Les cristaux liquides nématiques ancrés constituent un milieu propice à l'étude de la propagation non linéaire des faisceaux lumineux - que ce soit en termes d'études fondamentales ou plus appliquées comme le routage de l'information. Ce sont des milieux plus complexes que les systèmes "modèles" usuellement abordés (type équation de Schrödinger non linéaire) pour étudier les comportements non linéaires. En effet, la non-linéarité a une réponse non locale et est beaucoup plus lente que le temps d'évolution de l'onde. Enfin, le milieu est stochastique.Dans ce cadre, cette thèse étudie l'influence de la non-localité sur les singularités d'ondes obtenues lors de la propagation d'un paquet d'ondes optiques dans un cristal liquide nématique. C'est un travail expérimental et numérique. Nous montrons que le type de singularité obtenu est complètement régi par le taux de non-localité du système,- en régime fortement non local, une structure localisée, connue sous le nom de "nematicon", présente un profil d'intensité ultra-piqué (type "point de rebroussement") avec une trajectoire constamment fluctuante- en régime faiblement non local, le paquet d'ondes subit toujours un phénomène de type "effondrement d'ondes". Il est accompagné d'un auto-raidissement de l'enveloppe du paquet d'ondes et d'un profil en double exponentielle au point de compression.Enfin, nous mettons en évidence la présence d'ondes de chocs diffractives dans notre système en appliquant une condition initiale possédant une discontinuité (demi-faisceau Gaussien). C'est la première mise en évidence expérimentale de ce type d'ondes dans un milieu focalisant, stochastique et non local. / Anchored nematic liquid crystals is a suitable medium and an excellent playground for nonlinear beam propagation studies - for fundamental as well as for applied studies such as optical routing. They are more complex systems than the "ideal" ones that are usually referred to investigate nonlinear phenomena (such as the nonlinear Schrödinger equation). Indeed, our nonlinearity is characterized by a nonlocal response and its response time is much slower than that of the wave. At last, the medium is stochastic.In this context, this thesis deals with the effects of non locality on wave singularities that occur during the propagation of optical wave packets in nematic liquid crystals. The studies are experimental and numerical.We show that the type of singularity that emerges is completely driven by the amount of non locality,• for the highly nonlocal regime, a localized state, known as "nematicon" exhibits an ultra-sharp intensity profile (cusp like) with a continuously fluctuating trajectory.• for the weakly nonlocal regime, the wave packet is always subject to a collapse-like phenomenon. Its envelope self-steepens and its profile depicts an exponential shape where the beam is the most focused.Finally, we evidence diffractive shock waves thanks to an initial condition displaying a discontinuity (half Gaussian beam). This is the first experimental evidence of such phenomenon in a focusing non local and stochastic medium.

Cette thèse est consacrée à l’étude du comportement de propagation de solitons, ou d’impulsions s’apparentant à des solitons, dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion variable. La première partie présente les propriétés générales de guidage d’une fibre optique et introduit les principaux processus linéaires et non-linéaires dans lesquels des solitons temporels sont mis en jeu. Dans la partie II, le contrôle spectral, puis spectro-temporel, de solitons est démontré grâce à l’utilisation de fibres optiques topographiques spécialement conçues à cet effet à l’aide d’un algorithme de résolution inverse. La partie III est, elle, dédiée à l’étude de la dynamique d’émission d’ondes dispersives multiples et de cascades d’ondes dispersives dans une fibre dont le zéro de dispersion varie sinusoïdalement. Enfin, la partie IV explore la stabilisation de breathers d’Akhmediev dans une fibre optique comportant un saut de dispersion. / This thesis concerns the study of the propagation of solitons, or assimilated ones, in optical fibers with tailored longitudinal profiles. The first part presents the general guiding properties of an optical fiber and introduces the main linear and non-linear process involved in solitons propagation. In Part II, spectral and then spectrotemporal solitons control is demonstrated through the use of specially designed topographic fibers. Part III explore the emission dynamics of cascaded resonant radiations and multiple resonant radiations in a fiber with an oscillating zero-dispersion wavelength. Finally, Part IV is devoted to the stabilization of Akhmediev breathers in an optical fiber including a dispersion step.

L’objectif de cette thèse est de concevoir et réaliser un amplificateur Raman fibré impulsionnel mono-fréquence à 1645 nm. Une telle source permettrait le développement futur d’un système LIDAR pour la caractérisation de panaches industriels de méthane. Cette application nécessite l’émission d’impulsions d’une durée de l’ordre de 100 ns et de plusieurs dizaines de µJ à haute cadence de répétition (10-100 kHz). Dans la fibre non linéaire utilisée pour l’amplification Raman, deux phénomènes principaux s’opposent à nos objectifs. D’une part, la diffusion Brillouin stimulée limite à la fois la puissance de la pompe et du signal amplifié. D’autre part, nous avons montré que l’amplification Raman s’accompagne d’un élargissement spectral non linéaire indésirable du signal. Pour mieux appréhender ces phénomènes, des expressions originales ont été établies pour la réflectivité Brillouin du signal et pour la phase non linéaire. Cette dernière a notamment permis de minimiser l’élargissement spectral du signal grâce à un choix pertinent de la forme des impulsions. Nous avons ensuite mis en œuvre plusieurs techniques d’augmentation du seuil Brillouin. Pour le signal, la solution retenue consiste à appliquer un profil longitudinal de contrainte mécanique à la fibre. Pour la pompe, nous avons procédé par élargissement spectral et comparé les résultats produits par une source multimode et par une source à dérive de fréquence. C’est cette deuxième solution que nous avons retenue dans la configuration finale. Le signal amplifié à 1645 nm atteint 27 µJ à 20 kHz pour une durée d’impulsion de 100 ns et une largeur spectrale de 10 MHz, répondant ainsi aux attentes pour le LIDAR envisagé. / The objective of this thesis work is to design and build a single-frequency Raman fiber amplifier at 1645 nm. Such an amplifier could form the basis of a future LIDAR system for industrial methane plume characterization. Emission of pulses about 100 ns long and a few tens of µJ at high repetition rate (10-100 kHz) is needed for this application. In the nonlinear fiber used for Raman amplification, two main phenomena oppose our objectives. On one hand stimulated Brillouin scattering limits the optical power of both the pump and the signal. On the other hand adverse spectral broadening of the signal due to Raman amplification has been demonstrated. To address these issues, original expressions have been derived for Brillouin reflectivity of the signal and for nonlinear phase. In particular, the latter has allowed minimization of the signal spectral broadening thanks to adapted pulse waveforms. Various Brillouin threshold increasing techniques have then been implemented. The signal threshold is increased by applying a longitudinal mechanical strain profile to the fiber. The pump threshold is increased through spectral broadening, using either a multimode source or a frequency-swept source. Our experimental study has shown that the latter was more suitable. In the final configuration, a 27 µJ source at 1645 nm with a 20 kHz repetition rate, a 100 ns pulse duration and a spectral width equal to 10 MHz has been achieved, meeting the requirements for the considered LIDAR system.

La thèse est consacrée au développement de la théorie quantique de l’intrication et de la statistique non classique des champs optiques multimodaux dans les interactions paramétriques. Nous étudions également des applications de ce type de champs dans les schémas de l’information quantique. Nous considérons deux types d’interactions paramétriques, appelées concurrents et consécutifs, entre cinq modes du champ électromagnétique avec des fréquences différentes. Le premier type d’interaction est le processus de conversion de fréquence connu comme « parametric down-conversion » accompagné par « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. Nous démontrons que ces deux processus concurrent produisent une intrication de trois modes du champ électromagnétique avec les trois fréquences différentes. Nous trouvons les conditions optimales pour la création de ce type d’intrication. Le deuxième processus considéré dans la thèse est celle du « parametric down-conversion » accompagné par deux « parametric up-conversion » : [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. Nous avons trouvé l’intrication entres les deux modes de basses fréquences [Oméga]1 et [Oméga]2 et les deux modes de hautes fréquences [Oméga]3 et [Oméga]4 . En appliquant le critère basé sur les valeurs symplectiques nous avons quantifié ce type d’intrication. Nous avons étudié des propriétés de champs avec plusieurs modes spatiaux dans les deux configurations de l’imagerie quantiques : le champ proche et le champ lointain. Dans les deux cas nous avons calculé le rapport signal à bruits et étudié son comportement en fonction des paramètres physiques. Nous avons également proposé et étudié un schéma pour téléportation des images optiques classiques et non classiques (intriquées). Nous avons évalué la fidélité de téléportation en fonction des paramètres de notre système tels que la taille de pixel dans la caméra de détection et la longueur de cohérence de l’émission paramétrique. / The main goal of the thesis is to elaborate the quantum properties, such as entanglement and quantum statistics, of multi-frequency fields, both spatial single-mode and multimode, generated in coupled parametric wave interactions and consider some applications of these fields in quantum information schemes. In the thesis two coupled (also named as concurrent or consecutive) parametric interactions involving modes of five frequencies are considered. The first interactions are two parametric down-conversion processes accompanied by the up-conversion process: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, 2[Oméga]p=[Oméga]2+[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3. It has been shown that the resulting three-frequency optical field is in a three mode entangled state. We formulate the optimal conditions for creation of such type of entanglement. The other coupled interactions comprise one parametric down-conversion process with two up-conversion ones: [Oméga]p=[Oméga]1+[Oméga]2, [Oméga]p+[Oméga]1=[Oméga]3, [Oméga]p+[Oméga]2=[Oméga]4. The entanglement analysis, carried out for these interactions, suggests that the modes with frequencies [Oméga]1 and [Oméga]2 low-frequency modes) along with modes with frequencies [Oméga]3 and [Oméga]4 (high-frequency modes) exhibit two-mode entanglement. Moreover, the symplectic eigenvalue criterion has shown the presence of block entanglement between low-frequency and high-frequency modes. The properties of the spatially multimode fields, generated in the second type of interaction, were investigated for two configurations of quantum imaging schemes: the near-field and the far-field. For both configurations the signal-to-noise ratio and entanglement properties of the generated images have been studied in detail. The schemes for teleportation of entangled spatial single-mode states and entangled images using auxiliary quantum states obtained in the second interactions are proposed and thoroughly analyzed. The teleportation quality in dependence on the amount of entanglement in auxiliary fields and the states to be teleported has been studied. For the images teleportation scheme the influence of the detectors pixel size on the quality of teleportation has been analyzed.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude de la propagation non linéaire de la lumière dans les fibres optiques. Nous nous sommes concentrés sur deux types de problèmes: les solitons dans les fibres monomode et la propagation de la lumière multimodes dans les fibres à gradient d'indice. Lorsque la fréquence porteuse d’un soliton est proche de la longueur d'onde de dispersion nulle ou que la biréfringence de la fibre est prise en compte, les solitons peuvent interagir avec des ondes de faible amplitude et générer de nouvelles fréquences. Nous avons étudié théoriquement l'efficacité de ces processus dans le cas de solitons sombres qui se propagent près de longueur d'onde de dispersion nulle et de solitons brillants dans une fibre hautement biréfringente. Les résultats de ces analyses ont été validés par des expériences.Dans les fibres monomodes, les effets physiques étudiés sont limités au domaine temporel. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous augmentons les degrés de liberté en utilisant des fibres multimode à gradient d’indice. Un effet qui se produit dans les fibres GRIN est auto-imagerie, un processus dans lequel le faisceau injecté à l'entrée se réplique périodiquement le long de la fibre, créant un réseau d'indice dû à l’effet Kerr de la silice. En raison de ce comportement périodique, certaines fréquences sont amplifiées (processus appelé instabilité paramétrique géométrique). Nous avons caractérisé la distribution des fréquences instables quand une variation périodique du diamètre de la fibre est réalisée. Nous présentons également un modèle unidimensionnel capable d'imiter la dynamique spatio-temporelle de la lumière dans une fibre multimode. / The main goal of this thesis is the investigation of nonlinear light propagation in optical fibers. We have focused on two kinds of problems: solitons in monomode fibers and multimode light propagation in Graded Index (GRIN). When carrier frequency of a soliton is close to the Zero Dispersion Wavelength (ZDW) or when fiber’s birefringence is taken into account, solitons can interact with weak waves and generate new frequencies. We have studied theoretically the efficiency of these processes in the case of dark solitons propagating close to ZDW and bright solitons in a highly birefringent fiber. The outcomes of these analysis have been validated experimentally. In single mode fibers, the studied physical effects are restricted to the temporal domain. In the second part of this thesis, we increase the degrees of freedom by using multimode fibers. Light propagation in multimode fibers entails a spatiotemporal dynamics which is still far to be fully understood. An effect arising in GRIN fibers is self-imaging, a process in which the spatial beam injected at the input replicates itself periodically along the fiber, creating a grating by virtue of the silica’s Kerr effect. Due to this periodic behavior, when a CW propagates in a multimode fiber, some frequencies become unstable and they are amplified (a process called Geometric Parametric Instability). We have characterized the pattern of unstable frequencies when a periodic variation of the fiber diameter is made. We also present a reduced one dimensional model which is able to mimic the spatiotemporal dynamics of light in a multimode GRIN fiber.

L’imagerie fantôme (IF) qui a été développée dans des années 1980, est une nouvelle et prometteuse technique d’imagerie utilisant des fluctuations classiques ou quantiques de lumière. Cette technique a certains avantages par rapport à des méthodes d’imagerie traditionnelle et elle trouve aujourd’hui de nombreuses applications dans l’imagerie diffractive par des rayons X, la télédétection, ou l’imagerie biomédicale. L’inconvénient de l’IF est qu’elle demande un assez grand nombre de mesures et un traitement des données très extensif pour arriver à une bonne qualité des images. Pour augmenter l’efficacité de cette technique on a besoin de l’information a priori sur l’objet ou le dispositif optique. La parcimonie d’objets comme l’information a priori a été déjà utilisée dans le traitement d’images. Dans cette thèse nous allons introduire la notion de la parcimonie comme l’information a priori dans l’imagerie fantôme et étudier l’amélioration des performances de l’IF grâce à cette information. Nous allons aussi faire les premiers pas dans l’étude des limites quantiques de la super-résolution des objets parcimonieux. / Ghost Imaging (GI), which was developed from 1980s, is a novel and promising imaging technique based on classical or quantum correlation of the light. It has several advantages over the conventional imaging techniques and nowadays finds many practical applications in X-ray diffraction imaging, remote sensing, or biomedical imaging. The drawback of traditional GI is a large number of measurements and extensive information processing needed for a good quality of images. To improve the imaging efficiency and the image quality GI requires a priori information about the object or the imaging scheme. Sparsity of the objects has been used for a while as a priori information in signal processing. In this thesis we will introduce the sparsity a priori information of the object into the GI and study the improvement of its performance. We will also make first steps towards the quantum limits of super-resolution of sparse optical objects.

Ce travail de thèse se compose en deux parties :Partie 1Nous nous intéressons à la propagation lumineuse non-linéaire dans des cellules planaires de cristal liquide nématique mélangé avec un colorant, l’effet non-linéaire considéré étant l'effet thermique. Puis, nous nous intéressons à l'amélioration de la fluorescence émise par le colorant.Nous concluons que pour améliorer le spectre de la fluorescence, il faut utiliser une source se propageant en mode soliton, optimiser la distance entre la fibre optique d’excitation de celle de collecte et l’ajout des nanoparticules d'or au cristal liquide. Cette amélioration de la fluorescence ouvrira la voie à la création du laser à colorant assisté par propagation de soliton.Partie 2Nous étudions la dynamique spatiotemporelle d'une cavité en anneau remplie d'un milieu de type Kerr non-instantané et pompée par un faisceau cohérent. Nous effectuons d’abord une étude analytique afin de déterminer les types d’instabilités possibles et leurs seuils. Puis, une étude numérique est menée pour observer l’évolution du champ dans la cavité. Nous montrons l’existence des structures périodiques et localisées. / The work of this thesis consists of two parts:Part 1We are interested in non-linear light propagation in planar cells of nematic liquid crystal mixed with a dye. The non-linear effect is considered to be a thermal effect. Then, we are interested in improving the fluorescence emitted by the dye.We conclude that to improve the fluorescence spectrum, we need to use a source propagating in soliton mode, to optimize the distance between the excitation optical fiber and the collecting one and to add the gold nanoparticles to the liquid crystal. This improvement of fluorescence spectrum will pave the way for the creation of a dye laser assisted with soliton propagation.Part 2We study the spatiotemporal dynamics of a ring cavity filled with a non-instantaneous Kerr-type medium and pumped by a coherent beam. We first carried out an analytical study to determine the types of instabilities and their thresholds. Then, a numerical study is carried out to observe the evolution of the field in the cavity. We show the existence of periodic and localized structures.

Στην παρούσα εργασία, γίνεται αρχικά η μελέτη τριών χρωστικών ως προς την απόδοσή τους στη διφωτονική απορρόφηση. Με βάση τα αποτελέσματα της μέτρησης αυτής, επιλέχθηκαν οι δύο χρωστικές που παρουσίασαν ισχυρότερα το φαινόμενο, ώστε να μελετηθούν σχετικά με τον αποχρωματισμό τους. Για το λόγο αυτόν, τα δείγματα που παρασκευάστηκαν από τις ουσίες, δέχτηκαν ακτινοβολία μεγάλης έντασης, μέσω πολύ στενών παλμών laser. / Photobleaching of organic dyes after two photon excitation

Les milieux Kerr soumis à des faisceaux optiques contrapropageants provenant, soit d'une cavité Pérot-Fabry plan-plan ou d'une boucle de rétro-action, ont été très étudiés pour la génération de structures transverses. De nombreux développements théoriques dans la configuration de la cavité ont prédit l'existence de structures localisées (solitons). Cependant aucune mise en évidence expérimentale de ces structures n'a été réalisée à ce jour. Dans la configuration de la boucle de rétro-action optique, les régimes fortement non linéaires présentent des structures rares et intenses, très localisées aussi bien spatialement que temporellement. C'est dans ce cadre que nous nous intéressons expérimentalement à la structuration localisée de la lumière dans ces deux systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en évidence expérimentale de solitons spatiaux dans une cavité Pérot-Fabry plan-plan Kerr à diffraction positive. Ensuite, nous étudions cette cavité quand elle est soumise à de la diffraction négative. Des parois de domaines propagatives sont alors observées. Celles-ci sont bloquées par le forçage spatial lié à l'inhomogénéité du profil de pompage optique gaussien qui donne lieu à une localisation de la lumière. Nous étudions succinctement le cas limite d'une cavité sans diffraction dans laquelle les parois de domaines survivent. Pour finir nous effectuons une étude du régime très fortement non linéaire dans le dispositif de rétro-action optique grâce à une approche statistique. Nous observons l'apparition de structures localisées scélérates associées à l'émission d'un supercontinuum spectral spatial. / Kerr media subject to counterpropagating optical beams in a plan-plan Pérot-Fabry cavity or optical feedback have been deeply studied for tranverse pattern generation. Many theoretical developments in the cavity configuration predict the existence of localized structures (solitons). However, no experimental evidence of these structures have been giben up to now. In the feedback configuration, the highly nonlinear regimes present rare and intense localized structures in space and in time. In This this framework, we are interested in studying experimentaly the localization of light in the both previous systems. The first part of this thesis is devoted to the experimental evidence of spatial solitons in a Pérot-Fabry Kerr plan-plan cavity with positive diffraction. Then we study this cavity submitted to negative diffraction. Propagative domain walls are observed. They are pinned by the spatial forcing coming from the inhomogeneous gaussian optical pumping profile that induces light localization. We study briefly the case of cavity without diffraction in which domain walls persist. We findly perform a study of highly nonlinear regimes in the optical feedback device using a statistical approach. We observe the emergence of rogue localized structures associated with the emission of a spatial spectral supercontinuum.

Les lasers femtoseconde à fibre dopée Yb sont aujourd'hui largement utilisés dans le domaine industriel parce que leur puissance moyenne est élevée. Cela permet d'accélérer les processus de fabrication. Cependant, les lasers à cristaux dopés Ti-Sa dominent dans les applications scientifiques parce que la durée d'impulsion est souvent le critère principal. Ces derniers produisent des impulsions d'une durée inférieure à 30 fs alors que les lasers à fibre dopée Yb, limités par la bande de gain du milieu amplificateur, ne génèrent que des durées de 300 fs.Cette thèse a permis de démontrer la génération, en sortie d'amplificateur à fibre dopée ytterbium, d'impulsion à haute énergie de quelques cycles optiques. Pour ce faire, la durée des impulsions est d'abord réduite en sortie d'amplificateur grâce à l'optimisation de l'architecture laser par façonnage spectral avant amplificateur de puissance afin de limiter l'impact du rétrécissement spectral par le gain. Cette technique permet de générer des impulsions de 130 fs.Afin d'obtenir des durées encore plus courte, une seconde technique de réduction de la durée des impulsions est utilisée après le laser utilisant l'auto-modulation de phase. Le milieu non-linéaire le plus courant utilisé pour des lasers de haute énergie est le capillaire rempli de gaz. L'utilisation de ce milieu nous permet de générer des durées d'impulsions de 15 fs mais est limité par son encombrement et sa transmission.Un deuxième schéma de compression non-linéaire est étudié afin de dépasser cette limitation : la Cellule Multi-Passage. L'utilisation de ce type d'architecture permet effectivement d'atteindre des transmission très élevées mais la contrainte sur le traitement des miroirs de la cellule limite le facteur de compression.Pour générer des durée d'impulsions de quelques cycles optiques, nous avons donc proposé de combiner les deux architectures étudiées en utilisant les avantages de chacune, permettant ainsi générer des impulsions de 2 cycles optiques (6.8 fs). Cette architecture globale permet la création de sources d'impulsions de haute énergie et de très courtes durées compactes et efficaces. / Femtosecond Yb–doped fiber lasers are commonly used in industry because of their high average power. This permits to increase the speed of fabrication processes. However, in scientific applications, the vast majority of high-intensity physics experiments are nowadays driven using Ti:Sapphire lasers. The key point in these applications is often the pulse duration and Ti:Sapphire lasers typically generate 30 fs pulses whereas Yb-doped fiber lasers generate only 300 fs pulses because of gain narrowing.In this thesis, we have sought to generate few-cycle pulses (< 10fs) from Yb-doped fiber lasers. First, we optimize the laser architecture by using spectral amplitude shaping in order to counterbalance gain narrowing. This allows to generate 130 fs pulse duration.To obtain even shorter pulses we added a nonlinear compression set-up after the laser, based on self-phase modulation. For high energy, the most commonly used nonlinear medium is gas-filled capillaries. This set-up allows us to generate 15 fs pulse duration. Nevertheless the transmission of the set-up is limited to 50 %.A second scheme is studied which overcomes this limitation: the gas-filled Multi-Pass Cell. We experimentally demonstrate for the first time nonlinear compression of a high-energy Yb-doped fiber source in this novel implementation. The use of this architecture permits to reach high transmission but the compression factor at the output of the set-up is limited by the mirror coatings.To produce few-cycles pulse duration, we combine the two aforementionned schemes, allowing the generation of two-cycle (6.8 fs) pulse duration with a high overall transmission. This global architecture will enable a new generation of high-energy compact few-cycle laser sources.