Cette thèse présente la preuve de concept d’un nouveau système de télédétection multi-gaz utilisant la spectroscopie active d'absorption optique différentielle (active Differential Optical Absorption Spectroscopy ou active DOAS). Le système opère dans l’infrarouge proche et moyen. Celui-ci est conçu pour mesurer des gaz à une distance d’une centaine de mètres avec l’utilisation de cibles non coopératives, telles que les éléments de la topographie du terrain. Le système inclut un générateur paramétrique (Optical Parametric Generator ou OPG) permettant la génération d’impulsions ayant un spectre large (10 à > 100 nm) et dont la longueur d’onde centrale est accordable entre 1.5 et 3.8 µm. Un télescope couplé à un spectrographe et à une caméra MCT-APD maison permettent de détecter le spectre de retour de chaque impulsion. Les expériences montrent la détection simultanée, dans l’air et dans une cellule, de H2O et CO2 à 2 µm et de H2O et CH4 à 3.3 µm. Les limites de détection pour notre expérience sont respectivement de 158 et 1 ppm·m pour le gaz carbonique et le méthane. Un algorithme original permet d’extraire les concentrations de gaz à partir d’un spectre de transmission présentant de signatures fortes d’absorption. Le développement d’un OPG conçu spécialement pour le système est détaillé. Son utilisation offre des avantages intéressants pour la mesure de gaz à distance. Les propriétés de l’OPG sont étudiées numériquement et expérimentalement afin d’optimiser son utilisation pour la mesure de gaz. Nous discutons des compromis à faire sur les paramètres de la pompe, du cristal et des sources d’injection (seed). L’objectif est d’optimiser la densité spectrale et la divergence tout en augmentant l’énergie de sortie. Un laser d’injection large bande est construit et il permet d’optimiser la stabilité de l’OPG d’une impulsion à l’autre, la densité d’énergie et la divergence. Un modèle numérique permet de simuler correctement le niveau de puissance de l’OPG, d’expliquer les mécanismes de saturation de l’amplificateur et de proposer des moyens pour améliorer la stabilité d’une impulsion à l’autre. / This thesis presents the proof-of-concept of a novel remote sensing system designed for the detection of molecular species, such as gas pollutants, via active Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) in the short and mid wavelength infrared (SWIR/MWIR). The system is designed to be used in applications where gases need to be detected at a distance of about one hundred meters with the use of non-cooperative targets such as topographical features. The system includes an Optical Parametric Generator (OPG) generating broad linewidth (10 to > 100 nm) pulses tunable between 1.5 and 3.8 µm. A telescope coupled to a grating spectrograph and an in-house gated MCT-APD measures the whole return spectrum of each pulse. Experiments show simultaneous detection in indoor atmospheric air and inside a cell of H2O and CO2 at 2 µm and H2O and CH4 at 3.3 µm. In the context of our experiment, the detection limits for CO2 and CH4 are 158 and 1 ppm·m, respectively. A new algorithm is also presented enabling the determination of concentrations when spectra include strong absorption features. The development of a dedicated Optical Parametric Generator (OPG) is presented in detail. Its use in remote sensing of gaseous pollutants offers some promising advantages. The OPG properties are studied numerically and experimentally in order to optimize its use for the application. We discuss trade-offs to be made on the properties of the pump, crystal and seeding signal in order to optimize the pulse spectral density and divergence while enabling energy scaling. A seed with a large spectral bandwidth is shown to enhance the pulse to pulse stability and optimize the pulse spectral density and divergence. A numerical model simulating the OPG process is proposed and includes the multiple wavelength nature of the beams. It shows excellent agreement with experimental output power. The model also explains the mechanisms of gain saturation in OPGs and helps finding means of enhancing the pulse to pulse stability.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016

Générer des impulsions laser attosecondes requiert l’utilisation d’impulsions laser femtosecondes focalisées dans un gaz qui produit, par rediffusion, les harmoniques du rayonnement incident. Ce processus donne naissance au spectre XUV qui composera les impulsions désirées. Leur génération est optimisée par le contrôle des paramètres qui caractérisent l’impulsion femtoseconde : puissance, durée de l’impulsion, spectre fréquentiel et phase absolue. Tous ces paramètres, sauf la phase absolue, se mesurent avec des équipements facilement disponibles. Pour mesurer la phase absolue, nous construisons un Stéréo-ATI selon le concept proposé et démontré par une équipe de recherche en 2003. Plusieurs propriétés de l’ionisation induite par impulsions femtosecondes, dont les spectres photoélectroniques, sont montrées pour expliquer le fonctionnement de l’appareil. Des simulations de spectres de temps de vol et des explications plus techniques sont utilisées pour définir les propriétés de la machine et les appareils utilisés pour monter une expérience complète de détection de phase absolue. / Attosecond laser pulse generation requires the use of femtosecond laser pulses focused in a gas which produces, by rescattering, harmonics of the incident beam. This process gives birth to the XUV spectra composing the desired pulses. Their generation is optimised by controlling the characteristic parameters of the femtosecond pulses: power, pulse duration, frequency spectra and absolute phase. All these parameters, excluding the absolute phase, can be measured with some easily available equipment. To measure the absolute phase, we build a Stereo-ATI from the concept proposed and demonstarted by a research team in 2003. Many properties of the femtosecond induced ionization, among which photoelectronic spectra, are shown to explain how the apparatus works. Simulations of time of flight spectra and some more technical explanations are used to define the apparatus properties and the equipment used to mount a complete absolute phase detection experiment.

Ce travail est consacré à la théorie et aux simulations numériques des nouveaux textiles qui peuvent communiqués sans-fil et composé des antennes fibre multimatériaux. La recherche est conduite par une tentative à changer le concept de "wearables" de grands dispositifs montés sur le corps à des dispositifs cachés confortables intégrés dans vos vêtements. Les textiles RF peuvent être prévus dans divers secteur des soins de santé, pour la surveillance des enfants et des personnes âgées, dans les domaines de télémédecine, de sécurité et de la recherche et sauvetage. Les antennes RF textiles, précédemment développées dans notre groupe, sont constituées de fibre multimatériaux en incorporant une couche conductrice d'argent dans un capillaire silice de 100 µm de diamètre à l'aide de la technique de déposition de phase liquide. La structure de ces antennes portables est flexible, se conforme au corps et non invasif. Dans ce travail, la performance de deux antennes de fibre, l'antenne dipôle et boucle, sont examinés à la bande de fréquence ISM par des simulations numériques à l'aide de logiciel ANSYS HFSS dans l'espace libre et sur le corps. À cette fin, le modèle de corps humain à plusieurs couches spécifiques a été développé en s'inspirant des valeurs proposées par le FCC "Federal Communications Commission" pour assigner les propriétés diélectriques de chaque tissu et pour satisfaire toutes les mesures de sécurité. Les résultats stimulés comprennent le déplacement de fréquence de résonance, les diagrammes de rayonnement affectés, le champ de rayonnement au-dessus du corps, l'efficacité et les mesures de SAR. En outre, la séparation de corps de l'antenne et les effets météorologiques sont également examinés. Les résultats présentés sont ensuite analysés en ce qui concerne les avantages et les inconvénients des deux designs, particulièrement dans le scénario sur le corps, tel qu'une attention spéciale est accordée à la robustesse et l'immunité contre la proximité du corps humain. / This work is devoted to the theory and numerical simulations of novel wireless-communicating textiles featuring multi-material RF fiber antennas embedded into textiles. The research is driven by an attempt to change the concept of wearables from large devices mounted on the body to a hidden and comfortable wearables integrated into your clothes. RF textiles antennas are expected to find multiple applications in various sectors of healthcare, child and elderly monitoring - telemedicine and home-nursing, security, search and rescue. RF textiles antennas, previously developed in our group, are made from multi-material fiber by incorporating a conductive layer of silver within a silica capillary of 100μm diameter using liquid phase deposition technique. The structure of these wearable antennas is flexible, conform to the body, and non-invasive. In this work the performance of two fiber antennas, namely dipole and loop, is investigated at ISM-band through numerical simulations using ANSYS HFSS both in free space and on-body scenario. For this purpose, the specific multi-layer human body model was developed using the “Federal Communication Commission” guidelines to assign the dielectric properties of each tissue and to satisfy all safety regulations. Simulated results include the shifting of resonance frequency, affected radiation patterns, radiation field above the body, efficiency and SAR measurements. In addition, antenna-body-separation distance and weather effects are also investigated. Presented results are then analyzed in terms of pros and cons of the two fiber antenna designs, especially in on-body scenario, as special attention is given to the robustness and immunity against the vicinity of human body.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Lorsque fortement focalisées, les impulsions laser de haute puissance génèrent des champs électromagnétiques d’amplitude gigantesque. Ces derniers peuvent être mis à profit pour accélérer des électrons à une grande énergie sur une très courte distance. Les progrès récents dans le domaine des lasers de haute puissance laissent ainsi entrevoir des perspectives excitantes dans le développement d’une nouvelle génération d’accélérateurs laser qui seraient beaucoup plus compacts et moins dispendieux que les accélérateurs d’électrons conventionnels. Parmi les différents schémas d’accélération laser proposés, l’utilisation d’impulsions laser de polarisation radiale s’avère prometteuse. Cette méthode tire profit de la composante longitudinale du champ électrique au centre d’un faisceau laser de type TM01 afin d’accélérer des électrons le long de l’axe optique. L’objectif spécifique du projet de doctorat présenté dans cette thèse est d’étudier l’accélération d’électrons par impulsions TM01 dans le régime des impulsions ultrabrèves et fortement focalisées. Dans ces conditions extrêmes, les impulsions laser doivent impérativement être modélisées à l’aide de solutions exactes aux équations de Maxwell. Nous présentons d’abord une technique permettant d’obtenir une solution exacte sous forme fermée aux équations de Maxwell pour décrire le champ électromagnétique de l’impulsion TM01. Cette solution exacte nous permet de modéliser rigoureusement la dynamique en régime d’impulsions ultrabrèves et fortement focalisées et d’en faire ressortir les caractéristiques intéressantes. Il est également mis en évidence qu’une solution exacte pour le champ électromagnétique n’est pas seulement utile en régime non paraxial, mais qu’elle est également nécessaire pour modéliser correctement la dynamique dans des conditions de faible focalisation. Une partie de cette thèse s’intéresse finalement à une application intéressante de l’accélération par impulsions TM01 ultrabrèves et fortement focalisées, soit la production d’impulsions ultrabrèves d’électrons sous-relativistes. À l’aide de simulations particle-in-cell, nous démontrons la possibilité d’accélérer des impulsions d’électrons d’une durée de l’ordre de la femtoseconde à quelques centaines de keV d’énergie lorsqu’une impulsion TM01 de quelques centaines de gigawatts est focalisée dans un gaz de faible densité. Étant situées dans la fenêtre énergétique adéquate, ces impulsions d’électrons pourraient permettre d’améliorer significativement la résolution temporelle dans les expériences d’imagerie atomique et moléculaire par diffraction électronique ultrarapide. / When focused on a tiny spot, high-power laser pulses generate gigantic electromagnetic fields. Under these strong field conditions, charged particles can be accelerated up to high energies over short distances. Recent advances in high-power laser technology hint at exciting new possibilities in the development of a new generation of laser-driven electron accelerators that are expected to offer a robust, compact, and low-cost alternative to conventional linear accelerators. Among the many proposed laser-driven acceleration schemes, the use of radially polarized laser pulses is very promising. In this method, the electrons are accelerated along the optical axis by the strong longitudinal electric field component at the center of a TM01 beam. The main objective of this thesis is to investigate electron acceleration driven by TM01 pulses under ultrashort pulse and strong focusing conditions. In this nonparaxial and ultrashort pulse regime, the laser pulses must be rigorously modeled as exact solutions to Maxwell’s equations. We first present the tools that are used to obtain an exact closed-form solution to Maxwell’s equations for a TM01 pulse. This exact solution allows us to accurately model the acceleration process and to highlight several interesting properties of the dynamics in the nonparaxial and ultrashort pulse regime. It is also shown that an exact solution is not only useful to investigate electron acceleration under nonparaxial conditions, but also necessary to correctly describe the dynamics in the weak focusing limit. A part of this thesis is also concerned with an interesting property of the acceleration driven by ultrashort and tightly focused TM01 pulses, namely the generation of ultrashort bunches of subrelativistic electrons. Using particle-in-cell simulations, we demonstrate the possibility of generating one-femtosecond electron pulses at few-hundred-keV energies when a few-hundred-GW TM01 pulse is tightly focused in a low-density gas. Since they are located in the appropriate energy window, these electron pulses could potentially lead to a significant improvement in the time resolution of atomic and molecular imaging experiments based on ultrafast electron diffraction.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / La formation des réseaux de surface, ou laser-induced periodic surface structures (LIPSSs), à l’aide d’une source laser pulsée est étudiée avec la théorie de Sipe-Drude, d’abord analytiquement, puis avec la méthode numérique finite-difference time-domain (FDTD). Les LIPSSs sont des structures nanométriques sinusoïdales pouvant être catégorisées selon leur orientation par rapport à la direction de polarisation du laser incident et en fonction de leur période Λ par rapport à la longueur d’onde du laser λ. Avec la méthode FDTD, nous trouvons, dans une région de l’espace paramétrique jamais explorée, qu’une impulsion laser polarisée linéairement peut interagir avec une surface rugueuse de façon à faire croître des structures bidimensionnelles ayant une période de Λ ∼ λ dans les orientations parallèle et orthogonale à la direction de polarisation. Par contre, ce modèle ne peut expliquer la forte organisation et régularité des structures dans le domaine spatial, tel qu’observé dans les expériences. Permettre l’auto-organisation des structures avec un mécanisme de rétroaction inter-impulsion est une solution possible afin de simuler la croissance de LIPSSs fortement organisés d’une impulsion laser à la suivante. Récemment proposée, cette méthode utilise un processus d’ablation non physique afin de tenir compte qualitativement de l’éjection de matériau entre deux impulsions laser. Ce nouveau modèle peut reproduire une grande variété de LIPSSs avec une forte régularité spatiale, mais échoue toujours à simuler la croissance de l’amplitude de certains types de structures. Nous suggérons que ces structures restantes peuvent croître en considérant un mécanisme inverse, l’expansion. En combinant ablation et expansion, nous avons simulé avec succès un plus grand nombre de types de LIPSSs. / The formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSSs) using pulsed laser source is studied on the basis of the Sipe-Drude theory solved, first analytically, then with a finitedifference time-domain (FDTD) scheme. LIPSSs consist of wavy nanometric structures and can be categorized depending on their orientation with respect to the incident laser polarization and their periodicity Λ with respect to the incident laser wavelength λ. With our FDTD solver, we find, in as yet unexplored regions of parameter space, that a linearly polarized laser pulse can interact with a rough surface such that bidimensional structures could grow with both parallel and perpendicular periodicity of Λ ∼ λ. However, this theory cannot predict the strong organization and regularity in the space domain, as observed in the experiments. Allowing self-organization in the model with an interpulse feedback mechanism is a possible solution to simulate the growth of strongly organized LIPSSs from one laser pulse to the next. This recently proposed method uses a non-physical ablation process to qualitatively account for material removal between two laser pulses. This new model can reproduce a large variety of LIPSSs with a strong spatial regularity, but still fails to simulate amplitude growth of some of the structures. We suggest that those remaining structures can grow by considering an inverse mechanism, an expansion process. By combining ablation and expansion mechanisms, we have successfully simulated the growth of a large class of LIPSSs.

Grâce à l’implémentation d’algorithmes de reconstruction 3D dans les systèmes d’imagerie TEM/TDM, une étude quantitative à partir des images reconstruites est possible. La quantification d’images TEM/TDM est nécessaire afin de permettre une étude dosimétrique 3D des patients atteints de tumeurs neuroendocrines traités au 177Lu-octréotate. Cependant, afin de permettre une quantification précise des images obtenues, plusieurs paramètres du système doivent être déterminés afin d’appliquer les corrections nécessaires. Dans le cadre de cette étude, l’appareil TEM/TDM utilisé est tout d’abord calibré. Pour ce faire, la stabilité temporelle, la sensibilité, le temps mort et l’effet de volume partiel de l’appareil sont déterminés pour différents radioisotopes. Par la suite, une étude comparative de deux plateformes de reconstruction est effectuée afin de trouver la technique offrant la plus haute précision quantitative d’images TEM/TDM. La calibration et l’étude des reconstructions de l’appareil TEM/TDM a permis de déterminer la procédure optimale pour l’imagerie quantitative du 177Lu et de 99mTc avec une erreur maximale de 3%. Ces résultats pourraient être validés à l’aide de données cliniques.

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.

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.