Cette thèse s’inscrit dans le contexte des travaux visant à réduire la durée d’impulsion des lasers XUV générés dans des plasmas au domaine femtoseconde. La bande spectrale très étroite du milieu amplificateur limite la durée minimum accessible (limite de Fourier). Le milieu amplificateur des lasers XUV sont des plasmas denses et chauds qui peuvent être créés aussi bien par décharge électrique rapide que par différents types de lasers de puissance. Il existe ainsi 4 types de sources lasers XUV distinctes dont les paramètres du plasma (densité, température) dans la zone de gain diffèrent. Or, les propriétés spectrales et temporelles du rayonnement émis sont fortement liées à ces paramètres. L’ensemble des 4 types de lasers XUV opèrent en mode d'amplification de l'émission spontanée (ASE) et 2 d'entre eux peuvent opérer en mode « injecté ». Cette technique consiste à injecter une impulsion harmonique d'ordre élevé femtoseconde, résonante avec la transition laser, à l'une des extrémités du plasma amplificateur. L'important désaccord entre la largeur spectrale du plasma et celle de l'harmonique ne permet pas de conserver la durée fs de cette dernière au cours de l'amplification. Les simulations (code Bloch-Maxwell COLAX) montrent que l'amplification est fortement non-linéaire dans ces systèmes, avec notamment l'apparition d’oscillations de Rabi. La génération d'oscillations de Rabi dans des lasers XUV en mode injecté est actuellement considérée comme un moyen prometteur de produire des lasers XUV fs, mais la manifestation de ces dernières n’a toutefois encore jamais été mise en évidence expérimentalement. Ainsi, une méticuleuse caractérisation expérimentale des propriétés spectrales des 4 types de lasers XUV en relation avec les conditions du plasma, associée à une meilleure compréhension des mécanismes d’amplification sous différentes conditions plasma basée sur des études théoriques et des simulations, sont nécessaires pour atteindre notre objectif. Une large campagne expérimentale visant à caractériser spectralement l'ensemble des différents types de lasers XUV a été menée par notre groupe sur la dernière décennie. La résolution spectrale nécessaire n'étant pas accessible avec les spectromètres actuels, la méthode employée consiste à mesurer la cohérence temporelle du laser XUV par autocorrélation du champ électrique à l'aide d'un interféromètre à division de front d'onde, spécifiquement conçu pour ces mesures, à partir desquelles la largeur spectrale peut être déduite. Le dernier type de laser XUV (PALS, Prague) a été caractérisé dans le cadre de cette thèse. Le temps de cohérence mesuré est de 0,68 ps, significativement inférieur aux valeurs mesurées sur les autres types de lasers XUV. L'analyse de l'ensemble des mesures a fait apparaître un comportement différent suivant que la durée d’impulsion est longue devant le temps de cohérence ou proche de celui-ci. Dans le premier cas les largeurs spectrales déduites sont en bon accord avec les calculs, dans le second l’accord est moins bon et la forme des traces d'autocorrélation n'était pas comprise. Ces observations ont motivé une étude détaillée de l'influence des propriétés temporelles de l'émission ASE des lasers XUV sur la méthode interférométrique employée pour caractériser leur largeur spectrale. Cette étude, basée sur un modèle emprunté aux lasers à électrons libres, a révélé un effet de la cohérence temporelle partielle sur les mesures d'autocorrélation en champ de ces sources. Elle ouvre des perspectives sur l'utilisation de notre méthode pour une mesure simultanée de la largeur spectrale et de la durée d'impulsion de la source. Enfin, une étude basée sur un modèle Bloch-Maxwell a été réalisée pour tenter de mieux comprendre les conditions d'apparition des oscillations de Rabi au cours de l'amplification de l'harmonique dans le plasma de laser XUV. Deux régimes d'amplification, adiabatique et dynamique, autour d'un seuil d'inversion de population ont été mis en évidence. / The work of this thesis was made in the context of the efforts made to reduce the pulse duration of plasma-based XUV lasers down to the femtosecond domain. The very narrow spectral width of the amplifier medium (~ 1E10 - 1E11 Hz) limits the minimum achievable pulse duration (Fourier limit). The amplifier medium of XUV lasers pumped by collisional excitation are dense and hot plasmas that can be created both by rapid electrical discharge and by different types of power lasers. There are thus 4 distinct types of XUV laser sources with different plasma parameters (density, temperature) in the gain region. Yet, the spectral and temporal properties of the emitted radiation are strongly linked to these parameters. All 4types of XUV lasers operate in amplification of spontaneous emission (ASE) mode, and 2 of them, for a few years, can operate in "seeded" mode. This technique consists in injecting a femtosecond high order harmonic pulse (the seed), resonant with the lasing transition, at one extremity of the plasma amplifier. Because of the major mismatch between the spectral width of the plasma and that of the seed the femtosecond duration of the latter is not preserved during amplification. Simulations (COLAX Maxwell-Bloch code) show that the amplification is highly non-linear in such systems, including the appearance of Rabi oscillations. Generating Rabi oscillations in seeded XUV lasers is currently considered a promising way to produce femtosecond XUV lasers. However Rabi oscillations have yet never been experimentally demonstrated. Thus, a meticulous experimental characterization of the spectral properties of the 4 types of XUV lasers in connection with the plasma conditions, combined with a better understanding of amplification mechanisms under different theoretical plasma conditions based on studies and simulations are needed to reach our goal. A wide experimental campaign aiming to spectrally characterize all different types of XUV lasers was conducted by our group over the past decade. The required spectral resolution is not available with the best current spectrometers, so the method we used consists on the measurement of the temporal coherence of the XUV laser through an electric field autocorrelation, using a wave front-division interferometer that was specifically designed for these measures, from which the spectral width can be deduced. The latter type of the four XUV laser types (PALS, Prague) was characterized during this thesis, closing this experimental campaign. The measured coherence time was 0.68 ps, which is significantly lower than the coherence times measured on the other XUV laser types. Analysis of the overall results revealed two different behavior whether the XUV laser has a long pulse duration compared to its coherence time or if the two durations are close. In the first case the inferred spectral widths are in good agreement with theoretical predictions, while in the second case the agreement was not as good and the shape of the electric field autocorrelation traces was not understood. This observation has prompted a detailed study of the influence of temporal properties of ASE XUV lasers on the interferometric methodology used to determine the spectral width of XUV lasers. The study, based on a model developed for X-free electron lasers, revealed an effect of partial temporal coherence in electric field autocorrelation measures of these sources. This study offers perspectives on a simultaneous measure of the spectral width and the duration of theses sources with our method. Finally, a study based on Maxwell-Bloch equations was carried out in order to understand better the conditions of apparition of Rabi oscillations. This study highlighted two amplification regimes, adiabatic and dynamic, around a population inversion threshold.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'un spectromètre laser à cascade quantique (QCL) dans le moyen infrarouge pour des applications en spectroscopie et en métrologie des fréquences. Les principaux objectifs ont été tout d'abord de lever la forte contrainte que constitue le faible domaine spectral accessible au laser à CO2 mais également d'accroître la faible puissance laser disponible pour nos expériences de spectroscopie. Ce nouvel instrument intéresse directement les expériences développées au sein du groupe Métrologie Molécules et Tests Fondamentaux : la mise en évidence de non conservation de la parité dans les molécules chirales et la détermination de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser. Au cours de ce travail de thèse, nous avons caractérisé le bruit d'intensité, le bruit de fréquence ainsi que la largeur de raie de la source QCL libre. Les résultats obtenus comparés à la littérature montrent une grande qualité spectrale de cette source laser. L'asservissement en phase de la source QCL sur un laser à CO2 ultra-stable a permis de démontrer le transfert des propriétés spectrales du laser à CO2 à la source QCL. Le spectromètre a ensuite été utilisé pour des expériences de spectroscopie en absorption linéaire des molécules NH3 et de la molécule de Méthyltrioxorhénium, molécules d'intérêt pour les projets de mesure de la constante de Boltzmann et de recherche d'un et de la non-conservation de la parité. Le potentiel de ce spectromètre a également été démontré dans des expériences de spectroscopie à très haute résolution, en absorption saturée. / This thesis is devoted to the developpement of a laser spectrometer quantum cascade to frequency metrology and high-resolution spectroscopy. The objective of this work is to developp a new tool for projects in our group : Measuring the Boltzman constant and test of non conservation of parity. Thus the new source was characterized by measuring its spectral density noise, amplitude noise and its emission line width. The phase locking of the QCL on the CO2 laser has achived spectroscopy NH and MTO, molecules of interest for the projects of the group mentioned aboive respectively.

La couleur est un critère important dans de nombreux secteurs d'activité pour identifier, comparer ou encore contrôler la qualité de produits. Cette tâche est souvent assumée par un opérateur humain qui effectue un contrôle visuel. Malheureusement la subjectivité de celui-ci rend ces contrôles peu fiables ou répétables. Pour contourner ces limitations, l'utilisation d'une caméra RGB permet d'acquérir et d'extraire des propriétés photométriques. Cette solution est facile à mettre en place et offre une rapidité de contrôle. Cependant, elle est sensible au phénomène de métamérisme. La mesure de réflectance spectrale est alors la solution la plus appropriée pour s'assurer de la conformité colorimétrique entre des échantillons et une référence. Ainsi dans l'imprimerie, des spectrophotomètres sont utilisés pour mesurer des patchs uniformes imprimés sur une bande latérale. Pour contrôler l'ensemble d'une surface imprimée, des caméras multi-spectrales sont utilisées pour estimer la réflectance de chaque pixel. Cependant, elles sont couteuses comparées aux caméras conventionnelles. Dans ces travaux de recherche, nous étudions l'utilisation d'une caméra RGB pour l'estimation de la réflectance dans le cadre de l'imprimerie. Nous proposons une description spectrale complète de la chaîne de reproduction pour réduire le nombre de mesures dans les phases d'apprentissage et pour compenser les limitations de l'acquisition. Notre première contribution concerne la prise en compte des limitations colorimétriques lors de la caractérisation spectrale d'une caméra. La deuxième contribution est l'exploitation du modèle spectrale de l'imprimante dans les méthodes d'estimation de réflectance. / Color is a major criterion for many sectors to identify, to compare or simply to control the quality of products. This task is generally assumed by a human operator who performs a visual inspection. Unfortunately, this method is unreliable and not repeatable due to the subjectivity of the operator. To avoid these limitations, a RGB camera can be used to capture and extract the photometric properties. This method is simple to deploy and permits a high speed control. However, it's very sensitive to the metamerism effects. Therefore, the reflectance measurement is the more reliable solution to ensure the conformity between samples and a reference. Thus in printing industry, spectrophotometers are used to measure uniform color patches printed on a lateral band. For a control of the entire printed surface, multispectral cameras are used to estimate the reflectance of each pixel. However, they are very expensive compared to conventional cameras. In this thesis, we study the use of an RGB camera for the spectral reflectance estimation in the context of printing. We propose a complete spectral description of the reproduction chain to reduce the number of measurements in the training stages and to compensate for the acquisition limitations. Our first main contribution concerns the consideration of the colorimetric limitations in the spectral characterization of a camera. The second main contribution is the exploitation of the spectral printer model in the reflectance estimation methods.

Les filtres spectraux à réseaux résonants, ou GMRF (Guided-Mode Resonance Filters), sont une nouvelle génération de filtres à bande étroite et constituent une alternative très prometteuse aux filtres conventionnels multicouches Fabry-Pérot. Le pic de résonance d'un GMRF peut être très fin spectralement et de longueur d'onde de centrage accordable en fonction de l'angle d'incidence. Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la spectroscopie. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en œuvre une structure originale comportant deux réseaux 1D croisés. Les performances de ce filtre surpassent celles des filtres conventionnels par leur réponse spectrale subnanométrique, leur accordabilité, et leur capacité à s'affranchir de l'influence de la polarisation de l'onde incidente sous incidence oblique. Le but de ce travail est d'explorer les performances ultimes de ce type de dispositif en termes de résolution et taux de réjection, par une approche mêlant théorie, technologie et caractérisation. Nous présentons des résultats expérimentaux d'un filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 40 nm avec 8.3nm/° d'accordabilité, ayant une réflexion de 10-3 sur une plage de 90nm en dehors de la résonance et un facteur de qualité supérieur à 5000. / Guided Mode Resonance Filters ( GMRF ) are a new generation of narrowband optical filters and are a very promising alternative to conventional multilayer Fabry-Perot filters. The resonance peak of GMRF can be spectrally extremely thin and with a centering wavelength tunable according to the angle of incidence of the light. These properties are particularly important for spectroscopy. Previous works have helped to implement an original structure with two 1D crossed gratings. The performance of this filter overpasses those of conventional filters in their spectral subnanometric response, tunability and their ability to overcome the influence of the polarization of the incident wave under oblique incidence. The aim of this work is to explore the final performances of such devices in terms of resolution and rejection rate, thanks to an approach combining theory, fabrication technology and characterization. We present experimental results of a polarization independent reflective filter, tunable over 40nm with a tunability of 8.3nm / °, having a reflection of 10-3 on a 90nm range outside the resonance and a quality factor over 5000.