Des applications comme les contre-mesures optiques nécessitent des sources puissantes et avec une bonne qualité de faisceau dans le moyen infrarouge. Le laser à cascade quantique (LCQ) est une solution prometteuse mais la puissance fournie par ces lasers n’est pas suffisante. La combinaison cohérente de plusieurs de ces sources devrait permettre de sommer leurs puissances tout en conservant la qualité de faisceau d’un émetteur unique et constitue donc une solution intéressante pour contourner l’actuelle limitation en puissance des LCQ.Nous présentons une étude théorique et expérimentale de la combinaison de faisceaux cohérente de LCQ dans une cavité externe commune utilisant un coupleur de faisceaux. La mise en phase est ici totalement passive puisque fondée sur la minimisation des pertes dans la cavité globale : on parle d’auto-organisation. Un modèle général permettant de quantifier l’efficacité de combinaison et la stabilité de telles cavités est développé. Dans un premier temps, on montre expérimentalement que la combinaison cohérente de deux LCQ dans une cavité Michelson est une solution efficace et stable. Pour combiner plus d’émetteurs il est nécessaire de concevoir des coupleurs de faisceaux dans le moyen infrarouge efficaces. Pour cela, nous avons étudié deux types de réseaux : les réseaux de phase binaire (réseaux de Dammann) et des structures à gradient d’indice composées de motifs sub-longueur d’onde. Le dessin et l’optimisation de telles structures fait appel à la théorie des milieux artificiels et nécessite l’utilisation d’un code de résolution rigoureuse des équations de Maxwell (RCWA). Enfin, la combinaison cohérente de cinq LCQ en cavité externe avec un coupleur de faisceaux est démontrée expérimentalement et la combinaison d’un plus grand nombre de LCQ est discutée. En conclusion, nous présentons une solution originale pour réaliser la combinaison cohérente passive de LCQ et ainsi apporter une solution à l’augmentation de puissance dans le moyen infrarouge. / Powerful sources in the mid-infrared with a good beam quality are highly needed for applications such as optical countermeasures. The quantum cascade laser (QCL) is a promising solution but the maximum power achievable is not sufficient. The coherent beam combining of several QCL could lead to higher output power in the same beam and thus is an interesting solution to circumvent the current power limitation of these sources.We present a theoretical and experimental study of the coherent beam combining of QCL in a common external cavity with a beam combiner. The phase locking is totally passive since it is only based on loss minimization in the external cavity: it is a self-organization process. A general model is developed to quantify the combining efficiency and the stability that can be obtained from this method. Experimentally, the coherent combining of two QCL in a Michelson cavity is studied first and demonstrated to be efficient and stable. In order to combine more emitters, an efficient beam combiner must be designed in the mid-infrared. For that purpose, two type of gratings, a classical binary phase grating (or Dammann grating) and a more complex gradient-index structure made of local sub-wavelength patterns are designed and compared. The calculation and optimization of this sub-wavelength structure is based on the artificial media theory and is achieved with rigorous coupled wave analysis (RCWA). Finally, the coherent combining of five QCL in an external cavity with a binary phase grating is demonstrated and the scalability to the combining of more emitters is discussed. In conclusion, we present an original solution to combine coherently several QCL and thus address the power scaling issue in the mid-infrared.

Le cycle de division cellulaire et l'horloge circadienne sont deux processus fondamentaux de la régulation cellulaire qui génèrent une expression rythmique des gènes et des protéines. Dans les cellules mammifères, les mécanismes qui sous-tendent les interactions entre le cycle cellulaire et l'horloge restent très mal connus. Dans cette thèse, nous étudions ces deux oscillateurs biologiques, à la fois individuellement et en tant que système couplé, pour comprendre et reproduire leurs principales propriétés dynamiques, détecter les composants essentiels du cycle cellulaire et de l'horloge, et identifier les mécanismes de couplage. Chaque oscillateur biologique est modélisé par un système d'équations différentielles ordinaires non linéaires et ses paramètres sont calibrés par rapport à des données expérimentales: le modèle du cycle cellulaire se base sur les modifications post-traductionnelles du complexe Cdk1-CycB et mène à un oscillateur de relaxation dont la dynamique et la période sont contrôlés par les facteurs de croissance; le modèle de l'horloge circadienne reproduit l'oscillation antiphasique BMAL1/PER:CRY et l'adaptation de la durée des états d'activation et répression par rapport à deux signaux d’entrée hormonaux déphasés. Pour analyser les interactions entre les deux oscillateurs nous étudions la synchronisation des deux rythmes pour des régimes de couplage uni- ou bi-directionnels. Les simulations numériques reproduisent les ratios entre les périodes de l'horloge et du cycle cellulaire, tels que 1:1, 3:2 et 5:4. Notre étude suggère des mécanismes pour le ralentissement du cycle cellulaire avec des implications pour la conception de nouvelles chronothérapies. / The cell division cycle and the circadian clock are two fundamental processes of cellular control that generate cyclic patterns of gene activation and protein expression, which tend to be synchronous in healthy cells. In mammalian cells, the mechanisms that govern the interactions between cell cycle and clock are still not well identified. In this thesis we analyze these two biological oscillators, both separately and as a coupled system, to understand and reproduce their main dynamical properties, uncover essential cell cycle and clock components, and identify coupling mechanisms. Each biological oscillator is first modeled by a system of non-linear ordinary differential equations and its parameters calibrated against experimental data: the cell cycle model is based on post-translational modifications of the mitosis promoting factor and results in a relaxation oscillator whose dynamics and period are controlled by growth factor; the circadian clock model is transcription-based, recovers antiphasic BMAL1/PER:CRY oscillation and relates clock phases to metabolic states. This model shows how the relative duration of activating and repressing molecular clock states is adjusted in response to two out-of-phase hormonal inputs. Finally, we explore the interactions between the two oscillators by investigating the control of synchronization under uni- or bi-directional coupling schemes. Simulations of experimental protocols replicate the oscillators’ period-lock response and recover observed clock to cell cycle period ratios such as 1:1, 3:2 and 5:4. Our analysis suggests mechanisms for slowing down the cell cycle with implications for the design of new chronotherapies.

La répétition d’efforts de faible intensité provoque de la fatigue musculaire et représente un facteur de risque de développement des troubles musculosquelettiques (TMS) à l’épaule. La détection de la fatigue musculaire permettrait de meilleures interventions de prévention de TMS liés au travail répétitif. L’objectif de ce mémoire est de développer de nouveaux indicateurs permettant d’évaluer le mouvement des travailleurs à l’aide de capteurs inertiels portatifs afin d’offrir un outil d’évaluation du niveau de fatigue employable sur le terrain. Pour ce faire, vingt-quatre travailleurs ont réalisé une tâche de travail avant et après une tâche de pointage répétitif (RPT) générant de la fatigue musculaire. La fatigue était évaluée à l’aide de l'échelle CR10 de Borg toutes les 30s et d’une contraction maximale réalisée toutes les 2 minutes. Des données de capteurs inertiels, positionnés sur le tronc et les membres supérieurs des travailleurs, ont été analysées en temps-fréquence et leur coordination inter-segment calculée afin d’extraire des indicateurs de fatigue. Les résultats montrent une augmentation du spectre de puissance et de la variabilité de la coordination sur les segments proximaux du haut du corps (tête, sternum, bassin, épaule, bras, avant-bras et main) pendant la RPT. Aussi, une augmentation du spectre de puissance moyen a été observée sur les segments du bras (main, avant-bras et bras supérieur) pendant la tâche de travail réalisée immédiatement après la RPT. En conclusion, il semblerait possible, en observant de tels changements cinématiques, de détecter la fatigue musculaire des travailleurs en industrie à l’aide de capteurs inertiels. / The repetition of low-intensity efforts causes muscle fatigue and represents a risk factor for the development of musculoskeletal disorders (MSD) in the shoulder. The detection of muscle fatigue would allow for better interventions to prevent MSDs related to repetitive work. The objective of this dissertation is to develop new indicators to evaluate the movement of workers using portable inertial sensors to provide a tool for evaluating the level of fatigue that can be used in the field. To do this, twenty-four workers performed a work task before and after a repetitive pointing task (RPT) generating muscle fatigue. Fatigue was assessed using the Borg CR10 scale every 30s and a maximal contraction performed every 2 minutes. Data from inertial sensors, positioned on the trunk and upper limbs of the workers, were analyzed in time-frequency and their inter-segment coordination calculated to extract indicators of fatigue. The results show an increase in the power spectrum and coordination variability on the proximal upper body segments (head, sternum, pelvis, shoulder, arm, forearm and hand) during RPT. Also, an increase in the average power spectrum was observed over the arm segments (hand, forearm, and upper arm) during the work task performed immediately after RPT. In conclusion, it would seem possible, by observing such changes in kinematics, to detect muscle fatigue in industrial workers using inertial sensors.