Motivé par le fort potentiel scientifique et technologique de l'infrarouge moyen (3-20 µm), le développement de sources lumineuses intenses dans cette région du spectre électromagnétique a subi un essor considérable depuis le début des années 2000. On retrouve maintenant une grande variété de lasers et autres sources pouvant émettre au-delà de 3 µm (lasers à fibres, lasers à cascade quantique, systèmes de conversion paramétrique, lasers à l'état solide, etc). Toutefois, malgré la panoplie d'options ayant émergées pour tester les nouvelles possibilités offertes par l'infrarouge moyen, plusieurs défis restent encore à relever au niveau des sources. Notamment, les enjeux de couverture spectrale, d'efficacité et de simplicité d'utilisation et de fabrication des sources sont encore omniprésents. À titre d'exemple, peu de lasers peuvent produire des impulsions courtes (sub-picosecondes) dans l'infrarouge moyen, et seuls les plus complexes et coûteux d'entre eux peuvent accorder ces impulsions sur une grande plage spectrale, s'accompagnant d'une efficacité énergétique globale très faible. D'autre part, ces problèmes de couverture spectrale, de simplicité et d'efficacité se retrouvent également chez les sources supercontinuum utilisées pour les applications requérant un spectre large couvrant en totalité ou en partie la région de 3 à 5 µm, qui contient de nombreuses résonances moléculaires utiles en spectroscopie (hydrocarbones et oxydes simples). Bien que ces sources produisent un spectre très large à partir d'un système tout fibre et des puissances moyennes pouvant atteindre plusieurs Watts, elles ont le désavantage de générer une grande proportion de leur énergie en-deçà de 3 µm (habituellement entre 40 et 90%), de produire un spectre peu uniforme, et ont beaucoup de difficulté à couvrir la totalité de la fenêtre de 3 à 5 µm. Constatant ces défis, l'objectif global de cette thèse était de faciliter et d'améliorer la conversion et la génération de spectre dans la région de 3 à 5 µm. Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de génération de supercontinuum a été démontrée, permettant la création d'un spectre plat allant de 2.6 à 4.1 µm à partir d'un système simple et produisant jusqu'à 82% de l'énergie spectrale au-delà de 3 µm (Chapitre 2). En poursuivant avec cette approche, il a été possible d'établir un record pour le supercontinuum le plus large généré dans une fibre de fluoroindate (InF₃), allant de 2.4 à 5.4 µm (Chapitre 3). Les chapitres 4 et 5 avaient pour objectif d'approfondir notre connaissance et d'optimiser les paramètres expérimentaux de cette technique. Finalement, la contribution présentée dans le chapitre 6 a permis de s'attaquer au problème de la disponibilité d'impulsions brèves et accordables dans l'infrarouge moyen à partir de sources plus abordables et pratiques à utiliser que les chaînes lasers à conversion paramétrique. Pour ce faire, nous avons utilisé les phénomènes de fission solitonique et d'autodécalage Raman afin de décaler spectralement et de manière contrôlée des impulsions femtosecondes entre 2.8 µm et 4.8 µm, le tout à partir d'un système fibré. / Motivated by the strong scientific and technological potential of the mid-infrared (3-20 µm), the development of intense light sources in this spectral region experienced considerable growth since the early 2000's. We now have access to a large variety of lasers and other sources emitting beyond 3 µm (fiber lasers, quantum cascade lasers, parametric sources, solid-state lasers, etc). Nonetheless, numerous challenges on the source development side still remain despite the wide array of options that emerged to test the new possibilities offered by the mid-infrared. Notably, the issues of spectral coverage, energy efficiency and ease of use and fabrication are still omnipresent. As an example, few lasers can produce short pulses (sub-picosecond) in the mid-infrared, and only the most complex and costly systems are able to tune those pulses over a significant spectral range, often at the cost of poor energy efficiency. On the other hand, the problems of spectral coverage, simplicity and efficiency are also found in supercontinuum sources used in applications requiring a large spectrum covering all or in part the 3 to 5 µm spectral region, which hosts numerous molecular resonances useful in spectroscopy (such as in hydrocarbons and simple oxides). While these sources can produce a very large spectrum from an all-fiber configuration and reach multiple Watts of average output power, they have the disadvantage of generating a large part of their energy below 3 µm (usually around 40 to 90%), of producing irregular spectral shapes, and have difficulties covering the whole 3 to 5 µm window. Aware of these issues, the general goal of this thesis was to facilitate and improve the conversion and creation of spectral components in the 3 to 5 µm region. As the first contribution of this thesis, a novel supercontinuum generation technique was demonstrated, allowing the creation of a flat spectrum spanning 2.6 to 4.1 µm from a simple system and producing up to 82% of the spectral power beyond 3 µm (Chapter 2). By using a similar approach, we were able to set a new record for the largest supercontinuum in an indium fluoride fiber (InF₃), going from 2.4 to 5.4 µm (Chapter 3). Chapters 4 and 5 aimed to improve our understanding and optimize the experimental parameters of the technique. Finally, the contribution presented in Chapter 6 adressed the lack of short and tunable pulses in the mid-infrared produced by affordable and easy to use sources, as opposed to nonlinear parametric conversion laser systems. To do so, we relied on the solitonic fission and soliton self-frequency shift phenomena to spectrally shift femtosecond pulses between 2.8 µm and 4.8 µm in a controlled manner from a fiberized system.

Le système électrique contribue de manière significative aux émissions mondiales de gaz à effet de serre. L'intégration des sources d'énergie renouvelable dans le système électrique est considérée comme une voie principale vers la décarbonisation. Cependant, l'augmentation de la pénétration des sources d'énergie renouvelable présente des défis, notamment des problèmes de flexibilité spatiale et temporelle et de congestion du système. La variabilité inhérente et la diversité géographique de nombreuses sources d'énergie renouvelable aggravent ces problèmes. Pour atténuer ces difficultés, l'expansion des réseaux de transmission d'électricité et l'adoption de solutions de stockage d'énergie sont nécessaires, ce qui entraîne une augmentation des dépenses opérationnelles et des investissements. Une alternative prometteuse et raisonnable consiste à utiliser des systèmes énergétiques multi-porteurs dans des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables via les technologies de conversion d'énergie power-to-X et des solutions de stockage en vrac. L'efficacité d'un système énergétique multi-porteurs dépend du choix d'un vecteur énergétique approprié. L'hydrogène, en tant qu'alternative dans la transition énergétique durable, possède des caractéristiques chimiques et techniques qui en font un choix fiable en tant que vecteur énergétique prometteur. Malgré le potentiel des systèmes énergétiques à hydrogène pour la décarbonisation, des défis importants existent tant au niveau des composants qu'au niveau du système. Ces défis incluent l'absence d'un cadre d'intégration adéquat entre les systèmes énergétiques à hydrogène et les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables, ainsi que des structures de tarification et de commercialisation de l'hydrogène insuffisantes. De plus, un système de transport de l'hydrogène adéquat est nécessaire pour réduire les coûts associés aux retards de livraison et aux itinéraires temporaires imprévus. Pour mieux comprendre les limitations de l'adoption des systèmes énergétiques à hydrogène dans la décarbonisation du système énergétique et les solutions potentielles, une analyse critique a été menée dans cette thèse. Cette analyse couvre l'électrification et l'intégration des systèmes énergétiques à hydrogène, des sources d'énergie renouvelable et des systèmes énergétiques multi-porteurs. Les défis liés à l'intégration des systèmes énergétiques à hydrogène sont classés au niveau des composants et au niveau du système. Au niveau des composants, les aspects technologiques de la production, du stockage, du transport et du ravitaillement en hydrogène sont explorés. Au niveau du système, la coordination des systèmes énergétiques à hydrogène, les cadres de marché de l'hydrogène et les défis d'adoption sont évalués. Pour relever les défis de l'exploitation intégrée, cette thèse propose un mécanisme d'intégration à deux niveaux qui relie les contraintes d'exploitation et de planification. De plus, un cadre intégré pour les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et les systèmes énergétiques à hydrogène est proposé. Ce cadre inclut des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables, des systèmes énergétiques à hydrogène, des systèmes de transport urbain, un mélange de charges électriques et électrifiées variables dans le temps, ainsi que des stockages d'hydrogène à court et à long terme. Dans le cas de la livraison d'hydrogène, cette thèse propose un système de transport d'hydrogène qui intègre les paramètres du système de transport urbain en utilisant une version étendue du problème de routage de véhicules. Ce système est conçu pour tenir compte des paramètres opérationnels des systèmes de transport urbain, tels que les contraintes de routage, la densité du trafic, la priorité de l'approvisionnement des charges sensibles, les retards de livraison potentiels et les coûts de dispatching de l'hydrogène. Des remorques-tubes à hydrogène sont utilisées pour livrer l'hydrogène à travers le système de transport urbain. De plus, un nouvel ensemble de contraintes pour intégrer les conditions de fonctionnement des systèmes de transport urbain est inclus. Un compromis entre la fiabilité du système et l'accessibilité économique est géré en attribuant des poids ajustables aux fonctions objectives opérationnelles. Pour répondre aux défis économiques, un mécanisme de tarification de l'hydrogène basé sur la synergie au sein du cadre intégré est proposé. Le mécanisme proposé est conçu en fonction du niveau de synergie entre les systèmes énergétiques à hydrogène et les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables au sein d'un cadre intégré de systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et de systèmes énergétiques à hydrogène. Cette approche représente avec précision les contraintes d'intégration dans le modèle de tarification. La programmation stochastique basée sur des scénarios et la méthode de direction alternée des multiplicateurs (ADMM) sont employées pour aborder les incertitudes dans la production d'énergie renouvelable. L'ADMM réduit les complexités du problème d'exploitation des systèmes intégrés de systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et de systèmes énergétiques à hydrogène et aide à quantifier les niveaux d'intégration. De plus, une approche d'échange de données est adoptée en utilisant l'ADMM pour améliorer l'échange de plans entre les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et les systèmes énergétiques à hydrogène. L'ensemble de la recherche évalue les avantages de l'exploitation intégrée par rapport à l'exploitation autonome, en se concentrant sur la flexibilité dans la production, le transport et le stockage de l'hydrogène. Les problèmes d'intégration des systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables et des systèmes énergétiques à hydrogène, ainsi que des mécanismes de tarification de l'hydrogène, sont formulés comme un problème linéaire en nombres entiers. Ces problèmes sont résolus à l'aide du solveur Gurobi avec la boîte à outils YALMIP dans MATLAB et Pyomo dans Python sur un ordinateur de bureau équipé d'un processeur Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ de 5e génération et de 16 Go de RAM. Les résultats mettent en évidence une production d'hydrogène rentable, une efficacité accrue et des avantages économiques dans le déploiement des sources d'énergie renouvelable grâce à la méthodologie d'intégration proposée. De plus, les mécanismes d'intégration et de tarification proposés permettent des améliorations tant dans les systèmes électriques à forte pénétration de renouvelables que dans les systèmes énergétiques à hydrogène, améliorant ainsi l'efficacité, le rapport coût-efficacité et la fiabilité globales du système. / The electric power system significantly contributes to global greenhouse gas emissions. The integration of renewable energy sources into the electric power system is viewed as a primary path toward decarbonization. However, increased penetration of renewable energy sources presents challenges, including spatial and temporal flexibility issues and system congestion. The inherent variability and geographical diversity of many renewable energy sources exacerbate these problems. To mitigate these issues, the expansion of power transmission networks and the adoption of energy storage solutions are necessary, leading to increased operational and investment expenditures. A promising and reasonable alternative involves employing multi-carrier energy systems in renewable-penetrated electric power systems via power-to-X technologies and bulk storage. The effectiveness of a multi-carrier energy system depends on selecting an appropriate energy carrier. Hydrogen, as an alternative in the sustainable energy transition, possesses chemical and technical characteristics that make it a reliable choice as a promising energy carrier. Despite the potential of hydrogen energy systems for decarbonization, significant challenges exist at both component and system levels. These challenges include the lack of a proper integration framework between hydrogen energy systems and renewable-penetrated electric power systems and deficient hydrogen pricing and marketing structures. Additionally, a proper hydrogen transportation system is needed to reduce costs associated with delivery delays and unplanned temporary routings. To better understand the limitations of hydrogen energy system adoption in energy system decarbonization and potential solutions, an analytical review has been conducted in this thesis. This review covers the electrification and integration of hydrogen energy systems, renewable energy sources, and multi-carrier energy systems. Hydrogen energy system integration challenges are categorized into component and system levels. At the component level, technological aspects of hydrogen generation, storage, transportation, and refueling are explored. At the system level, hydrogen energy system coordination, hydrogen market frameworks, and adoption challenges are evaluated. To address the integrated operation challenges, this thesis proposes a two-layer integration mechanism that bridges operation and planning constraints. Additionally, an integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system framework is proposed. This framework includes renewable-penetrated electric power systems, hydrogen energy systems, urban transportation systems, a mix of time-varying electric and electrified loads, and both short- and long-term hydrogen storage. In the case of hydrogen delivery, this thesis proposes a hydrogen transportation system that incorporates urban transportation system parameters using an extended version of the vehicle routing problem. This system is designed to accommodate operational parameters of urban transportation systems, such as routing constraints, traffic density, the priority of supplying sensitive loads, potential delivery delays, and hydrogen dispatching costs. Hydrogen tube trailers are used to deliver hydrogen across the urban transportation system. Additionally, a new set of constraints for incorporating urban transportation system operation conditions are included. A trade-off between system reliability and cost-affordability is managed by assigning adjustable weights to operating objective functions. To address economic challenges, a synergy-based hydrogen pricing mechanism within the integrated framework is proposed. The proposed mechanism is designed based on the level of synergy between hydrogen energy systems and renewable-penetrated electric power systems within an integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system. This approach accurately represents integration constraints within the pricing model. Scenario-based stochastic programming and the alternating direction method of multipliers (ADMM) are employed to tackle uncertainties in renewable power generation. The ADMM reduces the complexities of the integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system operation problem and helps in quantifying integration levels. Additionally, a data exchange approach is adopted using the ADMM to enhance plan exchange between renewable-penetrated electric power systems and hydrogen energy systems. The entire research evaluates the benefits of integrated versus stand-alone operation, focusing on flexibility in hydrogen generation, transportation, and storage. The integrated renewable-penetrated electric power and hydrogen energy system and hydrogen pricing mechanism problems are formulated as a mixed-integer linear problem. These problems are solved using the Gurobi solver with the YALMIP toolbox in MATLAB and Pyomo in Python on a desktop with a 5th generation Intel(R) Core(TM) i7-6700HQ CPU and 16GB RAM. The findings highlight cost-efficient hydrogen generation, enhanced efficiency, and economic benefits in renewable energy source deployment through the proposed integration methodology. Additionally, the proposed integration and pricing mechanisms demonstrate improvements in both renewable-penetrated electric power systems and hydrogen energy systems, enhancing overall system efficiency, cost-effectiveness, and reliability.