Les méthodes Monte Carlo pour la planification de traitement par faisceaux d'électrons représentent une avancée significative en termes de précision de calcul de dose, comparativement aux algorithmes conventionnels de faisceaux pinceaux. Le système de planification de traitement Eclipse (Varian, Palo Alto, Ca) offre un nouvel algorithme rapide de calcul de dose par méthode Monte Carlo pour des faisceaux d'électrons de hautes énergies. Plusieurs tests ont été effectués afin d'explorer le comportement du système dans plusieurs configurations rencontrées dans les pratiques cliniques. La première série de tests a été effectuée dans un fantôme homogène d'eau. Les distributions de dose mesurées et calculées ont été comparées pour différentes combinaisons d'énergie, d'ap-plicateur et de profondeur. Ensuite, quatre différents fantômes hétérogènes simulant des matériaux de haute et basse densité furent construits afin d'explorer différentes conditions d'hétérogénéités : un petit cylindre d'air, un fantôme de poumon, un fantôme de paroi thoracique et un fantôme anthropomorphique. Enfin, l'évaluation de l'algorithme Monte Carlo s'est terminée avec l'étude rétrospective de deux cas cliniques. Comparativement à l'algorithme de faisceaux pinceaux de Pinnacle, les calculs Monte Carlo prédisent plus précisément les larges perturbations de dose dues aux hétérogénéités.

Cette thèse dresse un cadre d'analyse qui permet de répondre aux questions suivantes: quelle est l'évolution de la projection longitudinale des faisceaux laser vectoriels dans les milieux anisotropes, et quelle est son influence dans les processus non linéaires d'interaction photonique? La projection vectorielle longitudinale est généralement négligée lors de la propagation dans les milieux anisotropes et en optique paraxiale. Or elle devient importante hors de ce régime, habituellement en focalisant à grand angle les faisceaux laser. On décrit le champ électromagnétique exact d'un faisceau laser non paraxial Laguerre-Gauss élégant TM₀₁ à pincement critique. Les conventions anisotropes adoptées généralisent le classement des milieux biaxiaux selon leur état normalisé. L'orientation énergétiquement orthogonale du repère propagatif propre permet la description de l'évolution des champs vectoriels selon les modes lents et rapides transverses et longitudinaux. L'imperméabilité tensorielle dans ce repère propre procure tous les paramètres propagatifs essentiels dont le gradient diamétral. Le modèle non linéaire développé est une extension tensorielle non paraxiale exacte des notions scalaires et paraxiales disponibles dans la littérature. On développe l'outillage nécessaire pour les représentations complexes par phaseurs temporels des projections des champs lors du mélange ondulatoire vectoriel. On effectue la représentation par phaseurs confluents dans un repère propagatif propre d'ondes planes, ce qui permet de calculer l'évolution de chacune des fréquences angulaires à l'intérieur du milieu non linéaire anisotrope. Cette approche opérationnelle est nécessaire pour prévoir correctement les échanges photoniques lors des processus non linéaires non paraxiaux qui impliquent la projection longitudinale. On applique ce modèle à la solution de l'équation d'onde vectorielle anisotrope non linéaire dans le cas de la génération de seconde harmonique sous approximation de pompe non dépeuplée. De nouveaux processus non linéaires sont décrits, faisant intervenir les modes propagatifs longitudinaux. Chaque processus est caractérisé par une fonction de transfert modale qui reflète l'efficacité de pompage et la cohérence de l'interaction. Le faisceau TM₀₁ pourra avantageusement être utilisé comme pompe dans les processus non linéaires modélisés. Le modèle peut également s'appliquer à toute autre onde de pompage.

L'irradiation de la paroi thoracique après mastectomie permet de diminuer les risques de récidive locorégionale du cancer du sein, et d'augmenter la survie à long terme. Lors du traitement, deux faisceaux d'électrons jointifs combinés avec la technique du générateur de pénombre s'avèrent parfois utiles, lorsque la quantité de poumon irradiée en photons est trop importante. Cependant, les logiciels de planification des traitements ne sont pas prévus pour représenter cette technique. Une méthode pour implémenter la technique dans le système de planification commercial Pinnacle3 a donc été établie : le modèle est basé sur une superposition de sous-champs suivant une distribution gaussienne d'intensités. Des mesures avec une chambre à ionisation ont permis d'optimiser le choix des paramètres de superposition selon l'énergie et les caractéristiques du générateur de pénombre. Par ailleurs, un programme qui permet l'automatisation de la création des sous-champs et du calcul de leur pondération, a été développé. Ces outils permettent pour la première fois d'illustrer fidèlement les traitements des parois en électrons avec générateurs de pénombre. D'une part, les résultats du modèle sur une surface plane correspondent aux mesures et respectent les effets du générateur de pénombre. D'autre part, la planification sur un cas clinique démontre une diminution d'environ 30% du surdosage dans la région de la jonction, ce qui rend la planification plus représentative de la réalité. La pertinence des déplacements de jonctions souvent utilisés en clinique peut maintenant être évaluée objectivement.

Tableau d'honneur de la FÉSP / Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur le développement de combinateurs de signal permettant de réaliser la combinaison incohérente de lasers à fibre monomodes de haute puissance. L'objectif principal est de comprendre l'influence des différents paramètres de conception d'un combinateur sur le facteur de qualité de faisceau obtenu à sa sortie. D'abord, une première section aborde la propagation des faisceaux laser en espace libre. On y présente comment calculer le facteur de qualité de faisceau en fonction d'un profil de champ électrique donné. Une seconde section s'attarde ensuite aux fibres optiques et introduit les principales notions nécessaires à la compréhension de ces travaux. Une troisième section porte sur l'utilisation de fibres optiques effilées en tant qu'adaptateurs modaux. On y expose comment faire varier les propriétés des modes en utilisant des composants effilés. L'analyse théorique des combinateurs de signal est ensuite effectuée. Des simulations numériques sont réalisées afin de déterminer l'influence des principaux paramètres de conception sur la qualité de faisceau obtenue en sortie d'un combinateur. Le facteur de rétrécissement des fibres optiques, la longueur de la zone de rétrécissement et les propriétés de la fibre multimode utilisée sont analysés en détail. La valeur optimale de chacun de ces paramètres est déterminée pour le cas où 7 fibres de type (15-125-0.10) sont utilisées pour former le combinateur. Il est démontré que la limite théorique de qualité de faisceau d'une telle configuration est de M2 = 2:8. Une dernière section porte sur la fabrication de combinateurs de signal en laboratoire. Une série de combinateurs à 7 fibres d'entrée dont le facteur de qualité de faisceau moyen est de M2 = 3:95 a été fabriquée. Ces combinateurs sont caractérisés par des pertes d'insertion situées entre 0.9% et 1.3 % et leurs propriétés thermiques démontrent qu'ils pourraient être utilisés pour combiner une puissance totale de 6 kW.

Ce projet vise à tester la faisabilité de l’incorporation de lentilles quadripolaires dans la source ionique LDTD pour la focalisation de faisceau d’ions créé par celle-ci. Puisque les sources ioniques fonctionnent à pression atmosphérique, il est donc nécessaire de tester si ce type de lentilles électrostatiques pourrait être adapté pour fonctionner dans un tel environnement. Il faut aussi tenir compte de l’espace restreint dans lequel ces lentilles seraient introduites. Des simulations avec le programme SIMION et le sous-programme SDS ont été réalisées afin de trouver une configuration de lentilles et de potentiels qui permet d’obtenir une focalisation d’ions sous ces conditions. Un prototype a été réalisé afin de caractériser le pouvoir de focalisation des lentilles et leur effet sur la décharge couronne dans une configuration pointe-plan. Les résultats obtenus démontrent que le prototype focalise effectivement les ions, mais qu’une tension source supérieure est nécessaire afin d’obtenir la décharge couronne. / The purpose of this project was to test the possibility of incorporating a system of quadrupole lenses into the ion source LDTD with the aim of focusing the ion beam created by the source. Since this kind of ion source operates under atmospheric pressure and the space in which the electrostatic lenses would be incorporated is fairly small, it was necessary to test if this type of lenses would be able to properly work with these restrictions. The first step was to obtain a proof of concept by simulating the lenses with the program SIMION and the user program SDS which allow us to simulate ions moving through a gas and different electric fields. We then created and characterized them by trying different configurations. All configurations succeeded in focusing the ion beam, but at the expense of an increase in the voltage needed to create the corona discharge.

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.

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.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Nous présentons deux composants optiques transformant un faisceau gaussien en un faisceau transversal magnétique de plus petit ordre (faisceau laser TM₀₁ ) Si un tel faisceau est focalisé avec un objectif de grande ouverture numérique (NA > 0.9), la théorie prévoit l'apparition d'un spot focal parfaitement circulaire, de taille inférieure à celle du spot que l'on aurait obtenu avec un faisceau gaussien. On s'attend donc en intégrant ce mode dans un microscope de haute résolution (de fluorescence à excitation deux photons), à augmenter les performances de ce dernier (résolution, contraste). Les deux composants sont construits sur la base de quatre lames demionde placées dans une mosaïque, suivies d'une lame introduisant un déphasage de [pi]. Le premier composant est constitué de cristal liquide, et le second de lames de quartz cristallin.

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.