L'étude des systèmes aux équations différentielles ordinaires vise à prédire le futur des systèmes considérés. La connaissance de l'évolution dans le temps de toutes les variables d' état du modèle permet de prédire de possibles changements radicaux des variables ou des défaillances, par exemple, un moteur peut exploser, un pont peut s'écrouler, une voiture peut se mettre à consommer plus d'essence. De plus, les systèmes dynamiques peuvent contenir des dérivées spatiales et leur discrétisation peut ajouter un très grand nombre d'équations. La résolution des équations différentielles ordinaires est alors une étape essentielle dans la construction des systèmes physiques en terme de dimensionnement et de faisabilité. Le solveur de tels systèmes EDOs doit être rapide, précis et pertinent.En pratique, il n'est pas possible de trouver une fonction continue qui soit solution exacte du problème EDO. C'est pourquoi, des méthodes numériques sont utilisées afin de donner des solutions discrèes qui approchent la solution continue avec une erreur contrôlable. La gestion précise de ce contrôle est très importante afin d'obtenir une solution pertinente en un temps raisonnable.Cette thèse développe un nouveau solveur qui utilise plusieurs méthodes d'amélioration de la vitesse d'exécution des systèmes EDOs. La première méthode est l'utilisation d'un nouveau schéma numérique. Le but est de minimiser le coût de l'intégration en produisant une erreur qui soit le plus proche possible de la tolérance maximale permise par l'utilisateur du solveur. Une autre méthode pour améliorer la vitesse d'exécution est de paralléliser le solveur EDO en utilisant une architecture multicoeur et multiprocesseur. Enfin, le solveur a été testé avec différentes applications d'OpenModelica. / The study of systems of Ordinary Differential Equations aims at predicting the future of the considered systems. The access to the evolution of all states of a system's model allows us to predict possible drastic shifts of the states or failures, e.g. an engine blowing up, a bridge collapsin, a car consuming more gasoline etc. Solving ordinary differential equations is then an essential step of building industrial physical systems in regard to dimensioning and reliability. The solver of such ODE systems needs to be fast, accurate and relevant.In practice, it is not possible to find a continuous function as the exact solution of the real ODE problem. Consequently numerical methods are used to give discrete solutions which approximates the continuous one with a controllable error. The correct handline of this control is very important to get a relevant solution within an acceptable recovery time. Starting from existing studies of local and global errors, this thesis work goes more deeply and adjusts the time step of the integration time algorithm and solves the problem in a very efficient manner.A new scheme is proposed is this thesis, to minimize the cost of integration. Another method to improve the execution speed is to parallelize the ODE solver by using a multicore and a multiprocessor architecture. Finally, the solver has been tested with different applications from OpenModelica.

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.

Dans cette thèse nous expliquons comment pourraient être produites, dans le vide, des impulsions d'électrons relativistes ultrarapides. Le schéma d'accélération proposé tire profit du champ électrique longitudinal d'un faisceau laser spécial nommé faisceau TMQI ("TM" pour "Transverse Magnetic"). En résolvant les équations de Maxwell-Lorentz dépendantes du temps, il apparaît qu'un nuage d'électrons initialement au repos à l'étranglement d'une impulsion TMOi de quelques cycles peut potentiellement être accéléré à des énergies relativistes. Pour des puissances laser multitérawatt (1012 W) - le seuil pour que des accélérations notables se produisent - des énergies cinétiques allant d'une dizaine de keV à quelques dizaines de MeV sont prédites. Les électrons ainsi accélérés formeraient, sur l'axe du faisceau laser, un dense paquet faiblement divergent dont la durée atteindrait, dans certains cas, quelques centaines de zeptosecondes (10~21 s). Le problème de l'accélération en cascade est aussi abordé : il est démontré qu'ainsi des énergies de l'ordre du GeV seraient accessibles avec des puissances laser pétawatt (1015 W). Ces impulsions brèves d'électrons relativistes pourraient trouver de multiples applications biomédicales et scientifiques, notamment en ce qui concerne la production de rayons X pour la radiothérapie et, éventuellement, pour sonder des phénomènes atomiques et subatomiques avec une résolution temporelle sans précédent.

Par sa symétrie singulière, une impulsion laser de polarisation radiale de type TM₀,₁ a la particularité de développer un important champ électrique longitudinal, soit une composante de champ oscillant dans la direction de l'axe optique, dans un contexte de forte focalisation. Cet attribut lui permet d'être particulièrement bien adaptée à l'accélération de particules chargées dans le vide. Un électron se trouvant sur le passage d'une impulsion TM₀,₁ suffisamment puissante peut se synchroniser avec un demi-cycle optique du champ longitudinal et être entraîné avec ce dernier pour ainsi acquérir une énergie substantielle - ce mécanisme est généralement nommé accélération directe ou accélération sous-cycle. Ce schéma d'accélération est caractérisé par une complication inévitable ; tout faisceau laser, peu importe son état de polarisation, subit une déformation de la porteuse en traversant la région focale. Cette déformation, connue sous le nom de déphasage de Gouy, a pour effet de condamner les électrons à une désynchronisation hâtive avec l'impulsion laser, nuisant ainsi à un transfert optimal d'énergie. L'idée de base de ce projet de doctorat est donc la suivante : nous souhaitons diminuer la variation totale du déphasage de Gouy d'une impulsion de type TM₀,₁ sur l'axe optique afin de faciliter l'accord de phase entre les électrons et le champ, et ainsi améliorer les performances énergétiques de l'accélération directe d'électrons. Toutefois, au moment d'entamer ce doctorat, la valeur du déphasage de Gouy total des différentes composantes vectorielles du faisceau TM₀,₁ fortement focalisé est encore incomplètement établie. La première partie de ce projet est donc consacrée à la compréhension des résultats disparates présents dans la littérature à ce sujet. En proposant un formalisme unificateur, nous montrons que la valeur totale du déphasage de Gouy de la composante longitudinale est toujours de 2π sur l'axe optique. Considérant cette valeur a priori immuable, la seconde partie de ce projet consiste à trouver un moyen de la réduire. Cela est fait en développant une famille de solutions aux équations de Maxwell, à l'aide des intégrales de Richards et Wolf, ayant le profil d'intensité et l'état de polarisation d'un faisceau TM₀,₁, mais ayant un déphasage de Gouy ajustable. En utilisant ce nouveau type d'impulsion dans des simulations numériques d'accélération d'électrons pour différentes valeurs de déphasage de Gouy total, nous montrons qu'il s'agit d'un paramètre décisif dans le processus d'accélération sous-cycle et que la diminution de cette valeur est toujours avantageuse du point de vue énergétique. / Due to its singular symmetry, a TM₀,₁ radially polarized laser pulse has the particularity of developing a strong longitudinal electric field, i.e. a field component oscillating in the direction of the optical axis, in a context of strong focusing. This attribute makes it particularly well suited to accelerate charged particles in vacuum. An electron in the path of a sufficiently strong TM₀,₁ pulse can be synchronized and trapped in a single half-cycle of the longitudinal field to acquire substantial energy - this mechanism is generally referred to as direct acceleration or sub-cycle acceleration. This acceleration scheme is characterized by an unavoidable complication; any laser beam, regardless of its polarization state, undergoes a deformation of the carrier as it passes through the focal region. This deformation, known as the Gouy phase shift, causes the electrons to get preemptively out of sync with the pulse, thus hindering optimal energy transfer. The idea behind this PhD project is the following; we want to decrease the total Gouy phase variation of a TM₀,₁-like pulse on the optical axis in order to facilitate the phase matching between the electrons and the field, and thereby improve the energetic performances of direct electron acceleration. However, at the beginning of this project, the value of the total Gouy phase shift of the different vector components of the strongly focused TM₀,₁ beam is still not fully established. The first part of this project is therefore devoted to understanding the disparate results in the literature on that matter. By proposing a unifying formalism, we show that the total value of the Gouy phase shift for the longitudinal component is always 2π on the optical axis. Considering this a priori unchangeable value, the second part of this project is to find a way to reduce it. This is done using Richards and Wolf integrals to develop a family of solutions to Maxwell's equations for a beam with the same intensity profile and polarization state as the TM₀,₁ beam, but with a tunable Gouy phase. By using this new type of pulse in numerical simulations of electron acceleration for different values of total Gouy phase variation, we show that it is indeed a decisive parameter in the sub-cycle acceleration process and decreasing this value is always beneficial from an energy point of view.

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences. / Direct electron acceleration using ultrashort radially polarized laser pulses in strong focusing conditions exhibits unique properties for the production of ultrashort electron bunches. However, several aspects of this acceleration scheme are still left to investigate in order to ensure our complete understanding of the processes taking place. The present master’s thesis studies the use of TM01 chirped pulses in this acceleration scheme. Exact closed-form expressions for the description of all the components of the electromagnetic field of the TM01 chirped pulse are established by the generalization of the Poisson-like spectrum. It is, to the best of our knowledge, the first exact analytical model of an ultrashort non paraxial chirped pulse. These expressions are then used for on-axis “test particle” simulations, considering, at first, a constant pulse energy and, as a second case, a constant field maximum. Results reveal that chirp pulses seem to cause a decrease of the maximum energy gain achievable using this acceleration scheme; a decrease of the efficiency of tens of percents was observed. Additionnaly, numerical simulations show that down-chirp and up-chirp do not lead to the same results: we find that down-chirped pulses produce a slightly larger energy gain than up-chirped pulses, while still being less efficient than Fourier-transform-limited laser pulses

Cette thèse a pour but l'étude de l’interaction des impulsions laser brèves et ultra-intenses avec des cibles de petite taille. Nous nous intéressons surtout des phénomènes liés à l’accélération des ions aux granges énergies. L'outil principal de cette étude est notre code Particle-in-Cell (PIC) bidimensionnel, qui est capable d'effectuer le calcul du mouvement des particules et de l'évolution des champs en régime relativiste et sans collisions. Ce mémoire présente la théorie de l’accélération d’ions par laser, les simulations numériques des différents régimes d'accélération, ainsi que les algorithmes mis en œuvre dans notre code. Les nouveaux résultats obtenus dans le cadre de cette thèse concernent trois cas principaux: 1) l’interaction des impulsions laser intenses avec des cibles de la masse limitée; 2) l’accélération des protons par laser dans des gouttelettes fines d’eau vaporisé; 3) le transport latéral des électrons chauds dans une feuille mince et son effet sur l’accélération d’ions. Nos études théoriques et les simulations numériques sont appliquées pour l'interprétation des résultats des deux expériences récentes réalisées par les équipes de recherche en Allemagne et en France. Ces expériences montrent une accélération efficace d’ions dans les conditions prévues dans nos travaux théoriques. Le spectre énergétique et le nombre des protons accélérés dans les feuilles minces de la surface limitée et dans les gouttelettes d’eau se comportent conformément aux nos prévisions. Le modèle théorique développé dans cette thèse considère l'accélération des ions en deux étapes. Le champ du laser n'interagit pas directement avec les ions du plasma du à sa masse très élevée. Par contre, les électrons chauds, générés pendant l’interaction de l'impulsion laser avec une cible, produisent les champs électrostatiques importants qui accélèrent les ions aux hautes énergies. Ces champs peuvent être amplifiés si la masse de la cible est suffisamment petite. Nous considérons que la cible a une masse limitée, si toutes ses dimensions sont comparables avec la taille du faisceau laser dans la zone d'interaction. Ces cibles permettent de réduire la dispersion des électrons chauds, et donc d'améliorer la transformation de l'énergie cinétique d'électrons dans l’´energie des ions. Nos simulations numériques indiquent que la taille de cible transverse optimale est égale au diamètre du faisceau laser. Les expériences récentes avec des feuilles minces de la surface limitée ont confirmé que la transformation de l’énergie laser `a l’énergie des ions est plus efficace, l’énergie des ions est plus élevée, et la divergence du faisceau d’ions diminue avec la diminution de la surface de feuille. La physique de l’interaction d'un faisceau laser avec les gouttelettes d’eau est plus complexe, car il faut prendre en compte plusieurs facteurs tels que l'ionisation inhomogène des atomes de la gouttelette et la recombinaison, sa position dans le focus de laser, les collisions des électrons etc. Nous avons modélisé l’interaction de l’impulsion laser avec une gouttelette de diamètre de 100 nm. Dans un petit agrégat des atomes irradié par laser, les électrons sont expulsés par la force pondéromotrice et, pas conséquent, les ions sont accélérés par la force de Coulomb. Nous avons réussi d'expliquer la formation d'un pic dans la fonction de distribution des protons en énergie par l'effet de la répulsion mutuelle entre deux espèces des ions. Finalement, nous avons étudié le transport latéral des électrons dans le cas de l'incidence rasante du faisceau laser sur la cible mince plaine. Avec une série des simulations nous avons démontré qui le transport des électrons accélérés est réalisé par deux mécanismes complémentaires: par le guidage des électrons chauds sur la surface d’avant de la feuille par les champs quasi statiques électrique et magnétique et par la recirculation des électrons entre les faces l'arrière et l'avant de la cible. / The presented thesis is based on a theoretical study of the interaction of femtosecond laser pulses with small-size targets and related phenomena, mainly acceleration of ions. We have employed our relativistic collisionless two-dimensional particle-in-cell code to describe the interaction and subsequent ion acceleration. The theory of ion acceleration and related physics (for example, electron heating mechanisms) have been reviewed as well as computational algorithms used in our simulation code. In the thesis, our obtained results are organized into three main parts: 1) interaction of an intense laser pulse with mass-limited targets; 2) laser proton acceleration in a water spray target; 3) lateral hot electron transport and ion acceleration in thin foils. Our theoretical and numerical studies are accompanied with recent experimental results obtained by cooperating research groups on enhanced ion acceleration in thin foils of reduced surface and on proton acceleration in a cloud of water microdroplets. Since the field of nowadays operating lasers is not sufficient to accelerate directly ions to high energies due to their at least 1000 times larger mass-to-charge ratio compared with electrons, the ion acceleration is mediated by hot electrons creating strong electrostatic fields (a population of electrons heated by the laser wave) in targets of sizes higher or comparable with the laser wavelength or by Coulomb force between ions after electron expulsion in small clusters. Due to reduced target dimensions, the mass-limited targets, defined as the targets having all dimensions comparable with the laser spot size, limit the spread of hot electrons and, thus, the electron kinetic energy is transferred to ions more efficiently. We found via 2D PIC simulations that the optimum transverse target size is about the laser beam diameter. The enhancement of proton energy, laser-to-proton conversion efficiency, and narrower ion angular spread have been observed in recent experiments with thin foil sections and have confirmed our previous theoretical studies. The physics of the laser pulse interaction with water spray is rather complex and includes many phenomena (microdroplet ablation by laser prepulse, inhomogeneous droplet ionization, laser focal spot position in the spray, recombination and collisional effects in the surrounding target material, etc.). We have carried out numerical simulations of the laser pulse interaction with a water microdroplet of diameter of 100 nm, which gives an insight into the physics of ion acceleration in the spray. One can observe a pronounced peak in the proton energy spectra at the cutoff energy, which was explained by mutual interaction between protons and oxygen ions. Finally, we have studied two mechanisms of lateral electron transport in a thin foil - the first is due to hot electron guiding along the foil front surface by generated quasi-static electric and magnetic fields, and the second is caused by the hot electron recirculation (reversing of the normal component of electron velocity when the electron propagating through the foil starts to escape into vacuum, while the transverse velocity is largely unaltered). We found that only a small number of electrons can be guided along the foil surface for large incidence angles (60° and more) of the laser beam on the foil surface, whereas the majority of electrons is laterally transported towards foil edges due to the recirculation through the thin foil. However, electrons guided along the surface can be accelerated to several times higher energy than the recirculating electrons, which enhances the energy of accelerated ions from foil edges.

La microscopie électronique et la diffraction d’électrons ont permis de comprendre l’organisation des atomes au sein de la matière. En utilisant une source courte temporellement, il devient possible de mesurer les déplacements atomiques ou les modifications de la distribution électronique dans des matériaux. A ce jour, les sources ultra-brèves pour les expériences de diffraction d’électrons ne permettent pas d’atteindre une résolution temporelle inférieure à la centaine de femtosecondes (fs). Les accélérateurs laser-plasma sont de bons candidats pour atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. De plus, ces accélérateurs peuvent fonctionner à haut taux de répétition, permettant d’accumuler un grand nombre de données.Dans cette thèse, un accélérateur laser-plasma fonctionnant au kHz a été développé et construit. Cette source accélère des électrons à une énergie de 100 keV environ à partir d’impulsions laser d’énergie 3 mJ et de durée 25 fs. La physique de l’accélération a été étudiée, démontrant entre autres l’effet du front d’onde laser sur la distribution transverse des électrons.Les premières expériences de diffraction avec ce type de sources ont été réalisées. Une expérience de preuve de principe a montré que la qualité de la source est suffisante pour obtenir de belles images de diffraction sur des feuilles d’or et de silicium. Dans un second temps, la dynamique structurelle d’un échantillon de Silicium a été étudiée avec une résolution temporelle de quelques picosecondes, démontrant le potentiel de ce type de sources.Pour augmenter la résolution temporelle à sub-10 fs, il est nécessaire d’accélérer les électrons à des énergies relativistes de quelques MeV. Une étude numérique a montré que l’on peut accélérer des paquets d’électrons ultra-courts grâce à des impulsions laser de 5 mJ et 5 fs. Il serait alors possible d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde. Finalement, une expérience de post-compression des impulsions laser due à l’ionisation d’un gaz a été réalisée. La durée du laser a pu être réduite d’un facteur deux, et l’homogénéité de ce processus a été étudiée expérimentalement et numériquement. / Electronic microscopy and electron diffraction allowed the understanding of the organization of atoms in matter. Using a temporally short source, one can measure atomic displacements or modifications of the electronic distribution in matter. To date, the best temporal resolution for time resolved diffraction experiments is of the order of a hundred femtoseconds (fs). Laser-plasma accelerators are good candidates to reach the femtosecond temporal resolution in electron diffraction experiments. Moreover, these accelerators can operate at a high repetition rate, allowing the accumulation of a large amount of data.In this thesis, a laser-plasma accelerator operating at the kHz repetition rate was developed and built. This source generate electron bunches at 100 keV from 3 mJ and 25 fs laser pulses. The physics of the acceleration has been studied, and the effect of the laser wavefront on the electron transverse distribution has been demonstrated.The first electron diffraction experiments with such a source have been realized. An experiment, which was a proof of concept, showed that the quality of the source permits to record nice diffraction patterns on gold and silicium foils. In a second experiment, the structural dynamics of a silicium sample has been studied with a temporal resolution of the order of a few picoseconds.The electron bunches must be accelerated to relativistic energies, at a few MeV, to reach a sub-10 fs temporal resolution. A numerical study showed that ultra-short electron bunches can be accelerated using 5 fs and 5 mJ laser pulses. A temporal resolution of the order of the femtosecond could be reached using such bunches for electron diffraction experiments. Finally, an experiment of the ionization-induced compression of the laser pulses has been realized. The pulse duration was shorten by a factor of 2, and the homogeneity of the process has been studied experimentally and numerically.

Dans le domaine des soins de santé, l'imagerie médicale a rapidement progressé et est aujourd'hui largement utilisés pour le diagnostic médical et le traitement du patient. La santé mobile devient une tendance émergente qui fournit des soins de santé et de diagnostic à distance. de plus, à l'aide des télécommunications, les données médicale incluant l'imagerie médicale et les informations du patient peuvent être facilement et rapidement partagées entre les hôpitaux et les services de soins de santé. En raison de la grande capacité de stockage et de la bande passante de transmission limitée, une technique de compression efficace est nécessaire. En tant que technique de compression d'image certifiée médicale, WAAVES fournit des taux de compression élevé, tout en assurant une qualité d'image exceptionnelle pour le diagnostic médical. Le défi consiste à transmettre à distance l'image médicale de l'appareil mobile au centre de soins de santé via un réseau à faible bande passante. Nos objectifs sont de proposer une solution de compression d'image intégrée à une vitesse de compression de 10 Mo/s, tout en maintenant la qualité de compression. Nous examinons d'abord l'algorithme WAAVES et évaluons sa complexité logicielle, basée sur un profilage précis du logiciel qui indique un complexité de l'algorithme WAAVES très élevée et très difficile à optimiser de contraintes très sévères en terme de surface, de temps d'exécution ou de consommation d'énergie. L'un des principaux défis est que les modules Adaptative Scanning et Hierarchical Enumerative Coding de WAAVES prennent plus de 90% du temps d'exécution. Par conséquent, nous avons exploité plusieurs possibilités d'optimisation de l'algorithme WAAVES pour simplifier sa mise en œuvre matérielle. Nous avons proposé des méthodologies de mise en œuvre possible de WAAVES, en premier lieu une mise en œuvre logiciel sur plateforme DSP. En suite, nous avons réalisé notre implémentation matérielle de WAAVES. Comme les FPGAs sont largement utilisés pour le prototypage ou la mise en œuvre de systèmes sur puce pour les applications de traitement du signal, leur capacités de parallélisme massif et la mémoire sur puce abondante permet une mise en œuvre efficace qui est souvent supérieure aux CPUs et DSPs. Nous avons conçu WAAVES Encoder SoC basé sur un FPGA de Stratix IV de chez Altera, les deux grands blocs coûteux en temps: Adaptative Scanning et Hierarchical Enumerative Coding sont implementés comme des accélérateurs matériels. Nous avons réalisé ces accélérateurs avec deux niveaux d'optimisations différents et les avons intégrés dans notre Encodeur SoC. La mise en œuvre du matérielle fonctionnant à 100MHz fournit des accélérations significatives par rapport aux implémentations logicielles, y compris les implémentations sur ARM Cortex A9, DSP et CPU et peut atteindre une vitesse de codage de 10 Mo/s, ce qui répond bien aux objectifs de notre thèse. / In the field of healthcare, developments in medical imaging are progressing very fast. New technologies have been widely used for the support of patient medical diagnosis and treatment. The mobile healthcare becomes an emerging trend, which provides remote healthcare and diagnostics. By using telecommunication networks and information technology, the medical records including medical imaging and patient's information can be easily and rapidly shared between hospitals and healthcare services. Due to the large storage size and limited transmission bandwidth, an efficient compression technique is necessary. As a medical certificate image compression technique, WAAVES provides high compression ratio while ensuring outstanding image quality for medical diagnosis. The challenge is to remotely transmit the medical image through the mobile device to the healthcare center over a low bandwidth network. Our goal is to propose a high-speed embedded image compression solution, which can provide a compression speed of 10MB/s while maintaining the equivalent compression quality as its software version. We first analyzed the WAAVES encoding algorithm and evaluated its software complexity, based on a precise software profiling, we revealed that the complex algorithm in WAAVES makes it difficult to be optimized for certain implementations under very hard constrains, including area, timing and power consumption. One of the key challenges is that the Adaptive Scanning block and Hierarchical Enumerative Coding block in WAAVES take more than 90% of the total execution time. Therefore, we exploited several potentialities of optimizations of the WAAVES algorithm to simplify the hardware implementation. We proposed the methodologies of the possible implementations of WAAVES, which started from the evaluation of software implementation on DSP platforms, following this evaluation we carried out our hardware implementation of WAAVES. Since FPGAs are widely used as prototyping or actual SoC implementation for signal processing applications, their massive parallelism and abundant on-chip memory allow efficient implementation that often rivals CPUs and DSPs. We designed our WAAVES Encoder SoC based on an Altera's Stratix IV FPGA, the two major time consuming blocks: Adaptive Scanning and Hierarchical Enumerative Coding are designed as IP accelerators. We realized the IPs with two different optimization levels and integrated them into our Encoder SoC. The Hardware implementation running at 100MHz provides significant speedup compared to the other software implementation including ARM Cortex A9, DSP and CPU and can achieve a coding speed of 10MB/s that fulfills the goals of our thesis.

La représentation des temps de parcours est un enjeu influençant la qualité de l’information transmise aux usagers des réseaux de transport. En particulier, la congestion constitue un inconvénient majeur dont la prise en compte n’est pas toujours maîtrisée au sein des calculateurs d’itinéraires. De même, les évènements comme les réductions de capacité, les perturbations climatiques, ou encore les pics de fréquentation incitent à dépasser la définition statique des temps de parcours. Des travaux antérieurs se sont focalisés sur des temps dynamiques, i.e. dépendants de la date de départ, de manière à affiner le détail de la représentation, et à prendre notamment en compte le caractère périodique des congestions. La considération d’informations en temps réel est aussi une amélioration indéniable, que ce soit lors de la préparation du trajet, ou lorsqu’il s’agit de s’adapter à des perturbations rencontrées en cours de route. Ceci dit, aussi fines qu’elles soient dans les calculateurs disponibles, ces modélisations présentent un inconvénient majeur : elles ne prennent pas en compte toutes les facettes de la variabilité des temps de parcours. Cette variabilité est très importante, en particulier si l’on considère le niveau d’aversion au risque des usagers. En outre, dans un réseau multimodal, les correspondances éventuelles rendent encore plus critique l’incertitude associée aux temps de parcours. En réponse à ces enjeux, les présents travaux de thèse ont ainsi été consacrés à l’étude de temps de parcours stochastiques, i.e. vus comme des variables aléatoires distribuées.Dans une première étape, nous nous intéressons à la modélisation statistique des temps de parcours et à la quantification de leur variabilité. Nous proposons l’utilisation d’un système de lois développé dans le domaine de l’hydrologie, la famille des lois de Halphen. Ces lois présentent les caractéristiques typiques des distributions de temps de parcours, elles vérifient par ailleurs la propriété de fermeture par l’addition sous certaines hypothèses afférentes à leurs paramètres. En exploitant les ratios de moments associés aux définitions de ces lois de probabilité, nous mettons également au point de nouveaux indicateurs de fiabilité, que nous confrontons avec la palette d’indicateurs classiquement utilisés. Cette approche holistique de la variabilité des temps de parcours nous semble ainsi ouvrir de nouvelles perspectives quant au niveau de détail de l’information, notamment à destination des gestionnaires de réseaux.Par la suite, nous étendons le cadre d’analyse aux réseaux, en utilisant les résultats obtenus à l’étape précédente. Différentes lois de probabilité sont ainsi testées dans le cadre de la recherche du plus court chemin stochastique. Cette première étude nous permet de dresser un panorama des chemins identifiés en fonction du choix de modélisation. S’il est montré que le choix du modèle est important, il s’agit surtout d’affirmer que le cadre stochastique est pertinent. Ensuite, nous soulevons la relative inefficacité des algorithmes de recherche du plus court chemin stochastique, ceux-ci nécessitant des temps de calcul incompatibles avec un passage à l’échelle industrielle. Pour pallier cette difficulté, un nouvel algorithme mettant en oeuvre une technique d’accélération tirée du cadre déterministe est développé dans la dernière partie de la thèse. Les résultats obtenus soulignent la pertinence de l’intégration de modèles stochastiques au sein des calculateurs d’itinéraires. / The travel time representation has a major impact on user-oriented routing information. In particular, congestion detection is not perfect in current route planners. Moreover, the travel times cannot be considered as static because of events such as capacity drops, weather disturbances, or demand peaks. Former researches focused on dynamic travel times, i.e. that depend on departure times, in order to improve the representation details, for example concerning the periodicity of congestions. Real-time information is also a significant improvement for users aiming to prepare their travel or aiming to react to on-line events. However these kinds of model still have an important drawback : they do not take into account all the aspects of travel time variability. This dimension is of huge importance, in particular if the user risk aversion is considered. Additionally in a multimodal network, the eventual connections make the travel time uncertainty critical. In this way the current PhD thesis has been dedicated to the study of stochastic travel times, seen as distributed random variables.In a first step, we are interested in the travel time statistical modeling as well as in the travel time variability. In this goal, we propose to use the Halphen family, a probability law system previously developed in hydrology. The Halphen laws show the typical characteristics of travel time distributions, plus they are closed under addition under some parameter hypothesis. By using the distribution moment ratios, we design innovative reliability indexes, that we compare with classical metrics. This holistic approach appears to us as a promising way to produce travel time information, especially for infrastructure managers.Then we extend the analysis to transportation networks, by considering previous results. A set of probability laws is tested during the resolution of the stochastic shortest path problem. This research effort helps us to describe paths according to the different statistical models. We show that the model choice has an impact on the identified paths, and above all, that the stochastic framework is crucial. Furthermore we highlight the inefficiency of algorithms designed for the stochastic shortest path problem. They need long computation times and are consequently incompatible with industrial applications. An accelerated algorithm based on a deterministic state-of-the-art is provided to overcome this problem in the last part of this document. The obtained results let us think that route planners might include travel time stochastic models in a near future.

Avec les dernières augmentations de l'intensité maximale de laser réalisable grâce à de courtes impulsions à haute puissance (gamme femtoseconde) un intérêt a surgi dans les sources de plasma laser potentiels. Les lasers sont utilisés en radiographie proton, allumage rapide, hadronthérapie, la production de radioisotopes et de laboratoire astrophysique. Au cours de l'interaction laser-cible, les ions sont accélérés par des processus physiques différents, en fonction de la zone de la cible. Tous ces mécanismes ont un point commun: les ions sont accélérés par des champs électriques intenses, qui se produisent en raison de la séparation de forte charge induite par l'interaction de l'impulsion laser avec la cible, directement ou indirectement. Deux principales sources distinctes pour le déplacement de charge peuvent être mis en évidence. Le premier est le gradient de charge provoquée par l'action directe de la force ponderomotive de laser sur les électrons dans la surface avant de la cible, qui est la prémisse pour le processus d'accélération des radiations de pression (RPA). Une deuxième source peut être identifiée comme provenant du rayonnement laser qui est transformée en énergie cinétique d'une population d'électrons relativistes chaud (~ quelques MeV). Les électrons chauds se déplacent et font recirculer à travers la cible et forment un nuage d'électrons relativistes à la sortie de la cible dans le vide. Ce nuage, qui se prolonge pour plusieurs longueurs de Debye, crée un champ électrique extrêmement intense longitudinal, la plupart du temps dirigé le long de la surface normale, ce qui, par conséquent, est la cause de l'accélération d'ions efficace, qui conduit à l'accélération cible normale gaine (TNSA) processus . Le mécanisme TNSA permet d'utiliser des géométries différentes cibles afin de parvenir à une meilleure focalisation des faisceaux de particules de l'ordre de plusieurs dizaines de microns, avec des densités d'énergie élevées. Les électrons chauds sont produits par l'irradiation d'une feuille solide avec une impulsion laser intense; ces électrons sont transportés à travers la cible, la formation d'un champ électrostatique fort, normal à la surface cible. Protons et les ions chargés positivement de la surface arrière de la cible sont accélérés par ce domaine jusqu'à ce que la charge de l'électron est compensée. La densité d'électrons chauds et la température dans le vide arrière dépendent des propriétés géométriques et de composition cibles tels que la courbure de la cible, les structures de mise au point d'impulsion et de microstructure pour l'accélération de protons améliorée. Au cours de ma première année, j'ai étudié les effets de la géométrie de la cible sur le proton et l'ion énergie et la distribution angulaire afin d'optimiser les faisceaux de particules laser accéléré au moyen de deux dimensions (2D) particule-in-cell (PIC) simulations de l'interaction de l'ultra-court impulsions laser avec plusieurs cibles microstructurées. Également au cours de cette année, je l'ai étudié la théorie derrière les modèles utilisés. / With the latest increases in maximum laser intensity achievable through short pulses at high power (femtosecond range) an interest has arisen in potential laser plasma sources. Lasers are used in proton radiography, rapid ignition, hadrontherapy, production of radioisotopes and astrophysical laboratory. During the laser-target interaction, the ions are accelerated by different physical processes, depending on the area of ​​the target. All these mechanisms have one thing in common: the ions are accelerated by intense electric fields, which occur due to the separation of high charge induced by the interaction of the laser pulse with the target, directly or indirectly. Two main distinct sources for charge displacement can be identified. The first is the charge gradient caused by the direct action of the laser ponderomotive force on the electrons in the front surface of the target, which is the premise for the pressure ramping acceleration (RPA) process. A second source can be identified as coming from the laser radiation which is transformed into kinetic energy of a hot relativistic electron population (~ a few MeV). The hot electrons move and recirculate through the target and form a cloud of relativistic electrons at the exit of the target in a vacuum. This cloud, which extends for several lengths of Debye, creates an extremely intense longitudinal electric field, mostly directed along the normal surface, which is therefore the cause of effective ion acceleration, which leads to the normal target sheath acceleration (TNSA) process. The TNSA mechanism makes it possible to use different target geometries in order to obtain a better focusing of the beams of particles on the order of several tens of microns, with high energy densities. Hot electrons are produced by irradiating a solid sheet with an intense laser pulse; these electrons are transported through the target, forming a strong electrostatic field, normal to the target surface. Protons and positively charged ions from the back surface of the target are accelerated by this domain until the charge of the electron is compensated. The density of hot electrons and the temperature in the back vacuum depend on the target geometric and compositional properties such as target curvature, pulse and microstructure tuning structures for enhanced proton acceleration. In my first year I studied the effects of target geometry on the proton and energy ion and angular distribution in order to optimize the accelerated laser particle beams by means of two-dimensional (2D) particle -in-cell (PIC) simulations of the interaction of ultra-short laser pulses with several microstructured targets. Also during this year, I studied the theory behind the models used.