Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation et la commande des robots poly-articulés utilisés dans les applications d'imagerie médicale. Ces travaux ont porté sur deux aspects complémentaires, d'une part, la méthodologie de modélisation des robots positionneurs dans les applications d'imagerie médicale. D'autre part, les méthodologies de contrôle de mouvements et de réduction des vibrations. Les concepts développés dans ce travail sont présentés selon une approche « Bottom-up » visant à étudier le cas mono-axe afin de mieux définir la problématique identifiée et de comprendre l'impact des solutions. Ensuite, l'étude portera sur l'extension des concepts retenus dans le cadre de la commande multiaxe du robot. Dans la phase de modélisation, une démarche formalisée en vue d'obtenir les modèles des robots (de connaissances, d'analyse et de commande) est exposée. Aussi, ce travail vise à démontrer, via une étude comparative, le potentiel d'application de plusieurs approches de modélisation et de commande dans ce cadre précis. En complément au travail de modélisation, un outil d'aide à la modélisation a été mise en place. Les modèles établis ont permis d'étudier différentes stratégies de commande, l'étude a porté sur l'élaboration de trois actions de commande, à savoir, la génération de trajectoire du système, le calcul du couple d'anticipation, et le calcul du correcteur qui permet de garantir la poursuite de la trajectoire. Enfin, une part importante de ce travail a été consacrée à la validation expérimentale des modèles établis et aux essais des lois de commandes retenues sur les robots d'imagerie médicale.

GLAST est la nouvelle génération de télescope spatial pour l'étude des rayons gamma et devrait très largement améliorer notre connaissance du ciel à haute énergie, dès son lancement en août 2007.<br />Les données du faisceau-test mené au GANIL avec des ions de basse énergie, ont permis de contribuer à l'étalonnage en énergie du LAT. Ces données ont été analysées pour mesurer la non-linéarité de la production de lumière dans le CsI en réponse au dépôt d'énergie des ions, des protons au krypton et pour des énergies allant de 0 à 73MeV par nucléon. Les résultats obtenus se sont révélés complémentaires aux mesures de scintillation du CsI, réalisées lors du faisceau-test mené au GSI pour des ions lourds relativistes . La connaissance de la non-linéarité de la réponse des cristaux de CsI de GLAST aux ions de haute énergie est indispensable pour réaliser l'étalonnage en énergie en orbite des détecteurs à l'aide des rayons cosmiques.<br /><br />Le rejet des évènements hadroniques est un autre problème clé pour GLAST, or, l'élaboration des algorithmes repose sur la simulation Monte-Carlo officielle de GLAST, GlastRelease. Les cascades hadroniques mesurées lors du faisceau-test mené au GSI et lors d'un autre faisceau-test mené au CERN sur le SPS, sont utilisées pour confronter les codes de simulation, disponibles sur la plate-forme logicielle GEANT4 qui est à la base de GlastRelease. En vérifiant la bonne reproduction de certaines observables simples, pour des cascades hadroniques générées par des protons ou de pions de .7GeV , 3.4GeV, 10GeV et 20GeV, on conclue qu'à haute énergie le modèle par défaut, LHEP, est valable, alors qu'à basse énergie, le modèle de cascade intranucléaire de Bertini devrait être utilisé.

Depuis 1994, les lasers à cascade quantique se sont imposés comme la source laser à semiconducteur de choix dans le domaine du moyen et du lointain infrarouge. Comme la plupart des molécules chimiques possèdent des bandes d'absorption entre les niveaux de rotation-vibration qui se situent dans le moyen infrarouge, les lasers à cascade quantique sont particulièrement adaptés aux applications telles que la spectroscopie, la détection de gaz à l'état de traces ou l'imagerie médicale. Une des voies de recherche actives est aujourd'hui leur optimisation en vue de leur miniaturisation et de leur intégration dans des microsystèmes de détection. <br />Ce travail de thèse présente l'étude et l'optimisation du confinement optique vertical dans des hétérostructures lasers à cascade quantique épitaxiées sans couche de confinement supérieure. Ces structures sont intéressantes puisqu'elles sont adaptées à la fois au guide à plasmons de surface et au guide avec un confinement par air. En menant une étude approfondie de la répartition du mode optique et du courant électrique, nous avons conçu des structures originales qui ouvrent notamment de nouvelles perspectives sur l'utilisation de ces lasers pour la détection de fluides. Nous avons également montré que l'observation par microscopie en champ proche est un outil précieux pour la caractérisation et la compréhension des lasers à cascade quantique. Finalement, nous posons les bases nécessaires à la réalisation de matrices de lasers monomodes, utilisant la technologie des cristaux photoniques.

Le projet CASCADE a pour objet l'étude et le développement d'un système intégré de CAO pour les circuits et systèmes logiques. Ce système comprend en particulier, et c'est le contexte de ce travail, un simulateur basé sur un langage de description multi-niveaux. Nous présentons d'abord une partie du travail réalisé : les mécanismes d'ordonnancement statique qui facilitent le séquencement de la simulation. Puis nous expliquons les mécanismes de simulations permettant de simuler un modèle hiérarchisé à l'aide de différents «modes de simulation». Ces mécanismes sont la base du simulateur multi-modes actuellement en fonctionnement au laboratoire ARTEMIS

Ce mémoire de thèse présente deux études expérimentales dans le domaine de la dynamique ultra-rapide des porteurs dans les nanostructures semiconductrices: <br />1. Le développement de la spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) et son utilisation pour mesurer le gain d'un laser à cascade quantique GaAs/AlGaAs.<br />2. L'étude des effets de 3ième ordre en optique non linéaire dans des verres de Tellure dopés en nanocristaux AgCl, par "Z-scan" et mélange à quatre ondes (DFWM). <br />A cette fin, nous avons d'abord construit un montage de spectroscopie Térahertz dans le domaine temporel avec deux sources de rayonnement différentes : la rectification optique dans un cristal non-lineaire <110> ZnTe et par ailleurs des antennes interdigités photoconductrices. <br />Dans un premier temps, nous avons étudié la compétition entre la rectification optique, la génération de second harmonique, l'absorption à deux photons, et l'absorption par les porteurs libres. Le faisceau pompe subit une absorption à deux photons et le rayonnement THz émis est diminué, dans les conditions de focalisation, par l'absorption des porteurs libres. La réduction de l'émission THz dans les conditions de focalisation est expliquée, à condition de tenir compte des effets de la diffraction de la source THz sub-longueur d'onde. <br />Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés de l'émission THz dans le domaine temporel et spectral d'un nouveau type d'antenne photoconductive interdigitée basée sur du GaAs semi-isolant, en fonction de la densité de porteurs et dans une gamme de température allant de 4.2K à 270K. Les propriétés de l'émission THz sont linéaires pour de faibles tensions appliquées mais révèlent des effets de saturation pour des tensions importantes en raison de la diffusion inter-vallées de la bande Γ à la bande L. Les performances THz saturent aussi pour de fortes excitations laser à raison de l'écrantage des charges. La dynamique des porteurs à été étudiée expérimentalement pour différentes températures. Le spectre THz de l'émission se déplace vers les basses fréquences lorsque la température augmente. L'influence de la mobilité électronique est discutée.<br />Dans une troisième partie, après avoir comparé les deux méthodes de génération THz ci-dessus et décidé d'utiliser les antennes photoconductives comme source d'excitation pour notre montage THz-TDS, nous avons étudié le gain et les pertes d'un laser à cascade quantique (LCQ) fonctionnant à 2.9 THz. Nous avons étudié les variations du gain en fonction du courant injecté, à différentes températures. Nous avons mesuré les spectres d'amplitude et de phase THz, permettant une détermination directe du gain. A la fréquence de fonctionnement du LCQ, nous mesurons un gain de 6.5cm-1. Des effets comme le « clampage » du gain et l'affinement spectral du gain sont observés et discutés.<br />Pour finir, nous avons étudié le coefficient de polarisabilité d'ordre 3 des verres de Tellure (80TeO2-20Nb2O5) dopés en nanocristaux AgCl. Nous avons produit des échantillons par les techniques fonte-trempe et traitement thermique. Les résultats de la caractérisation révèlent qu'un traitement plus long augmente la tailles des nanocristaux qui donne lieu à l'apparition de plus de défauts et une plus grande déformation du réseau cristallin des nanocristaux aux interfaces avec le verre. Des états électroniques piégés apparaissent sous l'effet de la déformation de la structure cristalline. Une forte absorption à deux photons et une absorption des états électroniques piégés réduit le seuil de la limitation optique. Le coefficient polarisabilité non linéaire χ(3) augmente à cause de la formation des défauts et des états électronique localisés.

Les sources appelées lasers à cascade quantique (LCQ) présentent des potentialités très intéressantes pour l'émission aux fréquences térahertz. Ce travail vise à mieux comprendre les phénomènes physiques à l'origine du transport quantique dans les LCQ. Dans ce but, nous avons utilisé la simulation Monte Carlo. Le mémoire est divisé en trois parties. Dans une première partie, nous présentons les sources optoélectroniques émettant dans l'infrarouge. Nous précisons le formalisme de l'équation Maîtresse pour modéliser le transport quantique dans ces dispositifs. La deuxième partie est consacrée à la description du modèle en insistant particulièrement sur la modélisation de l'interaction électron-électron. Dans la troisième partie, nous examinons des LCQ émettant dans l'infrarouge lointain. Il ressort de nos études que l'interaction électron-électron joue un rôle prépondérant à ces fréquences. Nous envisageons ensuite deux voies afin de diminuer la fréquence jusqu'à 1 THz.

Le travail de thèse s'articule autour de deux études : étude de la réaction de spallation p+Au à 2.5 GeV et étude de la production neutronique en cibles épaisses. Ces deux études s'inscrivent dans un programme de recherche initié dans le cadre du projet de Source Européenne de Spallation (ESS) et du projet français de traitement des déchets radioactifs (GEDEON). A l'aide d'un dispositif expérimental très complet alliant un détecteur de neutrons à des détecteurs de particules chargées, tous deux d'efficacité supérieure à 80\%, nous avons pu étudier l'évolution du processus élémentaire de spallation en fonction de l'énergie déposée par le proton incident dans le noyau (énergie d'excitation). Nous avons ainsi montré le réalisme d'une description du processus en deux étapes et validé l'utilisation du code de cascade intra-nucléaire de J. Cugnon (INCL2.0) couplé à un code de désexcitation statistique (GEMINI). Les sections efficaces de production des particules chargées légères ont été mesurées et la contribution de l'émission de prééquilibre évaluée. La formation des particules composites ``directes'' a été ajoutée au code INCL2.0 à l'aide d'un modèle de coalescence. La production neutronique (multiplicités moyennes et distributions) a été étudiée en fonction de l'énergie du faisceau, de la géométrie de la cible et de la nature de la cible. Nous avons montré que le gain en neutrons, lorsque l'épaisseur de cible augmente, est dominé par la probabilité de réaction (pour des épaisseurs de cibles inférieures à 2 ou 3 longueurs d'interaction) et d'une façon moindre par le développement des réactions secondaires. Ces deux paramètres ont été étudiés séparément. Les données expérimentales ont été comparées aux résultats du code de transport HERMES, validant celui-ci pour l'émission de neutrons.

Ce travail de thèse a porté sur l'étude de structures à cascade quantique dans le régime de l'effet Hall quantique. Deux types d'hétérostructures semi-conductrices ont été étudiés : une structure émettrice térahertz et une structure détectrice moyen infrarouge. Dans le premier cas, une mise en évidence claire de l'émission cyclotron a pu être démontrée grâce à la quantification de Landau résultant de l'application d'un champ magnétique perpendiculaire aux couches d'une structure à multi-puits quantiques. Cette étude a permis de réaliser un composant électroluminescent accordable en champ magnétique et émettant directement par la surface. Le mécanisme de diffusion responsable de cette émission est l'interaction électron-électron, un mécanisme de type Auger à Ncorps. Le champ magnétique sert dans ce cas de paramètre extérieur pour créer de nouveaux états électroniques permettant d'observer de l'émission lumineuse non-conventionnelle. L'étude d'un détecteur à cascade quantique à 8 m a été réalisée dans l'obscurité et sous illumination. Les chemins électroniques ont pu être identifiés dans les deux cas. Un modèle de photocourant ainsi que le calcul du temps de vie en fonction du champ magnétique de l'interaction électron-impuretés ionisées ont été développés. Ils ont permis d'identifier les améliorations à réaliser pour la mise en oeuvre de futures caméras basées sur des détecteurs à cascade quantique : importance de la place des impuretés ionisées dans la région active et rôle crucial du dessin de la cascade. Le champ magnétique a montré dans cette deuxième étude son formidable pouvoir d'outil spectroscopique.

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

<p>Infrared absorption spectra can provide analytically useful information on a large variety of compounds, ranging from small ions to large biological molecules. In fact, all analytes that possess a dipole moment that changes during vibration are infrared-active. The infrared (IR) spectrum can be subdivided into far-, mid- and near- regions. The focus of attention in this thesis is the mid-IR region, in which the fundamental vibrations of most organic compounds are located, thus providing scope for positive structural identification. However, while such near-ubiquitous signals can be very useful for monitoring simple molecules in simple systems, they can be increasingly disadvantageous as the number of analytes and/or the complexity of the sample matrix increases. Thus, hyphenation to a separation system prior to detection is desirable. Paper I appended to this thesis presents (for the first time) the on-line hyphenation between Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR, and capillary zone electrophoresis, CZE. CZE is a highly efficient separation technique that separates ionic analytes with respect to their charge-to-size ratio. It is most commonly performed in aqueous buffers in fused silica capillaries. Since these capillaries absorb virtually all infrared light an IR-transparent flow cell had to be developed. In further studies (Paper II) the applicability of CZE is expanded to include neutral analytes by the addition of micelles to the buffer, and micellar electrokinetic chromatography, MEKC, was successfully hyphenated to FTIR for the first time. Paper III describes an application of the on-line CZE-FTIR technique in which non-UV-absorbing analytes in a complex matrix were separated, identified and quantified in one run.</p><p>Measuring aqueous solutions in the mid-IR region is not straightforward since water absorbs intensely in this region, sometimes completely, leaving no transmitted, detectable light. For this reason, quantum cascade lasers are interesting. These lasers represent a new type of mid-IR semiconducting lasers with high output power due to their ingenious design. The laser action lies within one conduction band (intersubband) and can be tailored to emit light in the entire mid-IR region using the same semiconducting material. To investigate their potential to increase the optical path length in aqueous solutions, these lasers were used with an aqueous flow system (Paper IV), and the experience gained in these experiments enabled hyphenation of such lasers to a CZE system (Paper V).</p>