Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Percutaneous needle placement, a minimally invasive procedure performed dozens of millions in the U.S. each year, relies on dedicated skill and long-term training due to difficult control of needle trajectory inside tissue and mental registration of images to locations inside the patient. Inaccurate needle placement may miss cancer tumors during diagnosis or eradicate healthy tissue during therapy. MRI provides ideal procedure guidance with the merit of excellent soft tissue contrast and volumetric imaging for high spatial resolution visualization of targets and surgical tool. However, manual insertion in the bore of an MRI scanner has awkward ergonomics due to difficult access to the patient, making both training and intervention even harder. To overcome the challenges related to MRI electromagnetic compatibility and mechanical constraints of the confined close-bore, a modular networked robotic system utilizing piezoelectric actuation for fully actuated prostate biopsy and brachytherapy is developed and evaluated with accuracy study. To enhance manipulation dexterity, two kinds of steerable continuum needle robots are developed. The asymmetric tip needle robot performs needle rotation and translation control to minimize tissue deformation, and increase steering dexterity to compensate placement error under continuous MRI guidance. The MRI-guided concentric tube robot is deployed to access delicate surgical sites that are traditionally inaccessible by straight and rigid surgical tools without relying on tissue reaction force. The master-slave teleoperation system with hybrid actuation is the first of its kind for prostate intervention with force feedback. The teleoperation controller provides the feel and functionality of manual needle insertion. Fabry- Perot interferometer based fiber optic force sensor is developed for the slave manipulator to measure needle insertion force and render proprioception feedback during teleoperation.

Fibre-optic sensors have been the focus of a lot of research, but their associated high cost has stifled their transferral from the laboratory to real world applications. This thesis addresses the issue of multiplexing, a technology that would lower the cost per unit sensor of a sensor system dramatically. An overview of the current state of research of, and the principles behind, multiplexed sensor networks is given. A new scheme of multiplexing, designated W*DM, is developed and implemented for a fibre Bragg grating (FBG) optical fibre sensor network. Using harmonic analysis, multiplexing is performed in the domain dual to that of the wavelength domain of a sensor. This scheme for multiplexing is compatible with the most commonly used existing schemes of WDM and TDM and thus offers an expansion over, and a resultant cost decrease from, the sensor systems currently in use. This research covered a theoretical development of the scheme, a proof of principle, simulated and experimental analysis of the performance of the multiplexed system, investigation into sensor design requirements and related issues, fabrication of the sensors according to the requirements of the scheme and the successful multiplexing of eight devices (thus offering an eightfold increase over current network capacities) using this scheme. Extensions of this scheme to other fibre sensors such as Long Period Gratings (LPGs) and blazed gratings were also investigated. Two LPGs having a moir?? structure were successfully multiplexed and it was shown that a blazed Fabry Perot grating could be used as a tuneable dual strain/refractive index sensor. In performing these tests, it was discovered that moir?? LPGs exhibited a unique thermal switching behaviour, hereto unseen. Finally the application of fibre sensors to the civil engineering field was investigated. The skill of embedding optical fibre in concrete was painstakingly developed and the thermal properties of concrete were investigated using these sensors. Field tests for the structural health monitoring of a road bridge made from a novel concrete material were performed. The phenomenon of shrinkage, creep and cracking in concrete was investigated showing the potential for optical fibre sensors to be used as a viable research tool for the civil engineer.

Les cristaux électro-optiques (EO) comme le LiTaO3, présentent un indice de réfraction qui dépend linéairement, via l'effet Pockels, de l'amplitude d'une composante unique du champ électrique qui lui est appliqué, propriété qui permet de les utiliser comme détecteurs entièrement diélectriques, dédiés à la mesure vectorielle et non perturbative de champs électriques. Comme cette propriété est due à des effets non-linéaires, ces sondes EO possèdent des sensibilités (champ minimum mesurable) intrinsèquement faibles. Des sondes EO basées sur la modulation d'amplitude, utilisant une cavité Fabry-Pérot, permettent néanmoins d'améliorer cette sensibilité de plusieurs ordres de grandeur. Malheureusement les propriétés optiques de ces cristaux dépendent également de la température, engendrant une instabilité temporelle de la réponse EO de la sonde pour des mesures dites de «terrain».<br /> Le système développé au sein de l'IMEP-LAHC, en collaboration avec le centre d'étude de Gramat, et presenté dans ce manuscrit, a permis d'aboutir à la première mesure simultanée d'une composante du champ électrique et de la température avec une précision de l'ordre de 40 mK, et ce pendant plusieurs minutes dans des conditions expérimentales drastiques. Ce transducteur EO présente une réponse plate sur une bande spectrale allant du quasi DC à 16 GHz, une résolution spatiale d'une centaine de micron et une sélectivité supérieure à 25 dB.

Afin de répondre aux contraintes des nouveaux champs d'applications des biocapteurs, le laboratoire LISA a développé un lecteur optique de fluorescence pour des immunoanalyses permettant une détection en continue. Cet instrument, dont le support de la réaction biologique est une lame de verre, utilise le couplage de la fluorescence en champ proche dans celle-ci. Mon travail de thèse a consisté à rechercher les possibilités d'améliorer les performances de compacité, de robustesse et d'adaptabilité du système en cherchant à intégrer les sources d'excitation de type OLED dans la lame de verre. La recherche d'une configuration adaptée à nos contraintes de détection nous a d'autre part poussé à étudier la répartition de l'émission de molécules fluorescentes à l'interface d'un substrat stratifié.<br />Pour ce faire, un modèle théorique basé sur la décomposition en ondes planes de l'émission d'un dipôle a été développé. Ce modèle nous a permis d'étudier à la fois les propriétés d'émission de sources organiques de types OLED ainsi que celles de molécules fluorescentes situées à l'interface d'un milieu massif recouvert ou non par une couche mince. <br />Une étude expérimentale et théorique de sources organique situées à l'intérieur d'une cavité Fabry Pérot a permis de fournir des réponses concrètes aux deux principaux défauts inhérents aux OLED pour leur intégration, la directivité angulaire d'émission et la largeur spectrale. Enfin, l'étude de lame de verre recouverte par une couche mince de Nitrure de Silicium a montré qu'il était possible d'améliorer le rapport signal sur bruit du détecteur et a permis de valider la configuration de l'instrument mis au point au laboratoire.

Ce travail présente les mesures de la polarisation par effet Compton du faisceau d'électrons de l'accélérateur TJNAF pour les expériences de mesure des facteurs de forme électromagnétiques du proton et de mesure des fonctions de réponse du nucléon dans la réaction de l'électroproduction de pion au voisinage de la résonance 6.(1232). Le polarimètre Compton, dont le principe repose sur la diffusion élastique électron-photon, a été conçu et réalisé autour d'une cavité Fabry-Perot de finesse élevée, de l'ordre de 25000. La puissance du laser incident, de type Nd:YAG à la longueur d'onde 1064 nm, est accumulée dans la cavité optique afin d'obtenir une luminosité d'interaction telle que la précision statistique sur la mesure de la polarisation des électrons atteigne 1% en une heure. La fréquence du laser est asservie par la méthode Pound-Drever à une fréquence de résonance de l'interféromètre. La polarisation circulaire du faisceau de photons dans la cavité a été mesurée égale à 99.6+/-0.45%. Cette grandeur, ainsi que la mesure de l'asymétrie expérimentale et du pouvoir d'analyse de notre instrument, intervient directement dans la mesure de la polarisation du faisceau d'électrons. Le pouvoir d'analyse a été déterminé par une caractérisation de la réponse du détecteur de photons, un calorimètre composé de 25 cristaux de PbW04, à l'aide des événements détectés en coïncidence avec le détecteur d'électrons, composé de 4 plans de 48 'pistes de silicium. Les incertitudes de mesure proviennent principalement de la modélisation de la fonction de réponse du détecteur, de l'effet d'empilement de la mesure de la polarisation des photons. L'incertitude relative totale sur la mesure de Pe est de 1.4% pour une prise de données de 40 minutes. Le polarimètre Compton permet aussi de mesurer les différences d'hélicité entre deux renversements de la polarisation des électrons. Celle ci a été trouvée compatible avec zéro à 0.3% près.

La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

La nécessité de prouver l'existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d'étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d'une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d'autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d'amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d'une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l'expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l'utilisation conjointe d'un laser à fibre optique et d'une cavité Fabry-Perot dans le cadre d'un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d'évolution pour le système dans une conclusion générale.

Les métamatériaux à indice de réfraction négative ont attiré énormément l'attention ces dernières années surtout à cause de leurs propriétés électromagnétiques uniques. Ces matériaux sont des structures artificielles qui présentent des caractéristiques n'étant pas disponibles en matériaux naturels. Récemment, le développement technologique avec de nouvelles techniques de fabrication offrent un grand nombre de nouvelles application et développement de nouveaux matériaux. Il est possible d'obtenir un métamatériau en combinant des structures artificielles périodiquement. Les propriétés uniques du Split Ring Resonator (SRR), les Surfaces à Haute Impédance (HIS), les Surface Sélective en Fréquence (FSS) sont étudiées ainsi que les métamatériaux composés. Il a été démontré avec succès l'utilisation pratique de ces structures dans les circuits et les antennes. Il a été confirmé expérimentalement que les métamatériaux pourrait améliorer la performance des structures considérées dans cette thèse, pour des fréquences où la bande interdite électromagnétique se produit.

This thesis treats the development of packaging and integration methods for the cost-efficient encapsulation and packaging of microelectromechanical (MEMS) devices. The packaging of MEMS devices is often more costly than the device itself, partly because the packaging can be crucial for the performance of the device. For devices which contain liquids or needs to be enclosed in a vacuum, the packaging can account for up to 80% of the total cost of the device. The first part of this thesis presents the integration scheme for an optical dye thin film NO2-gas sensor, designed using cost-efficient implementations of wafer-scale methods. This work includes design and fabrication of photonic subcomponents in addition to the main effort of integration and packaging of the dye-film. A specific proof of concept target was for NO2 monitoring in a car tunnel. The second part of this thesis deals with the wafer-scale packaging methods developed for the sensing device. The developed packaging method, based on low-temperature plastic deformation of gold sealing structures, is further demonstrated as a generic method for other hermetic liquid and vacuum packaging applications. In the developed packaging methods, the mechanically squeezed gold sealing material is both electroplated microstruc- tures and wire bonded stud bumps. The electroplated rings act like a more hermetic version of rubber sealing rings while compressed in conjunction with a cavity forming wafer bonding process. The stud bump sealing processes is on the other hand applied on completed cavities with narrow access ports, to seal either a vacuum or liquid inside the cavities at room temperature. Additionally, the resulting hermeticity of primarily the vacuum sealing methods is thoroughly investigated. Two of the sealing methods presented require permanent mechanical fixation in order to complete the packaging process. Two solutions to this problem are presented in this thesis. First, a more traditional wafer bonding method using tin-soldering is demonstrated. Second, a novel full-wafer epoxy underfill-process using a microfluidic distribution network is demonstrated using a room temperature process. / <p>QC 20130325</p>