Cette thèse présente le travail réalisé sur la source harmoniques du LOA à partir d'une chaine Titane-Saphir kHz. Cette étude s'inscrit dans la perspective d'observer des effets non linéaires dus à l'interaction d'un faisceau harmonique intense focalisé sur cible solide. Nous présentons l'étude de l'optimisation de cette source, qui permet de générer efficacement des harmoniques en limite d'absorption. Un cadre complet d'étude de ces conditions d'optimisation du point de vue théorique et expérimental est défini avec notamment une explication détaillée de l'importance de la diaphragmation du faisceau infrarouge. Nous montrons également comment la technique des algorithmes génétiques a été utilisé par le controle de la phase spectrale du laser de pompe. Nous concluons sur la focalisation des harmoniques.

L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines IR et UV, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie (LCM). La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5% d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 µm et 3.5 µm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du mW pour l'onde signal (1 µm à 1.5 µm) et des puissances comprises entre $20$ à $50$ mW pour l'onde complémentaire couvrant un octave de longueur d'onde IR entre 1.7 µm et 3.5 µm. La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5.64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale.

Cette thèse présente le travail réalisé sur la source harmoniques du LOA à partir d'une chaine Titane-Saphir kHz. Cette étude s'inscrit dans la perspective d'observer des effets non linéaires dus à l'interaction d'un faisceau harmonique intense focalisé sur cible solide. Nous présentons l'étude de l'optimisation de cette source, qui permet de générer efficacement des harmoniques en limite d'absorption. Un cadre complet d'étude de ces conditions d'optimisation du point de vue théorique et expérimental est défini avec notamment une explication détaillée de l'importance de la diaphragmation du faisceau infrarouge. Nous montrons également comment la technique des algorithmes génétiques a été utilisé par le controle de la phase spectrale du laser de pompe. Nous concluons sur la focalisation des harmoniques.

L’objectif de cette est de développer une source harmonique permettant de couvrir la gamme d’énergie 50 -70 eV du spectre électromagnétique par la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un gaz rare. Cette source appelée "tabletop" est obtenue à partir d’un système laser femtoseconde basé sur la technique d’amplification à dérive de fréquence. Une telle source permet de réaliser des expériences de dynamique des charges et de l’aimantation aux seuils M des métaux de transition. L’intérêt de sonder la dynamique de l’aimantation dans le domaine des rayons X est la sélectivité chimique sur les éléments. Grâce à la sélectivité chimique, on peut sonder la dynamique des spins des espèces chimiques qui sont responsables du magnétisme. Par exemple, dans un système contenant plusieurs éléments, on peut accéder aux propriétés magnétiques de chacun de ses composants en ajustant l’énergie des photons au seuil d’absorption de l’élément choisi. / The goal of this thesis is to develop an harmonic source to cover the energy range of 50-70 eV of the electromagnetic spectrum by high harmonic generation in a rare gas. This source called "tabletop" is obtained from a femtosecond laser system based on the chirped pulse amplification technique. Such source allows probing the magnetization dynamics at the M-edges of transition metals. The interest to probe the magnetization dynamics with X-rays is the chemical selectivity on the elements. This, one can probe the spin dynamics of the chemical element which are responsible for magnetism. For example, in a system containing several elements, one can reach the magnetic properties of each one of its components by adjusting the photon energy to the absorption edge of the element.

Le développement de sources moyen infrarouge compactes et accordables dans les gammes de transmission de l’atmosphère présente un intérêt majeur dans les secteurs de la défense et de la sécurité. Les sources paramétriques à quasi-accord de phase en configuration guidée sont prometteuses pour gagner en compacité puisque l’on réduit la puissance de pompe nécessaire par rapport aux sources « massives ». Le premier axe de la thèse consiste à étudier des guides d’onde en arséniure de gallium périodiquement orientés (OP-GaAs) adaptés à un pompage par laser fibré et à des puissances relativement élevées. Le second vise à étudier de façon novatrice la possibilité d’intégrer dans un composant monolithique une diode laser en matériaux antimoniures avec un convertisseur de fréquence en antimoniure de gallium (GaSb). L’enjeu dans les deux cas est de réduire au maximum les pertes à la propagation dans ces guides d’onde pour exploiter pleinement leurs propriétés non-linéaires.Ce travail de thèse a permis de modéliser des structures de guides d’onde ambitieuses pour réduire les pertes, de développer les briques technologiques nécessaires à la fabrication de guides d’onde OP-semi-conducteur faibles pertes et de faire de premières caractérisations de ces composants dans le moyen-infrarouge. Les performances de guides d’onde GaAs ruban enterrés ou non ont pu être comparées, donnant une réduction des pertes d’un facteur trois avec des rubans enterrés. Plusieurs générations de guides d’onde GaSb ont vu le jour, et montrent des performances à l’état de l’art des structures en GaAs. En conséquence, diverses solutions ont été explorées pour intégrer une diode laser en matériaux antimoniures avec le guide d’onde convertisseur de fréquence. / The development of compact and tunable mid-infrared laser sources in the atmospheric transmission windows presents a major interest for several security and defense applications. Quasi-phase-matched parametric sources in guided wave configuration are promising solutions to enhance compactness, because of the reduction in pump power requirements with respect to bulk devices.The first axis of this thesis consists in studying orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides, adapted to fiber laser pumping and to relatively high pump power. The second axis is devoted to the original idea of integrating an antimonide based laser diode with a gallium antimonide (GaSb) frequency converter in a monolithic component. The goal in both cases is to minimize propagation losses in those waveguides to exploit the whole potential of their non-linear properties.This work led to model ambitious low-loss waveguides structures, to develop the technological fabrication steps necessary for OP-semiconductor waveguides manufacturing, and to characterize these components in the mid-infrared. The first buried ridge GaAs waveguide structure has been compared to the ridge one, giving a reduction of a factor three in the propagation losses. Several generations of GaSb waveguides have come forward, with constant losses improvement and reach GaAs state-of-the-art performances. Lastly, multiple solutions have been explored in order to integrate an antimonide-based laser diode with the frequency converter waveguide.

Les applications de spectroscopie, en particulier l’analyse de gaz à effet de serre, de composés organiques volatils ou autres polluants atmosphériques motivent le développement d’instrumentations spécifiques. L’étude présentée ici vise à proposer de nouvelles sources aptes à caractériser la composition d’un milieu gazeux, liquide ou solide. Les raies d’absorption optique de la plupart des gaz à détecter sont particulièrement fortes dans l’infrarouge moyen (en particulier entre 3 et 5 µm). Pour adresser cette plage spectrale, l’optique non linéaire propose de nombreuses solutions. Les sources rapportées ici sont des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) dont la spécificité repose sur l’utilisation de cristaux non linéaires à quasi-accord de phase apériodique. Ces cristaux présentent de larges bandes de gain intrinsèques. Les travaux présentés permettent une étude du comportement de telles sources, absentes de la littérature en régime d’impulsions picosecondes. Des caractéristiques propres à l’utilisation des cristaux apériodiques sont rapportées. Un outil permettant une observation spectrale dynamique en régime picoseconde est proposé puis utilisé pour l’étude du démarrage de nos OPO. Ces sources large bande sont ensuite associées à des filtres spectraux rapides placés dans la cavité. Deux types de filtres sont utilisés. D’abord l’association d’un réseau de diffraction en configuration Littrow avec un déflecteur rapide. Ensuite l’insertion dans la cavité d’un réseau de Bragg en volume chirpé, placé sur une platine de translation, pour tirer profit de la condition de pompage synchrone. Ces deux solutions nous permettent d'obtenir des dispositifs largement et rapidement accordables en longueur d'onde. L’utilisation de telles sources pour des applications de détection de gaz est démontrée. / Spectroscopy applications related to greenhouse gases or other atmospheric pollutants, involve the development of a large range of specific tools. The aim of the work presented here is to develop new devices to characterize the composition of gas, liquid, or solid media. Most of the species to be detected show particularly strong optical absorption lines in the mid-infrared region (in particular around 3 to 5 µm). To address this specific spectral range, nonlinear optics provide a wide range of solutions. The sources reported here are optical parametric oscillators (OPO) based on aperiodically poled nonlinear crystals. Such crystals offer broad gain bandwidths. The work presented here contains a study of those sources, not reported so far in the literature for picosecond regime. Behaviors that are specific to the use of aperiodic crystals are reported. A useful tool allowing dynamical spectral studies is proposed, and implemented to investigate buildup regime of the picosecond OPO. Those sources are then associated with rapid spectral filters inserted in the cavity. Two different approaches are developed. The first is based on the association of a diffraction grating in Littrow configuration with a deflecting device. The second takes advantage of the synchronous pumping scheme, with an intracavity chirped volume Bragg grating mounted on a translation stage. Fast and wide wavelength tuning is demonstrated with those devices. Gas detection applications are also demonstrated.

Cette thèse présente de nouvelles approches en optique cristalline : l'étude angulaire de l'absorption et de l'émission d'ions fluorescents dans un cristal monoclinique ; la caractérisation de l'auto-doublage de fréquence ; le développement de la théorie du quasi-accord de phase angulaire. Avec un cristal sphérique de YCOB :Nd, les premières mesures des indicatrices d'absorption et d'émission des ions Nd3+ ont été réalisées : les directions propres d'absorption et d'émission diffèrent entre elles, ainsi que des axes principaux du repère optique. Des développements théoriques ont permis de décrire ces observations. Ces résultats montrent l'impossibilité d'optimiser simultanément l'absorption et l'émission pour de tels milieux, ainsi que la nécessité des études sur sphère. Une extension de la méthodologie sur cristaux sphériques à la mesure simultanée des propriétés laser et optiques non linéaires des milieux auto-convertisseurs est visée. L'étude théorique d'une cavité contenant un milieu laser auto-doubleur de géométrie sphérique a été menée, et la réalisation est en cours. Une généralisation du quasi-accord de phase a été menée pour toute direction de propagation dans les milieux périodiquement alternés. Une analyse basée sur la théorie des groupes a été menée pour définir les symétries et topologies des solutions de ces interactions. Les potentialités du quasi-accord de phase angulaire, illustrées sur PPLN :MgO, ont montré un accès à une plage spectrale et parfois à des tolérances spectrales plus grandes qu'en quasi-accord de phase classique. Ainsi, ce travail a contribué à développer des outils théoriques, méthodologiques et métrologiques en optique cristalline.

Le travail présenté ici a pour but l'amélioration des tests de basse énergie des interactions faibles à courant neutre. Il a porté sur la mise au point d'une expérience à même de réaliser une mesure d'un dipôle de transition violant la parité dans une vapeur de césium en cellule avec une précision de 1% sur un montage de polarimétrie laser pompe-sonde. Son caractère original tient à la détection d'une transition interdite dans une vapeur, non plus par fluorescence comme l'ont fait toutes les expériences antérieures, mais par l'émission stimulée par le faisceau sonde, ce qui amplifie l'asymétrie à mesurer lorsque l'amplification du faisceau sonde est importante. De nombreux aspects expérimentaux ont nécessité de repousser les limites de l'expérimentation: amélioration des techniques de polarimétrie avec des lasers en impulsions, conception et préparation des cellules, maîtrise des effets de surface, maîtrise et réduction des effets liés aux dimères de césium, étude des champs parasites, puis de leur contrôle/réduction. Mais par-delà le développement de savoir-faire spécifiques, ce travail i) a permis d'amener l'expérience VPA à un stade où la précision de la mesure déjà effectuée est de 2,6%, et où le rapport signal/bruit atteint permet de se lancer dans une mesure à 1%; ii) a donné lieu à des expériences originales comme la photo-destruction des dimères d'une vapeur de césium, l'observation en champ nul et sans background de la transition 6S-7S en champ nul, la réalisation de cellules spectroscopiques "sans pertes par réflexion", la mise en évidence, par diffraction laser, des marches monoatomiques d'une surface vicinale ou encore des méthodes originales de détection homodyne du signal de réflexion sélective ou de mesure absolue de sections efficaces; iii) propose une méthode susceptible de permettre une mesure VPA à 0,1%, ainsi qu'une exploration de ce que permettrait le refroidissement laser pour l'étude des transitions interdites.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.

L'objet de cette thèse porte sur la conception et la réalisation de deux sources laser non linéaires accordables dans les domaines IR et UV, pour le raccordement de la sensibilité spectrale des détecteurs au moyen du radiomètre cryogénique du laboratoire commun de métrologie (LCM). La source IR est un oscillateur paramétrique optique (OPO) résonant sur les ondes pompe et signal (PRSRO), utilisant un cristal de niobate de lithium à inversion de domaines de polarisation dopé par 5% d'oxyde de magnésium (ppMgCLN). Pompé par un laser Ti:Al2O3 en anneau mono-fréquence et accordable, délivrant 500 mW de puissance utile autour de 795 nm, l'OPO possède un seuil d'oscillation de 110 mW. Une couverture spectrale continue entre 1 µm et 3.5 µm a été obtenue, avec des puissances de l'ordre du mW pour l'onde signal (1 µm à 1.5 µm) et des puissances comprises entre $20$ à $50$ mW pour l'onde complémentaire couvrant un octave de longueur d'onde IR entre 1.7 µm et 3.5 µm. La source UV est obtenue par doublage de fréquence en cavité externe du laser Ti:Al2O3, dans un cristal de triborate de lithium (LiB3O5). Un accord de phase en température à angle d'accord de phase fixé permet l'obtention d'une couverture spectrale comprise entre 390 nm et 405 nm. L'asservissement de la cavité de doublage sur la fréquence du laser Ti:Al2O3 par la méthode de Pound-Drever-Hall, ainsi qu'une adaptation de mode optimale, permet d'obtenir une puissance de 5.64 mW à 400 nm à partir de 480 mW de puissance fondamentale. / The work presented in this PhD dissertation details the strategy adopted to build two non-linear laser sources that are widely in the mid-infrared and blue-UV spectral ranges. These laser sources are needed for the traceability to SI units of coherent light irradiance measurements using a cryogenic radiometer of the using cryogenic radiometer of the Laboratoire commun de métrologie (LCM) .The infrared laser source is an optical parametric oscillator (OPO) resonating on the pump and signal wavelengths (PRSRO) and employing a periodically poled Lithium Niobate non-linear crystal doped with 5% magnesium oxide (ppMgCLN). The PRSRO is pumped by a single-frequency tunable bow-tie ring cavity Titanium-Sapphire laser (Ti:Al2O3) delivering 500 mW output power at 795 nm wavelength, , resulting in a power oscillation threshold of 110 mW. The PRSRO emission could continuously cover the spectral range from 1 µm to 3.5 µm. The level of output power achieved is of the order of 1 mW for the signal wave (1 µm to 1.5 µm) and between 20 mW and 50 mW for idler wave spanning an octave wavelength range (1.7 µm to 3.5 µm).The UV source based on the second harmonic generation on the Titanium-Sapphire tunable laser using an external enhancement cavity containing a critically phase-matched LBO non linear crystal (LiB3O5). Temperature-tuning of the phase-matching condition at a fixed crystal orientation leads to a wide tunability from 390 nm to 405 nm wavelength. The external cavity optical pathlength was actively locked to the laser frequency using a¨Pound-Drever-Hall servo, allowing to extract up to 6 mW power at 400 nm wavelength with a 480 mW pump power. Despite a perfect mode-matching efficiency, the power performance was limited by the poor nonlinear impedance matching of the resonator, due to both the weak nonlinearity of the crystal and the low incoming laser power.