Au cours des dernières années, des efforts importants ont été déployés pour développer des métasurfaces (MSs) électromagnétiques avec la possibilité de changer de manière abrupte les propriétés de la lumière. Ces avancées ont ouvert une nouvelle gamme de possibilités pour contrôler la lumière en utilisant des dispositifs optiques ultra-minces. Dans ce contexte, et plus spécifiquement dans le spectre visible, les applications en bio-imagerie s’avèrent particulièrement intéressantes. Une technique qui est particulièrement bien adaptée à l'étude de molécules proches d'une membrane cellulaire est la microscopie à fluorescence par réflexion interne (TIRFM), qui repose sur un champ évanescent d'excitation. Dans ce cas la lumière incidente est totalement réfléchie sur une interphase (typiquement verre/eau) en raison de son angle d'incidence élevé. À ce jour, la TIRFM est généralement mise en œuvre à l'aide d'objectifs volumineux de grande ouverture numérique et de petit champ de vision.Dans ce travail de thèse, nous réalisons de substrats pour la microscopie TIRF à base de métasurfaces constituées de réseaux périodiques de structures asymétriques fabriquées en dioxyde de titane (TiO2) sur du verre borosilicaté. Ces structures, aussi petites que 48 nm, ont été optimisées à l’aide de simulations numériques "Rigorous coupled-wave analysis” (RCWA) dans le but de coupler de 50 à 90% de la lumière incidente dans le premier ordre de diffraction avec des angles élevés (θ > 63deg). Le fait de pouvoir utiliser des objectifs de faible grossissement et d'avoir une grande zone de champ évanescent fournit des conditions TIRF uniques qui ne sont pas accessibles par les méthodes traditionnelles. De plus, ces structures sont compatibles avec la lithographie par nanoimpression UV, ce qui permet d’envisager une fabrication à bas coût et à grande échelle. Outre la conception, et la fabrication, dans cette thèse nous aboutissons à une preuve de principe de la microscopie TIRF basée sur des métasurfaces en milieu biologique en imageant notamment des membranes fluorescentes de cellules souches. Ces métasurfaces permettent ainsi l’implémentation TIRFM à contraste élevé et à faible photo-blanchissement compatible avec des microscopes à champ large peu coûteux. / In recent years there has been a significant effort to push electromagnetic metasurfaces with the ability to abruptly change light properties into visible wavelengths. These advancements have opened a new range of possibilities to reshape light using ultra-thin optical devices and there is one field that is starting to gather attention: bioimaging. One technique particularly well suited for the study of molecules near a cell membrane is Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy, which relies on an evanescence field created by light being totally internally reflected within a glass substrate due to its high incidence angle. As of today, TIRF is generally implemented using bulky high-NA, small field of view oil objectives.In this project we present the realization of metasurface-based TIRF microscopy substrates consisting of periodic 2D arrays of asymmetric structures fabricated in titanium dioxide on borosilicate glass. These patterns, as small as 48nm, were optimized through rigorous coupled-wave analysis to couple 50-90% of the incoming normally incident light into the first diffraction order, which outputs at an angle that suffices total internal reflection in water and eliminates the requirement for high NA objectives or prisms to achieve TIRF. Being able to utilize lower-magnification air objectives and having a large evanescence field area provide unique TIRF conditions not accessible by traditional methods. Additionally, these structures are compatible with soft UV nanoimprint lithography, for cost-effective scale production, to give TIRF’s high contrast, low photodamage and low photobleaching capabilities to inexpensive wide-field microscopes.

Le cancer de la peau est un enjeu majeur de santé publique. Il représente le type de cancer ayant le plus fort taux de prévalence et le nombre de cas semble être en constante augmentation. Aujourd'hui, la méthode de référence pour le diagnostic du cancer cutané nécessite un échantillon de tissu suspect, appelé biopsie, prélevé après un simple examen visuel de la peau du patient. Par conséquent, près de 60 % des biopsies se révèlent être bénignes et environ 20 % des cancers de la peau ne sont pas détectés.Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit de thèse portent sur le développement d'un dispositif de tomographie par cohérence optique confocale en ligne (LC-OCT) capable de produire des images d'une qualité similaire aux coupes histologiques de manière non invasive et in vivo. Le prototype conçu fonctionne à une longueur d'onde centrale autour de 800 nm avec une largeur spectrale d'environ 150 nm. Il a été appliqué à l'imagerie in vivo de la peau avec une résolution spatiale quasi-isotrope d'environ 1 µm et une profondeur de pénétration de 400 µm. Ce dispositif pourrait alors être utilisé pour améliorer l'efficacité du processus de diagnostic du cancer de la peau en limitant le nombre de cas non détectés ainsi que le nombre de biopsies inutiles.Nous présentons ensuite un dispositif de LC-OCT fonctionnant dans deux bandes spectrales centrées autour de 770 nm et 1250 nm. La première bande produit des images à haute résolution (1.3 µm x 1.2 µm, latéral x axial) tandis que la seconde offre une profondeur de pénétration accrue (700 µm). En fusionnant les images produites dans les deux bandes il a été possible de produire des images avec une bonne résolution en superficie tout en ayant une profondeur de pénétration étendue. De plus, acquérir des images d'un échantillon dans deux bandes spectrales différentes permet dans une certaine mesure d'obtenir des informations sur les propriétés spectrales de l'échantillon.Finalement, nous présentons une preuve de concept d'un dispositif de LC-OCT couplé avec un microscope Raman ainsi que quelques exemples d'application. La microscopie Raman est une modalité spectroscopique qui permet d'identifier des molécules et ainsi de mesurer "l'empreinte digitale" d'un échantillon. Cette modalité pourrait alors fournir des informations complémentaires aux images morphologiques acquises par LC-OCT à propos de la composition biomoléculaire de l'échantillon. / Skin cancer is a major public health issue. Among all types of cancer, skin cancer has the highest prevalence rate and the number of cases seems to be steadily increasing. Currently, the gold standard of skin cancer diagnosis requires a sample of suspicious tissue, called a biopsy, removed after a simple visual inspection of the patient's skin. Consequently, almost 60 % of biopsies result in benign diagnoses, and approximately 20 % of all skin cancers are missed.The research presented in this thesis revolves around the development of a line-field confocal optical coherence tomography (LC-OCT) device capable of producing non-invasive in vivo images similar in quality to histological cuts. The designed prototype operates at a center wavelength around 800 nm with a spectral width of approximately 150 nm. It has been applied to in vivo skin imaging with an almost isotropic spatial resolution of about 1 µm and a depth penetration reaching 400 µm. This device could thus be used to improve the efficiency of skin cancer diagnosis by limiting the number of undiagnosed cases and the number of unnecessary biopsies.We then present a LC-OCT device system operating in two spectral bands centered around 770 nm and 1250 nm. The first band produces high resolution images (1.3 µm x 1.2 µm, lateral x axial) while the second provides enhanced penetration depth (700 µm). By merging the images acquired in the two bands it has been possible to produce images with both high resolution and high penetration. Moreover, acquiring images of a sample in two different spectral bands can give, to a certain extent, information on the spectral properties of the sample.Lastly, we present a proof-of-concept LC-OCT prototype coupled together with a Raman microscope, as well as some application examples. Raman microscopy is a spectroscopic method capable of identifying molecules present in a sample and thus measuring the "fingerprint" of a sample. This modality could then provide complementary information to the morphological images provided by LC-OCT about the biomolecular composition of the sample.

Durant ce projet, nous nous sommes intéressés à une bactérie, D. radiodurans, un coque particulièrement connu pour ces extraordinaires capacités de résistance à différents facteurs de stress. Cependant, à cause de ses capacités de radiorésistance, cette bactérie a surtout été étudiée dans cette optique. Certaines caractéristiques de son cycle cellulaire restent méconnues, notamment (i) sa morphologie au cours de sa division ainsi que (ii) l’organisation et (iii) la ségrégation de son nucléoïde. Ces méconnaissances touchent aussi de façon plus générale toutes les bactéries de types coques, notamment de par la petite taille relative des bactéries qui a été un frein pour leurs études en microscopie photonique.Le but du projet de thèse est donc de mieux comprendre comment les bactéries sont capables d’avoir un nucléoïde très compacté, mais en même temps, dynamique et restant accessible pour les différents mécanismes tels que la réplication de l’ADN, sa transcription ou sa réparation. Dans ce but, nous avons exploré l’organisation en 4D ainsi que la dynamique du nucléoïde de D. radiodurans, en fonction du cycle de vie de la bactérie, de sa phase de croissance. Afin de réaliser ces objectifs, plusieurs stratégies ont été poursuivies : (i) des timelapses en 3D par microscopie confocale (ii) l’étude dynamique du nucléoïde par FRAP et par SptPALM, et (iii) la cartographie des protéines associées au nucléoïde réalisé par microscopie de super-résolution (PALM). / During this PhD work, we have studied on D. radiodurans, a coccus, known for its intriguing outstanding resistance to different stress factors. Studies on D. radiodurans have been mainly focusing on its tremendous radioresistance. 52 years after its discovery, its nucleoid organization/segregation as well as its cell morphology during its cell cycle still remain elusive. Most of our knowledge on the bacteria shape during division and on the nucleoid organization/segregation arises from the study of a small number of “model bacteria”, that are mainly rod-shaped or ovoid. In contrast, little is known on the nucleoid organization/segregation of cocci. Moreover, the small relative size of bacteria and of their nucleoids (<1µm3) has limited their studies by conventional microscopy.Thus, one of the aims of this PhD project is to contribute to a better understanding of the cell morphology and the nucleoid organization/segregation in cocci. For that matter, we explored the 4D organization and the dynamics of D. radiodurans nucleoids, as a function of the cell cycle progression and growth phase. In order to achieve the objective of this PhD, several strategies were undertaken: (i) timelapse 3D stacks by spinning confocal microscopy (ii) dynamics studies with FRAP analysis and SptPALM acquisitions, and (iii) cartographies of nucleoid associated proteins using super-resolution microscopy (PALM).

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.

Ce mémoire rend compte de l'expertise développée par l'auteur au Centre de recherchede l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) en endoscopie fibrée. Il décrit la construction d'un nouveau type de microscope optique, le MicroscopeInterstitiel Panoramique (PIM). Par la juxtaposition d'un court morceau de fibre à gradientd'indice et d'un prisme à l'extrémité d'une fibre monomode, la lumière laser estfocalisée sur le côté de la sonde. Pour former une image, cette dernière est rapidementtournée autour de son axe pendant qu'elle est tirée verticalement par un actuateurpiézo-électrique. Ce design de système rotatif d'imagerie interstitielle peu invasif est uneffort pour limiter les dégâts causés par la sonde tout en imageant la plus grande régionpossible en imagerie optique cérébrale profonde. / This thesis documents the expertise developed by the author at the Centre de recherchede l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) in fibered endoscopy, particularly the design and construction of a new kind of optical microscope: ThePanoramic Interstitial Microscope (PIM). Through the juxtaposition of a short piece ofGraded-Index fibre and a prism at the end of a single-mode fibre, laser light is focussedon the side of the probe. To form an image, the latter is quickly spun around its axiswhile it is being pulled vertically by a piezoelectric actuator. This minimally invasivefluorescence rotary interstitial imaging system is an endeavor to limit the damage causedby the probe while imaging enough tissue to provide good context to the user in deep brain optical imaging.

Un des enjeux majeurs de la biochimie et de la biologie cellulaire actuelle est de pouvoir suivre de manière dynamique les événements moléculaires à l'intérieur de la cellule vivante dans son contexte fonctionnel, c'est-à-dire in situ (dans son tissu d'origine). Il ne suffit plus, par exemple, d'identifier une réaction biochimique in vitro pour pouvoir savoir si un enzyme ou un autre rencontrera son substrat à l'intérieur de la cellule. Il apparaît de plus en plus évident que des facteurs spatio-temporels très fins à l'intérieur de la cellule vivante déterminent en grande partie la spécificité des signaux cellulaires. Il suffit de penser aux fluctuations calciques intracellulaires, par exemple, qui participent à une multitude de cascades de signalisation; sans spécificité spatiale et temporelle, la cellule ne pourrait utiliser les signaux calciques de manière utile et efficace. A cette fin, on propose un système de microscopie laser qui incorpore un axicon, lequel a la propriété de focaliser la lumière en un faisceau quasi-Bessel. Le contrôle du profil du faisceau incident sur l'axicon procure une ligne focale sur l'axe longitudinal ayant une intensité constante dans le milieu absorbant ainsi qu'une grande résolution transverse. Conséquemment, nous devons balayer notre échantillon en deux dimensions seulement pour obtenir une image complète de tout le volume, réduisant ainsi considérablement le temps d'acquisition. Nous présenterons les résultats théoriques de la génération d'un faisceau quasi-Bessel dans un échantillon absorbant, les caractéristiques du laser Ti:saphir utilisé ainsi que le schéma proposé pour la microscopie laser avec un axicon. Nous verrons qu'il est possible d'imager des échantillons fluorescents allant jusqu'à 1 mm d'épaisseur avec un seul balayage. Dans cette thèse, nous passerons en revue quelques principes qui sont à la base des avantages de la microscopie par excitation à deux photons afin de mettre en relief certains des défis (résolution spatiale, résolution temporelle, sensibilité, profondeur de pénétration dans le tissu et phototoxicité) pour améliorer l'utilisation de cette approche pour l'imagerie cellulaire fonctionnelle. Les propriétés des faisceaux de Bessel formés par l'axicon seront étudiées en profondeur. Nous décrirons ensuite notre microscope à deux photons avec un axicon et nous présenterons plusieurs résultats obtenus avec ce dernier.

La profondeur de champ est un paramètre crucial pour la conception des systèmes optiques. Cette affirmation est particulièrement vraie dans le cas des microscopes. Plusieurs solutions ont été proposées dans le passé pour contourner les limites imposées par ce paramètre. L'ingénierie du front d'onde consiste par exemple à ajouter un masque de phase dans le système optique pour rendre la fonction de transfert optique invariante par rapport à la position axiale de l'objet. Ce mémoire propose d'atteindre ce but en optimisant des masques de phase polynomiaux par la méthode du recuit simulé. L'invariance de la fonction de transfert optique est assurée par la minimisation d'une fonction de coût faisant intervenir la MTF du système optique en fonction de l'aberration du défocus. L'optique de Fourier est utilisée pour obtenir cette information à partir d'un modèle théorique du microscope. Les masques de phases sont optimisés selon deux géométries en particulier : le système de coordonnées cartésiennes séparables et la symétrie de rotation. Cette façon de procéder permet d'évaluer un grand nombre de solutions différentes dans un temps raisonnable, ce qui maximise les chances d'atteindre le minimum global de la fonction de coût. Le meilleur masque ainsi obtenu est fabriqué par la méthode des gravures binaires successives. Cette technique photolithographique permet d'obtenir quatre niveaux de phase. Le masque fabriqué est finalement ajouté au montage du microscope afin de vérifier son effet sur la profondeur de champ. Les résultats obtenus après déconvolution des images acquises respectent le but initialement fixé.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 août 2023) / Certaines caractéristiques de la larve de poisson-zèbre, telles que sa petite taille et sa transparence optique, en font un modèle stratégique en neurophotonique, en particulier avec la perspective d'études de l'activité du cerveau entier à l'échelle cellulaire. Malgré le relativement petit nombre de neurones présents dans le cerveau du poisson-zèbre, son organisation comprend plusieurs régions anatomiquement, biochimiquement et fonctionnellement analogues à celles présentes chez d'autres vertébrés, incluant l'humain. Les comportements émergeant de cette organisation forment un registre riche ouvrant la porte à la recherche en neurosciences. Par exemple, le système dopaminergique du poisson-zèbre régule plusieurs fonctions analogues chez l'humain, telles que les émotions et les fonctions motrices. Au cours de mon projet, j'ai modifié puis optimisé un microscope à fluorescence par excitation à deux photons, ce qui m'a permis de mesurer l'activité de plus de 60 000 neurones dans une lignée de poisson-zèbre transgénique exprimant un indicateur de calcium fluorescent (GCaMP6s) panneuronal. Pour identifier les neurones dopaminergiques, j'ai fait appel au marquage immunohistochimique des larves fixées suivant leur imagerie calcique. En projetant la localisation des neurones marqués sur les données fonctionnelles par recalage d'images, j'ai pu quantifier l'activité neuronale de la population dopaminergique. Enfin, pour mesurer les manifestations comportementales correspondant à l'activité neuronale, j'ai intégré au microscope un montage incluant un écran, projetant des stimuli visuels, et une caméra haute vitesse, captant les battements de queue. Ce montage a permis de corréler le comportement de nage de spécimens avec l'activité de neurones dont la distribution spatiale est cohérente avec la littérature. Mes travaux de maîtrise ont ainsi mis en place un modèle intégré d'imagerie neuronale, de stimulation sensorielle, et de comportement chez la larve de poisson-zèbre qui permettra d'explorer le rôle des différents circuits neuronaux dans le fonctionnement du cerveau ainsi que l'influence de l'exposome sur leur fonction.