Le problème de discernabilité des comportements entrées-sorties de deux systèmes dynamiquesse pose dans de nombreuses applications telles que l’observation et la commande dessystèmes dynamiques hybrides. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la caractérisation decette propriété de discernabilité des comportements entrées-sorties. Pour la classe des systèmesdynamiques linéaires et non-linéaires affines en la commande, nous établissons : des conditionsde discernabilité stricte qui garantissent la discernabilité des systèmes quelles que soient lescommandes qui leur sont conjointement appliquées ; des conditions de discernabilité contrôlablequi assurent l’existence d’au moins une commande qui rend discernable les sorties ; desconditions de résidu-discernabilité qui caractérisent la discernabilité à travers les résidus issusde la méthode de l’espace de parité. Outre ces différentes conditions, nous spécifions dans le caslinéaire, une forme de distance qui permet de quantifier pour une commande donnée, le degréde discernabilité des systèmes ainsi que la robustesse de la propriété de discernabilité. / The distinguishability of the input-output behavior of two dynamical systems plays a crucialrole in many applications such as control and observation of hybrid dynamical systems. Thisthesis aims to characterize this property of distinguishability. For linear systems and nonlinearcontrol-affine systems, we establish: conditions for strict distinguishability that ensure thedistinguishability of the systems for every control input jointly applied to them; conditions forcontrolled-distinguishability that guarantee the existence of a control input which makes distinguishable the outputs of the systems; conditions for residual-distinguishability that characterize the distinguishability of the modes through parity-space residuals. Moreover, in the linear case, a metric is specified in order to quantify for a given control input, the distinguishability degreeof the systems and the robustness of the property of distinguishability.

Les sources infrarouges basées sur des effets d'optique du second ordre constituent de très bons outils de spectrométrie des polluants présents dans l'atmosphère, grâce notamment à leur grande accordabilité spectrale. Ils demandent toutefois une forte puissance lumineuse incidente et une grande quantité de matériau non linéaire pour être efficaces. On peut les rendre très compactes en réalisant la conversion de fréquence à l'aide de nanostructures plasmoniques contenant des inclusions diélectriques présentant une susceptibilité du deuxième ordre non nulle. La lumière y est très fortement concentrée à la résonance augmentant fortement la quantité de polarisation non linéaire produite, afin d'y exalter les effets d'optique non linéaire.Ce travail s'attaque d'abord à la conception de nano-résonateurs grâce au développement d'un outil de simulation d’empilements nanostructurés selon une dimension. Trois architectures sont étudiées : les nanorésonateurs de type sillon, les nanorésonateurs de Helmholtz et les guides d'ondes à résonances de modes guidés. Dans chaque cas, le dimensionnement passe par la détermination de géométries bi- voire tri-résonantes pour la réalisation d'accord de modes en génération de second harmonique ou de différence de fréquences.La fabrication en salle blanche des résonateurs sillons et guides d'ondes est ensuite exposée, suite à un important travail de développement technologique, qui a permis l’obtention d’échantillons de très bonne qualité. / Infrared sources based on second order effects are interesting tools for atmospheric pollutants spectrometry thanks to their wide tunability. Such effects nevertheless demand strong incident powers or massive non linear crystals to be efficient. A new way to reduce their size consists in realizing frequency conversion with the help of plasmonic nanostructures containing dielectric inclusions showing a non zero second order susceptibility. Light is greatly harvested and concentrated at resonance leading to the creation of a great quantity of non linear polarization, so as to further enhance non linear optics effects.This work begins with a study of nanoresonators through developing a simulation tool for one dimensional nanostructured multilayered structures. Three architectures are retained : slit nanoresonators, optical Helmholtz nanoresonators and waveguides based on guided mode resonances. In every case, the conception focuses on the finding of bi- and even of tri-resonant geometries to achieve mode matching for second harmonic of difference frequency generation.Clean room fabrication is then detailed step by step following the important works that have permitted the fabrication of samples showing a very good quality.

Le but de cette thèse et de la recherche associée est une démonstration des avantages d’une combinaison de propriétés inhabituelles de nanostructures plasmoniques avec des aspects parmi les plus intéressants de l’optique non-linéaire. Pour cet effet, la modélisation analytique et numérique a été combiné avec le travail expérimental, qui comprenait la production de nanostructures et les mesures effectuées au moyen de la microscopie confocale non-linéaire résolue en polarisations et de la technique Z-scan modifiée (nommée “f-scan”).Il a été montré que l’anisotropie efficace de génération de seconde-harmonique dans les cristaux plasmoniques (formés par des réseaux rectangulaires de cavités tétraédriques sur une surface d’argent) peut être contrôlée par un choix approprié des paramètres de maille. Il a aussi été montré que cette anisotropie provient principalement d’une structure de bande photonique elle-même anisotrope, présentant une bande interdite plasmonique avec des états plasmoniques en bord de bande, permettant de renforcer le champ électrique local. Les arrangements chiraux bidimensionnels de nanoparticules triangulaires d’or, forment des “meta-molécules” plasmoniques énantiomériques, ont été analysés par microscopie non-linéaire à la lumière polarisée circulairement et par modélisation numérique, révélant un fort effet chiroptique par génération de seconde harmonique en rétro-réflexion. La petite taille des énantiomères uniques permet de créer “des filigranes” (“watermarks”) codés par la chiralité des meta-molécules, qui peuvent être lu par imagerie de la génération de seconde harmonique excitée par un rayon polarisé circulairement. Les caractéristiques quantitatives de la non-linéarité optique du troisième ordre et de l’efficacité d’absorption saturable des solutions aqueuses de fragments de graphène et de graphène dopé par des nanoparticules d’or a été effectuée par une nouvelle technique “f-scan”, qui a été créée et développée par incorporation d’une lentille à distance focale accordable dans une technique de Z-scan traditionnelle. Ces études ont montrées que le graphène présente une absorption saturable ultra-rapide très efficace, qui est parfois convertie en absorption saturable inverse. Il apparaît alors qu’une décoration du graphène par des nanoparticules d’or peut causer une légère amélioration du paramètre d’efficacité d’absorption saturable dans la plage spectrale de leurs résonances plasmoniques. En résumé, cette thèse présente une variété de propriétés optiques non-linéaires apparaissant dans les nanostructures plasmoniques. Différentes possibilités de contrôle de ces propriétés au moyen d’une démarche de nano-ingénierie, soutenue par des modélisations à la fois analytique et numérique ont été démontrées et analysées. Ces travaux ouvrent la voie à la fabrication et à l‘optimisation sur mesure de nouveaux nano-matériaux et nano-dispositifs photoniques reposant sur des effets de nano-plasmonique non-linéaire. / The aim of this thesis and the underlying research work is to demonstrate the benefits emerging from combination of the peculiar properties of plasmonic nanostructures with the most interesting aspects of nonlinear optics. For this purpose, analytical and numerical modeling was combined with experimental work, which included nanofabrication and measurements performed by means of polarization-resolved nonlinear confocal microscopy and by modified Z-scan technique (called "f-scan").It has been shown that the effective anisotropy of the second-harmonic generation in plasmonic crystals (formed by rectangular arrays of tetrahedral recesses in silver surface) can be controlled by proper choice of lattice constants. It also has been shown that this anisotropy arises mainly from the anisotropic photonic band structure, exhibiting plasmonic band gap with plasmonic band edge states, enabling enhancement of the local electric field.Two-dimensional chiral arrangements of triangular gold nanoparticles, forming plasmonic enantiomeric "meta-molecules", have been studied by nonlinear microscopy operating with circularly polarized light and by numerical modeling, revealing strong chiroptical effect in backscattered second-harmonic radiation. Small size of individual enantiomers allows to create "watermarks", encoded by the chirality of meta-molecules, which can be readout by imaging of second-harmonic generation excited by circularly polarized laser beam.Quantitative characterization of the third-order optical nonlinearity and saturable absorption efficiency of aqueous solutions of graphene and gold-nanoparticle decorated graphene has been performed by novel "f-scan" technique, which has been created and developed by incorporation of a focus-tunable lens into traditional Z-scan. These studies have shown that the graphene exhibits very efficient ultrafast saturable absorption, which is occasionally suppressed by reverse saturable absorption. Moreover, it turns out that decoration of graphene by gold nanoparticles may cause a slight improvement of the saturable absorption efficiency parameter within spectral range of their plasmon resonances.In summary, the following thesis presents various nonlinear optical properties of plasmonic nanostructures. Different possibilities of controlling these properties by means of nano-engineering, supported by analytical and numerical modeling, is also analyzed and demonstrated. This work opens up new perspectives for fabrication and rational design of novel photonic nano-materials and nano-devices based on nonlinear nanoplasmonic phenomena.

Ce mémoire porte sur la génération de supercontinuum (SC) dans l’infrarouge moyen (mid-IR) à partir de fibres optiques à saut d’indice en vue d’aider l’innovation de la prochaine génération de systèmes lasers spectroscopiques autant en télédétection qu’en microscopie. Une revue exhaustive de littérature ainsi qu’une explication des bases théoriques de la génération de SC mid-IR sont présentées. Deux résultats d’impact ont été obtenus au cours des travaux. D’abord, le premier SC de type cascade s’étalant jusqu’à 8 μm a été démontré, et ce via une fibre optique d’AsSe monomode par un pompage d’impulsions picosecondes amplifiées. Ensuite, le premier SC atteignant une puissance moyenne de l’ordre du watt a été démontrée dans une fibre d’AsSe/AsS. Ce dernier résultat a été possible grâce au développement d’un laser à fibre ultrarapide amplifié émettant des impulsions hautement énergétiques à 3.6 μm et, aussi, à la déposition d’une couche mince antireflet d’Al2O3. / This thesis focuses on the generation of supercontinuum (SC) in the mid-infrared (mid- IR) from step-index optical fiber in order to help the next generation of spectroscopic laser systems in both remote sensing and micro-spectroscopy applications. A comprehensive review of the literature as well as an explanation of the theoretical basis of mid-IR SC generation is presented. Two impact results were obtained during the master. First, the first cascaded SC up to 8 μm was demonstrated via a single-mode AsSe optical fiber by pumping with amplified picosecond pulses. Then, the first SC reaching an average power in the watt-level was demonstrated in an AsSe fiber, thanks to the amplified femtosecond fiber laser emitting high energy pulses at 3.6 μm and the deposition of a Al2O3 anti-reflection coatings.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 octobre 2023) / Le mémoire s'inscrit dans un contexte de segmentation vasculaire en trois dimensions. Il s'intéresse à l'analyse d'angiogrammes cérébraux de souris acquis par microscopie deux photons in vivo. Le projet vise à départager automatiquement l'appartenance d'un voxel à l'architecture vasculaire cérébrale ou aux autres tissus. La littérature spécifique à la segmentation vasculaire d'angiogrammes acquis par microscopie deux-photons est émergente. Les modèles existants tentent de s'adapter aux limites physiques et biologiques de cette modalité afin d'extraire l'information vasculaire. La performance d'un modèle d'apprentissage profond récent est quantifiée. Les résultats motivent l'exploration des paramètres susceptibles de limiter la qualité et la robustesse de la segmentation. Un nouvel algorithme de segmentation est développé en intégrant la géométrie des vaisseaux sanguins au sein du processus de classification. La pertinence des métriques de segmentation est discutée dans un contexte de débalancement entre la classe vasculaire et les tissus. Le mémoire vise à fournir et comparer des outils numériques permettant de guider la segmentation automatique d'angiogrammes cérébraux acquis par microscopie deux-photons.

Le concept de miroir déformable à base de liquide magnétique (ferrofluide) a énormément contribué à la technologie des miroirs déformables. Les miroirs déformables à ferrofluide (MDFs) permettent des déformations qui peuvent varier de quelques nanometres jusqu'à quelques millimètres, ce qui est largement supérieur à ce que les miroirs déformables commerciaux peuvent produire. Toutefois, un inconvénient majeur de ces MDFs est leur réponse non linéaire. Une nouvelle technique qui permet de surmonter ce problème est de superposer un champ magnétique constant et uniforme au champ magnétique produit par les action-neurs. Nous avons fabriqué un MDF à 91 actionneurs qui utilise cette nouvelle technique de linéarisation. Les performances obtenues sont comparables à celles des miroirs déformables disponibles commercialement. Les premiers 36 polynômes de Zernikes ont été produits en utilisant ce miroir et, basés sur nos mesures, nous prévoyons des amplitude maximales sur le front d'onde qui peuvent atteindre plus de 70 [mu]m. La combinaison linéaire de polynômes de Zernike, la reproductibilité au fil du temps, ainsi que l'application de ce MDF à compenser les aberrations de l'oeil humain est présentée.

Les avancées technologiques concernant la microscopie ont permis la création d'une grande variété de systèmes optiques dédiés à l'investigation du comportement dynamique des cellules in vivo. En neuroscience, le dé réside dans l'observation des interactions entre des neurones marqués d'un fluorophore qui sont situés à différentes profondeurs dans le tissu. Afin d'y arriver, il est nécessaire de balayer l'échantillon sur plusieurs plans transverses pour couvrir entièrement son volume. Puisque cette procédure diminue la résolution temporelle, il a été proposé d'utiliser un axicon pour augmenter la profondeur de champ du microscope et réduire le nombre de balayages à effectuer. Cependant, l'axicon est di cile à fabriquer et possède généralement des défauts sur la pointe du cône, dégradant ainsi la qualité de la composante. En vue de remplacer l'axicon par une autre composante optique dont la fabrication n'entraîne pas de défaut, il a été envisagé d'utiliser une lentille à gradient d'indice couplée à une lentille simple (GRIN-axicon). Des simulations ont montré que le GRIN-axicon a le potentiel de produire un faisceau Bessel de bonne qualité. Toutefois, les tests expérimentaux ont été très brefs et il est nécessaire d'investiguer davantage le comportement de cette nouvelle composante en laboratoire. L'objectif de ce projet de maîtrise est donc de concevoir, fabriquer et caractériser un GRIN-axicon pour une application en microscopie multiphotonique. Comme objectif secondaire, on souhaite approfondir la théorie reliée à cette nouvelle composante. / Technological advances in microscopy have led to the creation of a wide variety of optical systems dedicated to the investigation of the dynamic behavior of cells in vivo. In neuroscience, the challenge lies in the observation of interactions between labeled neurons located at different depths in the tissue. In order to achieve this, it is necessary to scan the sample on several transverse planes to fully cover its volume. Since this procedure decreases the temporal resolution, it has been proposed to use an axicon to increase the depth of field of the microscope and reduce the number of scans to be performed. However, the axicon is di cult to manufacture and usually has defects on the tip of the cone, thus degrading the quality of the component. In order to replace the axicon by another optical component easier to manufacture, the use of a graded index lens coupled to a single lens (GRIN-axicon) was considered. Simulations have shown that the GRIN-axicon has the potential to produce a good quality Bessel beam. However, experimental tests have been very limited and it is necessary to further investigate the behaviour of this new component in the laboratory. The objective of this master's project is therefore to design, manufacture and characterize a GRIN-axicon for application in multiphoton microscopy. As a secondary objective, we wish to deepen the theory related to this new component.

La génération efficace de sources attosecondes requiert l'utilisation de lasers femtosecondes dont les impulsions doivent pouvoir être contrôlées et manipulées afin d'obtenir le meilleur flux possible. L'amplification paramétrique optique (OPA) et la compression des impulsions, à travers une fibre creuse, une cellule de gaz ou des lames de verre minces, sont parmi les moyens le permettant. Ainsi, un étage d'amplification suivant un OPA commercial a été mis en place, permettant de fournir 1.5 mJ à 1.4 µm. Il a aussi été possible de mettre en opération deux solutions simples et peu coûteuses pour comprimer à moins de 20 fs des impulsions de 4.2 mJ dans une cellule d'argon, avec une efficacité de 52% et des impulsions de 0.6 mJ dans une série de lames minces de borosilicate avec une efficacité de 80%. Dans un deuxième temps, une nouvelle technique d'élargissement spectral dans une fibre creuse (HCF) a été développée. Basée sur l'effet Raman dans des gaz moléculaires, elle est particulièrement adaptée aux sources laser ytterbium de haute puissance, permettant une compression à moins de deux cycles optiques, tout en offrant un décalage dans l'infrarouge. Avec une efficacité de transmission de 50% et une efficacité de conversion de photons près de 80%, tout en ne nécessitant pas de miroirs chirpés, elle permet de proposer dans un montage compact et accessible, une solution offrant des perspectives particulièrement intéressantes, autant pour l'accroissement du flux des sources XUV lors de la génération d'harmoniques d'ordres élevés que pour les applications spectroscopiques en chimie et biologie.

Les coûts de transport représentent une grande partie des coûts d'exploitation des entreprises de recyclage du bois. Le problème que nous étudions est le problème du transport avec retour en charge, au sein duquel une entreprise doit décider comment connecter ses points d'approvisionnement et de demande en utilisant des itinéraires. Dans ce mémoire, le problème résolu est un cas particulier du problème de transport dans lequel le producteur n'a qu'une seule usine. Ce cas spécial est rarement étudié dans la littérature scientifique. Nous utilisons un modèle de programmation linéaire pour résoudre ce problème. Nous présentons les résultats obtenus lorsque nous appliquons cette approche aux données d’une entreprise de recyclage du bois. Nous étudions l'effet de l'horizon temporel de planification en comparant la planification annuelle des transports à la planification hebdomadaire. Nous comparons aussi l’effet de différents calculs de distance, différents types de camion et différents objectifs d’optimisation. Les résultats montrent 42% d'économies de temps de déplacement pour la planification annuelle et 36% d'économies pour la planification hebdomadaire. Nous analysons également la répartition des économies entre un ensemble de transporteurs et rapportons que 49% des économies impliquent le transporteur priorisé par la société de recyclage. Lorsque nous ajoutons des contraintes aux types de camions pouvant effectuer des retours en charge, les économies chutent à 17%. Ces contraintes résultent du fait que les entreprises de recyclage du bois utilisent différentes catégories de matériaux et nécessitent par conséquent des configurations de camions spécifiques. Enfin, une analyse des coûts de transport et des revenus de la société de recyclage montre que notre modèle peut potentiellement augmenter considérablement les revenus de transport. / Transportation costs represent a large portion of the operation costs for wood recycling companies. The problem we study is the transportation with backhaul problem in which a company must decide how to connect its supply and demand points using routes. In this master’s thesis, the problem solved is a special case of the transportation problem where the producer only has one mill. This special case is rarely studied in the scientific literature. We use a linear programming model to solve these problems. We present results obtained when applying this approach to data from a wood recycling company. We investigate the effect of the planning time horizon by comparing yearly transportation planning against weekly planning. We also compare the effect of different distance calculations, different types of trucks and different optimization goals. The results show 42% in traveled time savings for yearly planning and 36% in savings for weekly planning. We also analyse the distribution of the backhaul savings among a set of carriers and report that 49% of the savings involved the recycling company’s prioritized carrier. When we add constraints on truck types that can perform backhauls, savings drop to 17%. These constraints result from the fact that wood recycling companies handle different categories of materials and therefore require specific truck configurations. Finally, an analysis of the recycling company’s transportation costs and revenues show that our model has the potential to substantially increase transportation revenues.

De nos jours, l'utilisation des drones miniatures à voilure tournante pour des missions d'observation dans des environnements hostiles est en pleine expansion. Ces appareils, grâce à leurs capacités à combiner le vol de translation avec le vol stationnaire, sont en eff et bien adaptés aux besoins de ces missions. L'étude présentée dans cette thèse concerne un nouveau concept de drone appelé GLMAV (pour Gun Launched Micro Aerial Vehicle), qui consiste à rendre très rapidement opérationnel un véhicule hybride projectile - drone. La di fficulté dans le pilotage de ce type de véhicules est d'assurer de bonnes performances de suivi de trajectoires tout en garantissant une résistance aux perturbations aérodynamiques. Après une étape de modélisation, le cœur de la thèse présente plusieurs stratégies de commande, aussi bien linéaires que non linéaires, permettant la navigation autonome du drone. Plusieurs approches permettant l'estimation et la prise en compte dans la commande des eff orts parasites liés aux phénomènes aérodynamiques sont également détaillées. L'e fficacité de tous les algorithmes de commande est ensuite illustrée par de nombreuses simulations numériques. Du point de vue pratique, une simple loi de commande ne suffi t pas. En eff et, des techniques de filtrage particulières ou des aménagements spécifi ques doivent être utilisés pour reconstruire l'état du drone. Les performances de l'ensemble de la boucle de commande sont d'abord testées en simulation avant l'implantation sur le prototype du GLMAV développé par l'Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis.