Cette thèse a pour sujet l’amélioration du traitement contre le cancer par radiothérapie externe à l’aide d’images prises par l’imageur portal. Actuellement, la dose totale d’un traitement curatif en radiothérapie externe est fractionnée sur plusieurs semaines. Au cours de celles-ci, le patient peut présenter des modifications anatomiques dues à de multiples facteurs (comme la perte de poids ou la modification du volume tumoral), ce qui peut compromettre la qualité du traitement planifié. La finalité de ce projet est d’améliorer les traitements de radiothérapie externe en utilisant une technique capable de déterminer si l’anatomie du patient traité est toujours conforme à sa planification. Ce principe est appelé radiothérapie adaptative. L’imageur portal est un détecteur, fixé sur le portique du côté opposé à la source de rayonnement et derrière la table de traitement, ce qui lui permet de mesurer le signal sortant de l’accélérateur, avec ou sans le patient sur la table de traitement. Le but de ce travail a été de développer une méthode, adaptée en fonction de la localisation du site anatomique traité, permettant de vérifier que le patient est anatomiquement conforme à son imagerie de référence, et dans le cas contraire, de chercher l’impact dosimétrique des changements observés pour, au besoin, mettre en place des mesures correctives. Pour chacun des sites anatomiques, des images de dose de sortie sont acquises à chaque fraction de traitement, ainsi que l’acquisition d’imagerie volumétrique par faisceau conique au début et à la fin du traitement. Une analyse gamma est réalisée pour chaque image en prenant comme référence celle de la première fraction et de nombreux paramètres sont extraits de ces analyses: le γ moyen, l’écart-type, le TOP 1% (la valeur moyenne des 1% des plus hautes valeurs de γ), pourcentage de points avec γ supérieur à 1 et, la plus grande surface de pixels connectés avec une valeur gamma> 1. Les analyses ont été effectuées avec une tolérance en dose et en distance classique de 3% / 3 mm et avec un seuil de 10 % du maximum. Des logiciels d’extraction d’image et d’analyse ont été développés premièrement pour faciliter le suivi et à terme, pour inclure le procédé dans une routine clinique automatisé. Chaque site ayant sa propre problématique, ils ont tous été abordés indépendamment des uns des autres. Les contraintes de chaque localisation ainsi que toutes les possibilités d’amélioration des traitements ont été étudiées afin de proposer une solution envisageable dans les conditions cliniques actuelles d’un centre de radiothérapie. Ainsi, chacune des solutions proposées pour améliorer le traitement des patients, que ce soit dans les chapitres 3 et 4ou encore dans l’annexe 1 sur le poumon, est basée sur les besoins réels, cliniquement parlant. Cette méthode, rapide à mettre en place et très simple d’utilisation, a su prouver qu’elle était susceptible d’améliorer les traitements des trois sites anatomiques étudiés. / This thesis project aims to improve cancer treatments by external radiotherapy using images from the electronic portal imaging device (EPID). The portal imager is a detector, attached to the gantry on the opposite side of the radiation source and behind the treatment table when a patient is treated. This enables the collection of the signal from the accelerator, with or without the patient on the treatment table. Currently, the total dose of a curative treatment by external radiotherapy is delivered over several weeks. During these weeks, the patients may have anatomical changes due to multiple factors (such as weight loss or changes in tumor volume), which may compromise the accuracy of the delivered dose as compared to the planned treatment. The aim of this research project is to develop a new adaptive radiotherapy methodology allowing to determine at each stage of the treatment whether the patient’s anatomy is still consistent with the initial planning and to estimate the dosimetric impact when changes were observed. EPID dose images were acquired at each treatment fraction for the three different anatomical site under study (head and neck, prostate and lung), together with cone beam volumetric imaging acquisition taken at least twice during treatment, at the second and last fractions. An image extraction and analysis software was first developed to facilitate monitoring and eventually to include the process in an automated clinical routine. A gamma analysis was thus performed for each image, with the one from the first fraction set as reference and several parameters were extracted from these analyzes: average γ-value, standard deviation, Top 1% from maximum γ, the percentage of points with a γ value larger than 1 and the largest connected pixel area with a gamma value > 1. Analyses were made with 3%/3mm as passing criteria and with a threshold of 10% for the low value cut-off. Since each targeted anatomical site has its own characteristics, they were all assessed independently. Taking into account the constraints of each anatomic site, the specificity and the sensitivity values that we have determined, confirmed the performance of the method to detect anatomical changes. Moreover, the γ-analysis threshold correlated well with morphological changes having a relevant dosimetric impact. In conclusion, such analyses of daily EPID images allow to identify patients at risk of deviation from the planned treatment and can support an early replanning decision. Our method is very quick to implement and very easy to use, and should be a powerful tool to improve the treatment of cancers, particularly those of the three anatomical sites studied

La région LOOP4, dans laquelle se trouvent les quatre nuages moléculaires d’intérêts, fait partie de la boucle céleste du nord et a été observée dans le centimétrique à l’aide des radiotélescopes DRAO et GBT afin entre autre d’y détecter la présence d’hydrogène moléculaire. Des observations supplémentaires ont été faites depuis le radiotélescope du Onsala Space Observatory dans le but d’examiner le ¹²CO(J = 1 - 0) et le ¹³CO(J = 1 - 0) dans le milimétrique. Cette molécule est considérée comme un traceur d’hydrogène moléculaire et elle est observable en émission sous les conditions physiques des quatre nuages. On considère que nos quatre régions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 et LOOP4N4) sont à l’équilibre thermodynamique local, permettant de décrire la distribution de population des niveaux d’énergie avec une seule température d’excitation. On observe le ¹³CO là où l’émission du ¹²CO est élevée, avec un rapport signal sur bruit 6 - 7. Deux à trois composantes en émission ont été observées, parfois sur la même ligne de visée, dans les quatre régions autant en ¹²CO qu’en ¹³CO, indiquant déjà que nous faisons face à des régions dont l’âge évolutif est assez jeune. Plusieurs composantes en ¹²CO sur une même ligne de visée indiquerait que celui-ci pourrait être partiellement optiquement épais. J’ai calculé les largeurs de raie du ¹³CO et constaté qu’elles sont systématiquement plus étroites que celles du ¹²CO, indiquant la faible opacité ainsi que la faible abondance de cet isotope ( << 1) en comparaison avec le ¹²CO. Les largeurs de raie du ¹²CO se situent entre 0:5kms⁻¹ et 1kms⁻¹ pour les quatre nuages, valeurs qui s’apparentent à celles des nuages moléculaires diffus. Par contre, les valeurs du ratio des intensités intégrées du ¹²CO et du ¹³CO, W(¹²CO)=W(¹³CO) se situent entre 3 et 13 et sont davantage associées aux nuages translucides, avec LOOP4N2 qui semble être le plus dense et le plus avancé en évolution. Les masses des nuages ont été calculées avec un facteur permettant de convertir l’intensité intégrée du ¹²CO en masse de H₂ le facteur XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹, puis les températures d’excitation ont pu être obtenues à partir du ¹²CO. Les nuages moléculaires observés semblent être dans une étape de transition entre les nuages moléculaires diffus et les nuages translucides, dont LOOP4P et LOOP4N4 semblent être les plus diffus tandis que LOOP4N1 et LOOP4N2 semblent être les plus denses. / The LOOP4 region, in which we found our four molecular clouds of interest, is part of the northern celestial loop. millimetric observations from the DRAO and GBT radiotelescope have been made in this region, looking for IR excess over that expected from an atomic medium resulting in the presence of molecular hydrogen. Additional milimeter observations were made afterward from the Onsala Space Observatory radio telescope to examine the ¹²CO(J = 1 -0) transitions. This molecule is considered a tracer of molecular hydrogen and has observable emission lines under the conditions of our four clouds. We considere that our four regions (LOOP4P, LOOP4N1, LOOP4N2 and LOOP4N4) are in local thermodynamic equilibrium, which means that only one excitation temperature is needed to describe the distributon of energy levels. We only observe ¹³CO lines where ¹²CO lines are strong, with a signal over noise ratio of 6 -7. Two to three emission lines were observed, sometimes on the same line of sight, in our four regions in both ¹²CO and ¹³CO, giving us a glimpse of their early stage of evolution. Multiple ¹²CO components in one line of sight would indicate that it is partially optically thick. ¹³CO linewidths are sistematically narrower than that of ¹²CO, which is in agreement with the lower ¹³CO abundance, hence opacity. ¹²CO linewidths range between 0:5kms⁻¹ and 1 kms⁻¹ for all clouds, values that resemble diffuse molecular clouds. On the other hand, the ¹²CO and ¹³CO integrated intensity ratio, W(¹²CO)=W(¹³CO) ranges between 3 and 13 and they are more associated with translucent clouds, with LOOP4N2 who seems to be the denser and more mature cloud. Cloud masses were computed with the factor XCO = 0:5 x 10²⁰cm⁻²(Kkms⁻¹)⁻¹ and the excitation temperatures were obtained from the ¹²CO lines. The molecular clouds observed appear to be in a transition stage between diffuse molecular clouds and translucent clouds, of which LOOP4P and LOOP4N4 seems to be the most diffuse ones while LOOP4N1 and LOOP4N2 look to be the denser ones.

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

L’hologramme généré par ordinateur (HGO) a été démontré à jouer un rôle important depuis son invention par Lohmann dans les années 1960 dans de nombreuses applications telles que l’ingénierie du front d'onde, l’éclairage structuré et l’affichage optique, etc. Dans le travail de thèse ci-présent, la modélisation, la conception et l’optimisation d’HGO avec des phases binaires sont étudiées. Nous avons examiné un système pratique de projection d’image avec certaines spécifications de travail, par exemple, une distance de travail de 40 cm, une profondeur de champ de 10 cm et un angle de diffraction de 53 degré pour une longueur d’onde de travail de 632 nm, et ensuite conçu et optimisé un hologramme de phase binaire en passant par une recherche directe binaire pour ce système d’image. L’hologramme a été fabriqué par la lithographie à faisceau d’électrons. Pour atteindre l’angle de diffraction requis, nous avons discuté de l’architecture optique dans le système de projection d’image holographique. L’HGO conçu et le système de projection d’image holographique ont été validés expérimentalement par reconstruction optique. Étant donné que les pixels finiront par se regrouper pour former des ouvertures polygonales en hologramme, qui peut être vu clairement dans le processus de recherche directe binaire, nous avons proposé une nouvelle approche pour la conception directe des ouvertures polygonales basée sur la disposition triangulaire en HGO de grande taille en pixels. La diffraction de l’ouverture a été calculée par la transformation analytique d’Abbe. L’image reconstruite peut être exprimée comme une addition cohérente de motifs de diffraction à partir de tous les bords droits d’orientations et de longueurs différentes. Une optimisation en deux étapes comprenant l’algorithme génétique avec la recherche locale de codage des phases binaires des ouvertures, suivie par la recherche directe de co-sommets flottants des ouvertures triangulaires élémentaires a été développée. Nous avons en outre proposé une disposition d’ouverture quadrilatérale, qui fournit plus de degrés de liberté et peut former des ouvertures polygonales plus diverses en hologrammes. L’algorithme génétique parallèle avec la recherche locale a été adopté dans une première étape pour assigner des phases binaires, et la recherche directe a ensuite été utilisée pour optimiser des emplacements de co-sommets d'ouvertures quadrilatérales lors de la deuxième étape. Trois schémas différents pour l'algorithme en deux étapes ont été discutés pour fournir des moyens flexibles afin d’équilibrer la performance de l’optimisation et la durée nécessaire. / The computer-generated hologram (CGH) has been demonstrated to play an important role, since its invention by Lohmann in 1960s, in many applications such as wavefront engineering, structured illumination and optical display, etc. In this thesis, the modeling, design and optimization of CGH with binary phases are studied. We considered a practical projection image system with certain working specification, e.g. working distance of 40 cm, depth of field of 10 cm and a diffraction angle of 53 degree for 632 nm working wavelength, and then designed and optimized a binary-phase hologram by direct binary search for this image system. The hologram was fabricated by E-beam lithography. To achieve the required diffraction angle, we discussed the optical architecture in holographic projection image system. The designed CGH and holographic projection image system were validated experimentally by optical reconstruction. Since the pixels will eventually cluster to form polygonal apertures in hologram, which can be seen clearly during the process of direct binary search, we proposed a new approach to directly design polygonal apertures based on triangular layout in CGH of a large number of pixels. The diffraction of aperture was calculated by analytical Abbe transform. The reconstructed image can be expressed as a coherent addition of diffraction patterns from all the straight edges of different orientations and lengths. A two-step optimization including genetic algorithm with local search for encoding binary phases of apertures, followed by direct search for floating covertices of the elementary triangular apertures was developed. We further proposed a quadrilateral aperture layout, which provides more degrees of freedom and can form more diverse polygonal apertures in holograms. The parallel genetic algorithm with local search was adopted to assign binary phases in the first step, and direct search was then used to optimize of locations of covertices of quadrilateral apertures in the second step. Three different schemes for the two-step algorithm were discussed to provide flexible ways to balance the optimization performance and time cost. / Résumé en espagnol

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.

Ce mémoire présente une méthode d’augmentation du champ de vue d’une caméra temps-de-vol commerciale. Cette augmentation étendrait leur utilisation dans certaines applications où la perception de l’environnement sur un large champ de vision est un critère, notamment en robotique mobile. La conception inclut l’ajout d’une lentille de conversion au système optique de la caméra infrarouge ainsi qu’une modification du système d’illumination. Dans le cas d’une Kinect V2, les capacités de reconstruction 3D ont été conservées pour une augmentation d’environ 50% du champ de vue, soit de 70°x60° à 106°x86°. Afin de tenir compte des modifications apportées au système optique, une calibration de la caméra a été effectuée. Le système modifié comporte une bonne précision (<1%) et une bonne exactitude (<1,5%). Ces résultats sont calculés avec 100 acquisitions en considérant un peu moins de 40% des pixels disponibles sur le senseur. Les performances diminuent rapidement en dehors de la zone centrale du senseur. Un compromis a été fait sur les performances du système afin d’augmenter son champ de vue. / This dissertation presents a method to increase the field of view of a commercially available time-of-flight camera. This increase could extend the field of application of such cameras, especially in mobile robotics where awareness of the surrounding is an important factor. The design includes a conversion lens added in front of the optical system and a modification to the illumination system. In the specific case of a Kinect v2, capability of 3D reconstruction has been preserved for an augmentation of 50% of the field of view, from 70°x60° to 106°x86°. To take into consideration the optical modifications, a calibration of the camera has been made. The modified system is characterised by a good precision (<1%) and a good accuracy (<1,5%). These results are calculated on slightly under 40% of the available pixels using 100 acquisitions. Performances decrease at a great rate outside of the central pixel zone. A trade-off has been made on the system performances in order to increase the original field of view.

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.

Les systèmes laser en fibre optique de verre fluoré se sont placés en tête de file pour la génération de lumière cohérente dans l’infrarouge moyen, de 2 à 5 μm. En particulier, les lasers à fibre opérant à 3 μm ont attiré une attention considérable puisqu’ils permettent le développement d’applications en spectroscopie, en contre-mesure militaire et en médecine. De ce fait, ces lasers ont connu des progrès considérables en termes de puissance, de qualité de faisceau, de fiabilité et de compacité dans la dernière décennie. Cette thèse s’inscrit dans cette démarche d’accroissement des performances des lasers à fibre infrarouges opérant à 3 μm. Ainsi, elle présente différents systèmes laser en fibre de verre fluoré et détaille les composants tout-fibre qui ont permis d’atteindre des records d’efficacité énergétique, de puissance et d’énergie par impulsion.Trois types de sources laser, chacune ayant établi un record de performance, ont été investiguées. Tout d’abord, une efficacité laser record de 50% a été obtenue à partir d’un laser à fibre opérant à 2.8 μm en utilisant le principe de cascade laser à 2.8 et 1.6 μm. Ensuite, un amplificateur à fibre, basé sur des fibres dopées à l’ion erbium et aux ions holmium et praséodyme, a permis d’amplifier des impulsions picosecondes à 3 μm d’une source laser à l’état solide pour obtenir une énergie par impulsion (122 μJ) et une puissance moyenne (2.45 W) records. Finalement, une cavité laser tout-fibre dopée à l’ion erbium opérant autour de 3 μm, dépourvue d’épissures fusionnées, a mené à la démonstration d’une puissance laser recordde 41.6 W. D’autre part, cette thèse a ciblé différents obstacles limitant l’accroissement de la puissance des lasers à fibre opérant à 3 μm, et a permis d’identifier des pistes de solutions pour pallier ces limitations. En l’occurrence, la photodégradation de l’extrémité de sortie des lasers à fibre à 3 μm, causée par la diffusion de la vapeur d’eau ambiante, limite la durée de vie et la puissance maximale de ce type de laser. Ainsi, le dernier volet de cette thèse a été consacré à l’étude expérimentale de la photodégradation d’embouts de protection à base de verre fluoré ou d’oxyde. Cette étude a mené au développement d’une nouvelle méthode permettant d’inhiber la diffusion de la vapeur d’eau dans les embouts de protection. Cette thèse représente une avancée majeure dans le contexte de l’accroissement de la puissance des sources laser en fibre optique opérant à 3 μm et démontre leur potentiel indéniable pour remplacer d’autres types de lasers dans une multitude d’applications. / Fluoride fiber laser technology is one of the noteworthy tools for generating coherent mid-infrared signal between 2 to 5 μm that has made outstanding progress over the last decade interms of compactness, reliability, high beam quality, and output power. In the mid-infrared spectral region, laser emission near 3 μm is crucial for many applications such as spectroscopy, counter measures and medicine. In addition, there has always been an increasing demand for higher laser output parameters to open new doors for potential applications.This dissertation presents a series of experimental studies of fluoride fiber laser systems, either in continuous wave or pulsed regime, and of their critical in-fiber components to achieve a laser emission with high slope efficiency, output power, and pulse energy near 3 μm. During this PhD project, three main 3 μm-class fluoride fiber laser sources, each representing at least one record output parameter in their own category, have been investigated. First, the highest optical-to-optical efficiency (50%) at 2.8 μm was achieved from a diode-pumped fiber laser cavity by cascaded transitions of 2.8 μm and 1.6 μm in a low-doped erbium fluoride fiber. Then, active media based on erbium and holmium/praseodymium zirconium fluoride fibers seeded by a sub-ns solid-state laser enabled to achieve highest pulse energy (122μJ)and average power (2.45 W) from a picosecond fiber laser amplifier operating near 3 μm. Lastly, the highest average power 3 μm-class laser (41.6 W) has been demonstrated by using asplice-less heavily erbium-doped fluoride fiber medium. The major problems during the high-power laser operation have been investigated and potential solutions were proposed. The most common problem of all the high-power 3 μm fiber laser demonstrations is the degradation of the fiber tips due to OH migration, which limits the output power and can lead to catastrophic failures. Therefore, in the last part of the PhD project, the performance of fluoride- and oxide-based endcap components under high-power 3 μm laser emission has been experimentally investigated and a novel endcapping method was proposed for suppressing the OH migration. Experimental studies in this PhD project represents a significant advance for further power scaling of 3 μm fluoride fiber laser sources and shows their potential to replace other laser technologies.

Le projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) est une mission de télescope à ballon dirigé dans le but de l'imagerie exoplanète en utilisant des techniques à contraste élevé. Pour la première mission en 2018, les principaux objectifs étaient de développer les systèmes nécessaires et de valider leurs performances, d'acquérir des données de vol et de prouver la capacité de survie de tous les systèmes et composants majeurs dans des conditions proches de l'espace. Ce projet de maîtrise porte sur deux aspects de la charge utile : la conception de la monture de télescope alt-az dynamique pour le système de pointage et le développement des sangles thermiques personnalisées pour le système optique. La monture du télescope est la structure qui supporte le télescope et permet aux moteurs du système de pointage de le diriger vers la position souhaitée. Les sangles thermiques personnalisées sont une solution développée pour dissiper la chaleur générée par les principaux composants du système optique (caméras, contrôleurs, etc.). Les deux solutions ont été testées lors d’un vol de nuit en août 2018 dans le cadre de la campagne STRATOS de l’agence spatiale canadienne à Timmins, en Ontario. Ce mémoire définira les exigences des deux systèmes, présentera le développement des conceptions, détaillera les analyses et les tests effectués, démontrera la conformité aux exigences, commentera sur les performances de la mission et donner des conseilsdes moyens d'améliorer les deux conceptions pour les futures itérations du projet. / The HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) project is a balloon-borne telescope mission with the big-picture goal of exoplanet-imaging using high-contrast techniques. For the scope of the pilot mission in 2018, the main goals were to develop the necessary systems and validate their performance, acquire flight data, and prove the survivability of all systems and major components in near-space conditions. This Master’s project deals with two aspects of the overall payload : the design of the dynamic alt-az telescope mount for the pointing system and the development of the custom thermal straps for the optics system. The telescope mount is the structure that supports the telescope and allows the pointing system’s motors to direct it to the desired position. The custom thermal straps are a solution that was developed to dissipate the heat generated by the optics system’s main components (cameras, controllers, etc.). Both solutions were tested during an overnight flight in August of 2018 under the Canadian Space Agency’s STRATOS campaign in Timmins, Ontario. This mémoire will define the requirements for both systems, present the development of the designs, detail the analyses and tests performed, demonstrate conformance to the requirements, commenton mission performances, and provide insight on ways to improve both designs for future iterations.

La thèse présentée porte sur l’investigation d’un nouveau matériau luminescent pour une application en dosimétrie à scintillation, un matériau développé pour la première fois il y a environ une vingtaine d’années : les points quantiques colloïdaux (cQDs). Ces derniers sont des nanocristaux de semi-conducteurs possédant des propriétés uniques, découlant entre autres du confinement tridimensionnel de leurs porteurs de charge. Les cQDs constituent un matériau d’intérêt pour la dosimétrie à scintillation d’abord grâce à leur luminescence dont l’intensité est bonifiée par rapport à celle de leur équivalent macroscopique. Plusieurs autres propriétés des cQDs les rendent intéressants pour le développement d’un dosimètre à scintillation. Ils possèdent un large spectre d’absorption et un étroit spectre d’émission, dont la position du maximum d’absorption (émission) est dépendante de la taille et de la composition des cQDs. De plus, il existe de multiples supports physiques dans lesquels peuvent être insérés les cQDs, des supports comme divers solvants ou plastiques. Peu de travaux ont été menés sur la caractérisation de cQDs comme scintillateurs, spécialement dans le contexte d’une application en dosimétrie à scintillation pour la radio-oncologie. Une panoplie d’avenues nécessitaient donc d’être explorées pour établir un portrait des cQDs comme matériau luminescent pour des applications en dosimétrie. Plusieurs formes physiques dans lesquelles étaient inclus les cQDs ont été testées : de la poudre, des liquides et des plastiques. La majeure partie de la thèse traite de la caractérisation de cQDs comme scintillateur, mais une portion de la thèse porte aussi sur le développement d’instrumentation spécifique à la mesure aux accélérateurs linéaires. Celui-ci a été motivé par le fait que l’accélérateur linéaire a un rapport cyclique de 0,144%, faisant en sorte que la majorité de l’intégration continue de signal lumineux collecte du bruit. Un prototype de circuit intégrateur synchronisé a donc été développé, ce qui a permis de faire un gain sur le rapport signal sur bruit du signal mesuré. Concernant la caractérisation des cQDs, la première étude présentée rapporte les résultats d’une comparaison de la résistance à la radiation ionisante de cQDs à coquille simple et de cQDs à coquilles multiples, ce dernier étant le type utilisé pour le projet de thèse. Il a été montré que les cQDs à coquilles multiples ont une meilleure résistance à la radiation que les cQDs à coquille simple grâce à leur meilleure passivation de surface. De plus, la répétition de multiples irradiations entrecoupées de pauses a fait ressortir deux effets antagonistes pour chaque type de cQDs concernant la récupération, ou non, de leur efficacité de scintillation. Les cQDs à coquille simple ont présenté une accélération de la dégradation de leur scintillation entre les pauses alors que les cQDs à coquilles multiples ont présenté un recouvrement systématique de leur intensité de scintillation. Ensuite, une étude portant sur les dispersions liquides de cQDs est présentée. On en retire que l’efficacité de scintillation dépend de la nature du solvant dans lequel sont dispersés les cQDs. L’alkylbenzène, le meilleur solvant, permet notamment d’obtenir une intensité de scintillation constituant le dixième de celle du scintillateur commercial Ultima Gold, et ce, malgré que la concentration de cQDs soit cinq ordres de grandeur plus faible que celle du fluorophore dans Ultima Gold. La dernière étude présentée porte sur la poursuite de la caractérisation des formes poudreuse et liquide de cQDs comme dosimètres. Des mesures rapportant la linéarité du signal en fonction de la dose déposée ont été menées pour des faisceaux de photons et d’électrons. D’autres mesures ont permis de caractériser la dépendance du signal en fonction de l’énergie du faisceau. Il a été montré que les dispersions liquides ont la dépendance la moins marquée, ayant une variation maximale de 15% à 220 kVp par rapport au signal à 6 MV pour la dispersion dans l’alkylbenzène. Cette variation se trouve même à être plus petite que celle observée pour la fibre scintillante BCF-60 et pour Ultima Gold. Quelques résultats préliminaires sont finalement rapportés concernant les scintillateurs plastiques de cQDs. Entre autres, il a été observé, aux énergies kV, que la dépendance en énergie du signal suit une tendance similaire à celle du BCF-60, mais dont l’amplitude de variation est moindre. En conclusion, chacune des formes de cQDs testées possède des particularités qui pourraient mettre de l’avant son utilisation en dosimétrie à scintillation. Ces dernières sont relatées en détail dans la conclusion de la thèse. / This thesis presents the investigation of a new luminescent material as the sensible volume of scintillating dosimeters, a material which has been developed in the past twenty years: colloidal quantum dots (cQDs). These nanocrystals are composed of semiconductors and have unique properties, which are in part due to the three-dimensional quantum confinement of their charge carriers. cQDs constitute a material of interest for scintillation dosimetry since they have a more important light emission than their bulk counterpart. Moreover, they have a wide absorption and a narrow emission spectrum, for which their maximum absorption (emission) is tuneable with the cQD size and composition. The cQDs can be incorporated to many physical supports like liquids or plastics. Few studies have characterized cQDs as scintillators for an application in radiation oncology dosimetry. Thus, many research paths had to be explored to establish the portrait of cQDs as a luminescent material for applications in dosimetry. cQDs under multiple physical forms were tested: powder, liquids and plastics. Even though the major part of the thesis deals with the characterization of cQDs, work has been done on improving the light signal collection. This part of the project was motivated by the low duty cycle of the linear accelerator (0.144%), which results in a continuous light acquisition including a lot of noise. Thus, a prototype of an integrated synchronized circuit was developed and lead to a better signal to noise ratio of the light signal collected, evaluated to be up to 8 times better. The first study on the cQD characterization reports the comparison results of the resistance to ionizing radiation of core/shell (CS) and multishell (MS) cQDs, the type that is used throughout the thesis. MS cQDs have proven to have a better radiation resistance than CS cQDs due to their better surface passivation. Moreover, repeated irradiations separated with pauses put forward an opposite trend concerning the effect of the pauses on the recovery of the scintillation efficiency. CS cQDs presented an accelerated degradation of their light production efficiency while MS cQDs showed a systematic scintillation efficiency recovery. In the second study, measurements were conducted in order to characterize the cQD liquid dispersions. It was observed that the cQD dispersion scintillation efficiency was dependent on the nature of the solvent. The alkylbenzene dispersion, offering the best light production, wasshown to reach a tenth of the light emission intensity of the commercial scintillator Ultima Gold. This observation is remarkable since the cQD concentration is five orders of magnitude lower than the fluorophore concentration in Ultima Gold. The last study presents the continuing characterization of the cQD powder and the cQD liquid dispersions as dosimeters. It is reported that their scintillation output is linear with dose when the cQDs are irradiated with various photon and electron beam energies. The light output dependence on beam energy was also quantified and it was shown that the cQD liquid dispersions have the least important dependence. Indeed, the alkylbenzene dispersion has a maximal signal variation from 6 MV of 15% observed at 220 kVp, a variation lower than what was reported for the scintillating fiber BCF-60 and Ultima Gold. Preliminary results are also presented for the cQD plastic scintillators. At kV energies, it was observed that the energy dependence of the scintillation output followed a similar trend than that of the BCF-60’s but had a lower variation amplitude. To conclude, each of the cQD forms has a potential in being used for scintillation dosimetry considering their proper particularities. These particularities are discussed in detail in the conclusion of the thesis.