This diploma thesis is focused on investigation of temporal characteristics of laser pulses generated by oscillator with Ti:Sapphire active laser medium. In terms of properties of laserinduced plasmas the beam quality is crucial, in particular laser pulse contrast ratio. A new prototype of third order autocorrelator was designed. Pulse contrast ratio measurement is based on sum frequency generation between pulse of fundamental wavelength and its frequency doubled replica. Dynamic range of presented autocorrelator is estimated to be up to 8×10^12 which is more than currently available commercial devices can offer.

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Les travaux menés au cours de cette thèse avaient pour but de comparer les monocristaux de BBO issus des croissances TSSG et Cz du point de vue de leur qualité cristalline et de leurs performances optiques en matière d'absorption et de génération de second harmonique. Nous avons effectué des analyses sur la qualité cristalline de nos échantillons et les conclusions que nous pouvons en tirer concernent la composition chimique des cristaux et les défauts présents dans le volume et à la surface de ceux-ci. Les analyses en fluorescence X effectuées sur de nombreux cristaux aussi bien Cz que TSSG et sur les poudres de synthèse nous permettent de conclure que : – Pour les cristaux TSSG, l'essentiel des impuretés provient de la solution de Na2O. – Pour les cristaux Cz, la teneur en impuretés est essentiellement liée à la pureté des poudres de synthèse. Les impuretés retrouvées dans les échantillons Cz testés sont les mêmes que celles présentes dans les échantillons TSSG. Cependant, la concentration de certaines d'entre elles comme Fe, Cr, Si et Al est inférieure dans les échantillons Cz. La présence de sodium en des proportions équivalentes dans les cristaux provenant des deux types de croissance indique que dans le cas du BBO, la technique Cz atteint la limite de purification. Pour optimiser le gain de pureté apporté par la technique Cz, il faut donc utiliser les poudres de départ les plus pures possibles. Nous avons mis en évidence par des processus d'observation au microscope optique en lumière polarisée, au microscope électronique à balayage et au microscope à force atomique mais aussi par des procédés d'attaque chimique et de spectroscopie RX, la présence dans les cristaux issus des deux techniques de croissance, des défauts tels que : – des mâcles – des amas de matière à la surface des cristaux – des dislocations – des contraintes La densité de dislocation a été évaluée et montre que les cristaux TSSG sont plus disloqués que les échantillons Cz étudiés. Ceci peut trouver son explication dans : – les conditions thermiques de croissance. En effet, la dynamique de chaleur dans les cristaux TSSG et la faible vitesse de rotation du bain favorisent des cristallisations en forme de lentilles qui induisent plus de dislocations. – les concentrations en impuretés plus élevées dans les cristaux TSSG que dans les cristaux Cz Nous avons montré par spectroscopie Raman que les raies à 147, 371 et 471 cm−1 ont des comportement bien distincts selon le type de croissance. Ces raies sont liées aux liaisons B-O-B nombreuses dans BBO et jouent un rˆole dans les susceptibilités non linéaires du cristal. Cette simple technique non destructive doit permettre de distinguer la provenance des cristaux BBO. Un travail conséquent sur le polissage des cristaux de BBO nous a permis d'atteindre une qualité de surface optique, de planéité et de rugosité comparable à celle des meilleurs cristaux commerciaux. Ainsi nous avons pu effectuer des mesures optiques comparatives dans les domaines linéaire et non linéaire. Nous avons réalisé un comparatif sur 9 échantillons de diverses provenance en enregistrant les spectres d'absorption sur un même spectromètre entre 180 et 3300 nm. Ainsi nous avons pu établir : – l'anisotropie de l'absorption linéaire de BBO. – une corrélation entre la densité dislocation et la valeur du coefficient d'absorption. – une corrélation entre le taux d'impuretés et le front d'absorption. Les mesures que nous avons effectuées en open et closed Z-Scan sur des cristaux BBO-TSSG et BBO-Cz nous ont permis de calculer le coefficient d'absorption non linéaire (α2) et l'indice de réfraction non linéaire (n2) de BBO à 1064 nm pour les deux types de cristaux. Les droites donnant _ et n2 en fonction de la densité de puissance présentent des pentes non nulles révélatrices d'une perturbation d'ordre supérieure. Ce phénomène est d'amplitude similaire selon la croissance et selon la direction de propagation. Les analyses menées pour la conversion de fréquence de 1064 nm vers 532 nm tant en mode continu qu'en mode impulsionnel, confirment que les coefficients effectifs des cristaux BBO-Cz et BBO-TSSG réagissent de manière semblable. Par contre, une augmentation non négligeable et reproductible du coefficient effectif non linéaire dans les cristaux Cz pour la conversion 532 nm vers 266 nm a pu être mise en évidence par rapport à celui dans les cristaux TSSG. Ce résultat est en accord avec les mesures d'absorption dans les cristaux Cz. Les tests de tenue au flux réalisés sur les cristaux Cz indiquent qu'aucun phénomène de saturation ou de dégradation des cristaux n'est visible compte tenu des densités de puissances maximales dont nous disposons. Mais, ces densités sont inférieures à celles mentionnées dans la littérature pour l'apparition de phénomènes d'endommagement et des mesures complémentaires avec une source plus puissante seraient donc nécessaires à l'étude de ces phénomènes d'endommagement optique. Pour des applications de conversions de fréquences 10647532 nm ou 5327266 nm, la méthode de croissance influe peu sur les propriétés générales. Seules des mesures extrêmes à très haut flux ou à de courtes longueurs d'onde seraient affectées par l'origine du cristal. Il faut cependant noter que la vitesse de croissance des cristaux Cz, 20 fois supérieure à celle des cristaux TSSG fait de cette méthode une technique de choix pour l'industrie. Les perspectives qu'offre ce travail à l'étude et à l'utilisation du BBO sont les suivantes : – l'étude des différences entre les cristaux issus des croissances Cz et TSSG pour λ < 266 nm afin d'évaluer les facteurs d'endommagement optique reliés à l'autofocalisation et aux impuretés dans des cas de densités de puissances plus élevées. – le développement d'un modèle permettant d'expliquer l'absorption non linéaire dans BBO.

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Les métaheuristiques sont des algorithmes génériques, souvent inspirés de la nature, conçues pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes. Parmi les métaheuristiques les plus récentes, nous retenons celle basée sur la théorie de la biogéographie insulaire: Biogeography-based optimization (BBO).Dans cette thèse, nous considérons à la fois les problèmes d'optimisation globale à variables continues avec et sans contraintes. De nouvelles versions hybrides de BBO sont proposées comme des solutions très prometteuses pour résoudre les problèmes considérés. Les méthodes proposées visent à pallier les inconvénients de la convergence lente et du manque de diversité de l'algorithme BBO. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons la méthode que nous avons développée, issue d'une hybridation de BBO avec l'évolution différentielle (DE) pour résoudre des problèmes d'optimisation sans contraintes. Nous montrons que les résultats de l'algorithme proposé sont plus précis, notamment pour des problèmes multimodaux, qui sont parmi les problèmes les plus difficiles pour de nombreux algorithmes d'optimisation. Pour résoudre des problèmes d'optimisation sous contraintes, nous proposons trois nouvelles variantes de BBO. Des expérimentations ont été menées pour rendre compte de l'utilité des méthodes proposées. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'étude des capacités des méthodes proposées à résoudre des problèmes d'optimisation, issus du monde réel. Nous nous proposons d'abord de résoudre le problème d'allocation optimale de puissance pour la détection décentralisée d'un signal déterministe dans un réseau de capteurs sans fil, compte tenu des fortes contraintes en ressources énergétiques et en bande passante des noeuds répartis. L'objectif est de minimiser la puissance totale allouée aux capteurs, tout en gardant la probabilité d'erreur de détection au dessous d'un seuil requis. Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la segmentation d'images en niveaux de gris par seuillage multi-niveaux. Les seuils sont déterminés de manière à maximiser l'entropie floue. Ce problème d'optimisation est résolu en appliquant une variante de BBO (DBBO-Fuzzy) que nous avons développée. Nous montrons l'efficacité de la méthode proposée aux travers de résultats expérimentaux / Metaheuristics are general algorithmic frameworks, often nature-inspired, designed to solve complex optimization problems. Among representative metaheuristics, Biogeography-based optimization (BBO) has been recently proposed as a viable stochastic optimization algorithm. In this PhD thesis, both unconstrained and constrained global optimization problems in a continuous space are considered. New hybrid versions of BBO are proposed as promising solvers for the considered problems. The proposed methods aim to overcome the drawbacks of slow convergence and the lack of diversity of the BBO algorithm. In the first part of this thesis, we present the method we developed, based on an hybridization of BBO with the differential evolution (DE) algorithm, to solve unconstrained optimization problems. We show that the results of the proposed algorithm are more accurate, especially for multimodal problems, which are amongst the most difficult-to-handle class of problems for many optimization algorithms. To solve constrained optimization problems, we propose three new variations of BBO. Our extensive experimentations successfully demonstrate the usefulness of all these modifications proposed for the BBO algorithm. In the second part, we focus on the applications of the proposed algorithms to solve real-world optimization problems. We first address the problem of optimal power scheduling for the decentralized detection of a deterministic signal in a wireless sensor network, with power and bandwidth constrained distributed nodes. The objective is to minimize the total power spent by the whole sensor network while keeping the detection error probability below a required threshold. In a second time, image segmentation of gray-level images is performed by multilevel thresholding. The optimal thresholds for this purpose are found by maximizing the fuzzy entropy. The optimization is conducted by a newly-developed BBO variants (DBBO-Fuzzy). We show the efficiency of the proposed method through experimental results

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Les métaheuristiques sont des algorithmes génériques, souvent inspirés de la nature, conçues pour résoudre des problèmes d'optimisation complexes. Parmi les métaheuristiques les plus récentes, nous retenons celle basée sur la théorie de la biogéographie insulaire: Biogeography-based optimization (BBO).Dans cette thèse, nous considérons à la fois les problèmes d'optimisation globale à variables continues avec et sans contraintes. De nouvelles versions hybrides de BBO sont proposées comme des solutions très prometteuses pour résoudre les problèmes considérés. Les méthodes proposées visent à pallier les inconvénients de la convergence lente et du manque de diversité de l'algorithme BBO. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons la méthode que nous avons développée, issue d'une hybridation de BBO avec l'évolution différentielle (DE) pour résoudre des problèmes d'optimisation sans contraintes. Nous montrons que les résultats de l'algorithme proposé sont plus précis, notamment pour des problèmes multimodaux, qui sont parmi les problèmes les plus difficiles pour de nombreux algorithmes d'optimisation. Pour résoudre des problèmes d'optimisation sous contraintes, nous proposons trois nouvelles variantes de BBO. Des expérimentations ont été menées pour rendre compte de l'utilité des méthodes proposées. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'étude des capacités des méthodes proposées à résoudre des problèmes d'optimisation, issus du monde réel. Nous nous proposons d'abord de résoudre le problème d'allocation optimale de puissance pour la détection décentralisée d'un signal déterministe dans un réseau de capteurs sans fil, compte tenu des fortes contraintes en ressources énergétiques et en bande passante des noeuds répartis. L'objectif est de minimiser la puissance totale allouée aux capteurs, tout en gardant la probabilité d'erreur de détection au dessous d'un seuil requis. Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la segmentation d'images en niveaux de gris par seuillage multi-niveaux. Les seuils sont déterminés de manière à maximiser l'entropie floue. Ce problème d'optimisation est résolu en appliquant une variante de BBO (DBBO-Fuzzy) que nous avons développée. Nous montrons l'efficacité de la méthode proposée aux travers de résultats expérimentaux

In many fields, scientific or industrial, optical devices that can be tailored in terms of spectral qualities and output power depending on the application in question are attractive. Nonlinear optics in combination with powerful laser sources provide a tool to achieve essentially any wavelength in the electromagnetic spectrum, and the advancement of material technology during the last decade has opened up new possibilities in terms of realising such devices. The main part of the thesis deals with the development of compact functional lasers based on nonlinear interaction utilising diode-pumped solid-state lasers and also laser diodes. Efficient frequency conversion into the visible and ultraviolet part of the electromagnetic spectrum has been achieved, using both Nd:YAG and Nd:YVO4 lasers as well as a semiconductor laser as the fundamental light sources. For the nonlinear conversion, periodically poled potassium titanyl phosphate (PPKTP), bismuth triborate (BiBO) and beta barium borate (BBO) have been employed. In the search for compact and reliable light sources emitting in the visible part of the spectrum, two different approaches have been explored. First, a scheme based on sum-frequency mixing of a diode-pumped solid-state laser and a laser diode of good beam quality. The idea of this approach is to take advantage of the individual strength of each device, which would be the flexibility in terms of wavelength for the laser diode and the possibility to reach high output power from the diode-pumped solid-state laser. Second, by mixing two different solid-state lasers substantially more output power could be generated albeit at a cost of less freedom in the choice of spectral output. As these two light sources had their central wavelength at 492 nm and 593 nm, respectively, they are highly interesting in biomedical applications since they correspond to the peak absorption of several popular fluorophores. In applications such as lithography, material synthesis and fibre grating fabrication, laser sources emitting in the deep-UV spectrum are desired. An all solid-state 236 nm laser source with 20 mW of average power have been designed and constructed, by frequency-quadrupling a passively Q-switched Nd:YAG laser lasing on a quasi-three level transition. Also, a novel concept for miniaturising solid-state lasers has been examined. Using a heat-conductive polymer carrier, a generic approach especially suited for mass-production of functional laser devices is presented. Finally, it has been proven that GRIN lenses can provide a very compact beam shaping solution to standard laser diodes based on the beam twisting approach. This method offers several advantages such as compactness of the beam shaping system, automated assembly in solid-state laser manufacturing due to the shape of these lenses and polarisation preservation of the laser diode output. / QC 20100903

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