configuration hors axe et cette dernière est limitée par le bruit cohérent de la source laser utilisée. L’étude du grossissement et de la résolution du dispositif montrent que le microscope holographique portatif est limité par l’échantillonnage du capteur utilisé, et ce, bien que la méthode d’indexation de zéros permette d’interpoler et de résoudre des détails plus fins que la taille d’un pixel pour la propagation DFFT. Finalement, l’appareil conçu est capable d’effectuer de l’imagerie de phase quantitative. L’épaisseur reconstruite d’une cible de verre (n = 1:52) est de 149±23 nm et concorde avec la valeur attendue de 150 nm. / ompact off-axis holographic lensless microscope capable of non-invasively imaging weakly scattering biological samples for on the field applications is designed. The technique allows to reconstruct both the phase and intensity of a sample-diffracted wavefront. The dimensioning of the proposed device depends on both the illumination shining the sample and the physical constraint associated with acquisition device. Hence, FDTD simulations are used in order to ascertain the smallest usable scattered field. Using proper propagation methods, the diffracted field is used to generate a numerical hologram emulating the sensor’s sampling rate. Such hologram is then numerically reconstructed in order to retrieve the object and compare it with the former. For instance, a 5 mm diameter bead diffraction field is obtained via FDTD simulation. As it is magnified by a factor Gy = 20, its reconstruction retrieves a magnified bead of 107.22 mm in diameter. The proposed pipeline thus paves the way for the study of modelled biological sample usable scattered field for holographic applications. Moreover, the proposed compact lensless device using an optical fiber coupler attains an off-axis visibility of V = 0:8435 as this last is limited by coherent noise. The study of the microscope attainable magnification and resolution shows that it is limited by the sampling rate of the used acquistion device, and that is, albeit zero-padding interpolation could provide smaller than a pixel size detail resolution for DFFT propagation. Lastly, the designed device is capable of quantitative phase imaging. The reconstructed thickness of a glass phase target (n = 1:52) is of d = 149±23 nm which is in good agreement with the expected value of 150 nm.

L’internet, le cerveau humain et bien d’autres sont des systèmes complexes ayant un grand nombre d’éléments qui interagissent fortement entre eux selon leur structure. La science des réseaux complexes, qui associe ces éléments et interactions respectivement à des noeuds et liens d’un graphe, permet aujourd’hui de mieux les comprendre grâce aux types d’analyses quantitatives qu’elle rend possible. D’une part, elle permet de définir une variété de propriétés structurelles menant vers une classification de ces systèmes. D’autre part, la compréhension de l’émergence de ces propriétés grâce à certains modèles stochastiques de réseaux devient réalité. Dans les dernières années, un effort important a été déployé pour identifier des mécanismes d’évolution universels pouvant expliquer la structure des réseaux complexes réels. Ce mémoire est consacré à l’élaboration d’un de ces mécanismes de croissance universels basé sur la théorie de la géométrie des réseaux complexes qui stipule que les réseaux sont des objets abstraits plongés dans des espaces métriques de similarité où la distance entre les noeuds affecte l’existence des liens. Au moyen de méthodes d’analyse avancées, la caractérisation complète de ce mécanisme a été établie et permet le contrôle de plusieurs propriétés structurelles des réseaux ainsi générés. Ce mécanisme général pourrait expliquer, du moins de manière effective, la structure d’un nombre important de systèmes complexes dont la formation est, encore aujourd’hui, mal comprise. / The internet and the human brain among others are complex systems composed of a large number of elements strongly interacting according to their specific structure. Nowadays, network science, which construes these elements and interactions respectively as nodes and links of a graph, allows a better understanding of these systems thanks to the quantitative analysis it oers. On the one hand, network science provides the definition of a variety of structural properties permitting their classification. On the other hand, it renders possible the investigation of the emergence of these properties via stochastic network models. In recent years, considerable efforts have been deployed to identify universal evolution mechanisms responsible for the structure of real complex networks. This memoir is dedicated to one of these universal growth mechanisms based on the network geometry theory which prescribes that real networks are abstract objects embedded in similarity metric spaces where the distance between nodes aect the existence of the links. Thanks to advanced analysis methods, the complete characterization of the mechanism has been achieved and allows the control of structural properties over a wide range. This general mechanism could explain, at least effectively, the structure of a number of complex systems for which the evolution is still poorly understood.

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3. / This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings.

Le faisceau Bessel, solution exacte de l’équation d’onde, possède une zone où il garde pratiquement la même forme et les mêmes dimensions ; dans cette zone, il ne diffracte pas. Cette propriété intéressante a amené, depuis les années 80, plusieurs groupes de recherche à concevoir des cavités laser produisant ce type de faisceau non-diffractant. Une des difficultés de cette tâche réside dans la sélection des modes transverses du résonateur. Dans la plupart des cas, le problème est résolu en bloquant les modes supérieurs avec un iris, ce qui limite souvent le faisceau en propagation et en puissance. Ce projet de résonateur Bessel propose une nouvelle manière de sélectionner les modes en utilisant un miroir coupleur de petite taille, laquelle est adaptée aux dimensions du lobe central du faisceau Bessel J0. Le faisceau Bessel est généré à l’intérieur de la cavité grâce à un miroir conique, ou axicon, conçu et caractérisé dans nos laboratoires tout comme le coupleur. Une fois la cavité montée et alignée, nous avons mesuré les différentes distributions en champ proche, en champ lointain et à l’intérieur de la cavité. Les simulations numériques faites à l’aide de la méthode de Prony, pour le calcul de la proportion des principaux modes transverses présents dans le résonateur, nous ont permis d’observer de grandes similitudes avec les distributions mesurées. Il s’avère que le mode principal, comme le révèlent les simulations du champ lointain, n’est pas tout à fait un faisceau Bessel J0, quoique très ressemblant. Le calcul de l’énergie encerclée du mode dominant en champ lointain est presque identique à celui de l’énergie encerclée sur les distributions obtenues expérimentalement, le bruit en moins, ce qui semble confirmer l’unicité du mode transverse issu de la cavité.

Si les biologistes connaissent bien les réactions biochimiques des cellules, il n'en est pas de même d'un point de vue mécanique. En effet, un facteur de survie des cellules est leur faculté d'adaptation à leur environnement ainsi que leur réaction face à un stress physique. Les biologistes cherchent donc à connaître les forces en jeu dans ces réactions pour définir un modèle mécanique de la cellule, d'où la nécessité de développer un système de mesure adapté. Ce mémoire propose une description détaillée de mon travail sur la construction d'un microscope à force photonique (PFM). L'idée est de développer un outil non destructif permettant de contrôler et mesurer la force appliquée sur les cellules. Le PFM est une évolution de la pince optique où la particule piégée par le faisceau laser joue le rôle de sonde. Par la détection des variations de son mouvement brownien, nous pouvons mesurer des forces de l'ordre de quelques dizaines de piconewtons. Une telle précision a été possible en portant une attention particulière sur la robustesse du système, la quahté des optiques et de la détection ainsi que sur la précision des réglages.

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.