In der vorliegenden Arbeit werden Koordinationskomplexe als neues Material in der Photonik diskutiert. Diese zeigen als zentralen Prozess eine lichtinduzierte Isomerisierung von einem elektronischen Grundzustand in mindestens ein metastabiles Isomer. Die Isomerisierung wird neben einer ausgeprägten Photochromie auch von photorefraktiven Eigenschaften begleitet. Die Verwendung der vielversprechenden Koordinationskomplexe in der Photonik scheiterte bisher an deren Einbettung in Festkörpermatrizen. Aus diesem Grund ist in dieser Arbeit ein Vertreter der Klasse der Ruthenium-Sulfoxide, der [Ru(bpy)2OSO]PF6-Komplex, in eine Polymermatrix Polydimethylsiloxan eingebettet worden. Es zeigt sich, dass der Komplex erstmalig erfolgreich in einen Festkörper eingebettet werden kann, insbesondere bei gleichzeitiger Erhaltung der photofunktionalen Eigenschaften. Dabei bleibt der lichtinduzierte Isomerisierungs-Prozess durch die geänderte dielektrische Umgebung nahezu unbeeinflusst, wohingegen die thermische Stabilität der metastabilen Isomere gezielt durch die viskosere Umgebung geändert werden kann. Die experimentell erhaltenen Relaxationszeiten der zwei metastabilen Isomere lassen sich bestimmen und sind verglichen mit der Lösung um den Faktor 100 erhöht. Die Untersuchungen der makroskopischen und mikroskopischen Eigenschaften des Komplexes in dieser Arbeit zeigen, dass Bildstrukturen in die Probe beleuchtet werden können. Ein deutlicher Kontrast und eine ausgeprägte Flankensteilheit für die RGB-Farben zwischen Stellen, in denen die Moleküle im Grundzustand und in den metastabilen Zuständen vorliegen, bleibt dabei erhalten. Insbesondere kann ein räumliches Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 16 µm unter dem Mikroskop bestimmt werden. Diese Eigenschaften zeigen ein großes Potential für die Verwendung in RGB-Displays und optischer Datenspeichern. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit behandelt den Aufbau eines Spektrometers zur Detektion von Femtosekunden-Pulsen im mittleren infraroten Spektralbereich und der spektralen Auflösung von Vibrationsbanden. Dies ermöglicht, die bei der Isomerisierung ablaufenden Prozesse verstehen und auflösen zu können. Zu diesem Zweck sind Kalibrierungen der verwendeten Komponenten des Aufbaus durchgeführt worden. Anhand des Kalibrierungsmaterials Lithiumniobat konnte eine ausgeprägte OH^--Streckschwingung mit dem entwickelten Aufbau nachgewiesen werden. Insbesondere werden Methoden zum experimentellen Aufbau des Spektrometers und zur Auswertung mit anschließender Fehlerbetrachtung behandelt und ausgearbeitet. Für die Detektion der NO-Streckschwingung im Koordinationskomplex Natriumnitrosylprussiat werden Optimierungen des Aufbaues und der Methodik vorgenommen, um kleinste Transmissionsänderungen detektieren zu können. Experimentell konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Absolutmessungen in der Probe mit dem verwendeten Aufbau möglich sind und mit Messungen eines FTIR-Spektrometers vergleichbare Ergebnisse liefern. Im Anschluss sind Messungen der Probe unter Lichtbestrahlung durchgeführt worden, um Änderungen der Extinktion zu detektieren. Hier treten experimentelle Grenzen der Messmethodik zu Tage, die im Rahmen von Optimierungsvorschlägen diskutiert werden. Abschließend werden beide verwendete Substanzklassen im Hinblick auf mögliche Anwendungen solcher Koordinationskomplexe in der Photonik diskutiert. Es lassen sich Schlüsseleigenschaften holographischer Materialien auf die Koordinationskomplexe übertragen, um sie mit herkömmlichen photorefraktiven Materialien vergleichen zu können. Durch die erfolgreiche Einbettung eines Koordinationskomplexes steht jetzt ein vielversprechendes optisches Material zur Verfügung, welches in der Photonik eingesetzt werden kann.

L'utilisation des rayons X est indispensable pour obtenir la résolution spatiale de la dizaine de nanomètres. La durée de ces flashs va de la dizaine de femtosecondes (1 fs =10-15 s) à la centaine d'attosecondes (1as=10-18 s). Durant ce laps de temps, les nano-objets n'ont pas le temps d'évoluer, assurant l'obtention d'une image précise. En excitant les nano-objets entre deux flashs de rayons X, il est alors possible de suivre sont évolution temporelle et ainsi de réaliser un « film » de son évolution suite à une excitation. Cette information est extrêmement importante car elle permettra d'identifier les états structuraux intermédiaires des nano-objets qui sont connus comme étant les plus importants pour comprendre leur pouvoir réactionnel.Ce genre d'études vient uniquement de débuter dans le monde en raison de l'apparition très récente des sources de rayons X suffisamment brèves et intenses pour réaliser ce genre d'images. La source de référence est un laser dit à « électrons libres » (LEL) dont il existe trois exemplaires au monde, en Allemagne, aux USA et au Japon. Le faible nombre d'exemplaires provient du coût extrêmement élevé de cette machine. Depuis plusieurs années, nous avons montré au LOA que les lasers pouvaient produire un rayonnement X femtoseconde et suffisamment intense pour réaliser des images de nano-objets avec des résolutions spatiales et temporelles équivalentes à celles obtenues sur LEL.La présente thèse a etait construite autour de trois phases : réalisation d'une source de rayons X polarisés circulairement, réalisation d'un nouveau système plus performant d'imagerie, et test sur des échantillons possédants des nano-structures dont la vitesse d'évolution après excitation est prévue aux environs de 100 fs. Ces études ont eu lieu ao LOA, LCLS, Laboratoire de Chimie-Physique, Matière et Rayonnement (LCPMR) et le CEA de Saclay et BESSY-II en Alemagne. Ils ont permis de acquérir une forte expertise en imagerie nanométrique basée sur la nouvelle technique que nous avons développé. / The use of X-rays is fundamental to obtain a spatial resolution in the order of the dozen of nanometers. The duration of the flashes of radiation is placed between the dozen of femtoseconds (1 fs =10-15 s) to the hundreds of attoseconds (1as=10-18 s). During this time frame nano-objects are static in time, image wise it translates as a precise image. Exciting these nano-objects with flashes of X-ray beams it is possible to follow its temporal evolution and record a "movie" of the evolution due to excitation. This type of information is extremely important since it can allow the identification of intermediary structural states and therefore attaining a better understanding of their reactional power.This type of studies it is making its debut in the scientific community due to the recent development of ultra-fast and intense X-ray sources needed to perform this type of imaging. The referenced source is a free electron laser (FEL) and there are only tree of them in the world nowadays. One in Germany, one in the USA and one in Japan. The small amount of FELs is mainly due to its elevated costs. From some years the LOA has shown that lasers can also provide an X-ray beam in the femtosecond region and intense enough to produce images of nano-objects with equivalent temporal and spatial resolutions.This present thesis was built in tree phases: realization of an X-ray laser source, circularly polarized; realization of a new improved imaging system and testing of the nano-samples possessing nano-structures. These nano-structures have a velocity of evolution after excitation in the range of 100 fs. These studies have had place at LOA, LCLS, Laboratoire de Chimie-Physique, Matière et Rayonnement (LCPMR), the CEA de Saclay, BESSY-II in Germany. These cooperations have insured a specific training and expertise in the world of nanometric imaging based on the new technique developed during this work.

Le design d’un dispositif optique sans lentille et portatif est basé sur la microscopie holographique numérique pour des applications de terrain ou de point-of-care. L’appareil développé repose sur cette technique de microscopie car elle permet de reconstruire le front d’onde diffracté (phase et intensité) par un échantillon biologique observé. Le dimensionnement de cet appareil dépend de l’illumination utilisée ainsi que des contraintes physiques associées à la détection. Afin de maximiser l’information pertinente et enregistrable d’échantillons faiblement diffusants, des simulations FDTD sont utilisées. La propagation des champs diffractés à l’aide d’outils fidèles permet de générer des hologrammes échantillonnés à la façon d’un détecteur et de reconstruire les spécimens avec un grossissement. Par exemple, la reconstruction numérique de l’hologramme associé à la diffraction d’une bille de diamètre de 5 mm simulée via la méthode FDTD, et grossie selon un grandissement Gy = 20, est de 107.22 mm pour la méthode de propagation du spectre angulaire DFFT. La procédure proposée ouvre donc la voie à l’étude du champ diffracté utilisable dans un contexte d’holographie numérique, et ce pour des échantillons numériques pouvant modéliser des spécimens biologiques. D’ailleurs, le dispositif sans lentille mis sur pied à partir d’un coupleur de fibre optique offre une visibilité atteignant V = 0:8435 pour une configuration hors axe et cette dernière est limitée par le bruit cohérent de la source laser utilisée. L’étude du grossissement et de la résolution du dispositif montrent que le microscope holographique portatif est limité par l’échantillonnage du capteur utilisé, et ce, bien que la méthode d’indexation de zéros permette d’interpoler et de résoudre des détails plus fins que la taille d’un pixel pour la propagation DFFT. Finalement, l’appareil conçu est capable d’effectuer de l’imagerie de phase quantitative. L’épaisseur reconstruite d’une cible de verre (n = 1:52) est de 149±23 nm et concorde avec la valeur attendue de 150 nm. / ompact off-axis holographic lensless microscope capable of non-invasively imaging weakly scattering biological samples for on the field applications is designed. The technique allows to reconstruct both the phase and intensity of a sample-diffracted wavefront. The dimensioning of the proposed device depends on both the illumination shining the sample and the physical constraint associated with acquisition device. Hence, FDTD simulations are used in order to ascertain the smallest usable scattered field. Using proper propagation methods, the diffracted field is used to generate a numerical hologram emulating the sensor’s sampling rate. Such hologram is then numerically reconstructed in order to retrieve the object and compare it with the former. For instance, a 5 mm diameter bead diffraction field is obtained via FDTD simulation. As it is magnified by a factor Gy = 20, its reconstruction retrieves a magnified bead of 107.22 mm in diameter. The proposed pipeline thus paves the way for the study of modelled biological sample usable scattered field for holographic applications. Moreover, the proposed compact lensless device using an optical fiber coupler attains an off-axis visibility of V = 0:8435 as this last is limited by coherent noise. The study of the microscope attainable magnification and resolution shows that it is limited by the sampling rate of the used acquistion device, and that is, albeit zero-padding interpolation could provide smaller than a pixel size detail resolution for DFFT propagation. Lastly, the designed device is capable of quantitative phase imaging. The reconstructed thickness of a glass phase target (n = 1:52) is of d = 149±23 nm which is in good agreement with the expected value of 150 nm.

La capacité à mesurer le volume cellulaire est essentielle pour l'étude de la régulation du volume cellulaire et ses nombreux processus. La perméabilité de la membrane des cellules de mammifères implique que les intrants ou les extrants de biomolécules causent des transports d'eau qui éprouvent l'homéostasie cellulaire. Dès lors, le volume d'une cellule, ainsi que d'autres paramètres biophysiques y étant reliés, sont modifiés aussi bien par des changements du milieu extracellulaire que par sa propre activité. Les cellules ont développé toute une série de mécanismes pour réguler leur volume afin de préserver leur homéostasie. Ainsi, la régulation de volume d'une cellule est un indicateur potentiel de son état. Dans le but de produire des mesures fiables de volume lors de l'étude de ces processus, il est à priori avantageux de développer des outils et des méthodes efficaces. À cet effet, l'imagerie quantitative de phase avec l'holographie numérique de phase peut donner d'utiles informations sur la morphologie et la composition de la cellule. Le signal quantitatif de phase d'un objet contient deux paramètres critiques pour l'étude de la régulation de volume et du transport d'eau : l'indice de réfraction et l'épaisseur cellulaire. L'ambiguïté de leur contribution dans le signal total peut être résolue par le découplage à deux liquides, mesurant deux fois le même échantillon dans deux milieux extracellulaires d'indices de réfraction différents et connus. La procédure sépare les paramètres en un système facilement soluble de deux équations et de deux inconnus. Avec ces deux paramètres, il est possible de déduire le volume cellulaire absolu ainsi que d'autres paramètres biophysiques, comme lamasse sèche, la concentration en biomolécule et la fraction d'eau. Pour mieux utiliser l'information obtenue par le changement de fluide, une chambre d'écoulement imprimable en 3d a été conçue et utilisée conjointement avec des lamelles rainurées permettant d'obtenir l'indice de réfraction du milieu d'immersion en temps réel. Cet ajout, avec une compréhension de la mécanique des fluides, ouvre de nouvelles possibilités pour résoudre des changements de volume dans le temps. Le découplage de l'indice de réfraction et de l'épaisseur cellulaire n'est désormais plus limité à l'état initial et final des changements de fluide, mais peut être effectué dans la période transitoire. Ces nouveaux essais fluidiques sont utilisés pour mesurer les changements de volume des cultures primaires d'astrocytes de cortex de rat lors de chocs au glutamate. / The ability to measure the absolute cell volume is essential to the study of cellular volume regulation and its many different pathways. The permeability of the cell membrane implies that biomolecule inputs and outputs cause transmembrane water transport challenging cell homeostasis. Thenceforth, acell's volume and a number of other biophysical parameters are modified by changes to the extracellular medium as well as its own activity. Thus, cells have developed a whole series of mechanisms toregulate their volume and maintain their homeostasis. Therefore, cell volume regulation is indicativeof the cell's state. In the interest of producing reliable volume measurements, it is first advantageous to develop effective tools and methods. For this purpose, quantitative-phase imaging with digital holographic microscopy can provide useful information on the morphology and composition of the cell.The quantitative-phase signal of any object contains two critical parameters for the study of volume regulation, the refractive index and the thickness. The ambiguity of their contribution in the total quantitative phase signal can be resolved by the two-liquid decoupling approach, measuring twice the same sample in two extracellular mediums with different but known refractive indices. The procedure results in two easily solvable phase shift equations with two unknown variables. With the two parameters, the whole-cell volume can be deduced in addition to the dry mass, intracellular concentrationand water content fraction. In order to make better use of the information acquired with the change of fluid, a custom 3d-printed imaging chamber was designed and optimized for stable laminar flow. Forfurther accuracy, grooves were etched on the sample coverslips to monitor in real-time the extracellular refractive index. The combination of both tools expands the utility of the decoupling procedure.It is no longer limited to the initial and final state of the liquid exchange, but can now be used inthe transition period. These novel fluidic essays are used to measure glutamate-induced swelling of primary rat cortical astrocytes

L’étude des propriétés viscoélastiques des cellules entières par microscopie optique permet de soutirer de l’information unique sur les caractéristiques des cellules. Il est d’autant plus pertinent d’analyser ces propriétés tout au long de la maturation des cellules en culture pour en extraire de l’information sur le développement ainsi que sur la santé de celles-ci. Cependant, la grande majorité des techniques d’imagerie nécessite l’ajout d’un agent de marquage, alors que les méthodes permettant de mesurer les propriétés viscoélastiques cellulaires sont d’autant plus invasives. L’emploi de la microscopie holographique numérique est proposé, car cette méthode permet d’imager en temps réel des cellules en culture sans technique de marquage et d’en tirer des données quantitatives. De plus, la microscopie holographique numérique permet d’observer à l’échelle nanoscopique des déformations induites sur ces cellules, sans contact physique entre les cellules et un instrument externe. Le but de ce projet est de développer des tests en écoulement cisaillé permettant d’obtenir les propriétés viscoélastiques des cellules entières de façon précise et non invasive. Les réponses en déformation des cellules, face à la contrainte induite par le fluide en mouvement, sont ensuite interprétées par des modèles viscoélastiques auxquels les propriétés, telles que les constantes de rigidité et de viscosité, sont extraites pour toute la culture simultanément. Les résultats ont montré que les tests en écoulement cisaillé permettent de mesurer les propriétés viscoélastiques des cellules entières de façon non invasive. Une différence significative a été observée entre les propriétés des cellules NIH 3T3, HEK 293T/17 et des neurones. La constante de rigidité E1, ainsi que la constante de viscosité h2 des modèles Standard et Burgers sont des propriétés viscoélastiques des cellules entières permettant la distinction de ces types cellulaires. / The study of viscoelastic properties of whole-cell by optical microscopy allows one to obtain unique information on cell features. It is all the more important to assess those properties all along cultured cell maturation to extract information on its development and health. However, a vast majority of imaging techniques require a marking agent, whilst methods to measure viscoelastic properties are equally invasive. The use of digital holographic microscopy is proposed, since this method allows to image cell culture in real-time without a marking technique and provides quantitative images. Moreover, digital holographic microscopy provides screening deformation at nanoscopic scale induced on cells, without physical contact between the cells and an external instrument. The goal of this project is to develop shear flow assays allowing precise and non-invasive measurements of whole-cell viscoelastic properties. Cell deformation responses caused by the fluid shear stress are interpreted by viscoelastic models where rigidity and viscosity constants are extracted for the whole cell culture simultaneously. Results have shown that shear flow assays allow non-invasive whole-cell measurements of viscoelastic properties. A significant difference between cell properties of NIH 3T3, HEK 293T/17 and neurons have been found. The rigidity constant E1 and the viscosity constant h2 from Standard and Burgers models are viscoelastic properties to be used to discriminate those cell type.

Imager à travers un milieu diffusant épais est difficile en utilisant des techniques d'imagerie optique conventionnelles. L'imagerie acousto-optique est une technique d'imagerie multimodale basée sur l'interaction entre une onde lumineuse et une onde acoustique. Cette dernière module la phase du champ lumineux. Il est alors possible d'accéder à un contraste optique local à la résolution millimétrique des ultrasons. Plusieurs méthodes sont utilisées pour détecter les " photons marqués " par les ultrasons. Elles peuvent être de nature cohérente ou incohérente et tentent de répondre aux différentes problématiques qu'impose l'imagerie en régime de diffusion multiple. Dans cette thèse nous avons exploré trois techniques de détection à 800 nm, dans la fenêtre thérapeutique optique (région du spectre où l'absorption est minimale dans les tissus biologiques). Le phénomène de \textit{holeburning} spectral dans un cristal dopé ion terre rare nous a permis de réaliser un filtre spectral hyperfin centré sur la fréquence des photons marqués à basse température. Une détection sensible des photons marqués a ensuite été réalisée par holographie numérique hétérodyne hors-axe couplée à un laser longues impulsions. Des profils acousto-optiques ont été obtenus à travers plusieurs centimètres d'épaisseur. L'adaptation de front d'onde par holographie phototoréfractive dans un cristal de SPS :Te (Hypothiodiphosphate d'étain dopé tellure) nous a enfin permis de faire une imagerie en temps réel. Des images en deux et trois dimensions ont été réalisées à travers plusieurs centaines d'épaisseurs optiques. Le processus de conjugaison de phase par mélange à quatre ondes a aussi été exploré en perspective.

Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons "marqués" décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l'holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l'holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d'un système multimodal d'imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l'imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / La détermination de la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques est un défi majeur du point de vue technologique. Plusieurs instruments ont été utilisés par de nombreux chercheurs pour arriver à comprendre le comportement du frasil et à déterminer ses propriétés. Ce projet de recherche a pour but d’essayer de définir la concentration du frasil ainsi que ses caractéristiques géométriques à l’aide des instruments optiques. En premier lieu, la concentration du frasil dans un volume d’eau prédéfini a été évaluée à l’aide d’un transmissomètre dont la longueur d’onde est de 660 nm. Les résultats de ces expérimentations vont permettre de comprendre, en fonction des conditions entourant l’expérimentation, l’évolution de la concentration du frasil et son comportement vis-à-vis l’instrument optique et par la suite, de déterminer une relation entre la concentration du frasil et le taux d’atténuation de la transmission de la lumière du transmissomètre. En deuxième lieu, les propriétés géométriques du frasil souvent reportées à un disque d’un diamètre environ égal à dix (10) fois son épaisseuront été évaluées à l’aide d’un deuxième instrument optique qui utilise la technique de l’holographie numérique enligne nommée le LISST-HOLO. Cet instrument permet de capturer une image holographique des particules en suspension dans un volume d’eau de 1,86 cm³. Après la réalisation des expérimentations en laboratoire dans un environnement contrôlé avec l’utilisation des instruments optiques, on devrait comprendre et déterminer le comportement de ses instruments vis-à-vis la formation du frasil. Les résultats découlant permettent la calibration des instruments afin de procéder à leur déploiement dans un environnement naturel (rivière) pour étudier la formation du frasil. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example. / The determination of the concentration of frazil ice and its geometric characteristics is a major challenge. Several instruments have been used by many researchers to understand the behavior of frazil ice and determine its properties. The purpose of this research project is to try to define frazil concentration and its geometric characteristics using optical instruments. Firstly, the concentration of frazil ice in a predefined volume of water was evaluated using a transmissometer. The results of these experiments will make it possible to understand, the evolution of frazil concentration and thebehavior of theoptical instrument. Then a relationship between the concentration frazil and the attenuation rate of transmissometer light transmission will be determined. Secondly, the geometrics properties of the frazil ice were evaluated with a second optical instrument that uses the technique of in-line digital holography (LISST-HOLO). This instrument captures a holographic image of suspended particles in a water volume of 1.86 cm³. Once laboratory experiments in a controlled environment with the use of optical instruments will be executed, we will understand the behavior of these instruments as for the formation of frazil ice. The results allow calibration of the instruments in orderto proceed with their deployment in a natural environment to study the formation of frazil ice in a river for example.

De nouvelles preuves suggèrent que les dysfonctionnements des circuits sous-jacents aux symptômes et aux déficits cognitifs des maladies psychiatriques pourraient être causés par une altération des paramètres d'équilibre d’excitation/inhibition (E/I). Cependant, les preuves physiologiques directes de cette hypothèse à partir de données électrophysiologiques et de neuro-imagerie non invasives sont jusqu'à présent rares. Pour apporter un soutien supplémentaire à l’hypothèse de l’équilibre E/I, la présente étude a appliqué une approche avancée de microscopie holographique numérique (MHN) pour examiner la dynamique des systèmes excitateurs/inhibiteurs suite à une stimulation glutamatergique dans des réseaux de neurones à différents stades de maturation neuronale. Cette approche fournissant une mesure approximative très précise des variations de mouvement de l’eau dans les cellules permet d’étudier certains processus physiologiques, tels que ceux reliés à l’activité neuronale. Cette étude a ainsi permis d’améliorer les connaissances sur la dynamique de la réponse neuronale induite par le glutamate, notamment en la caractérisant dans des cultures de neurones corticaux primaires de rats postnataux. L’activation des neurones engendrée par le glutamate, le principal neurotransmetteur excitateur, a révélé des changements plus ou moins persistants de la morphologie et des propriétés intracellulaires des neurones. De plus, les différentes réponses obtenues indiquent que le glutamate engendre des mécanismes d’activation et des processus de régulation du volume neuronal distincts d’un neurone à l’autre, probablement dépendant de l’état d’excitabilité de ce dernier qui résulte de l’interaction complexe des neurones inhibiteurs et excitateurs. Ainsi, la régulation de l’équilibre E/I de réseaux neuronaux pourrait potentiellement être reflétée par la proportion des différentes réponses de phase induites lors de stimulation de réseaux neuronaux au glutamate. / De nouvelles preuves suggèrent que les dysfonctionnements des circuits sous-jacents aux symptômes et aux déficits cognitifs des maladies psychiatriques pourraient être causés par une altération des paramètres d'équilibre d’excitation/inhibition (E/I). Cependant, les preuves physiologiques directes de cette hypothèse à partir de données électrophysiologiques et de neuro-imagerie non invasives sont jusqu'à présent rares. Pour apporter un soutien supplémentaire à l’hypothèse de l’équilibre E/I, la présente étude a appliqué une approche avancée de microscopie holographique numérique (MHN) pour examiner la dynamique des systèmes excitateurs/inhibiteurs suite à une stimulation glutamatergique dans des réseaux de neurones à différents stades de maturation neuronale. Cette approche fournissant une mesure approximative très précise des variations de mouvement de l’eau dans les cellules permet d’étudier certains processus physiologiques, tels que ceux reliés à l’activité neuronale. Cette étude a ainsi permis d’améliorer les connaissances sur la dynamique de la réponse neuronale induite par le glutamate, notamment en la caractérisant dans des cultures de neurones corticaux primaires de rats postnataux. L’activation des neurones engendrée par le glutamate, le principal neurotransmetteur excitateur, a révélé des changements plus ou moins persistants de la morphologie et des propriétés intracellulaires des neurones. De plus, les différentes réponses obtenues indiquent que le glutamate engendre des mécanismes d’activation et des processus de régulation du volume neuronal distincts d’un neurone à l’autre, probablement dépendant de l’état d’excitabilité de ce dernier qui résulte de l’interaction complexe des neurones inhibiteurs et excitateurs. Ainsi, la régulation de l’équilibre E/I de réseaux neuronaux pourrait potentiellement être reflétée par la proportion des différentes réponses de phase induites lors de stimulation de réseaux neuronaux au glutamate. / New evidences suggest that circuit dysfunctions underlying symptoms and cognitive deficits of psychiatric disorders may be caused by impaired excitation/inhibition equilibrium parameters (E/I). However, direct physiological evidences supporting this hypothesis from non-invasive electrophysiological and neuroimaging remain scarce. To provide additional support concerning the E/I balance hypothesis, this study uses an advanced digital holographic microscopy (DHM) approach to explore the dynamics of excitatory/inhibitory systems following glutamatergic stimulation in neural networks at different stages of neuronal maturation. This approach provides a very accurate approximate measurement of the water movement variations in cells allowing to study certain specific physiological processes, such as those related to neuronal activity. This study improves the knowledge regarding the dynamics of the glutamate-induced neuronal response, especially by characterizing it in cultures of primary cortical neurons of postnatal rats. The activation of neurons induced by glutamate, which is the main excitatory neurotransmitter, revealed more or less permanent changes in the morphology and intracellular properties of neurons. Moreover, the various responses obtained indicate that glutamate generates different neuronal activation mechanisms and neuronal volume regulation processes from a neuron to another, probably depending to the excitability state of the neuron that results from the complex interaction of inhibitory and excitatory neurons. Thus, the E/I balance regulation of neural networks could potentially be reflected by the proportion of different phase responses induced during glutamate neural network stimulation. / New evidences suggest that circuit dysfunctions underlying symptoms and cognitive deficits of psychiatric disorders may be caused by impaired excitation/inhibition equilibrium parameters (E/I). However, direct physiological evidences supporting this hypothesis from non-invasive electrophysiological and neuroimaging remain scarce. To provide additional support concerning the E/I balance hypothesis, this study uses an advanced digital holographic microscopy (DHM) approach to explore the dynamics of excitatory/inhibitory systems following glutamatergic stimulation in neural networks at different stages of neuronal maturation. This approach provides a very accurate approximate measurement of the water movement variations in cells allowing to study certain specific physiological processes, such as those related to neuronal activity. This study improves the knowledge regarding the dynamics of the glutamate-induced neuronal response, especially by characterizing it in cultures of primary cortical neurons of postnatal rats. The activation of neurons induced by glutamate, which is the main excitatory neurotransmitter, revealed more or less permanent changes in the morphology and intracellular properties of neurons. Moreover, the various responses obtained indicate that glutamate generates different neuronal activation mechanisms and neuronal volume regulation processes from a neuron to another, probably depending to the excitability state of the neuron that results from the complex interaction of inhibitory and excitatory neurons. Thus, the E/I balance regulation of neural networks could potentially be reflected by the proportion of different phase responses induced during glutamate neural network stimulation.

Le présent travail traite de problèmes particuliers en traitement de signal soulevés par l'holographie digitale. Le premier chapitre présente l'holographie et l'holographie digitale. Le deuxième chapitre aborde le problème des artéfacts apparaissant sur le bord des hologrammes lorsque ceux-ci sont propagés numériquement. Le troisième chapitre propose une méthode automatique pour éliminer la phase de fond d'un hologramme. Le quatrième chapitre montre comment améliorer la visibilité des hologrammes en supprimant les objets diffractants. Le cinquième chapitre expose un logiciel d'aide à l'analyse des hologrammes enregistrés dans le temps. On montre la capacité du logiciel à effectuer du tracking d'objets en trois dimensions à posteriori. Le sixième chapitre traite de la reconnaissance de forme dans les hologrammes, le problème de la reconnaissance de particules micrométriques est abordé. Des conclusions et perspectives terminent le travail. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished