Les verres à basse énergie de phonons, tels que les verres de fluorozirconates, restent à ce jour des matériaux d'avenir pour leur potentiel en optique active, en particulier pour les systèmes amplificateurs et lasers. Il existe aujourd'hui une demande croissante de systèmes optiques intégrés pour distribuer le haut débit d'informations dans les réseaux métropolitains et locaux des télécommunications. C'est pourquoi des guides planaires ont été réalisés par échange ionique F-/Cl- sur des verres ZBLA (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3) pour l'amplification optique dans la bande C (1530-1560 nm) des télécommunications. Après avoir déterminé précisément les paramètres temps et température pour l'obtention de guides monomodes à 1,55 µm sur guides plans, des guides canalisés ont été obtenus par un processus de photolithographie, adapté aux verres de fluorures, utilisant un masque de silice. Les paramètres opto-géométriques des guides canaux ont été mesurés. Les propriétés spectroscopiques des verres dopés Er3+ ont été étudiées dans le but de déterminer les paramètres clefs de l'amplificateur optique à 1,55 µm. Afin de tirer parti des diodes laser à forte puissance pour le pompage à 980 nm, les codopages Er3+/Ce3+ et Er3+/Yb3+ ont également été étudiés. Les transferts d'énergie dans ces systèmes codopés se sont révélés efficaces. Un gain "on/off" de 3,9 dB/cm a été démontré à 1530 nm dans un guide canalisé monomode codopé Er3+/Ce3+, avec une dépendance linéaire à la puissance de pompe. Les pertes par propagation ont été estimées de l'ordre de 0,3 dB/cm. Ces résultats sont prometteurs et permettent d'envisager un futur développement de ces systèmes amplificateurs. Par ailleurs, des verres massifs ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) dopés Tm3+ ont également été étudiés dans le but d'obtenir une émission laser autour de 1,8 µm. Un rendement de pente a été trouvé égal à η = 8,6 % et le seuil de la puissance de pompe incidente autour de 130 mW, pour un verre dopé 3% Tm3+ l'épaisseur 4 mm, sous excitation à λ = 792 nm.

Les sources laser font désormais partie intégrante des outils permettant d'étudier finement la matière ou le vivant. En particulier, la spectroscopie de fluorescence résolue en temps est une technique d'importance pour les biologistes. Elle nécessite de disposer de sources laser impulsionnelles (typiquement picoseconde) fonctionnant dans le visible ou l'ultraviolet. De plus, un taux de répétition de quelques MHz est nécessaire si l'on cherche à étudier des temps de vie " longs " (plusieurs dizaines de nanosecondes). Pour atteindre ce régime " picoseconde-MHz " tout en conservant simplicité et compacité à la source, il faut bâtir des cavités laser de dimension inhabituelles. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons donc mis au point deux types de laser : un laser déclenché ou " Q-switched " à cavité ultra courte (200 µm) et un laser à verrouillage de mode ou " modelock " à cavité ultra longue (150 m). Le fonctionnement impulsionnel est obtenu dans les deux cas via un absorbant saturable à semiconducteur (" SESAM "). Les cristaux laser utilisés (Nd :YVO4) permettent une émission dans l'infrarouge proche à 1064 nm :si la durée des impulsions produites ainsi que leur cadence satisfont au cahier des charges, leur longueur d'onde doit être convertie vers el visible et l'UV. Pour ce faire, nous avons développé une structure amplificatrice originale basée sur l'utilisation tridimensionnelle de la zone de gain dans un amplificateur solide multipassage. Grâce à cet amplificateur original (qui a donné lieu au dépôt d'un brevet avec JDS Uniphase), l'énergie de nos lasers est suffisante pour pouvoir utiliser un certain nombre d'effets non-linéaires. Nous avons mis au point des étages de doublement, triplement et quadruplement de fréquence pour atteindre l'UV ainsi qu'un étage de génération paramétrique optique dans un cristal de niobate de lithium périodiquement polarisé (ppLN) pour avoir accès à une large accordabilité dans la gamme visible du spectre.

Les sources laser à fibre, haute puissance et de faible largeur spectrale sont de plus en plus utiles pour des applications à la fois industrielle et scientifique. Cependant, le développement de ces sources est limité par les seuils d’apparition d’effets non-linéaires tels que la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) du fait d’un fort confinement de la lumière dans le coeur de la fibre. Un premier amplificateur en régime monofréquence de puissance moyenne égale à 50W a été développé à partir d’une diode laser signal de 50 mW. L’étude du bruit d’intensité sur cet amplificateur a montré que l’utilisation de fibres standards (diamètre de coeur < à 20μm) jusqu’à 50W est limitée par l’apparition du phénomène de DBS se traduisant par une dégradation du bruit d’intensité. Pour s’affranchir de ces effets non-linéaires, une solution réside sur l’utilisation de fibres à large aire modale (LMA) dont les diamètres des coeurs est égale à plusieurs dizaines de microns. Les fibres LMA présentent un recouvrement [coeur dopé / onde de pompe] optimisé conduisant à une réduction de la longueur du milieu à gain. Par cette stratégie de la diminution du confinement spatial du faisceau avec une diminution de la longueur d’interaction, le seuil d’apparition des effets non-linéaires est repoussé. Mais paradoxalement, cette stratégie va induire une nouvelle limitation non-linéaire, non plus en termes de puissance crête mais de puissance moyenne. En effet, les coeurs multimodaux des fibres LMA, couplés à une charge thermique par unité de longueur forte (pour une puissance de moyenne de sortie équivalente) vont induire l’apparition d’effets non-linéaires en puissance moyenne : les Instabilités Modales (IM) et la Dégradation Modale de la Fibre (DMF). Ce sont donc les stratégies usuelles utilisées pour repousser les effets non-linéaires qui ont conduit à l’avènement de ces nouveaux effets délétères. Un système d’asservissement du bruit d’intensité efficace (suppression > 30 dB) sur une bande passante d’1MHz permet de supprimer le bruit en excès des diodes de pompe. / High power, narrow linewidth fiber lasers are useful for both industrial and scientific applications. Nevertheless, nonlinear effects like Stimulated Brillouin Scattering (SBS) are main limitations of these laser sources due to high power in fiber core. A first amplifier in single-frequency operation with 50W of output power from a laser diode seeder of 50 mW was developed. Study of intensity noise on this amplifier developed with standard fiber (core diameter less than 20 μm) showed that SBS leads to a degradation of noise properties of the laser. The use of large mode area (LMA) fibers is a solution for suppressing nonlinear effects with core diameters bigger than several tens of microns. LMA fibers show an overlap between doped core and pump wave optimized leading to a reduction of gain medium length. This strategy permits to increase nonlinear effect threshold. Second step of high power amplifiers with LMA fibers allows to obtain 100W in single-frequency regime without DBS. LMA fiber used have a core diameter equals to 40μm. Power scaling from 100W to 200W highlights a new limiting non-linear effect: Fiber Modal Degradation (FMD). Indeed, multimodal cores of these fibers, coupled to high thermal load lead to non-linear effects like Modal Instabilities (IM) and FMD. FMD effect, first described by Ward et al in 2016, is a thermo-optic effect characterized by a beam quality degradation with power transfer from fundamental mode to high order modes. Furthermore, a decrease of output power, synonym of guidance loss of fundamental mode in gain medium is observed. Unlike well-known effect IM, this phenomenon doesn’t act like a threshold phenomenon. In fact, transitory regime in association with FMD is longer than IM caused by photodarkening dynamic. In our study, beam quality at the output of the fiber was degraded after several tens of hours at 200W. For understanding this effect, a photodarkening effect study both in continuous wave (CW) and pulsed regime was carried out. This study shows that for the first time a photodarkening and photobleaching equilibrium on high power amplifiers in pulsed regime. These thermo-induced effects threshold depends on thermal load and are different for both regimes: 120W for CW and 150W for pulsed regime. Finally, a study and a reduction of intensity noise based from a servo-loop were carried out on 100W amplifier. A 1MHz bandwidth with a 30 dB decrease of noise were demonstrated. These results allow to develop high power and low intensity noise lasers at industrial level”

Le mélange d'onde dans un matériau laser solide placé en inversion de population permet d'enregistrer un hologramme de population qui est à la fois un hologramme de gain et un hologramme d'indice. Ce travail présente tout d'abord une étude fine des variations d'indice de réfraction d'origine électronique qui sont dues à une variation de polarisabilité des ions lorsqu'ils sont promus de l'état fondamental à l'état excité. Une partie de cet effet provient de la présence de bandes UV intenses, un effet qui est donc purement dispersif aux longueurs d'ondes de la transition laser. Nous avons évalué la variation de polarisabilité non résonante des ions Nd3+ et Yb3+ dans les principales matrices lasers et nous avons étudié la nature des transitions optiques à l'origine des variations d'indice observées. Nous avons ensuite exploité les résultats pour prédire le potentiel de ces matériaux laser dans le cadre d'un mélange à deux ondes non-dégénéré pour des longueurs d'ondes situées au voisinage de la transition laser. Ce modèle a été validé expérimentalement dans une fibre cristalline de YAG :Nd3+. L'étude du transfert d'énergie d'un faisceau vers un autre présente un grand intérêt pour des applications telles que la mise en phase de N lasers à fibres et l'interférométrie auto-adaptative. Par ailleurs, un laser auto-adaptatif pompé par diodes laser a été réalisé permettant l'obtention de forte énergie par impulsion. Il présente des performances en terme d'efficacité qui sont tout à fait comparables avec celles des lasers conventionnels avec des avantages supplémentaires tels que la bonne qualité de faisceau, l'aspect mono-fréquence et l'auto-déclenchement de l'impulsion.