En 1969, Lit et Tremblay [1] ont démontré qu'une série d'ouvertures circulaires disposées judicieusement sur un axe peut focaliser une onde sphérique. De telles structures agissent sur les distributions spatiale et spectrale des champs électromagnétiques et, par un simple facteur d'échelle, elles sont applicables à tout le spectre électromagnétique. Nous avons vu dans ces structures plusieurs applications potentielles, dont la focalisation de rayons X et le modelage d'impulsions laser. Afin d'investiguer la faisabilité éventuelle de ces applications, nous avons effectué des simulations numériques permettant d'étudier deux effets causés par une séquence d'ouvertures circulaires disposées axialement : la focalisation de faisceaux gaussiens et le modelage d'impulsions ultrabrèves. Les résultats de ces simulations ont montré qu'il est possible de focaliser un faisceau gaussien monochromatique divergent à l'aide de trois ouvertures circulaires coaxiales. Le point focal obtenu a une intensité allant jusqu'à 16 fois l'intensité du faisceau gaussien propagé dans le vide et il a une largeur à mi-hauteur transversale d'environ deux fois la longueur d'onde. Dans le cas des impulsions, un point focal a aussi été observé et, pour les impulsions d'une durée de 20 fs et moins dont le spectre est centré sur 800 nm, l'impulsion est dédoublée temporellement. Les structures étudiées peuvent donc être adaptées à la focalisation de rayons X et au modelage fréquentiel et temporel des impulsions brèves. Les calculs présentés dans ce mémoire peuvent aussi aider à prévenir des effets indésirables de focalisation de faisceaux ou d'impulsions brèves se propageant dans certaines nanostructures.

La modulation d'intensité des faisceaux en radiothérapie externe (IMRT) permet de réaliser des plans de traitements plus conformes au volume cible tout en épargnant davantage les structures plus sensibles à la radiation. Cependant, la réalisation de tels plans nécessite une utilisation accrue de segments, générés par le collimateur multilames~(MLC), et d'unités moniteurs (UM) par rapport à la technique conventionnelle. Il en résulte des inconvénients comme une augmentation de la contribution du diffusé à la dose, plus d'incertitudes pour le calcul de la dose, une sensiblité plus grande aux mouvements intra-fractions et des ressources plus importantes pour planifier un plan de traitement. Dans un tel contexte, des plans ont été réalisés à l'aide du logiciel Ballista pour la région tête et cou. Ce logiciel utilise des champs prédéterminés et offre la possibilité d'optimiser l'orientation des faisceaux. / Dans le but d'offrir des plans de qualités dosimétriques comparable au plan d'IMRT, l'ajout de segments prédéterminés non anatomiques a été réalisé pour les plans balistiques. Avec des corrections manuelles du MLC, il s'est avéré possible de générer des plans comparables à ceux réalisés en IMRT, et ce avec moins de segments et d'UM. Au total, 11 cas ont été réalisés selon cette approche. De plus, la robustesse des deux méthodes de planification à l'amaigrissement du patient et aux erreurs de position du collimateur multilame a été abordée. En IMRT classique, aucune optimisation de l'orientation des faisceaux est réalisée, une distribution coplanaire équidistante est employée. L'impact de l'utilisation des incidences, suggérées par Ballista, a aussi été étudié sur les plans d'IMRT.

Titre de l'écran-titre (visionné le 28 mars 2023) / Par sa symétrie singulière, une impulsion laser de polarisation radiale de type TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$, 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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$-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 TM$_{0,1}$ 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 TM$_{0,1}$ 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.

Ce travail consiste en l'étude et la mise en oeuvre d'une microscopie optique en champ proche utilisant des nano-antennes annulaires dans le but de distinguer les composantes électriques et magnétiques du champ électromagnétique, détectées au voisinage d'un échantillon.<br />Nous présentons la genèse de la microscopie en champ proche en mettant en avant l'importance des caractéristiques intrinsèques du système d'éclairage employé mais également le rôle primordial du nanocollecteur en interaction avec le champ électromagnétique. Les antennes étant un des enjeux majeurs dans l'art de détecter les champs électromagnétiques, nous donnons ensuite une cartographie des antennes dans différents domaines de fréquences ainsi que leurs applications respectives en champ proche. Puis nous exposons les étapes nécessaires à la fabrication d'une nano-antenne annulaire métallique aux dimensions spécifiques, à l'extrémité d'une fibre optique.<br />La description du système d'éclairage et du montage général de caractérisation nous amène enfin à présenter l'étude d'un nouveau type de sonde que constitue une nano-antenne annulaire usinée à l'extrémité d'un micro-axicon fibré. En exploitant les propriétés d'un faisceau de Bessel polarisé polychromatique, nous accédons aux propriétés de collection de la structure annulaire. Nous mettons en évidence le fait que ces antennes peuvent collecter spécifiquement la composante longitudinale du champ électrique en polarisation radiale ou du champ magnétique en polarisation orthoradiale. L'analyse des propriétés magnétiques et électriques d'échantillons en microscopie optique champ proche<br />s'annoncent, de ce fait, sous un nouveau jour.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude et la conception de lentilles continues en guide d’ondes à plans parallèles (PPW) pour des applications multi-faisceaux. La conversion du front d'onde est assurée par une lentille formée d’une lame et d'une cavité transversale. Ce concept, proposant une approche mécanique simplifiée et possiblement purement métallique, est particulièrement attractif pour les futurs systèmes de communications par satellites (GEO/LEO) requérants des solutions à moindre coût tout en maintenant de hautes performances. La première partie de cette thèse présente la réalisation d’un outil d’analyse numérique basée sur l’optique géométrique (GO). Une prédiction rapide et précise des performances en rayonnement est obtenue. En combinant cet outil avec des processus d’optimisation, des performances en dépointage sur un large secteur angulaire sont ensuite démontrées, incluant une stabilité des diagrammes en rayonnement (ouverture à mi-puissance, niveaux de lobes secondaires et pertes en dépointage). Un prototype fonctionnant dans la bande Ka est réalisé, validant les performances précédemment obtenues. De hautes efficacités de rayonnement sont également mises en avant sur l’ensemble de la plage de fréquence. Enfin un second prototype plus compact basé sur de multiples lentilles est proposé et étudié, démontrant des performances similaires à la première solution fabriquée et mesurée. / The activities presented in this PhD focus on the study and development of continuous parallel plate waveguide (PPW) lenses for multiple beam applications. The wave front conversion is ensured by a PPW transversal ridge and cavity. The proposed concept, based on a simplified mechanical approach and possibly full-metal, is particularly suitable for future satellite communication systems (GO/LEO) requiring low-cost antennas while maintaining high performances. The first part of the thesis deals with the development of a numerical analysis tool based on geometrical optics (GO). A fast and accurate prediction of the radiation performance is provided.Combining the tool with optimization processes, large scanning performances have been demonstrated, including a stability of the radiation pattern performance (HPBW, SLL, scan loss). A prototype working at Ka band has been manufactured, validating the performances demonstrated previously. High radiation efficiencies are also proved over the entire frequency range. Finally, a second prototype targeting performances in compactness and based on multiple lenses is proposed and studied, showing similar performances as the first solution fabricated and measured.

Dans cette thèse, nous étudions deux problèmes très naturels en géométrie algébrique complexe.<br />La première question étudiée est de savoir si le revêtement universel d'une variété kählérienne lisse compacte avec un fibré tangent décomposé est un produit de deux variétés. A l'aide des familles couvrantes de courbes rationnelles nous montrons que certaines variétés avec un fibré tangent décomposé possèdent une structure d'espace fibré. Une étude systématique nous permet de donner une réponse affirmative à la question pour plusieurs classes de variétés.<br />La deuxième question étudiée est de savoir si la positivité d'un fibré en droites implique la positivité de l'image directe, par un morphisme projectif et plat, du fibré en droites adjoint. La réponse à cette question dépend de la positivité du fibré en droites et de ses liens avec la géométrie du morphisme considéré. Nous donnons une réponse positive à la question sous de faibles conditions géométriques.

Actuellement, la réduction du bruit des avions aux environs aéroportuaires est devenue un enjeu socio-économique majeur. Très coûteuses en temps de calcul pour les hautes fréquences, les méthodes de calcul exact utilisées sont limitées aux moyennes et basses fréquences. Il est donc primordial de se tourner vers une méthode asymptotique, valable en hautes fréquences. Dans ce contexte, la mise au point d’un outil capable de prédire numériquement le bruit dans les nacelles, depuis sa génération, sa propagation en milieu ambiant, puis son rayonnement en champ lointain est de grande importance. Le développement de cet outil fait l’objet du projet confié au Groupe d’Acoustique de l’Université de Sherbrooke par le motoriste PWC. Il permettrait à ce dernier de faire des études pour optimiser les traitements acoustiques (" liners ") et améliorer le design des nacelles, et en conséquence réduire les coûts lors de la phase de conception. L’objectif de cette maîtrise consiste à simuler la propagation acoustique à l’intérieur d’une structure axisymétrique de longueur quelconque (finie ou infinie) et son rayonnement en champ lointain en utilisant l’approche géométrique. Puis valider par l’étude de différents cas avec d’autres méthodes telles que la méthode statistique SEA, analyse modale, FEM ou BEM. Le code ainsi développé à l’heure actuelle permet de calculer toutes les caractéristiques des rayons convergents à la suite de la propagation des faisceaux en provenance d’une sphère ou d’une demi-sphère maillées ou à partir du maillage des surfaces de la géométrie elle-même. Ensuite, il procède à la reconstruction du champ de pression en un ou plusieurs points de l’espace, aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur de l’environnement de l’étude, et ce en optant pour une sommation cohérente des contributions de tous les rayons convergents. L’implantation du code prend en compte les traitements acoustiques de surfaces. Le code peut être utilisé pour tout autre environnement complexe axisymétrique tel que les nacelles des turboréacteurs.

Le démarrage de l'expérience ATLAS au LHC sur le site du CERN a eu lieu durant l'automne 2009. Pendant la construction et l'intégration du détecteur, des tests en faisceaux combinés contenant plusieurs sous-détecteurs ont eu lieu. Dans la région avant du détecteur (eta > 2.5), des tests en faisceaux combinés mettant en oeuvre les calorimètres hadronique et électromagnétique ont eu lieu. Des données de faisceaux de pions et d'électrons ont été analysées pour estimer l'efficacité d'identification des électrons et le facteur de rejet des pions. L'identification des électrons dans la région avant du détecteur peut être utilisée pour étudier les désintégrations des bosons W et Z et aussi développer des outils qui permettront de comprendre les différents bruits de fond mis en jeu. Une méthode pour estimer le facteur de rejet des pions ainsi que l'efficacité d'identification des électrons est présentée en utilisant une analyse discriminante basée sur les méthodes du discriminant de Fisher et sur les Boosted Decision Trees. Il est ainsi montré qu'il est possible d'obtenir une efficacité de détection des électrons de 50% pour un facteur de rejet de plus de 200. De plus les outils développés durant les tests en faisceaux ont permis également d'appliquer ces méthodes aux premières données du LHC avec des collisions à 7 TeV. Puisque la luminosité actuelle du LHC ne permet pas encore d'étudier avec précision les taux de production des bosons W et Z sur les données, une étude à partir du générateur Pythia a été menée sur la physique des électrons dans la partie avant.

Dans les milieux astrophysiques explosifs tels que les novae ou les sursauts X, la densité d'hydrogène et la température sont suffisamment grandes pour que le temps entre deux réactions impliquant un proton soit plus court que le temps de vie de certains ions radioactifs. La connaissance de la section efficace des réactions de capture d’un proton par un ion radioactif est un des ingrédients important permettant la modélisation de tels milieux. Dans ce travail, un nouveau dispositif expérimental permettant d'étudier la force de résonance de réactions (p,gamma) en cinématique inverse est présenté. Ce dispositif, baptisé ARES (Astrophysical REcoil Separator), a été d’abord caractérisé à l'aide de l'étude de la réaction 19F(p,gamma)20Ne et plus particulièrement de la mesure de la force de la résonance bien connue à 635 keV au dessus du seuil 19F+p. De plus, la simulation de cette expérience est en accord avec les mesures effectuées. Une première mesure de force de résonance d'une réaction impliquant un faisceau d'ions radioactifs est ensuite présentée. Il s'agit de la réaction 19Ne(p,gamma)20Na et plus particulièrement de la résonance à 448 keV au dessus du seuil 19Ne+p. Une limite supérieure de 15.2 meV avec un niveau de confiance de 90% est obtenue. Cette limite supérieure améliore légèrement les résultats de mesures antérieures. / In explosive astrophysical environments such as novae or X-ray bursts, the temperature and the hydrogen density are so large that the time between two reactions involving protons is smaller than the live time of radioactive ions. The cross section of such reactions is an important ingredient of the modeling of such environments. In this work, a new experimental device, allowing the study of resonance strength of (p,gamma) reactions, is presented. This setup, called ARES (Astrophysical REcoil Separator), is first characterized using the study of the well known reaction, 19F(p,gamma)20Ne and more precisely the measurement of the resonance strength of the 635 keV level above the 19F+p threshold. The simulation of this experiment is found in good agreement with the measurement. Then the first resonance strength measurement of a reaction involving radioactive ions beams is presented, i.e. the resonance strength of the 448 keV level above the 19Ne+p threshold in the 19Ne(p,gamma)20Na reaction. An upper limit of 15.2 meV with a confidence level of 90% is obtained. This upper limit improves slightly the results of previous measurements.

Le développement de nouvelles modalités de traitement telles que la RCMI et la radiothérapie stéréotaxique s'accompagne d'une utilisation croissante de champs d'irradiation complexes obtenus par superposition de faisceaux de petite taille ayant de multiples angles d'incidence. Ces nouvelles conditions de traitement sont très différentes des conditions de référence sur lesquelles se basent les protocoles dosimétriques internationaux. Ces travaux de thèse se proposent de réaliser des références dosimétriques pour des champs d'irradiation de dimensions inférieures à 10 x 10 cm², à savoir 4 x 4 et 2 x 2 cm². Il s'agit, dans la pratique, de comparer les coefficients d'étalonnage d'une chambre d'ionisation en termes de dose absorbée dans l'eau, pour les faisceaux de photons de 6 MV (avec et sans cône égalisateur) et de 12 MV de l'accélérateur linéaire médical du LNHB. Les références ont été déterminées à partir d'une mesure par calorimétrie graphite. Pour les mesures en champ 2 x 2 cm², un calorimètre disposant d'un absorbeur de petites dimensions a été construit. Par ailleurs, une chambre d'ionisation adaptée à cette taille de champ a été recherchée. Nous avons montré que, pour les faisceaux étudiés, le coefficient d'étalonnage de la chambre d'ionisation de référence est indépendant de la dimension du champ d'irradiation entre 10 x 10 et 2 x 2 cm², aux incertitudes près (environ 0,4 % à un écart-type).