Dissertations / Theses on the topic 'Fibre à coeur creux'

Les applications telles que la détection de polluant où les contre-mesures optroniques nécessitent aujourd’hui des sources émettant dans la bande II de l’infrarouge (2,5- 5μm). Actuellement cette fenêtre spectrale ne dispose pas de source à la fois compacte, robuste et possédant une bonne qualité de faisceau. Afin de répondre à cette demande, la conversion d’une source classique vers les grandes longueurs d’onde par diffusion Raman stimulée dans une fibre à coeur creux est étudiée. Une première architecture utilisant une fibre à bande interdite photonique étirée est étudiée. La réalisation démontre la possibilité de cascader cinq ordres Raman tous en conservant une émission monomode transverse. Ce sont ensuite les fibres à large périodicité permettant de guider la lumière sur plusieurs octaves qui sont étudiées. Les premières fabrications ouvrent des potentialités pour la diffusion Raman utilisant des gaz à fort décalage
Applications such as pollution control or countermeasures have a need in mid infrared sources (2. 5-5μm). Nowadays, compact, robust sources with a good beam quality are not available in this spectral range. To overcome this limitation, we study the conversion of usual sources by stimulated Raman scattering in hollow-core fibre. A proposal uses a hydrogen-filled tapered hollow-core photonic bandgap fibre as a wavelength converter. First results demonstrate the ability to convert the pump toward fifth Stokes order with a monomode beam profile. Then, large pitch hollow-core fibre allowing air-guiding over a broad spectral range are studied. Characterisation of the fabricated fibres paves the way to stimulated Raman scattering with large shift gases

Cette thèse présente le développement d'un micro-endoscope non-linéaire flexible et fortement multimodal. Il est basé sur une fibre optique à cœur creux à courbure négative qui rend possible le déport d'impulsions très courtes et intenses pour une gamme étendue de longueurs d'onde, sans distorsion temporelle ni spectrale significative. Une large double gaine de silice, guidant grâce à une fine couche de polymère de bas indice, entoure la microstructure et permet de collecter et contre-propager les signaux non-linéaires par la même fibre que la transmission du signal source. Afin de diminuer grandement la taille du mode en sortie de fibre, son extrémité distale est fonctionnalisée soit par l'insertion d'une bille de silice dans son cœur, soit par la soudure d'une fibre à gradient d'indice. Une surface large de plusieurs centaines de microns est scannée grâce à un tube piezo-électrique doublement résonant attaché à la fibre et donnant lieu à un profil en spirale. En plus d'un micro-objectif, il est inséré dans un tube métallique bio-compatible de 3~mm de large, formant une tête endoscopique compacte. Des images endsocopiques de tissus biologiques, dont des échantillons frais et non marqués, sont démontrées pour la première fois en utilisant la fluorescence par absorption à trois photons (3PEF), mais également la fluorescence par absorption à deux photons (2PEF), la génération de seconde (SHG) ou troisième (THG) harmonique, et la dispersion cohérente Raman anti-Stokes (CARS). Ce système est actuellement en cours de commercialisation par Lightcore Technologies. Une nouvelle méthode de séparation des signaux d'excitation et de collection est également proposée, basée sur un coupleur de fibre creuse à double gaine. L'utilisation de deux verres différents rend la fabrication possible, même avec une étape de fusion, sans affecter la microstructure creuse de la fibre. Des performances jusqu'à 70~% du système utilisé actuellement sont mesurées et des images de tissus biologiques non marqués sont obtenues, démontrant les possibilités d'application pour l'endoscopie non-linéaire
This thesis presents the development of a highly multimodal flexible nonlinear micro-endoscope. It is based on a negative curvature hollow core fiber, allowing the delivery of ultrashort and intense optical pulses over a wide spectral band without significant temporal nor spectral distortion. A large silica double clad, guiding via a thin layer of low index polymer, surrounds the microstructure and enables the nonlinear signals to be collected and back propagated through the same fiber as the excitation source. The fiber distal tip is functionalized by addition of either a silica bead inserted into its hollow core or a graded index fiber spliced to its endface, allowing to significantly reduce the mode size at the fiber output. Scanning over an area of several hundreds of microns is provided by a doubly resonant piezoelectric tube attached to the fiber tip to create a spiral scan. Along with a fixed objective, it is encased inside a 3~mm large bio-compatible steel tube, making for a compact endoscope head. Endoscopic imaging of biological tissues, including fresh and unlabeled samples, is demonstrated for the first time using three photon excited fluorescence (3PEF), as well as two photon excited fluorescence (2PEF), second (SHG) and third (THG) harmonic generation, and coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). This system is currently commercialized by Lightcore Technologies. A new scheme is also proposed for the separation of excitation and collection signals, based on a hollow-core double clad fiber coupler. Two different glass materials are used, making the fabrication possible, even with a fusion step, without affecting the hollow microstructure. Performances up to 70~% of the currently used scheme are measured, and images of unstained biological tissues are presented to demonstrate its applicability in nonlinear endoscopy

Les lasers de durées ultra-courtes, de l’ordre de la centaine de femtoseconde, sont actuellement des outils incontournables pour bon nombres d’applications industrielles ou académiques. Cependant leurs durées restent limitées par la technologie même de ces dispositifs. Par ailleurs, le développement de nouvelles fibres optiques microstructurées offre un guidage d’impulsions de hautes énergies dans des milieux gazeux permettant de ce fait la génération d’effets non-linéaires moteurs aux dynamiques de compression et de post-compression. Les travaux de cette thèse s’inscrivent donc dans ce contexte. Les études de dynamiques de compression d’impulsions ultra-courtes sont ainsi présentées. Les démonstrations d’auto-compression et de post-compression ont été faites à des longueur d’ondes de 343 nm et 1030 nm pour des régimes d’énergies allant de quelques microjoules à plusieurs centaines de microjoules pour des puissances moyennes jusqu’à 100 W. Des compressions de facteur 29 sont présentées faisant passer des impulsions de 580 fs à 19 fs via une dynamique de compression solitonique. De plus, cette technologie s’est vu intégrée dans une plateforme industrielle installée chez différents clients
Ultra-short pulse laser, hundred femtoseconds, are currently an essential tool for many industrial or academic applications. However, their duration remains limited by the technology which composed this device itself. In addition, development of new microstructured optical fibers offers high-energy pulse guidance in gaseous media, thus allowing the generation of non-linear effects, key parameter for pulse compression and post-compression dynamics. The work of this thesis is therefore part of this context. Studies of ultra-short pulse compression dynamics are presented. Self-compression and post-compression are demonstrated at wavelengths ranging from 343 nm to 1030 nm with energy from few microJoules to several hundred microJoules and average power up to 100 W. Factor 29 of compressions are presented, with solitonic dynamic pulse with duration of 580 fs are compressed down to 19 fs. In addition, this technology has been integrated into an industrial platform installed at various customers' sites

Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée
Cold atoms are versatile quantum systems that enable the study of numerous quantum phenomena through precise tools and a high degree of control. Many experiments use these systems to explore spontaneous organization phenomena : systems that are initially disordered undergoing a phase transition to an ordered state due to interactions between their constituents. Most studies in this field rely on atoms confined in cavities. However, such cavities impose the light modes interacting with the atoms by their boundary conditions,there by predetermining the final geometry the system. Some experiments using ring cavities,which lack standing waves, offer an additional degree of freedom. In our experiment, we aim to go even further: the experiment we developed and describe in this thesis aims to induce the spontaneous crystallization of cold atoms in free space. Since the atoms are not in a cavity, they are considered as in free space, even if they are radially confined within the fiber’s core. The quasi 1D geometry increases the light-atom interaction, needed to implement the long range interatomic forces required to trigger the phase transition towards a crystal structure The cold atom crystal would be formed by long-range interactions induced by the light interacting with the atoms, simultaneously generating a light crystal with an associated superradiant pulse, that did not initially exist. Beyond a certain intensity threshold, these interactions would break the translational symmetry of the atomic cloud, with a spacing determined only by the characteristics of the cloud and the light, rather than by a standing wave.This type of experiment could contribute to the study of long-range interactions, the mechanisms of crystal formation, and could find applications in quantum simulations or magnetic field sensors. Finally, an important aspect is that the size of cold atom experiments generally remains too large to enable measurements outside vacuum chambers. In the case of atomic sensors,the measured forces often depend on the inverse of the distance from the observed fields. It is therefore crucial to work towards the miniaturization of cold atom experiments. Although other studies exploit HCFs, this experiment is unique in that it connects two vacuum chambersvia an HCF, with the goal of using cold atoms as magnetic field sensors between the chambers.This represents a step towards more compact devices for cold atom experiments. This project began with my doctoral research therefore, in this thesis, I present the development and construction of this new experiment, as well as the initial results concerning the cold atom source, the loading of atoms into the HCF, and a brief introduction to spontaneous organization phenomena

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT ainsi qu’à TAV et au LAC, visant la réalisation d’un gyromètre résonant passif en fibre optique à cœur creux atteignant des performances permettant la navigation inertielle. Nous y décrivons mathématiquement l’effet Sagnac, effet relativiste à la base des mesures optiques dans les gyromètres. Ensuite, nous exposons en détail les méthodes utilisées à ce jour pour mesurer des rotations avec des gyromètres passifs par les différentes équipes de recherches. Nous explicitons les limitations de ces méthodes, et en quoi la fibre optique à cœur creux semble être la solution la plus prometteuse pour pallier les défauts des gyromètres passifs résonants actuels. Une partie de cette thèse est alors consacrée à l’étude des propriétés physiques des fibres à cœur creux (Kagomé et bande interdite photonique), telles que leur atténuation, leur capacité à maintenir la polarisation, et leur rétrodiffusion. Nous présentons la première mesure de zone aveugle (plage de faibles vitesses de rotations non mesurables par un gyromètre) dans un gyromètre résonant passif en fibre à cœur creux. Un modèle mathématique est posé pour expliquer le lien entre cette zone aveugle et la rétrodiffusion au sein de la cavité résonante. Nous décrivons ensuite un protocole expérimental permettant de s’affranchir de cette limitation dans notre gyromètre. Nous détaillons enfin la mise en œuvre de ce protocole et caractérisons les performances ainsi atteintes par notre gyromètre
In this manuscript, we report the theoretical and experimental developments at TRT, TAV and LAC, aiming the realization of a hollow-core passive resonant fiber optical gyroscope that can achieve navigation grade performances. We mathematically describe the Sagnac effect, which is a relativistic effect used to optically probe mechanical rotations. Then, we detail the state of the art in passive resonant fiber optical gyroscope development. We identify their limitations, and explain why the hollow core fiber seems to be the best solution to cope with the actual limitations of such gyroscopes. We then focus on two different types of hollow core fibers: Kagome and photonic bandgap. We evaluate their performances in terms of transmission, polarization holding and backscattering. We describe the first measurement of a lock in region in a hollow core fiber passive optical gyroscope, i.e the range of rotation rates that cannot be measured because of backscattering. A mathematical model is propounded to link the lock in to the backscattering of the cavity. We then discuss the experimental protocol that we implemented to circumvent this limitation. Finally, we characterize the performances of our gyroscope based on these features

Les lasers à fibre dopée aux ions de terre rare atteignent aujourdh'ui des puissances comparables à celle des lasers massifs. Ces lasers possèdent de nombreux avantages, tels une excellente dissipation thermique, une bonne qualité spatiale de faisceau, une compacité élevée et une très grande robustesse. La montée en puissance de ce type de laser est limitée aujourd'hui, par l'apparition d'effets non linéaires, aux niveaux de puissances actuels, qui perturbent le fonctionnement du laser et dégradent les qualités spatiales et spectrales des faisceaux émis. La plupart des recherches actuelles destinées à repousser ces limitations se concentrent sur l'accroissement de la taille du cœur de la fibre utilisée comme milieu à gain. Cette approche conduit généralement à limiter la concentration en dopant du milieu actif. Une voie alternative est explorée qui consiste à accroître simultanément la surface du cœur de la fibre et la concentration en terre rare du milieu actif. Dans un premier temps, une modélisation numérique complète des oscillateurs lasers continus à fibre dopée aux ions de terre rare est développée et validée expérimentalement. Dans un second temps une fibre combinant large cœur et fort niveau de dopage et offrant une émission unimodale par filtrage des modes d'ordre élevé à l'aide d'une gaine structurée est conçue. Ensuite, deux procédés de fabrication de fibre dopée aux ions de terre rare alternatifs au procédé MCVD sont développés. Le premier, consistant en une vitrification directe de poudre de silice, a permis d'obtenir un matériau de silice dopée à l'ytterbium extrêmement efficace et très homogène en terme d'indice de réfraction. Ce résultat permet d'envisager la fabrication de fibre à large cœur et fort niveau de dopage par ce procédé simple et peu coûteux. Le second, fonctionnant par assemblage étirage multiple, s'est révélé complexe et long à mettre en œuvre. Il n'a pas permis la fabrication d'une fibre offrant une émission unimodale. Cependant, le comportement homogène des matériaux structurés à une période voisine de la longueur d'onde de l'onde lumineuse a pu être vérifié expérimentalement
Rare earth doped fiber lasers have reached today output power similar to those obtained with others solid state laser. There are numerous assets to use this kind of laser like high efficiency, compactness, high spatial beam quality and excellent thermal properties. Increasing output power encounters today limitation related to the apparition of non linear effects, disturbing the laser behaviour and reducing spatial and spectral beam quality. Most of the researches on this matter focus on finding a way to increase core area of the fiber used as gain medium, leading to limitation on the concentration of rare earth in the active medium. An alternative way trying to increase simultaneously core area and rare earth concentration is explored here. First, full numerical modelisation of fiber laser is conducted and the modelisation is experimentally validated. Then active fiber combining large core and high rare earth concentration for singlemode laser emission working by high order modes filtering with layered cladding has been designed. Then two alternative fabrication process of active fiber alternative to MCVD are developed. The first one, which is direct vitrification of silica powder has produced ytterbium doped silica medium highly homogeneous for refractive index and exhibing high efficiency. This first result allows to consider the fabrication of large and highly doped core fiber with this fabrication process. The second, multi drawing process, has turn up to be long and complex process. It didn't allow to obtained singlemode fiber. Nevertheless, homogeneous behaviour of structured medium for pitch close to the wavelength has been experimentally verified

Le laser est un outil de plus en plus utilisé en milieu médical. Son usage nécessite une instrumentation adaptée à chaque application chirurgicale. Nous avons conçu et réalisé deux types d'instruments. Dans une première partie du mémoire, nous présentons un cathéter à fibre optique modifiée prévu initialement pour répondre à un cahier des charges correspondant à celui de l'angioplastie coronaire. Cet instrument, couplé à un laser à argon ionisé devrait trouver des applications dans d'autres spécialités telles que par exemple la gynécologie (débouchage des trompes utérines). Dans la deuxième partie du mémoire, nous nous sommes intéressés à la mise au point de guides d'onde creux pour transmettre le rayonnement d'un laser à CO2. Ces guides doivent servir à étendre les possibilités de traitement en arthrochirurgie du genou et en coëliochirurgie chez la femme. Pour chaque instrument, nous expliquons d'abord, les choix qui ont été faits au niveau des matériaux et des paramètres optogéométriques des constituants en fonction des résultats d'une étude théorique des effets physiques liés à l'utilisation de l'outil. Nous décrivons ensuite, les procédés de fabrication et d'assemblage de l'instrument puis, les expériences de caractérisation physique de celui-ci. Nous présentons alors, les premiers résultats expérimentaux

Le transport et la génération de forte puissance dans les fibres optiques sont aujourd’hui principalement limités par les effets non linéaires et problèmes thermiques engendrés par des densités de puissance trop importantes. Les structures originales de types LHDC (« Large and Highly Doped Core ») présentées pour la première fois dans ce manuscrit, permettent de s’affranchir de ces contraintes en combinant un large cœur (grande aire modale) et un fort niveau de dopage (faible longueur d’interaction). Le cœur actif est entouré d’une gaine résonante d’inclusions haut indice générant, via des couplages intermodaux optimisés, la délocalisation de l’énergie de l’ensemble des modes d’ordres supérieur supportés par le cœur tout en préservant le confinement du mode fondamental. Ce filtrage modal original favorise la discrimination par le gain de l’unique mode fondamental, garantissant ainsi la qualité spatiale du faisceau émis
Propagation and generation of high power in optical fibre are mainly limited by the nonlinear and thermal effects occurring when power density is too high. The original LHDC structures ("Large and Highly Doped Core") presented for the first time in this manuscript, can escape these limiting factor by combining a large core (i. E. Large mode area) and a high doping level (i. E. Low fibre length). The active core is surrounded by a resonant cladding made of high index inclusions. Thanks to optimized coupling relation between the core and the cladding rods, energy of high order modes of the core spreads over the cladding when the fundamental mode remains confined in the active region. This original modal filtering combined to gain discrimination guarantees the quality of spatial beam

Les effets non linéaires générés dans les fibres optiques sont devenus contrôlables avec l’apparition du cristal photonique. Il a été employé pour réaliser une fibre optique à coeur de silice à grande aire effective pour repousser le seuil d’apparition de ces effets. La conception et la caractérisation de cette fibre sont étudiées en détail. Le cristal photonique permet la propagation de la lumière dans un milieu d’indice faible comme l’air, matériau faiblement non linéaire, pour supprimer les effets non linéaires. La modélisation de fibres creuses est exposée, ainsi que nos premières réalisations et caractérisations. Une fibre composée d’un cœur liquide fortement non linéaire et d’indice faible peut également être employée pour exacerber des effets non linéaires et permettre la création de nouvelles sources optiques fibrées. La première réalisation de fibre à coeur liquide est présentée. Une théorie permettant la compréhension du guidage est développée et confirmée expérimentalement
Nonlinear effects in optical fibres were managed by means of photonic crystals (PC). On the one hand, such a metamaterial was employed to increase the threshold of appearance of nonlinear effects. Hence a silica core PC fibre exhibiting a large effective mode area was designed and fabricated. The subsequent characterization was studied in detail. Moreover, a properly designed PC allows propagation of light in a low index media such as air, which is a low nonlinear medium. Modelling of hollow core PC fibre was exposed together with our realizations and characterisations. On the other hand, specific properties of PC allow to propagate light in a highly-nonlinear low-index liquid filling the hollow core of a PC fibre so as to exacerbating nonlinear effects and creating novel optical sources. To the best of our knowledge, a low-loss liquid-core PC fibre was fabricated for the first time. A comprehensive theory of propagation was developed and confirmed by experiments

Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. La première partie de la thèse se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des fibres musculaires du cœur à partir d'imagerie par résonance magnétique du tenseur de diffusion (IRM-TD). Dans la deuxième partie est proposée une comparaison conjointe de l'anatomie et de la fonction cardiaque par le recalage non-linéaire spatiotemporel de deux séquences 4D CT de différents patients ou du même patient à différents instants. L'architecture des fibres cardiaques, un arrangement spatial complexe des fibres localement liées les une aux autres pour former des plans appelés feuillets, joue un rôle essentiel dans le comportement électrique et mécanique du cœur, et donc de la fonction cardiaque. Nous avons proposé un cadre algorithmique pour réaliser une analyse statistique de l'architecture des fibres cardiaques à partir d'IRM-TD. La nouveauté de cette approche repose sur une analyse statistiques du premier et second ordre calculées directement sur les tenseurs de diffusion (matrices symétriques définies positives) utilisant la métrique Log-Euclidienne. La variabilité de l'orientation des fibres et feuillets au sein d'une population est ensuite extraite de la matrice de covariance des tenseurs de diffusion. Ce cadre algorithmique est appliqué à des données d'IRM-TD de cœurs chiens acquis ex vivo. Cette comparaison statistique inter-espèce fournit non seulement un modèle moyen (ou atlas) de l'architecture des fibres, mais révèle aussi une cohérence de l'orientation des fibres et une divergence de l'orientation des feuillets au sein de cette population de cœurs. L'atlas canin résultant est ensuite comparée à une donnée humaine rare d'IRM-TD acquise ex vivo et un modèle synthétique utilisé pour des simulations électromécaniques ou de l'analyse d'images. Cette comparaison inter-espèce préliminaire a révélé une bien meilleure similarité de l'orientation des fibres que des feuillets entre les cœurs humains et canins. Comparé à l'atlas canin, le modèle synthétique s'est quant a lui révélé limité pour une description complète et fidèle de l'architecture des fibres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction, en plus de son anatomie. Afin de comparer cette fonction cardiaque, nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage non-linéaire spatiotemporel de séquences d'images. Ce recalage spatiotemporal est découplé en un recalage temporel qui met en correspondance des événements physiologiques et en un recalage spatial qui quant à lui met en correspondance des points anatomiques tout en assurant une cohérence avec leurs mouvements respectifs. Cette cohérence est assurée par la définition de «contraintes de trajectoires» liant les transformations intra-séquences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les différences anatomiques à différents instants physiologiques. Sous ces contraintes de trajectoires, le problème de recalage spatial 4D est simplifié en un problème de recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des «Démons Diffeomorphes», appelée «Démons Diffeomorphes Multicanaux». Cette nouvelle méthode de recalage est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée à d'autres méthodes existantes, elle s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, ainsi que de temps de calcul. Un exemple d'application clinique possible du recalage non-linéaire spatiotemporal est proposé pour comparer l'anatomie et la fonction cardiaques avant et après thérapie. Pour cela, nous avons proposé d'étudier l'évolution au cours du cycle cardiaque des déformations des transformations inter-sujets que nous avons appelées «Déformations de Remodelage». Ces nouveaux indices cardiaques permettent notamment d'expliquer et de quantifier le remodelage ayant lieu après thérapie
In this thesis, we address the problem of comparing cardiac anatomy and function from medical images. The first part focuses on cardiac anatomy with a statistical study of cardiac fibre architecture from diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI). The second part focuses on a joint comparison of cardiac anatomy and function with the nonlinear spatiotemporal registration of two 4D computed tomography (CT) sequences of different patients or of the same patient at different times. Cardiac fiber architecture, a complex spatial arrangement of myofibres locally bounded to each other to form planes called laminar sheets, plays an essential role in defining the electrical and mechanical behaviour of the heart, and thus in cardiac function. We propose a unified computational framework to perform a statistical analysis of cardiac fibre architecture from DT-MRI. The novelty of this framework lies on first- and second-order statistics directly computed on diffusion tensors (symmetric definite positive matrices) based on the Log-Euclidean metric. The variability of fibre and laminar sheet orientations among a population is then extracted from the covariance matrix of diffusion tensors. This computational framework is applied to a dataset of canine DT-MRI acquired ex vivo. This intra-species statistical comparison does not only provide an average model (or atlas) of cardiac fibre architecture, but also shows consistency of fibre orientation and discrepancies of laminar sheet orientation among this population of hearts. The resulting canine atlas is then compared to a rare single human DT-MRI acquisition ex vivo and a synthetic model used for electromechanical simulations or image analysis. This preliminary inter-species comparison shows a much better consistency of fibre orientation than laminar sheet orientation between human and canine hearts. Compared to the canine atlas, the synthetic model has showed to be limited for a complete and accurate description of cardiac fibre architecture. The acquisition of time-series of cardiac images gives the opportunity to observe cardiac motion and thus its function in addition to its anatomy. In order to compare this cardiac function, we propose a novel nonlinear spatiotemporal registration algorithm of time-series of images. The spatiotemporal registration is decoupled into a temporal registration that aims at mapping corresponding physiological events and into a spatial registration that aims at mapping corresponding anatomical points ensuring a consistency with their respective motion. This consistency is ensured by defining «trajectory constraints» linking intra-sequence transformations describing cardiac motion to inter-sequence transformations describing anatomical differences at different physiological times. Under these trajectory constraints, the 4D spatial registration problem is simplified to 3D multichannel registration problem solved using a new version of the «Diffeomorphic Demons», called the «Multichannel Diffeomorphic Demons». This new registration method is applied to the inter-subject registration of 4D cardiac CT sequences for evaluation. Its comparison to other existing methods shows that it is the best compromise between accuracy, spatial and temporal regularization, and computation times. A possible clinical application of the spatiotemporal nonlinear registration is then proposed to compare cardiac anatomy and function before and after therapy. We propose to study over a cardiac cycle the evolution of strains of inter-sequence transformations that we called «Remodeling Strains». These new cardiac indices can be used to explain and quantify remodeling processes after therapy

Cette thèse est consacrée à l'étude, à la fois théorique et expérimentale, d'une nouvelle classe de fibres micro-structurées guidant par bandes interdites photoniques (BIP) à coeur solide. Dans les structures étudiées, l'origine des BIP est liée à l'agencement périodique à deux dimensions d'inclusions de faible contraste d'indice dans la gaine. Après avoir précisé les avantages de ces fibres, nous nous sommes attachés à identifier et à comprendre les mécanismes de pertes par confinement dans de telles structures supposées parfaitement périodiques, droites puis courbées. Ces études ont permis de déterminer et d'expliquer des tendances d'évolution simples de ces pertes selon les différents paramètres opto-géométriques de la fibre et de mettre ainsi en évidence un compromis à définir entre pertes par confinement de la fibre droite et courbée. De plus et pour la première fois, l'impact des défauts transverses apparaissant au cours de la fabrication sera évalué et discuté. L'étude montre notamment que de tels défauts peuvent diminuer les pertes par rapport à la structure idéale ce qui nous conduit à définir une nouvelle classe de fibres BIP toutes solides, dites hybrides. Nous proposons également une nouvelle structure de fibre BIP à double gaine, où la présence d'une couronne d'air permet la réduction des pertes par confinement à la fois de la fibre droite et courbée. Cet ouvrage rapporte également un exemple d'application de ces structures toutes solides dans le domaine des lasers à fibre, avec une émission laser mono-mode transverse continue à 977 nm. L'étude à la fois théorique et expérimentale de plusieurs fibres BIP biréfringentes à coeur solide est finalement présentée
This thesis focuses both on theoretical and experimental studies of a new class of micro-structured optical fibers, called Solid Core Photonic BandGap Fibers (SC-PBGFs), for which PBGs originate from the 2D periodical arrangement of weak refractive index contrast inclusions in the cladding. After giving these fibers advantages, we work on the identification and the understanding of confinement losses mechanisms in such micro-structures in the case of straight and bent fibers. These investigations allow us to establish simple evolution trends ofthese losses versus their different opto-geometrical parameters, and underline a compromise to find between the losses of the straight and bent fiber. Moreover and for the first time, impact of transversal defects appearing during the fabrication process will be evaluated and discussed. This study shows notably that such defects can lead to a minimum confinement loss lower than the ideal structure, which leads us to define a new class of SC-PBGFs, called hybrid. A new double clad PBG structure is also proposed, for which an extra holey ring reduces the confinement losses of both the straight and bent fiber. This thesis lays out moreover an application of such all-solid fibers, thanks to the conception and characterization of an Ytterbium doped PBGF with a transverse single-mode laser emission around 977 nm. Finally, we present the experimental and theoretical studies of several birefringent solid-core photonic bandgap fibers

Cette thèse est consacrée à l'étude, à la fois théorique et expérimentale, d'une nouvelle classe de fibres micro-structurées guidant par bandes interdites photoniques (BIP) à coeur solide. Dans les structures étudiées, l'origine des BIP est liée à l'agencement périodique à deux dimensions d'inclusions de faible contraste d'indice dans la gaine. Après avoir précisé les avantages de ces fibres, nous nous sommes attachés à identifier et à comprendre les mécanismes de pertes par confinement dans de telles structures supposées parfaitement périodiques, droites puis courbées. Ces études ont permis de déterminer et d'expliquer des tendances d'évolution simples de ces pertes selon les différents paramètres opto-géométriques de la fibre et de mettre ainsi en évidence un compromis à définir entre pertes par confinement de la fibre droite et courbée. De plus et pour la première fois, l'impact des défauts transverses apparaissant au cours de la fabrication sera évalué et discuté. L'étude montre notamment que de tels défauts peuvent diminuer les pertes par rapport à la structure idéale ce qui nous conduit à définir une nouvelle classe de fibres BIP toutes solides, dites hybrides. Nous proposons également une nouvelle structure de fibre BIP à double gaine, où la présence d'une couronne d'air permet la réduction des pertes par confinement à la fois de la fibre droite et courbée. Cet ouvrage rapporte également un exemple d'application de ces structures toutes solides dans le domaine des lasers à fibre, avec une émission laser mono-mode transverse continue à 977 nm. L'étude à la fois théorique et expérimentale de plusieurs fibres BIP biréfringentes à coeur solide est finalement présentée
This thesis focuses both on theoretical and experimental studies of a new class of micro-structured optical fibers, called Solid Core Photonic BandGap Fibers (SC-PBGFs), for which PBGs originate from the 2D periodical arrangement of weak refractive index contrast inclusions in the cladding. After giving these fibers advantages, we work on the identification and the understanding of confinement losses mechanisms in such micro-structures in the case of straight and bent fibers. These investigations allow us to establish simple evolution trends ofthese losses versus their different opto-geometrical parameters, and underline a compromise to find between the losses of the straight and bent fiber. Moreover and for the first time, impact of transversal defects appearing during the fabrication process will be evaluated and discussed. This study shows notably that such defects can lead to a minimum confinement loss lower than the ideal structure, which leads us to define a new class of SC-PBGFs, called hybrid. A new double clad PBG structure is also proposed, for which an extra holey ring reduces the confinement losses of both the straight and bent fiber. This thesis lays out moreover an application of such all-solid fibers, thanks to the conception and characterization of an Ytterbium doped PBGF with a transverse single-mode laser emission around 977 nm. Finally, we present the experimental and theoretical studies of several birefringent solid-core photonic bandgap fibers

Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent. Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum. La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum.

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Ce travail présente le développement d’un outil numérique basé sur la méthode des éléments finis pour étudier et optimiser les performances des fibres creuses à cristal photonique (HCPCF). Divers mécanismes de perte dans ces fibres ont alors pu être analysés. En premier lieu, par une compréhension fine de l’influence des paramètres géométriques sur les pertes et par une approche basée sur une décomposition de Fourier azimutale, plusieurs structures innovantes de fibres creuses ont été proposées permettant d’aller au-delà de l’état de l’art actuel. En particulier, une fibre creuse à maille hybride guidant par couplage inhibé (CI) a été conçue puis fabriquée associant pour la première fois faible perte de confinement et guidage unimodal. Puis, les sources de pertes induites par la rugosité de surface au sein de ces fibres creuses ont été intégrées aux études en développant une approche numérique transverse à 2D et par des équations de tendance. Les calculs ont alors confirmé l’impact d’un nouveau procédé de fabrication par cisaillement mis en place durant l’étape de fabrication permettant de réduire d’un facteur trois l’amplitude du profil de surface des membranes silice. Ce résultat s’est traduit par la démonstration de pertes records des HCPCF-CI aux domaines des courtes longueurs d’onde du visible (< 1 dB/km) et de l’ultraviolet (< 50 dB/km) trouvées en bon accord avec les simulations. En parallèle, un second procédé nommé opto-thermique a débuté permettant pour la première fois d’obtenir un profil de rugosité non stochastique, résultat qui constitue une perspective forte de mes travaux. Enfin, des développements pour étendre ces analyses à l’axe de propagation (simulations 2D+1 puis 3D) ont débuté. En conclusion, l’ensemble de ces travaux a permis de contribuer à réaliser une nouvelle génération de fibres creuses qui à terme pourrait répondre aux défis aussi bien des domaines peu accessibles comme l’ultraviolet que des applications à fort impact sociétal telles que les télécommunications optiques de demain
This work presents the development of a numerical tool based on finite element method to study and optimize the performances of photonic crystal hollow-core fibers (HCPCF). Various loss mechanisms in these fibers were analyzed. Firstly, through a detailed understanding of the influence of geometric parameters on losses and by an approach based on an azimuthal Fourier decomposition, several innovative hollow-core fiber designs have been proposed making it possible to go beyond the current state-of-the-art. In particular, a hybrid hollow-core fiber guiding by inhibited coupling (IC) was designed and then manufactured, combining for the first time ultra-low confinement loss and singlemode guidance. Then, the sources of losses induced by surface roughness within these hollow-core fibers were integrated into the studies by developing a transverse 2D numerical approach and scaling formula. The calculations then confirmed the impact of a new shear process implemented during the fabrication, making it possible to reduce the amplitude of the surface profile of the silica membranes by a factor of three. This results in the demonstration of record losses of HCPCF-CI in the short wavelengths of the visible (< 1 dB/km) and the ultraviolet (< 50 dB/km) found in good agreement with simulations. In parallel, a second process called opto-thermal began, making it possible for the first time to obtain a non-stochastic roughness profile, a result which constitutes a strong perspective of my work. Finally, developments to extend these analyzes to the propagation axis (2D+1 and 3D simulations) have begun. To conclude, all of this work has contributed to the realization of a new generation of hollow-core fibers which could ultimately meet the challenges of both the still inaccessible ultraviolet domain and applications with a strong societal impact such as the optical telecommunications of tomorrow

Preparation et caracterisation de polymeres entrant dans la fabrication de fibres optiques; ameliorations du procede de fabrication de la fibre pour pallier les fluctuations de diametre. Presentation des phenomenes de luminescence et des theories existantes dans le domaine de la scintillation; justifications du choix de polystyrene ou de polymethylstyrene pour les fibres scintillantes; probleme des fibres scintillantes de faible diametre; presentation d'une methode de preparation de materiau de coeur et mesures de transparence

L’évolution courante des machines montre une croissance importante dans le nombre et l’hétérogénéité des unités de calcul. Les développeurs doivent alors trouver des alternatives aux modèles de programmation habituels permettant de produire des codes de calcul à la fois performants et portables. PaStiX est un solveur parallèle de système linéaire creux par méthodes directe. Il utilise un ordonnanceur de tâche dynamique pour être efficaces sur les machines modernes multi-coeurs à mémoires hiérarchiques. Dans cette thèse, nous étudions les bénéfices et les limites que peut nous apporter le remplacement de l’ordonnanceur interne, très spécialisé, du solveur PaStiX par deux systèmes d’exécution génériques : PaRSEC et StarPU. Pour cela l’algorithme doit être décrit sous la forme d’un graphe de tâches qui est fournit aux systèmes d’exécution qui peuvent alors calculer une exécution optimisée de celui-ci pour maximiser l’efficacité de l’algorithme sur la machine de calcul visée. Une étude comparativedes performances de PaStiX utilisant ordonnanceur interne, PaRSEC, et StarPU a été menée sur différentes machines et est présentée ici. L’analyse met en évidence les performances comparables des versions utilisant les systèmes d’exécution par rapport à l’ordonnanceur embarqué optimisé pour PaStiX. De plus ces implémentations permettent d’obtenir une accélération notable sur les machines hétérogènes en utilisant lesaccélérateurs tout en masquant la complexité de leur utilisation au développeur. Dans cette thèse nous étudions également la possibilité d’obtenir un solveur distribué de système linéaire creux par méthodes directes efficace sur les machines parallèles hétérogènes en utilisant les systèmes d’exécution à base de tâche. Afin de pouvoir utiliser ces travaux de manière efficace dans des codes parallèles de simulations, nous présentons également une interface distribuée, orientée éléments finis, permettant d’obtenir un assemblage optimisé de la matrice distribuée tout en masquant la complexité liée à la distribution des données à l’utilisateur
The ongoing hardware evolution exhibits an escalation in the number, as well as in the heterogeneity, of computing resources. The pressure to maintain reasonable levels of performance and portability forces application developers to leave the traditional programming paradigms and explore alternative solutions. PaStiX is a parallel sparse direct solver, based on a dynamic scheduler for modern hierarchical manycore architectures. In this thesis, we study the benefits and the limits of replacing the highly specialized internal scheduler of the PaStiX solver by two generic runtime systems: PaRSEC and StarPU. Thus, we have to describe the factorization algorithm as a tasks graph that we provide to the runtime system. Then it can decide how to process and optimize the graph traversal in order to maximize the algorithm efficiency for thetargeted hardware platform. A comparative study of the performance of the PaStiX solver on top of its original internal scheduler, PaRSEC, and StarPU frameworks is performed. The analysis highlights that these generic task-based runtimes achieve comparable results to the application-optimized embedded scheduler on homogeneous platforms. Furthermore, they are able to significantly speed up the solver on heterogeneous environments by taking advantage of the accelerators while hiding the complexity of their efficient manipulation from the programmer. In this thesis, we also study the possibilities to build a distributed sparse linear solver on top of task-based runtime systems to target heterogeneous clusters. To permit an efficient and easy usage of these developments in parallel simulations, we also present an optimized distributed interfaceaiming at hiding the complexity of the construction of a distributed matrix to the user

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Dans le contexte de cette thèse, nous nous focalisons sur des algorithmes pour l’algèbre linéaire numérique, plus précisément sur la résolution de grands systèmes linéaires creux. Nous mettons au point des méthodes de parallélisation pour le solveur linéaire hybride MaPHyS. Premièrement nous considerons l'aproche MPI+threads. Dans MaPHyS, le premier niveau de parallélisme consiste au traitement indépendant des sous-domaines. Le second niveau est exploité grâce à l’utilisation de noyaux multithreadés denses et creux au sein des sous-domaines. Une telle implémentation correspond bien à la structure hiérarchique des supercalculateurs modernes et permet un compromis entre les performances numériques et parallèles du solveur. Nous démontrons la flexibilité de notre implémentation parallèle sur un ensemble de cas tests. Deuxièmement nous considérons un approche plus innovante, où les algorithmes sont décrits comme des ensembles de tâches avec des inter-dépendances, i.e., un graphe de tâches orienté sans cycle (DAG). Nous illustrons d’abord comment une première parallélisation à base de tâches peut être obtenue en composant des librairies à base de tâches au sein des processus MPI illustrer par un prototype d’implémentation préliminaire de notre solveur hybride. Nous montrons ensuite comment une approche à base de tâches abstrayant entièrement le matériel peut exploiter avec succès une large gamme d’architectures matérielles. À cet effet, nous avons implanté une version à base de tâches de l’algorithme du Gradient Conjugué et nous montrons que l’approche proposée permet d’atteindre une très haute performance sur des architectures multi-GPU, multicoeur ainsi qu’hétérogène
In the context of this thesis, our focus is on numerical linear algebra, more precisely on solution of large sparse systems of linear equations. We focus on designing efficient parallel implementations of MaPHyS, an hybrid linear solver based on domain decomposition techniques. First we investigate the MPI+threads approach. In MaPHyS, the first level of parallelism arises from the independent treatment of the various subdomains. The second level is exploited thanks to the use of multi-threaded dense and sparse linear algebra kernels involved at the subdomain level. Such an hybrid implementation of an hybrid linear solver suitably matches the hierarchical structure of modern supercomputers and enables a trade-off between the numerical and parallel performances of the solver. We demonstrate the flexibility of our parallel implementation on a set of test examples. Secondly, we follow a more disruptive approach where the algorithms are described as sets of tasks with data inter-dependencies that leads to a directed acyclic graph (DAG) representation. The tasks are handled by a runtime system. We illustrate how a first task-based parallel implementation can be obtained by composing task-based parallel libraries within MPI processes throught a preliminary prototype implementation of our hybrid solver. We then show how a task-based approach fully abstracting the hardware architecture can successfully exploit a wide range of modern hardware architectures. We implemented a full task-based Conjugate Gradient algorithm and showed that the proposed approach leads to very high performance on multi-GPU, multicore and heterogeneous architectures

Cette thèse est une contribution à la modélisation et à l'étude expérimentale de cavités à cristaux photoniques à fente développées en vue d’un intégration hybride de matériaux actifs sur silicium. Parmi les travaux de conception, nous avons d'abord utilisé la méthodes des ondes planes et la méthode des différences finies (FDTD) pour concevoir une série de cavités SOI à hétérostructures, mécaniquement robustes, infiltrées par des liquides d’indices (n environ 1,5), présentant des longueurs d'onde de résonance dans la gamme des télécommunications (1,3 μm - 1,6 μm), des facteurs de qualité de plusieurs dizaines de milliers, et des volumes modaux proches de 0,03 (lambda/n)3. Nous avons ensuite étudié analytiquement et numériquement le couplage entre une cavité à cristaux photoniques à fente et un guide d'onde à fente par la théorie des modes couplés, complétée par des simulations FDTD, qui ont permis de confirmer la possibilité d'exciter efficacement les modes de fente des cavités à partir d'un guide externe. Enfin, nous avons étudié numériquement et semi-analytiquement des géométries de molécules photoniques constituées de deux cavités à cristaux photoniques à fentes couplées, dont l’écart fréquentiel entre les supermodes a pu être ajusté en amplitude et en signe. Nous avons utilisé une méthode perturbative (« Tight binding ») pour estimer les distributions spatiales des modes des molécules photoniques et prédire leurs fréquences dans plusieurs configurations de cavités à cristaux photoniques à fentes couplées.Ce travail exploratoire a été complété par une partie expérimentale qui a porté sur l'étude d'une famille de cavités de hétérostructure à cristaux photoniques à fente. Les cavités à cœur creux fabriquées ont montré des facteurs de qualité (Q) de plusieurs dizaines de milliers, associés à des volumes modaux de l’ordre de V=0,03 (λ/n)^3 après infiltration de la fente et des trous des structures par des liquides d'indice de réfraction proches de 1,46. Des facteurs Q/V supérieurs à 600 000 et atteignant 1 000 000 dans le meilleur des cas (vers lambda=1,3µm) ont ainsi été observés. Cette phase expérimentale préliminaire a donné ensuite lieu à deux types de développements.Tout d'abord, les propriétés des cavités à cristaux photoniques à fentes ont été étudiées pour des applications en détection d'indice en volume, et testées en utilisant différents liquides d'indice de réfraction compris entre 1,345 à 1,545. Les résonateurs étudiés ont présenté des sensibilités de ~ 235 nm / RIU et des facteur de mérite de détection d'indice de l’ordre de 3700, à l’état de l’art pour des résonateurs silicium intégrés à cœur creux.Dans une autre direction, le potentiel des résonateurs diélectriques à fente a été exploré en vue d’une intégration des matériaux actifs sur silicium. Un polymère dopé aux nanotubes de carbone semiconducteurs a été déposé comme matériau de couverture en vue d’étudier le renforcement de la photoluminescence (PL) des nano-émetteurs sous pompage optique vertical à lambda=740nm. Les expériences conduites ont permis de corréler le renforcement de la PL des nanotubes avec les modes de résonance des cavités et de démontrer le couplage partiel de cette PL vers des guides SOI longs de plusieurs millimètres (collection par la tranche vers lambda=1.3µm), apportant une preuve de principe d’une possible intégration des nanotubes émetteurs en photonique sur silicium
This Ph.D. work is a contribution to the modeling and the experimental study of slot photonic crystal cavities for hybrid on-silicon integration. Among the design works, we first have used plane the wave expansion and finite-difference time-domain methods to design a series of mechanically robust (non-free membrane) SOI slot photonic crystal heterostructure cavities with resonance wavelengths in the telecommunication range, i.e. from 1.3 µm – 1.6 µm, with Q-factors of around several tens of thousands and mode volumes around 0.03(lambda/n)^3 after being infiltrated by cladding materials with typical index values around 1.5. We have then analytically and numerically studied the coupling between a slot photonic crystal cavity and a slot photonic crystal waveguide by using the coupled mode theory and FDTD simulation. Then we confirmed the ability to excite the cavity slot modes from a waveguide by using FDTD simulation. Finally, as a preliminary step towards the use of several coupled slotted cavities for future hybrid integration schemes, we have numerically and semi-analytically investigated photonic molecules made of two coupled slot photonic crystal cavities providing two different supermodes (bonding and antibonding ones) with controllable wavelength splitting. We successfully employed the tight-binding (TB) approach, which relies on the overlap of the two tightly confined cavity electric fields, to predict the supermodes frequencies and spatial distributions in several coupled slot photonic crystal cavity configurations.This exploratory work was supplemented by an experimental part, which focused on the investigation of a family of slot photonic crystal heterostructure cavities. The fabricated silicon on insulator hollow core cavities showed quality factors of several tens of thousands, i.e. from 18,000 to 31,000 and mode volume V of ~0.03(λ/n)3 after being infiltrated with liquids of ~1.46 refractive index, yielding Q/V ratio larger than 600,000, and reaching 1,000,000 in the best case (at λ ≈ 1.3 μm).This preliminary experimental stage gave rise to two types of additional developments.Firstly, the properties of the studied slot photonic crystal cavities have been investigated for index sensing applications by using different liquids with refractive index values ranging from 1.345 to 1.545. The considered photonic crystal resonators have demonstrated quality factors of several tens of thousands with sensitivities of ~235 nm/RIU and index sensing FOMs around 3,700, i.e. at the state of the art considering hollow core silicon integrated resonators.Secondly, in the view of the integration of active materials on silicon, the potential of these hollow core nanoresonators has been considered to enhance the photo-luminescence (PL) of semiconductor single-walled carbon nanotubes (SWNTs) integrated in thin films deposited on top of silicon. We have brought the first experimental demonstration of SWNTs PL collection (around lambda=1.28 µm) under vertical pumping at short wavelength (lambda=740 nm) from a slotted resonator into millimeter long integrated silicon waveguides, providing a first proof-of-concept step towards nanotube/Si-PhC integration as an active photonic platform. The reported works demonstrate the feasibility of integrating telecommunication wavelength nanotube emitters in silicon photonics as well as emphasize the role of slot photonic crystal cavities for on-chip hybrid integration

La thèse a commencé par l'étude et la conception de deux composants fondés sur la réalisation d'un interféromètre de Mach-Zehnder sur fibre bi-coeur, dont l'un sert à controler le niveau de puissance sur une ligne de transmission ( VOA) et l'autre à extraire et/ou à inserer une longueur d'onde choisie d'un signal multiplexé (MIE accordable). Le travail de thèse a continué par l'étude du compensateur de dispersion chromatique, élément indispensable à la gestion des systèmes hauts-débits. Le but était d'améliorer les performances du composant : diminuer les oscillations sur la réflectivité et sur le retard de groupe du composant ; de trouver les limites en terme de valeur de dispersion et de bande passante qu'il était possible d'atteindre avec notre technique ; de réaliser un compensateur accordable et de developper un compensateur multi-canal. Toutes ces études ont été réalisées et menées à terme. Le travail de fond de la thèse a plus particulièrement porté sur l'analyse et la compréhension des mécanismes à l'origine de l'apparition des oscillations sur le retard de groupe d'un réseau de Bragg à a pas effectif variable. Unprogramme de simulation, modélisant une ligne de ransmission, a ensuite été réalisé. Il permet désormais de quantifier les dégradations engendrées par la dispersion chromatique sur un système de transmission hautdebit ; ainsi que de comprendre l'impact sur les performances d'un système, des oscillations présentes sur le retard de groupe. Nous avons pu mettre en évidence comment un signal optique module à très haute fréquence est modifié en présence d'oscillations sur la phase de la réflectivité d'un réseau de Bragg à pas effectif variable et quelle est linfluence de leurs fréquences. Il est possible d'affirmer que des oscillations dont la fréquence est proche de la fréquence de modulation du signal, dégradent de facons importantes les performances d'un système,en engendrant des interférences intra-ou inter-symboles au moment de la réception.

Depuis leur avènement, les fibres à cristal photonique à cœur creux ont prouvé leur capacité à convertir des fréquences avec une haute efficacité, notamment en jouant sur le phénomène de diffusion Raman stimulée. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société GLOphotonics et l’institut de recherche Xlim, ce projet de thèse a consisté à développer ces fibres afin d’améliorer leurs performances optiques pour cibler deux voies d’applications: une industrielle pour proposer un laser compact multi-ligne dans le visible et dans l’UV et une seconde plus fondamentale pour réaliser un synthétiseur d’onde optique. L’amélioration de ces performances repose sur l’exacerbation de l’inhibition du couplage entre le mode du coeur d’air et les modes de silice de la gaine. Pour cela deux types de micro-structures ont été explorées à savoir une maille Kagomé et une maille tubulaire. Plusieurs fibres ont été alors fabriquées démontrant des performances records sur toute une gamme de longueurs d’onde (8,5 dB/km à 1 µm, 7,7 dB/km à 750 nm, 13,8 dB/ km à 549 nm, et autour de 70 dB/km à 355 nm). Concernant la fonctionnalisation de ces fibres, des micro-capsules photoniques ont été conçues et réalisées permettant à la fois de palier au problème de la perméabilité de la silice au gaz (stabilité de la conversion dépassant 12 mois) et de démontrer une conversion de 26 lignes dans le visible. Un produit industriel nommé CombLas a alors été produit puis appliqué à une étude de cytométrie en flux pour étudier l’influence du taux de répétition du laser de pompe. Ce produit a également été étendu à la gamme spectrale de l’UV avec la génération de 24 lignes entre 225-400 nm. Enfin, des travaux plus fondamentaux ont été réalisés consistant à développer un synthétiseur d’onde optique à base de génération Raman dans ces fibres creuses. Une nouvelle dynamique a été observée démontrant le piégeage de molécules d’hydrogène par un réseau optique auto-assemblé de puits de potentiel ultra-profonds et nanométriques. Cela permis de générer un régime Lamb-Dicke de la diffusion Raman stimulée. Des signatures sub-Doppler usuellement vues dans les atomes froids ont été mesurées avec des largeurs de bandes plus étroites de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport à ce qui est prédit dans la littérature. Finalement, cette largeur de bande a été optimisée d’un ordre de grandeur en jouant sur la longueur de la fibre et la pression de l’hydrogène
Since their advent, hollow-core photonic crystal fibers have proved to be highly efficient for frequency conversion, especially via by playing with stimulated Raman scattering. Within the frame work of a CIFRE contract between the firm GLOphotonics and the Xlim research institute, this thesis project has consisted in developing these fibers to enhance their optical performances, in order to target two different field of applications: an industrial one to offer a a compact multi-line laser in the visible and UV and a second more fundamental one to realize a optical wave synthesizer. The amelioration of these performances relies on the exacerbation of the inhibition of the coupling between the air core mode and the silica cladding modes. Two types of micro-structures have been explored, a Kagomé and a tubular lattice. Several fibers have been fabricated demonstrating record performances on all a wavelength range (8.5 dB/km at 1 µm, 7.7 dB/km at 750 nm, 13.8 dB/km at 549 nm, and around 70 dB/km at 355 nm). Concerning the functionalization of the fibers, photonic micro-cells have been designed and realized enabling to overcome the problem the permeability of silica to gas (conversion stability over 12 months) and demonstrate a conversion to 26 lines in the visible. An industrial product coined CombLas has been made and used for flow cytometry in order to study the influence of the repetition rate of the pump laser. This product has also been extended to the UV range with 24 lines generated between 225-400 nm. Also, more fundamental research has been realized consisting in developing an optical wave synthesizer based on Raman generation in hollow core fibres where a new dynamic has been observed demonstrating the trapping of hydrogen molecules by an auto-assembled optical lattice of ultra-deep and nano-metric potential wells. This configuration has enabled to generate a Lamb-Dicke regime of stimulated Raman scattering. Sub-Doppler signatures usually found in cold atoms have been measured with linewidths narrower than 5 orders of magnitude than what is predicted in the literature. Finally, this linewidth has been optmised of an order of magnitude by plaing on the length of the fiber and the pressure of hydrogen

Les lasers à fibre de haute puissance constituent depuis une dizaine d’année un outil pertinent pour un nombre croissant d’applications. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société Eolite Systems et le laboratoire Xlim (UMR 7252 du CNRS et de l’Université de Limoges), mon projet de thèse a consisté à développer les briques technologiques de futures sources lasers
High-power fiber lasers adress an increasing number of applications since ten years. In the frame of a CIFRE contract between the company Eolite Systems and Xlim (joint laboratory between CNRS and the University of Limoges), the goal of this PhD project was to develop the technological blocs to achieve all-fibre high-power lasers emiting out of the conventional spectral band covered by existing lasers.Modal instabilities in large mode area (LMA) fibers are currently the main limitation of the fiber lasers power scaling. We have experimentally demonstrated the relevance of inner cladding aperiodic structures to efficiently delocalize higher order modes outside the gain region. A systematic study of passive fibers based on such structures has shown the single propagation of the fundamental mode over a wide wavelength range from 1 to 2 µm for dimension of core up to 85 µm. This effective mode delocalization even extends up to a core dimension of 140 µm at a 2 µm wavelength.The combination of high power picosecond fiber laser with an average power of 22.7 W and a hydrogen-filled inhibited coupling Kagome fiber allowed us to generate two Raman combs over five frequency octaves from 321 nm to 12.5 µm. These two combs are controlled by the laser pump polarization and generated an average power of 10.1 W displayed over 70 laser lines for circular pump polarization and 8.6 W over 30 lines for linear polarization. Some laser lines within these combs have been generated for the first time from high-power fiber source in the mid-infrared range. We have also demonstrated the generation of high-power line by optimizing the first vibrational Stokes at 1.8 µm with an average power of 9.3 W and a quantum efficiency of the frequency conversion stage close to 80%

Ces travaux de thèse explorent le développement, la caractérisation et l'application pratique d'une nouvelle source de tri-peigne de fréquences entièrement fibrée, et accordable, pour la spectroscopie multidimensionnelle. La spectroscopie à trois peignes apporte une nouvelle dimension à l'analyse spectroscopique linéaire et non linéaire classique, offrant la possibilité de mesurer l'évolution presque en temps réel de systèmes complexes avec une précision inégalée. Les configurations actuelles de tri-peignes sont fondées sur l'utilisation de lasers à verrouillage de modes, ce qui impose des contraintes sur les paramètres du système et nécessite une synchronisation électronique complexe, limitant ainsi les applications potentielles. Dans cette thèse, nous présentons la démonstration expérimentale du multiplexage spatial de trois peignes électro-optiques provenant d'une source laser commune, dans une fibre non linéaire à plusieurs cœurs .Ce choix d'architecture vise à assurer une cohérence mutuelle intrinsèque entre les trois peignes. Ce manuscrit fournit une étude du développement et de la caractérisation des trois peignes. Nous avons validé leur cohérence par paire grâce à des expériences à double peigne. Nous avons exploité la cohérence à trois peignes pour étudier expérimentalement le phénomène de mélange à quatre ondes intra-enveloppe dans les fibres optiques.L'utilisation du troisième peigne comme oscillateur local multi-lignes nous a permis d'extraire et d'analyser les composantes entremêlées résultant de l'interaction non linéaire entre les deux premiers peignes.Nous avons ensuite révélé la haute cohérence mutuelle entre les trois peignes élargis en appliquant cette approche à la démonstration d'une expérience de spectroscopie tri-peigne en 2D
This thesis work explores the development, characterization, and practical application of a novel, fully fibered, and freely-tunable tri-frequency-comb source for advanced multidimensional spectroscopy. Tricomb spectroscopy unveils a new dimension to standard linear and non-linear spectroscopic analysis, offering the possibility to reveal the almost real-time evolution of complex systems with unprecedented accuracy. Current triple comb configurations are based on the use of mode-locked lasers, which impose constraints on the comb parameters, and require complex electronic synchronization, thus limiting potential applications. In this thesis, we present the experimental demonstration of the spatial multiplexing in a multi-core non-linear fiber of three electro-optic combs from a common laser source.This architecture aims to ensure intrinsic mutual coherence between the three combs. The manuscript provides a comprehensive study of the development and characterization of the three combs Wevalidated their pairwise coherence through dual-comb experiments. We exploited the tri-comb coherence to experimentally investigate intra-envelope four-wave mixing phenomenon in optical fibers.We then revealed the high mutual coherence between the three broadened combs by applying this approach through the demonstration of a 2-D FWM spectroscopy experiment

RÉSUMÉ GÉNÉRAL Suite à un infarctus du myocarde, la formation d’une cicatrice, nommée fibrose de réparation, représente un processus adaptatif et essentiel empêchant la rupture du myocarde. La cicatrice est constituée de myofibroblastes, de cellules vasculaires, de fibres sympathiques ainsi que de cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine. Une perturbation au niveau de ces constituants cellulaires résulte en une formation maladaptative de la cicatrice et éventuellement, une diminution de la fonction cardiaque. La compréhension des événements cellulaires ainsi que les mécanismes sous-jacents participant à cette fibrose est alors d’une importance primordiale. Cette thèse est axée sur l’identification du rôle du système sympathique et des cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine dans la formation de la cicatrice ainsi que leur interaction potentielle. Nos travaux examinent l’hypothèse que les cellules souches neuronales exprimant la nestine sont endogènes au cœur et que suite à un dommage ischémique, elles contribuent à la réponse angiogénique et à la réinnervation sympathique du tissu lésé. Les cellules souches neuronales exprimant la nestine sont retrouvées dans les cœurs de différentes espèces incluant le cœur infarci humain. Elles sont résidentes dans le cœur, proviennent de la crête neurale lors du développement et sont intercalées entre les cardiomyocytes n’exprimant pas la nestine. Suite à leur isolation de cœurs infarcis de rats, les cellules souches neuronales cardiaques prolifèrent sous forme de neurosphères et, dans des conditions appropriées in vitro, se différencient en neurones exprimant le neurofilament-M. Suite à un infarctus du myocarde, les niveaux de l’ARNm de nestine sont significativement augmentés au niveau de la région infarcie et non-infarcie. Nos résultats suggèrent que cette augmentation de l’expression de nestine dans la cicatrice reflète en partie la migration des cellules souches neuronales cardiaques exprimant la nestine de la région non-infarcie vers la région infarcie. Lors de la fibrose de réparation, ces cellules représentent un substrat cellulaire pour la formation de nouveaux vaisseaux et contribuent aussi à la croissance des fibres sympathiques dans la région infarcie. Finalement, nous démontrons que la formation de la cicatrice est associée à une innervation sympathique de la région infarcie et péri-infarcie. De plus, les fibres sympathiques présentes dans la région infarcie sont observées à proximité de vaisseaux de petits calibres. Ces données suggèrent indirectement que l’innervation de la cicatrice par les fibres sympathiques peut jouer un rôle dans la réponse angiogénique suite à un infarctus du myocarde. Suite à l’administration du corticostéroïde dexaméthasone, nous détectons un amincissement de la cicatrice, associé à une réduction significative des fibres sympathiques exprimant le neurofilament-M dans la région infarcie et péri-infarcie. La diminution de la densité de ces fibres par le dexaméthasone peut être reliée à une diminution de la prolifération des myofibroblastes et de la production de l’ARNm du facteur neurotrophique nerve growth factor.
GENERAL ABSTRACT Following myocardial infarction, scar formation represents an adaptive response required to heal the damaged myocardium and prevent cardiac rupture. Infarct healing requires the coordinated action of scar myofibroblasts, angiogenic cells, sympathetic fibres and nestin positive cardiac neural stem cells. A perturbation of one or more of the aforementioned events could lead to inadequate scar healing and further worsening of ventricular function. A better understanding of the cellular events and the underlying mechanisms involved in scar formation is of a primordial importance. The focus of the following studies consists of elucidating the role of the sympathetic system and cardiac neural stem cells during scar healing and their potential interaction. We tested the hypothesis that nestin positive neural stem cells are endogenous to the heart, contribute to angiogenesis and sympathetic innervation of the infarcted myocardium following ischemic injury. Nestin positive cardiac neural stem cells are found in a number of species including the infarcted human heart. Nestin positive cardiac neural stem cells represent a resident population in the heart, are derived from the neural crest and detected intercalated between nestin negative cardiac myocytes. Following their isolation from the infarcted rat heart, neural stem cells proliferate as a neurosphere and under appropriate in vitro conditions differentiate to a neurofilament-M immunoreactive neuron. Following myocardial infarction, nestin mRNA levels are significantly elevated in the viable left ventricle and infarct region. Our data further suggests that the increased expression of nestin in the infarct region reflects in part the migration of these neural stem cells from the viable myocardium. During cardiac wound healing, neural stem cells may represent a novel substrate for de novo blood vessel formation and further contribute to sympathetic fibre growth and innervation of the infarct region. Lastly, we demonstrate that scar formation and healing is associated with sympathetic fibre sprouting of the peri-infarct/infarct region. In addition, sympathetic fibres in the infarct region were detected in close proximity to small calibre blood vessels. These latter data indirectly suggest that innervating sympathetic fibres may play a role in angiogenesis during cardiac wound healing. Following the administration of the corticosteroid dexamethasone inadequate scar healing was observed and associated with a significant reduction of neurofilament-M immunoreactive fibres in the peri-infarct/infarct region. The loss of sympathetic fibre sprouting in the scar may be related to a dexamethasone-mediated suppression of myofibroblast growth and the concomitant reduction of nerve growth factor mRNA expression.