Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés.Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.

L’objectif de cette thèse est d’ouvrir la voie à la démonstration de l’amplification parabolique à 2 μm en format tout fibré. La théorie sur l’amplification d’impulsions auto-similaires est d’abord présentée. Il en découle que le meilleur amplificateur tout fibré à 2 μm devra s’appuyer sur une fibre dopée aux ions Tm3+ présentant à la fois une forte dispersion normale et une grand aire effective. L’amplification parabolique ne peut pas être réalisée dans des fibres monomodes à base de silice à 2 μm du fait de la forte dispersion anormale présentée par le matériau. Afin de surmonter cette limitation, une fibre dont le mode LP02 présente à la fois une forte dispersion normale et une grande aire effective à 2 μm a été conçue et réalisée. Un convertisseur spatial de lumière dédié à la génération du mode LP02 a également été conçu et réalisé. La pureté d’excitation par ce convertisseur du mode LP02 de la fibre passive a été évaluée à 99,9% par la technique interférométrique d’imagerie spatialement et spectralement résolue. Une source d’impulsions ultrabrèves (100 fs) et accordable en longueur d’onde de 1,6 μm à 2 μm a été créée pour générer le signal de l’amplificateur. Cette source a en outre permis de mesurer la dispersion du mode LP02 de la fibre passive à la longueur d’onde de 1,95 μm, celle-ci vaut -106 ps/(nm.km) en excellent accord quantitatif avec les résultats numériques. Des modélisations numériques de l’amplificateur nonlinéaire basé sur la version active de cette fibre indiquent que des impulsions présentant une puissance crête de l’ordre du MW à 1,9 μm sont envisageables en sortie de l’amplificateur parabolique. / The goal of this PhD thesis is to pave the way towards the demonstration of parabolic amplification at 2 μm in an all-fiber format. The physical theory on self-similar pulse amplification is first presented. The best all-fiber amplifier at 2 μm would need a special Tm-doped fiber with both high normal dispersion and large effective area. Parabolic amplification is however prohibited in silica based singlemode fiber working at 2 μm due to the large anomalous dispersion of silica. To overcome this limitation, a four-mode fiber in which the LP02 mode exhibits high normal dispersion combined with large effective area at 2 μm was designed and manufactured. A dedicated mode converter has also been designed and manufactured. Using the spatially- and spectrally-resolved imaging technique the purity of excitation of the LP02 mode in the passive fiber was evaluated to 99.9%. An ultrashort pulse (100 fs) source tunable from 1.6 μm to 2 μm was implemented to seed the amplifier. This source allowed to measure the LP02 mode dispersion of the passive fiber at the wavelength of 1.95 μm: D = -106 ps/(nm.km) in excellent quantitative agreement with the simulations. Numerical modeling of a nonlinear amplifier based on the realized active fiber shows that MW peak power class pulses centered at 1.9 μm can be obtained at the output of the parabolic amplifier.

Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés.Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés. / Applications addressed by femtosecond (fs) laser sources are requiring increasing pulse energies and increasing average powers. Ytterbium-doped fiber amplifiers are excellent candidates to generate high average powers at high repetition rates, but present strong disadvantages in terms of peak power. Indeed, the tight confinement of the beam over long interaction length induces nonlinear effects at high peak-powers that affect the overall performances of fiber systems. This work describes coherent combining methods that can be used to scale the performances of femtosecond laser sources.Coherent beam combining has been widely used in CW regime and more recently in the nanosecond range. It consists in splitting a single seed into N beam replicas, amplified each by independent amplifiers in parallel. Their respective outputs are combined in free space into one single beam that carries the power of the N amplifiers without cumulating nonlinearities. This architecture allows scaling both peak and average powers of the amplification systems. We have studied and demonstrated the efficiency of active coherent beam combining in the fs regime with two fiber amplifiers, which are peak-power limited. The experiments show the preservation of the temporal/spectral/spatial properties of the combined pulses, with high combination efficiencies.Coherent beam combining methods require phase-matching between all the beams to combine. This is usually achieved by an active feedback loop on each amplifier along with a phase detection scheme. We demonstrate that a Sagnac interferometer can be used to ensure perfect and stable phase-matching over time, which considerably simplifies the setup. Finally, another passive combining method known as divided-pulse amplification, acting in the temporal domain, is studied and demonstrated in the fs regime. It is coupled with the passive spatial combining method described above to scale the number of pulse divisions. All these experiments show the compatibility of coherent combining concepts in the fs regime and provide new opportunities for fiber amplifier systems.