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.

Une description précise de la structure mésoscopique des réseaux complexes permet de modéliser efficacement les processus de propagation sur réseaux ainsi que la croissance de ces derniers. Cette structure s’exprime en termes d’une décomposition en communautés (ou groupes denses de noeuds structurellement rapprochés), de sorte que l’identification d’une organisation optimale constitue un problème de décision de classe NP-difficile. Plusieurs algorithmes récents permettent d’obtenir des solutions approchées dans un temps polynomial. Toutefois, la nature ad hoc de ces algorithmes rend difficile l’évaluation de leurs qualités et de leurs faiblesses. Cet ouvrage fait état d’un formalisme analytique unifiant la théorie de la détection communautaire via une description matricielle. Dans un premier temps, on démontre qu’une grande classe d’algorithmes de détection est équivalente à un problème d’optimisation dont la solution approximative peut être obtenue par la décomposition spectrale de matrices de coût, fonction de la structure du réseau à l’étude. Ces développements établissent un cadre théorique permettant l’étude rigoureuse d’algorithmes ad hoc, et mènent également à un algorithme de détection original, basé sur des principes fondamentaux d’optimisation continue. Dans un deuxième temps, il est démontré par le biais de la théorie des matrices aléatoires que, pour une classe particulière de réseaux, la structure communautaire (ici a priori connue) laisse une empreinte aisément identifiable dans le spectre des matrices de coût associées. Ces deux points de vue complémentaires, optimisation spectrale et théorie des matrices aléatoires, donnent accès à de nouvelles observations importantes qu’une simple étude numérique ne peut expliquer, tel l’apparition d’une limite de détection intrinsèque. Ces développements analytiques restent toutefois confinés à des modèles de réseaux simples. Pour des problèmes plus complexes, une approche numérique est préconisée. On introduit donc une méthode heuristique de détection permettant d’améliorer les performances de tout algorithme imparfait. Dans la perspective de calibrer cette méthode, on présente également un processus de croissance local polyvalent qui produit des réseaux réalistes possédant une structure communautaire connue. / A precise description of the mesoscopic structure of complex systems is necessary to improve models of the dynamical processes on and of networks. However, knowledge of this structure comes at great cost, since finding a optimal decomposition in communities is a problem that belongs to the NP hard complexity class. Multiple recent algorithms yield approximate solutions in polynomial time. Most of these algorithms are collections of ad hoc methods, such that only extensive numerical studies lead to insightful comparisons. In this thesis, we present the basis of a unified theory of community detection, which builds upon recent advances of the spectral theory of complex networks. First, we prove that a large class of detection algorithm is equivalent to an optimization problem that can be solved approximately though the spectral decomposition of a very general cost matrix. Within this framework, otherwise ad hoc algorithms can be studied analytically and rigorously. This point of view also leads to a new, original and first-principled spectral detection algorithm. Second, using random matrix theory, we generalize existing results and prove that the spectrum of a class of modular networks contains valuable information on their mesoscopic structure. These complementary approaches, spectral optimization and random matrix theory, give powerful insights into the spectral theory of complex networks, and their relevance to community structure. These analytical results are unfortunately not yet generalizable to arbitrary networks. For complex cases, we prefer a purely numerical approach. Hence, we introduce a heuristic method that drastically improves the efficiency of existing, imperfect algorithms. To test this method, we also present a local growth process that produces realistic modular networks with known community structure. These networks can then be used as versatile benchmarks.

Les lasers à fibre sont des sources robustes, efficaces et qui présentent une qualité de faisceau irréprochable. Cependant, la plupart sont généralement limités à certaines bandes spectrales bien définies, coïncidant avec les transitions électroniques des ions de terres rares. Les cavités laser basées sur la conversion Raman sont une alternative intéressante qui permet de générer, avec une combinaison de pompe et de fibre adéquate, un rayonnement laser à n’importe quelle longueur d’onde. Ces sources permettraient notamment de couvrir la plage spectrale entre 2 et 4 m, convoitée pour diverses applications dans le domaine médical, spectroscopique et militaire. Or, les fibres de silice standards, dont l’atténuation croît rapidement aux longueurs d’onde dépassant 2.2 m, ne sont pas adaptées pour cette application. Bien que les fibres de la famille des verres fluorés ou des chalcogénures présentent plusieurs défis techniques, elles répondent beaucoup mieux aux exigences requises. Dans le cadre de notre projet, nous avons fait l’étude de sources laser basées sur la conversion Raman dans une fibre en fluorozirconate et dans une fibre en sulfure d’arsenic (As2S3). Il s’agissait des toutes premières démonstrations expérimentales de cavités Raman dans ces matériaux. Nous avons également développé des programmes de simulation numérique afin d’en faire l’optimisation et d’identifier leurs limites. En premier lieu, des cavités Raman en fluorozirconate émettant autour de 2.2 m et pompées par un laser Tm:silice à 2 m ont été assemblées et perfectionnées. En imbriquant les cavités Raman et de la pompe, de hautes puissances atteignant quelques watts ont pu être mesurées à la sortie. En second lieu, nous avons fait la démonstration de cavités Raman en As2S3 émettant dans l’infrarouge moyen, à 3.34 m. Elles étaient pompées par une source laser Er3+:ZBLAN à 3 m que nous avons également développée dans nos laboratoires. En raison du gain Raman élevé des chalcogénures, nous avons pu monter ces cavités à partir de quelques mètres de fibre seulement. Les résultats obtenus au cours de notre projet sont probants et font des lasers à fibre une option viable pour l’émission de radiations cohérentes à des longueurs d’onde comprises entre 2 et 4 um. / Fiber lasers are robust, reliable and efficient laser sources that also offer an unrivaled beam quality, but most are limited to the specific spectral bands where rare-earth electronic transitions exist. Raman fiber lasers, however, can be operated on virtually any emission wavelength and can be used to bridge the gap between these rare-earth emission bands. Therefore, they could be designed to emit on any wavelength between 2 and 4 m, which would find many applications in the medical, military and spectroscopic fields. Standard silicate fibers cannot be considered for this purpose, due to their limited transparency at wavelengths over 2.2 m. Fluoride and chalcogenide glass fibers are much better suited for this task even though they bring new technical challenges. During our Ph.D. project, Raman lasers based on both fluorozirconate and arsenic trisulphide (As2S3) glass fibers were studied. In fact, we reported the very first experimental Raman cavities based on these materials. First, fluorozirconate Raman cavities emitting around 2.2 m and pumped by a Tm:silica fiber laser were assembled and perfected. Based on an architecture where the Raman and pump laser cavities are nested, we have achieved high output power levels, up to a few watts. We have also demonstrated As2S3 Raman cavities operating directly in the mid-infrared, at 3.34 m. They were pumped by an in-house made erbium doped fluoride fiber laser at 3 m. Due to the high Raman gain of chalcogenide glasses, only a few meters of fiber were required. The behavior of these laser sources was also investigated numerically to find their optimal operating parameters and to identify their limits. The results obtained prove that fiber lasers are well suited for generating a wide range of wavelengths between 2 and 4 um.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Cette thèse traite de la science et de la technologie du laser ultrarapide et intense. Un historique de cette discipline est d'abord présenté en guise d'introduction. La chaîne laser Ti:saphir stabilisée à la phase du laboratoire du professeur Witzel est ensuite expliquée en détail. On présente également l'amplificateur paramétrique et le module de différence de fréquence, permettant d'atteindre le régime de l'infrarouge moyen. Le premier chapitre de contenu scientifique original présente en détail la technique de porte de polarisation variable que nous avons développée au laboratoire. Quatre coins de quartz biréfringents sont utilisés avec une lame quart d'onde achromatique pour produire une impulsion à porte de polarisation de quelques cycles optiques. La partie centrale est polarisée linéairement et les deux ailes sont polarisées circulairement. Cette technique est employée pour étudier l'ionisation multiphotonique résonante du xénon. On montre qu'il est possible d'exciter l'état résonant 5g du xénon avec une impulsion effective plus courte qu'un cycle optique. Les règles de sélection limitent le processus d'excitation à la seule porte de polarisation. Les trois chapitres suivants traitent principalement de design de systèmes permettant la caractérisation et la compression optimale d'impulsions lasers de quelques cycles optiques. On présente d'abord le montage de second harmonic frequency-resolved optical gating (SHG-FROG) qui a été développé pour caractériser le profil d'intensité et la phase spectrale et temporelle d'impulsions Ti:saphir de quelques cycles. On présente ensuite en détail l'interféromètre en lumière blanche qui a été conçu pour mesurer la dispersion d'optiques diverses, notamment celle des miroirs à dispersion négative (chirp) utilisés pour comprimer les impulsions de quelques cycles. On présente ensuite un chapitre sur l'ingénierie inverse de miroirs chirp commerciaux, qui a mené à la conception, puis à la réalisation et à l'évaluation des performances de nos propres miroirs chirp. Une méthode systématique pour comprimer de manière optimale les impulsions lasers de quelques cycles en optimisant l'angle d'incidence de miroirs chirp est ensuite présentée. Cette méthode s'appuie sur les réalisations des trois chapitres précédents. Un projet en cours dans notre groupe de recherche consiste à développer une source d'impulsions intenses dans l'infrarouge moyen pour la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le domaine des rayons X. Une méthode générale pour caractériser les impulsions infrarouges a donc été développée. Elle s'appuie sur le mélange de quatre ondes entre une impulsion Ti:saphir intense de quelques cycles et une impulsion infrarouge arbitraire. Il en résulte un signal près du deuxième harmonique de l'impulsion Ti:saphir proportionnel à l'intensité de l'impulsion infrarouge. Une technique pour résoudre directement le champ électrique de l'impulsion infrarouge à l'aide d'hétérodynage n'a pas donné les résultats escomptés parce que la stabilisation de la phase de l'impulsion infrarouge n'est pas suffisamment stable. Le dernier chapitre de cette thèse traite donc de caractérisation de la phase absolue d'impulsions infrarouges. Plus particulièrement, on a observé un fort couplage entre l'énergie par impulsion et la phase absolue mesurée par un interféromètre non linéaire de type f-2f basé sur la génération de supercontinuum dans une fenêtre de saphir. On présente donc une mesure de ces coefficients et leur dépendance sur la longueur d'onde centrale du laser de 800 à 1940 nm. / The topic of this thesis lies in the field of the ultrafast intense laser science and technology. An historical review of this vast field is presented as an introduction. The carrier-envelope phase stabilized Ti:sapphire laser system of Professor Witzel's laboratory is then explained in details. The optical parametric amplifier and the difference frequency generation module reaching the mid-infrared are also presented. The first chapter of original scientific content presents in great details a variable gate width polarization gating technique that was developed in the laboratory. Four birefringent quartz wedges were used together with an achromatic quarter wave plate to produce polarization gated few cycle laser pulses. The central part of each pulse is linearly polarized and the wings are circularly polarized. This technique was used to study resonant multiphoton ionization of xenon. We show that it is possible to excite the Rydberg 5g state of xenon with an effective pulse that is shorter than one optical cycle. Electric dipole quantum selection rules confine the excitation process to the polarization gate duration. The three following chapters are mainly about the design of setups to characterize and optimally compress few cycle laser pulses. We first present the second harmonic frequency-resolved optical gating (SHG-FROG) setup that was developed to retrieve the intensity profiles and the spectral and temporal phases of few cycle Ti:sapphire laser pulses. The white light interferometer that was built to measure the dispersion of several optical components is then exposed. Its main purpose is to characterize the chirped mirrors used to compress few cycle pulses. The reverse engineering of commercial chirped mirrors that led us to the development, the production and the characterization of our own designs is then presented. A systematic method to optimally compress femtosecond laser pulses with the optimization of the angle of incidence of chirped mirrors is then presented. This method was inspired by the realizations of the three previous chapters. An ongoing project in our research group is the production of intense mid-infrared laser pulses to generate coherent high-order harmonics in the X-ray regime. A general method to characterize arbitrary complex infrared pulses was thus developed. It is based on four-wave mixing between a Ti:sapphire few cycle pulse and an infrared pulse. The resulting signal is close to the second harmonic band of the Ti:sapphire pulse and it is proportional to the intensity of the infrared pulse. An heterodyne version of this technique was also tried, but the results were disappointing mainly because the shot-to-shot carrier-envelope phase stabilization of the infrared source is insufficient over the duration of the measurement. The last chapter of this thesis thus investigates the absolute phase stability of our infrared sources. Most specifically, we found a strong coupling between the pulse energy and the measured phase from a f-2f nonlinear interferometer relying on supercontinuum generation in sapphire. We present the measured energy-phase coupling coefficients from 800 to 1940 nm.

Les diodes électroluminescentes (DELs) sont de bons candidats pour devenir les principales sources lumineuses étant donne leur bonne efficacité et leur longue durée de vie. Toutefois, un problème associe a l’usage des DELs est la dérive de couleur observé à différentes températures d’opération , courants et temps de vie. Le but du travail de maîtrise fut d’implémenter un algorithme de contrôle de la couleur qui utilise un détecteur de couleur. Deux algorithmes de calibrations des détecteurs furent développés. Les méthodes de calibration furent implémentées dans un algorithme de contrôle de DELs RGBA et RGBW. Le premier assure une bonne calibration pour une gamme de couleur près de la couleur visée. Le second algorithme développé permet de pouvoir lire la couleur pour toute la gamme de couleur accessible à la lampe, toutefois la précision obtenue est moins bonne que le premier algorithme. / Light emitting diodes (LEDs) are good candidates to become the main light sources of the future given their good efficiency and long life. However, a problem associated to the use of LEDs is the color shift observed at different temperatures, currents and lifetime. The purpose of this work was to implement a control algorithm that uses a color sensor as feedback. Two algorithms were developed to calibrate the detectors. The algorithms were implemented to control RGBA and RGBW LEDs. The first algorithm provides a good calibration for a restricted range of color near the calibration. The second algorithm gives good performances for the entire range of color available to the lamp, but it is less precise than the first algorithm.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette thèse porte sur le développement d’outils de contrôle de qualité pour les traitements de radiothérapie externe. Le but principal vise à incorporer les principes de tomographie à la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour concevoir des appareils de haute résolution spatiale et faciles d’utilisation, tout en étant justes et précis. Dans un premier temps, la réponse de longues fibres scintillantes placées dans un champ de radiation est étudiée, et un détecteur de fluence est développé pour la validation en temps réel des traitements de radiothérapie. En utilisant l’information des deux extrémités de chaque fibre simultanément, la position de l’interaction du champ ainsi que l’intégrale de la fluence traversant la fibre peuvent être mesurées, permettant la détection d’erreurs de lames d’au moins 2 mm à l’isocentre. Le modèle théorique de réponse précédemment développé est ensuite appliqué à la reconstruction tomographique d’une distribution de dose mesurée à l’aide d’une matrice rotative de longues fibres scintillantes parallèles. Le dosimètre 2D obtenu parvient à reconstruire la dose calculée par le système de planification de traitement avec un écart maximal de 2% dans les régions de bas gradient de dose. Le concept de dosimétrie tomographique, ou tomodosimétrie, est ensuite appliqué à la mesure de dose en trois dimensions en utilisant des plans de fibres cylindriques et concentriques. En simulant la rotation de ces plans autour de leur axe central et en interpolant en trois dimensions les doses 2D obtenues, le dosimètre 3D parvient à reconstruire la dose de départ à un écart d’au plus 1% en dehors des zones de haut gradient de dose. Finalement, les principes de reconstruction itérative démontrés pour les longues fibres scintillantes sont appliqués à un volume de scintillateurs imagé à l’aide d’une caméra plénoptique. En re-projetant les projections acquises par les pixels de la caméra dans le volume de scintillateurs, le dosimètre 3D parvient à reconstruire en temps réel la dose à un écart d’au plus 3% dans les régions de faible gradient de dose. Cette étude conclut que le mariage de la tomographie et de la dosimétrie permet l’apparition d’une nouvelle génération d’appareils de contrôle de qualité alliant à la fois résolution spatiale et facilité d’utilisation. / This thesis deals with the development of tools for the quality assurance of external beam radiotherapy. The main goal is to incorporate tomography processes to plastic scintillator dosimetry in order to conceive high resolution, precise, accurate and easy-to-use quality assurance devices. First, a long scintillating fiber response to an incoming radiation field is studied, and a fluence monitoring device is developed for the real-time validation of radiotherapy treatments. Using the light signal emitted from both sides of each fiber, both the interaction position of the incoming field and the fluence integral across the fiber can be measured, allowing for the detection of leaf errors of at least 2 mm at isocentre. The theoretical response model previously developed is then applied to the tomographic reconstruction of dose distributions measured using a rotating matrix of long scintillating fibers. The dose reconstructed using this 2D dosimeter is in agreement with the calculations from the treatment planning software up to a maximum difference of 2% in the low dose gradient regions. The concept of tomographic dosimetry, or tomodosimetry, is then applied to 3D dose measurements using concentric, cylindrical planes of fibers. By simulating the rotation of these planes around the dosimeter central axis and by interpolating in three dimensions the obtained 2D doses, the 3D dosimeter is able to reconstruct the initial input dose with a deviation of maximum 1% outside of high dose gradient regions. Finally, the iterative reconstruction principles demonstrated for long scintillating fibers are applied to a scintillator volume imaged using a plenoptic camera. By re-projecting the projections acquired by the camera sensor pixels inside the scintillator volume, the 3D dosimeter is able to reconstruct the dose in real time with a maximal deviation of 3% in the low dose gradient regions. This study concludes that the union of tomography and dosimetry enables the development of a new generation of quality assurance devices, combining both spatial resolution and user-friendliness.

Le milieu interstellaire (MIS) est constamment transformé par plusieurs mécanismes physiques se produisant à de multiples échelles spatiales. Afin d’étudier ces processus, j’ai développé deux outils basés sur une analyse multi-échelle de l’émission thermique des grains de poussière observée par l’Observatoire spatial Herschel dans le cadre du projet « Herschel infrared Galactic Plane Survey » (Hi-GAL), de l’émission de l’hydrogène neutre à 21 cm (H I) observée par le « Very Large Array Galactic Plane Survey » (VGPS) ainsi que de l’émission du 12CO et du 13CO observée par le « Five College Radio Astronomical Observatory » (FCRAO). Le premier outil d’analyse multi-échelle est destiné à la séparation des fluctuations Gaussiennes et non-Gaussiennes de l’émission thermique de la poussière. Basée sur les propriétés des transformées en ondelettes complexes, cette technique permet de séparer deux comportements statistiquement différents sur une image et d’en analyser le spectre de puissance. Le spectre de puissance du milieu diffus, relié à la partie Gaussienne de l’émission de la poussière, possède une loi de puissance plus pentue et ses fluctuations sont présentes à toutes les échelles spatiales. La partie non-Gaussienne est limitée aux échelles plus petites que ∿ 0:15 arcmin-1 et est corrélée à l’émission moléculaire du 13CO. Nous démontrons aussi que la loi de puissance plus petite de la partie non-Gaussienne ne peut être reproduite par une simple simulation fractale aléatoire. Le second outil, également basé sur les transformées en ondelettes complexes, analyse la cohérence entre la distribution des gros grains de poussière et les composantes gazeuses neutres du MIS. Contrairement à une étude de corrélation classique, l’étude de la cohérence à l’aide d’ondelettes complexes permet de discerner les variations spatiales d’une corrélation entre deux images. Cette première étude à l’aide de cet outil a été réalisée en modélisant l’émission de la poussière par trois composantes distinctes : une carte intégrée de l’émission 12CO, des structures HI vues en auto-absorption et une carte intégrée de l’émission HI . Nous démontrons qu’il est possible d’extraire les composantes de la poussière cohérentes à ces composantes gazeuses et de calculer leurs propriétés individuelles en fonction de la position sur la carte. / The interstellar medium (ISM) is continually transformed by several physical mechanisms that occur at multiple spatial scales. To study those mechanisms, I developed two multiscale analysis tools applied to the thermal dust emission observed by the Herschel Space Observatory for the Herschel infrared Galactic Plane Survey (Hi-GAL), to the emission of neutral hydrogen at 21 cm (H I) observed by the Very Large Array Galactic Plane Survey (VGPS) and to the emission of 12CO and 13CO observed by the Five College Radio Astronomical Observatory (FCRAO). The first multiscale analysis tool is developed to separate Gaussian and non-Gaussian fluctuations of thermal dust emission. Based on properties of complex wavelet transforms, this technique allows us to separate two components with different statistical behaviours in an image to analyse their power spectrum. The power spectrum of the diffuse medium, associated with the Gaussian part of the dust emission, has a steeper power law and presents fluctuations at every spatial scales. The non-Gaussian part is limited to scales smaller than ∿ 0:15 arcmin-1 and is correlated with the 13CO emission. Furthermore, we demonstrate that a random fractal simulation cannot reproduce the flatter power law of the non-Gaussian component observed in the thermal dust emission. The second analysis tool, also based on complex wavelet transforms, analyses the coherence between the dust distribution and neutral gaseous components in the ISM. Contrary to the classical correlation analysis, the coherence analysis using complex wavelets allows us to detect spatial variations of the correlation between two images. The first application of this tool has been realised with a simple three-component model of the thermal dust emission: an integrated map of 12CO emission, HI structures seen in self-absorption, and an integrated map of HI emission. We demonstrate that we can extract coherent dust components with gaseous components and calculate their individual properties as a function of the position in the map.

La microscopie optique permet de visualiser des échantillons biologiques avec une bonne sensibilité et une résolution spatiale élevée tout en interférant peu avec les échantillons. La microscopie par diffusion Raman cohérente (CARS) est une technique de microscopie non linéaire basée sur l’effet Raman qui a comme avantage de fournir un mécanisme de contraste endogène sensible aux vibrations moléculaires. La microscopie CARS est maintenant une modalité d’imagerie reconnue, en particulier pour les expériences in vivo, car elle élimine la nécessité d’utiliser des agents de contraste exogènes, et donc les problèmes liés à leur distribution, spécificité et caractère invasif. Cependant, il existe encore plusieurs obstacles à l’adoption à grande échelle de la microscopie CARS en biologie et en médecine : le coût et la complexité des systèmes actuels, les difficultés d’utilisation et d’entretient, la rigidité du mécanisme de contraste, la vitesse de syntonisation limitée et le faible nombre de méthodes d’analyse d’image adaptées. Cette thèse de doctorat vise à aller au-delà de certaines des limites actuelles de l’imagerie CARS dans l’espoir que cela encourage son adoption par un public plus large. Tout d’abord, nous avons introduit un nouveau système d’imagerie spectrale CARS ayant une vitesse de syntonisation de longueur d’onde beaucoup plus rapide que les autres techniques similaires. Ce système est basé sur un laser à fibre picoseconde synchronisé qui est à la fois robuste et portable. Il peut accéder à des lignes de vibration Raman sur une plage importante (2700–2950 cm-1) à des taux allant jusqu’à 10 000 points spectrales par seconde. Il est parfaitement adapté pour l’acquisition d’images spectrales dans les tissus épais. En second lieu, nous avons proposé une nouvelle méthode d’analyse d’images pour l’évaluation de la structure de la myéline dans des images de sections longitudinales de moelle épinière. Nous avons introduit un indicateur quantitatif sensible à l’organisation de la myéline et démontré comment il pourrait être utilisé pour étudier certaines pathologies. Enfin, nous avons développé une méthode automatisé pour la segmentation d’axones myélinisés dans des images CARS de coupes transversales de tissu nerveux. Cette méthode a été utilisée pour extraire des informations morphologique des fibres nerveuses dans des images CARS de grande échelle. / Optical-based microscopy techniques can sample biological specimens using many contrast mechanisms providing good sensitivity and high spatial resolution while minimally interfering with the samples. Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is a nonlinear microscopy technique based on the Raman effect. It shares common characteristics of other optical microscopy modalities with the added benefit of providing an endogenous contrast mechanism sensitive to molecular vibrations. CARS is now recognized as a great imaging modality, especially for in vivo experiments since it eliminates the need for exogenous contrast agents, and hence problems related to the delivery, specificity, and invasiveness of those markers. However, there are still several obstacles preventing the wide-scale adoption of CARS in biology and medicine: cost and complexity of current systems as well as difficulty to operate and maintain them, lack of flexibility of the contrast mechanism, low tuning speed and finally, poor accessibility to adapted image analysis methods. This doctoral thesis strives to move beyond some of the current limitations of CARS imaging in the hope that it might encourage a wider adoption of CARS as a microscopy technique. First, we introduced a new CARS spectral imaging system with vibrational tuning speed many orders of magnitude faster than other narrowband techniques. The system presented in this original contribution is based on a synchronized picosecond fibre laser that is both robust and portable. It can access Raman lines over a significant portion of the highwavenumber region (2700–2950 cm-1) at rates of up to 10,000 spectral points per second and is perfectly suitable for the acquisition of CARS spectral images in thick tissue. Secondly, we proposed a new image analysis method for the assessment of myelin health in images of longitudinal sections of spinal cord. We introduced a metric sensitive to the organization/disorganization of the myelin structure and showed how it could be used to study pathologies such as multiple sclerosis. Finally, we have developped a fully automated segmentation method specifically designed for CARS images of transverse cross sections of nerve tissue.We used our method to extract nerve fibre morphology information from large scale CARS images.

Un des défis de la radiothérapie externe est d’adapter la planification de traitement à l’anatomie du patient tout au long de son traitement. Il est possible de faire de la thérapie adaptative grâce à l’imagerie de repositionnement en utilisant des algorithmes de recalage d’image. Les contours et la planification peuvent être conformes à l’anatomie du jour des patients au moment de leur fraction quotidienne. Il faut s’assurer préalablement de l’efficacité et la constance de ces algorithmes. Il est plus simple d’isoler des déformations spécifiques avec un fantôme anthropomorphique tridimensionnel que sur des images de patients. Le fantôme construit dans cette étude a permis de construire une banque d’images montrant 7 déformations différentes en intra et intermodalité Cette étude montre l’utilité du fantôme dans la validation et ainsi que l’efficacité de deux algorithmes de recalage d’image. Cette validation permet de cerner les lacunes de cette technologie pour éventuellement l’utiliser en clinique.

Pour bien comprendre et contrôler les aérosols contenant des virus (viroaérosol), un modèle de laboratoire approprié est requis. Pour cette étude, trois bactériophages : P008 couplé au SYBR Gold, PP01 exprimant la GFP et ʎ exprimant la EYFP ont été comparés entre eux et à des microsphères fluorescentes non-biologiques pour leur potentiel en tant que modèle de laboratoire en aérovirologie. Les modèles viraux ont été aérosolisés à partir d’un tampon de phage en utilisant un nébuliseur de TSI (modèle 9301) connecté à une chambre d’aérosols. La taille aérodynamique des aérosols ainsi que leur distribution ont été déterminées à l’aide d’un spectromètre de particules aérodynamique (APS, TSI modèle 3321). Les échantillons de viroaérosols ont été capturés à l’aide d’un impacteur Andersen à six étages contenant soit du tampon de phage à l’intérieur des plaques de chaque étage ou un milieu solide (agar à 1.5%). Les techniques des plages de lyse, du qPCR et la microscopie à fluorescence ont été utilisées pour quantifier les virus récupérés sur les étages de l’impacteur. La microscopie à fluorescence a aussi été utilisée pour quantifier et analyser les modèles viraux sur des particules seules et sur milieu solide. L’ADN viral, des plages de lyse ainsi que des particules fluorescentes ont été observées sur les étages 3 à 6 de l’échantillonneur ce qui corrélait avec les données obtenues par l’APS. La microscopie à fluorescence a permis de visualiser les modèles viraux sur ou à l’intérieur des particules d’aérosols. Ces résultats confirment que les virus peuvent être présents dans l’atmosphère sous forme d’aérosol dont la dimension est bien plus grande que celle de leur propre taille, et que les virus en aérosol peuvent être quantifiés et observés en utilisant la microscopie à fluorescence. L’ensemble de ces résultats suggèrent qu’un bactériophage fluorescent serait un excellent modèle de laboratoire pour étudier le comportement des virus dans l’air. / In order to understand and control virus aerosols (viroaerosols), an appropriate laboratory model is required. In this study, fluorescent bacteriophages P008 coupled to SYBR Gold, PP01 expressing GFP and ʎ expressing EYFP were compared to non-biological fluorescent microspheres for their potential as viral models in aerovirology. The test viruses were aerosolized in phage buffer using TSI’s 9301 model atomizer attached to a commercially available aerosol chamber. The aerodynamic particle size distribution of the viroaerosols was determined with an aerodynamic particle sizer (APS, TSI’s 3321 model). Samples were collected with a Sixstage Andersen impactor loaded with Petri dishes containing either phage buffer or a solid 1.5% agar medium. Plaque assays, qPCR and fluorescence microscopy were used to quantify the virus load on each stage of the impactor. Fluorescence microscopy was also used to quantify and analyze single aerosol particles in liquid or solid media. Viral DNA, infectious particles and fluorescent particles were detected on stages 3 to 6 of the sampler and correlated with the aerodynamic particle distribution. Fluorescence microscopy permitted visualization of viruses on or encapsulated inside aerosol particles and on a solid medium. These results confirm that viruses may be present in the atmosphere as aerosols, which are much larger than their own particle size, and that viruses could be visualized and quantified in aerosols using fluorescence microscopy. These findings suggest that a fluorescence-expressing bacteriophage would be an excellent laboratory model for the study of viruses in aerosols.