Ce mémoire porte sur de nouveaux composés borates de la famille des RCOB, c'est à dire M4R(BO3)3O (où M=Ca, Sr et R=Y, La, Yb, Lu). Ces matériaux non linéairesservent aussi de matrices hôtes pour des ions luminescents capables de produire une émission laser. Plusieurs composés ont été sélectionnés pour leur faisabilité sous forme de monocristaux et pour leurs propriétés optiques. L'ion Yb3+ joue à la fois le rôle de constituant du matériau et d'ion luminescent. Des monocristaux de YCOB et de LaCOB contenant de grandes concentrations d'ions Yb3+ ont été élaborés par la méthode Czochalski. leur qualité cristalline et optique a été évaluée. L'influence des cations de la structure sur l'efficacité du doublage de la fréquence dnas ces matériaux non linéaires a été mise en évidence. les propriétés spectroscopiques de l'ion Yb3+ dans les deux matrices YCOB et LaCOB ont été caractérisées et ont permis de prévoir le fonctionnement des cristaux en tant que source laser émettant à 1 nanometre. Les études optiques ont été ainsi mis en évidence une oscillation laser à haut rendement dnas le YCOB: Yb est le tout premier effet laser dans un LaCOB: YB. De plus, une émission laser verte, produite par l'autodoublage de la fréquence laser infrarouge, a été obtenue dans le YCOB: Yb. Par ailleurs, l'émission de 'ion Er3+ à 1.5 nanometre dans la matrice GdCOB a été caractérisée, afin de réaliser une source laser à longueur d'onde peu dommageable pour l'oeil. Dans les cristaux, des ions Yb3+ ont été également introduits, qui servent à trnasferer l'energie d'excitation aux ions Er3+, eux-mêmes peu sensibles directement. Les études spectroscopiques de ces deux ions dans le GdCOB ont permis d'évaluer la probabilité du transfert d'énergie entre eux, ainsi que le rôle des phonons de la matrice dans les processus de realxation à partir du niveau émetteur de l'ion Er3+. Cette famille de borates RCOB offre de larges perspectives d'études des relations structure-propriétés.

L'objet de ce mémoire est l'étude d'une nouvelle famille de matériaux pour l'optique non linéaire Ca4TRO(BO3)3 (où TR désigne les lanthanides ou l'yttrium). Les propriétés non linéaires d'ordre 2 pour les composés GdCOB (Ca4GdO(BO3)3) et YCOB (Ca4YO(BO3)3) ont été caractérisées. Elles sont comparables à celles des borates non linéaires commercialisés (BBO, LBO). La croissance par la technique Czochralski de ces matériaux permet leur élaboration sous forme de monocristaux de grandes dimensions (diamètre 50 mm, longueur 100 à 120 mm) et de bonne qualité optique. De plus ces composés sont non hygroscopiques. Des ions lanthanides luminescents (néodyme ou ytterbium) ont été insérés dans ces matrices et des monocristaux ont été élaborés. L'étude des propriétés optiques de ces matériaux a conduit à la mise en évidence de l'effet laser dans l'infrarouge (vers 1060 nm) pour la matrice GdCOB dopée par l'ion Nd3+ ou Yb3+ et pour la matrice YCOB dopée par l'ion Nd3+ aussi bien en pompage par laser saphir dopé au titane qu'en pompage par diode laser. Enfin, nous avons pu combiner les propriétés laser et non linéaires dans ces matériaux afin de réaliser des sources laser continues visibles (bleues et vertes) par utodoublage de fréquence ou autosomme de fréquences. Les performances obtenues alliées à la possibilités de croissance en grandes dimensions ouvrent la voie à la fabrication collective de microlasers

Ce travail de thèse concerne de nouveaux développements fondamentaux en optique cristalline linéaire et non linéaire des milieux biaxes. Il s'agit de l'étude de la distribution angulaire du coefficient d'absorption en lumière polarisée d'une part, et de l'auto-doublage de fréquence d'autre part, cette dernière propriété combinant à la fois l'effet laser et la génération de second harmonique dans le même cristal. Ces deux aspects ont été abordés avec le cristal biaxe monoclinique Ca4YO(BO3)3 dopé avec des ions Nd3+ (YCOB : Nd) et usiné en forme de sphère. Grâce à l'étude de la distribution angulaire de l'absorption dans le plan miroir de YCOB : Nd, nous avons montré, pour la première fois à notre connaissance, que dans un cristal monoclinique l'angle entre le repère d'absorption et le repère diélectrique dépend fortement de la transition électronique considérée. Ce résultat fondamental, propre aux cristaux monocliniques et tricliniques, a des conséquences pratiques importantes : en effet, il sera nécessaire de connaître l'orientation du repère d'absorption ou de fluorescence pour chaque longueur d'onde considérée lorsqu'il s'agira de concevoir un laser à partir d'un cristal monoclinique ou triclinique. La mesure de la distribution angulaire de l'absorption dans toutes directions de YCOB : Nd a montré que la topologie correspondante est décrite par deux nappes relatives aux deux modes de polarisation, nappes qui sont en contact selon des lignes continues définissant ainsi un continuum de directions pour lesquelles l'absorption ne dépend pas de la polarisation. Ces directions particulières pourraient trouver un intérêt dans le cadre de la gestion de la thermique vis-à-vis de l'absorption. Ces résultats sont totalement originaux et sont généralisables à tout cristal biaxe, qu'il soit orthorhombique, monoclinique ou triclinique. Conscients de la complexité d'optimiser à la fois les propriétés d'absorption, de fluorescence et d'accord de phase, nous avons conçu une méthode de caractérisation directe des propriétés d'autodoublage de fréquence, le cristal étudié étant usiné en forme de sphère puis placé entre deux miroirs. Dans ces conditions, nous avons montré qu'il est possible de mesurer directement toutes les directions d'accord de phase d'autodoublage de fréquence avec un seul échantillon du cristal à l'étude. C'est aussi la première démonstration, à notre connaissance, d'un laser dont le milieu à gain est sphérique.

Ce mémoire de thèse porte sur de nouveaux composés borates non linéaires de la famille GdCOB (GdCa4O(BO3)3). Il s'inscrit dans le cadre d'une étude de la relation structure - propriétés au sein de cette famille d'oxoborates, en recherchant de nouvelles matrices mixtes Gd1-xRxCa4O(BO3)3 (R = Sc, Lu). Nous avons fait le choix d'exploiter cette variété de compositions pour réaliser le doublage en condition d'accord de phase non critique (APNC) à température ambiante de longueurs d'onde spécifiques dans la plage spectrale 800 - 950nm. De plus le dopage de ce type de matrice par le néodyme a été envisagé afin d'étudier leurs propriétés laser et la faisabilité de dispositifs autodoubleurs. Les propriétés non linéaires des composés Gd1-xRxCa4O(BO3)3 ont été caractérisées. Des ions Nd3+ ont été insérés dans les matrices Gd1-xRxCa4O(BO3)3 et les propriétés non linéaires et laser de ces matériaux ont été analysées. Pour une propagation selon l'axe Z une émission laser à 1061nm, polarisée selon Y, a été obtenue. La possibilité de réaliser l'autodoublage de fréquence en APNC de l'émission laser infrarouge des cristaux élaborés a aussi été examinée.