La curiethérapie est une technique ancienne utilisant des sources scellées de faible ou moyenne énergie, toujours pertinente aux plans thérapeutique et économique et toujours en évolution (e.g. curiethérapie à Haut Débit de Dose (HDD)). Cette modalité de traitement permet de délivrer une forte dose d'irradiation dans un volume-cible limité, et permet de minimiser le risque de cancer radio-induit en préservant les Organes à Risques (OAR). Cependant, elle génère des gradients de dose élevés rendant la dosimétrie in vivo délicate à mettre en oeuvre. Les écarts constatés entre doses délivrées et prescrites sont ainsi fréquemment supérieurs à l'écart maximal toléré par la réglementation (± 5%) en usage pour la radiothérapie externe conventionnelle et rendue obligatoire en France par décret depuis 2011. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre du projet ANR-TECSAN INTRADOSE et exploite les acquis technologiques antérieurs démontrés à l'issue du projet Européen MAESTRO et du projet ANR-TECSAN CODOFER, en particulier une instrumentation RL/OSL (Radioluminescence - Optically Stimulated Luminescence) multivoies réalisée et validée au plan préclinique dans le cadre du projet MAESTRO. Le projet INTRADOSE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une Dosimétrie In Vivo (DIV) intracavitaire par cathéter dosimétriques à fibres optiques et cristaux d'alumine Al2O3:C dans le but d'améliorer la sécurité des patients traités par Curiethérapie HDD. Ce nouveau type de détecteur permet de mesurer une distribution de doses (mulitpoints) proche des OAR, il présente un petit diamètre (<ou= 3 mm) destiné à un usage intracavitaire (e.g. insertion dans l'urètre), transparent, stable sous radiations et réutilisable après lecture des doses et stérilisation. Au cours de mon travail de thèse, nous avons développé ce nouveau cathéter dosimétrique basé sur la Luminescence Stimulée Optiquement utilisant les propriétés du cristal d'alumine. Différents tests ont permis d'évaluer sa faisabilité et sa compatibilité avec l'application médicale. Dans un second temps, des validations métrologiques et précliniques ont été menées dans le but de valider la réponse du détecteur dans le cadre d'une application de curiethérapie HDD de prostate. Ces différentes mesures ont été également confrontées à des simulations Monte-Carlo. Financé par l'Agence Nationale pour la Recherche - Technologies pour la Santé (ANR-TECSAN), ce projet associe le CEA LIST [Laboratoire de Mesures Optiques (LMO) et Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB)] et le Centre de Lutte Contre le Cancer (CLCC) Léon Bérard (CLB), Centre Conseil et référent en Radiophysique / The brachytherapy is an old technique using sealed radioactive sources of low or average energy. This technique is still therapeutically and economically relevant today and always evolving (e.g. High Dose Rate (HDR) brachytherapy). This treatment enables to deliver a high dose of irradiation in a limited tumoral volume and enables to minimize the risk of radiation-induced cancer as preserving the Organs at Risks (OAR). However, this technique generates high dose gradients, which makes in vivo dosimetry difficult to implement. Hence, the deviations observed between doses delivered and prescribed are often up to the maximal deviation tolerated by the nuclear safety regulations (± 5%) in conformational radiotherapy. Those regulations have been made mandatory in France since 2011. This thesis has been done within the framework of the ANR-TECSAN INTRADOSE project and is based on the past technological benefits demonstrated during the MAESTRO European project and the ANR-TECSAN CODOFER project, in particular a RL/OSL multichannel instrumentation (Radioluminescence - Optically Stimulated Luminescence) made and validated in preclinical evaluation during the MAESTRO project. The purpose of the INTRADOSE project is to demonstrate the feasibility of the intracavitary In Vivo Dosimetry (IVD) by dosimetric catheter using optical fibers and alumina crystals Al2O3:C with the aim of improving the safety of patients treated by HDR brachytherapy. This new probe enables to measure a dose distribution (several points) close to the OAR, it offers a little diameter (<or= 3 mm) designed for an intracavitary use (e.g. to insert in the urethra), it is transparent, radiation stable and reusable after dose reading and sterilization. During this study, we have first developed this new dosimetric sensor based on the OSL using the properties of the alumina crystal. Several tests have been done in order to evaluate the feasibility and the compatibility with a medical application. Then, metrological and preclinical validations have been done in order to validate the response of the sensor for a prostatic application using HDR brachytherapy. These different measurements have also been compared to Monte-Carlo simulations. Funded by the Agence Nationale pour la Recherche - Technologies pour la Santé (ANR-TECSAN), this project combines the CEA LIST [Laboratoire de Mesures Optiques (LMO) and the Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB)] and the Centre de Lutte Contre le Cancer (CLCC) Léon Bérard (CLB), advice center and advisor in radiophysics

Sur la côte du Sahel tunisien, les dépôts littoraux pléistocènes sont organisés en trois formations marines distinctes : Douira, Réjiche et Chebba définies par Paskoff et Sanlaville (1976) et redéfinies ultérieurement par Mahmoudi (1988) en unités lithostratigraphiques Douira, Khniss et Rejiche. Cependant, il n’a pas toujours été aisé de préciser la chronostratigraphie, la répartition géographique, et le rapport tectonique/eustatisme au cours du Pléistocène moyen et supérieur. La présente thèse se propose d’établir des subdivisions chronostratigraphiques régionales en s’appuyant sur la méthode de datation par luminescence IRSL. Les âges IRSL obtenus pour l’ensemble des dépôts littoraux pléistocènes (marins, lagunaires et dunaires) du Cap Bon oriental, du Sahel et du SE tunisien, s’échelonnent entre 335 ka et 66 ka. Ils se répartissent en six ensembles corrélés aux MIS 9, MIS 7, MIS 6/5, MIS 5.5, MIS 5.3/5.1 indifférencié et MIS 4. Ces âges IRSL démontrent qu’au Sahel, les dépôts marins littoraux pré-tyrrhéniens attribués à l’unité Douira sont corrélatifs de deux hauts niveaux marins interglaciaires distincts corrélables au MIS 9 et au MIS 7. Les âges IRSL des dépôts littoraux tyrrhéniens de la côte Est tunisienne (unités de Khniss et de Rejiche au Sahel), jusqu’ici attribués au MIS 5.5, s’inscrivent dans une chronologie beaucoup plus longue qui s’étend de la transition du MIS 6/5.5 au MIS 4. L’analyse tectonique de détail des populations de plans striés et des systèmes de joints qui affectent les unités littorales du Pléistocène moyen et supérieur (MIS 9 à MIS 4) a permis de préciser le régime tectonique et de déterminer les différents tenseurs de contrainte. Ceux-ci ont été classés et comparés en fonction des données chronostratigraphiques. Les nouvelles données lithostratigraphiques, chronologiques, sédimentologiques et tectoniques acquises dans le cadre de cette thèse sont ensuite replacées dans le contexte plus large de la Méditerranée occidentale. / Along the coast of the Tunisian Sahel, the Pleistocene littoral deposits are organized into three distinct marine formations: Douira, Rejiche and Chebba defined by Paskoff and Sanlaville (1976) and later redefined by Mahmoudi (1988) in terms of lithostratigraphic units Douira, Khniss and Réjiche. However, the chronostratigraphy, the distribution and the relationship between tectonics and eustatism during the Middle and Upper Pleistocene remained so far problematic. The present thesis offers to establish regional chronostratigraphic subdivisions by means of IRSL luminescence dating. The IRSL ages of the Pleistocene littoral deposits (marine, lagoonal and eolian) from the eastern Cap Bon peninsula, the Sahel area and Southeastern Tunisia, are ranging between 335 ka and 66 ka. They are subdivided into six units correlative with MIS 9, MIS 7, MIS 6/5, MIS 5.5, MIS 5.3/5.1 and MIS 4. These IRSL ages demonstrate that the pre-tyrrhenian littoral deposits assigned to the Douira unit belong to two distinct marine interglacial high stands correlative of MIS 9 and MIS 7. The IRSL results of the Tyrrhenian littoral deposits from eastern Tunisia (Khniss and Rejiche units), so far assigned to MIS 5.5, are consistent with a longer chronology that extends from the MIS 6/5 transition to MIS 4. The detailed tectonic analysis of fault populations and joint sets data affecting these Middle and Upper Pleistocene littoral units (MIS 9 to MIS 4) enabled to specify the tectonic regime. It also helped to ascertain the different stress tensors. The latter were classified and compared with each other according to the chronostratigraphic data. The new lithostratigraphic, chronological, sedimentological and tectonic data obtained in this thesis are then replaced in the context of the western Mediterranean basin.

La diffusion Brillouin stimulée (DBS) constitue un des effets non-linéaires observés dans les fibres optiques monomodes et est d'une grande importance dans diverses applications. Elle résulte de la diffusion des ondes lasers par interaction avec les ondes acoustiques présentes dans le milieu et se manifeste essentiellement par la génération d'une onde Stokes rétrodiffusée, limitant la puissance maximale d'une onde laser transmise dans une fibre optique et impliquant une sévère contrainte pour les transmissions optiques longue distance. Le décalage fréquentiel de cette onde par rapport à l'onde laser est appelé fréquence Brillouin et est proche de 11 GHz à une longueur d'onde 1550 nm. L'analyse de l'onde Stokes permet également l'étude des effets modifiant les caractéristiques acoustiques, telles que la température et la contrainte. C'est pourquoi la DBS est largement utilisée pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Dans ce présent travail de thèse, une étude générale des propriétés de la DBS dans les fibres est proposée, incluant notamment l'établissement d'une nouvelle expression de la puissance de seuil et une solution approchée aux équations Brillouin traditionnelles. A partir de la technique pompe-sonde utilisant une seule source laser grâce à un modulateur électro-optique et qui consiste en l'introduction artificielle d'une onde Stokes contre-propagative que l'on balaye en fréquence, la courbe de gain Brillouin est analysée pour des températures allant de 1K à la température ambiante. La potentialité unique de capteur Brillouin fibré des très basses températures est démontrée et ce avec une sensibilité inférieure à 1°C. Les résultats en pression hydrostatique montrent pour la première fois une relation parfaitement linéaire avec la fréquence Brillouin, ce qui fait de la DBS un nouvel outil de mesure de la pression dans les fibres optiques.

Depuis quelques années, nous assistons à une augmentation soutenue de la demande en puissance des sources optiques. L'introduction des fibres à double gaine dopées Er3+/Yb3+ dans la conception des lasers et des amplificateurs a permis l'obtention de puissances très élevées, impossibles à imaginer quelques années auparavant. L'évolution de cette technologie, conçue en principe pour des systèmes télécom, permet d'envisager de nombreuses applications dans d'autres secteurs tels que le médical, la découpe laser, le marquage, le lidar, le perçage, le soudage, ou le traitement de surface, entre autres. Du fait des fortes puissances mises en jeu dans de tels composants, l'apparition des effets non linéaires devient incontournable. Les effets non linéaires sont à l'origine d'interférences ou de distorsions qui dégradent considérablement les signaux. La compréhension de ces effets devient donc indispensable dans l'optique de trouver des règles d'ingénierie aidant à les minimiser lors de la conception de nouveaux composants. Ce mémoire présente une contribution, à la fois théorique et expérimentale, à l'étude des effets non linéaires dans les lasers et amplificateurs de puissance à fibre double gaine dopée Er3+/Yb3+, portant plus particulièrement sur l'automodulation de phase et la diffusion Brillouin stimulée. L'automodulation de phase a été traitée dans le cas des impulsions d'une durée inférieure à 4 ps. Après une mise en évidence expérimentale, un outil de simulation a été créé à l'aide de l'équation de Schrödinger non linéaire avec gain. Afin d'obtenir des impulsions de puissance supérieure à celle imposée par l'automodulation de phase, un système d'amplification d'impulsions utilisant l'architecture CPA ('Chirped Pulse Amplification') a été mis en place, permettant l'obtention d'impulsions de 450 fs avec une puissance crête supérieure à 35 kW. Dans le cas des impulsions larges -d'une durée supérieure à 10 ns-, la puissance maximum de sortie est limitée par un autre effet: la diffusion Brillouin stimulée. Cet effet a également été mis en évidence de façon expérimentale, puis modélisé à l'aide d'un système de cinq équations couplées. Comme dans le cas de l'automodulation de phase, un outil de simulation a aussi été créé. D'autres effets, tels que la diffusion Raman stimulée ou l'amplification paramétrique ont également été étudiés de façon expérimentale.

Cette thèse porte sur les mélanges d’onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l’interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée« évanescente », nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d’interaction. Les conditions d’adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu’à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l’éthanol dans le champ évanescent d’une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire. / The present PhD thesis explored nonlinear wave mixing with the strong evanescent field of nanofibers. The focus has been on the effect of stimulated Raman scattering which is activated by the interaction between such a strong evanescent field and the nonlinear liquid surrounding the nanofiber. In order to observe the stimulated Raman scattering, we investigated the nonlinear modeling to determine the needed characteristics of the nanofibers. The modal Raman gain was calculated to determine the optimal radius of nanofibers for each possible liquid. Considering the critical power and the damage threshold of our nanofibers, we found the minimum required interaction length. The condition of adiabacity of the tapers was also described. These specifications of nanofibers guide us towards the design of a proper pulling system. Several pulling systems and techniques are investigated for the fabrication of our specific nanofibers. We now are able to fabricate low loss uniform nanofibers of up to 10 cm long, a diameter down to 200 nm, with two identical low loss tapers by using our own designed translation stage pulling platform and implemented with the “variable heat brush” technique. With the achieved nanofibers, the Raman effect induced in the evanescent field was observed in both pure (ethanol) and binary mixture (toluene in ethanol) liquids. These first measurements are in good agreement with our simulation even without any fitting parameters in the modeling.

L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur $g$, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de $1,4~10^{-8}$~g/Hz$^{1/2}$. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de $16~10^{-9}$~g.

L'objectif de ce travail était de dater des coulées volcaniques de la Chaîne des Puys (Massif Central, France) situées chronologiquement dans la période de l'événement paléomagnétique de Laschamp (30-50 ka). Les méthodes utilisées étaient la thermoluminescence et la luminescence stimulée optiquement appliquées à des grains de quartz et à des galets quartzeux extraits de sédiments cuits par ces coulées. Ces minéraux émettent des signaux de luminescence dont le comportement est souvent irrégulier. Leur paléodose a donc été déterminée par différentes méthodes pour choisir celles qui seraient les plus appropriées à l'obtention de résultats fiables. Ces intercomparaisons ont mis en évidence une dispersion des résultats supérieure à ce qui pouvait être attendu au regard des incertitudes habituellement associées à chacune d'entre elles. Dans la plupart des cas, ces observations ont conduit à proposer un intervalle assez large dans lequel est compris l'âge probable de l'échantillon.

Cette thèse porte sur les mélanges d'onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l'interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée" évanescente ", nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d'interaction. Les conditions d'adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu'à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l'éthanol dans le champ évanescent d'une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire.

Le doctorant n'a pas fourni de résumé en français. / The research described in this thesis is directed to study an externally stimulated DDS that incorporates a hydrogel as the matrix for the therapeutic agent. The research does not investigate a particular site for the delivery of the therapeutic agent. However, the aim of this research program is to develop various hydrogel formulations with desirable characteristics and structures from which the drug release can be controlled with applied external energy in the form of low-frequency ultrasound. To accomplish this, two types of natural hydrogels from agarose and chitosan and one type of synthetic hydrogel from PVA were fabricated. Parameters that affect the structure were varied for each type of hydrogel in order to study the effect of structural changes on drug loading and release capacity of hydrogels. Next, the obtained hydrogels were assessed for the delivery of Theophylline as the model drug.Among the three types of hydrogels, chitosan was found to have the fastest swelling rates and the higher water uptakes while the least swelling was found with PVA hydrogels and then agarose hydrogels crosslinked at pH 12. Regarding the mechanical stability of hydrogels, the ranking of the elastic modulus was PVA hydrogels (highest), then agarose hydrogels and chitosan copolymers (lowest). It seemed that the more mechanically stable structure of the PVA hydrogels correlated with a reduced mobility of water, in comparison to the greater mobility of water in the mechanically weaker chitosan copolymers.The stimulated and passive release of Theophylline from those hydrogel carriers showed how ultrasound, as an external energy, stimulates and controls the release of the drug. The measurements confirmed that it is only the energy imparted by the longitudinal ultrasonic waves that act on the polymeric network. The mechanism by which the ultrasound affects the release is considered as a form of a ratchet motor. The polymer chains play the role of the “ratchet” steps and the ultrasonic waves accelerate the particle movement in the release media. Hence, once the ultrasound is applied, the particles descend chain-to-chain (i.e. step-by-step) driven down their concentration gradient by the applied energy until they reach the surface of the hydrogel and hence are released into the surrounding media.Increasing the ultrasound intensity vastly accelerates the drug release. Indeed a higher intensity equals a higher energy transferred from the ultrasonic waves to the drug particles, resulting in faster and less controlled release. This also depends on the type of drug carrier structure. If the hydrogel carrier is mechanically stable, such as the PVA samples or the agarose hydrogels crosslinked at pH 12, the effect of high ultrasound intensity is much less compared to a less mechanically stable carrier such as the chitosan blends. Ultrasound applied for a longer period of time increases the amount of drug released, with the consequent effect of increasing the amount of heat generated in the hydrogel. Generally, a longer duration of the applied energy results in a greater amount of energy absorption, and an increase in friction and heat generation. These effects are important considerations in relation to the heat sensitivity of the drug to be delivered and the thermal characteristics of the polymeric carrier.This PhD research has demonstrated that both natural and synthetic hydrogels coupled to an ultrasonic energy source provides a controllable DDS, which provide some novel outcomes and contributions to the body of knowledge in the field of controlled drug delivery.

Il y a des indications que les nanocristaux de silicium (nc-Si) présentent un gain optique qui est potentiellement assez grand pour permettre l'amplification optique dans la gamme de longueurs d'ondes où une photoluminescence (PL) intense est mesurée (600- 1000 nm). Afin de fabriquer des cavités optiques, nous avons implantés des morceaux de silice fondue avec des ions de Si pour former une couche de nc-Si d'une épaisseur d'environ 1 μm. Le Si a été implanté à quatre énergies comprises entre 1 MeV et 1,9 MeV de manière à obtenir une concentration atomique de Si en excès variant entre 25% et 30%. Les pièces ont été flanquées de miroirs diélectriques composés de filtres interférentiels multicouches. Sur une plage de longueurs d'ondes d'environ 200 nm de large, un filtre réfléchit près de 100%, alors que l'autre a une réflexion moyenne d'environ 90%. Nous avons mesuré et comparé les spectres de PL de trois échantillons: le premier sans miroir, le second avec des filtres réfléchissant autour de 765 nm (entre 700 nm et 830 nm), et la troisième avec des filtres agissant autour de 875 nm (entre 810 nm et 940 nm). Lorsque les échantillons sont excités avec un laser pulsé à 390 nm, des mesures de photoluminescence résolue dans le temps (PLT) révèlent des taux de décroissance plus rapides en présence de miroirs dans le domaine de longueurs d'onde où ceux-ci agissent comparé aux échantillons sans miroirs. Aussi, l'intensité PL en fonction de la fluence d'excitation montre une augmentation plus rapide de la présence de miroirs, même si celle-ci reste sous-linéaire. Nous concluons que de l'émission stimulée pourrait être présente dans la cavité optique, mais sans dominer les autres mécanismes d'émission et de pertes. / There are indications that silicon nanocrystals (nc-Si) exhibit an optical gain that is potentially large enough to enable optical amplification in the wavelength range where intense photoluminescence (PL) is measured (600-1000 nm). We fabricated optical cavities on fused silica pieces ion-implanted with Si in order to form a nc-Si layer with a thickness of about 1 μm. Si was implanted at four energies between 1 MeV and 1.9 MeV to obtain an excess atomic concentration varying between 25% and 30%. The pieces were sandwiched between dielectric mirrors consisting of multilayer interference filters. Over a wavelength range of about 200 nm wide, one filter reflects nearly 100%, while the other one shows an average reflection of 90%. We measured and compared the PL spectra of three samples: the first one with no mirrors, the second one with filters reflecting around 765 nm (between 700 nm and 830 nm), and the third one with filters acting around 875 nm (between 810 nm and 940 nm). When exciting the samples with a pulsed laser, timeresolved PL measurements exhibited faster decay rates in the wavelength domain where the reflection of the mirrors is maximal compared to samples without mirrors. Also, PL intensity as a function of excitation flux showed a faster increase in the presence of mirrors, although the increase remained sub-linear. From this, we conclude that stimulated emission could be present in the optical cavity, but does not dominate the other emission and loss processes.