Les propriétés intrinsèques de la fibre optique utilisée comme milieu à gain en font un candidat idéal pour le développement de sources laser de haute puissance, aujourd'hui capable de rivaliser avec les lasers à état solide, tout en apportant ses avantages propres : robustesse, efficacité, qualité de faisceau potentielle, gestion de la thermique, compacité et tenue à l'environnement. Les domaines d'application sont nombreux : industrie (usinage, marquage), défense (télémétrie, imagerie), environnement (lidar), communications en espace libre, recherche fondamentale... Cependant, certaines applications nécessitent des puissances ou énergie encore supérieures à ce que peut délivrer une seule fibre associée à une bonne qualité de faisceau. Pour contourner cette difficulté, l'approche abordée ici est de répartir l'amplification sur plusieurs fibres lasers, puis de recombiner les faisceaux en espace libre. Ce travail est préparatoire à une nouvelle génération de lasers hyper-intenses et a été réalisé dans le cadre du projet ANR CAN, collaboration entre LOA, IOGS, Thales R&T et Onera. Suivant le dimensionnement défini par l'étude théorique de la combinaison cohérente de faisceaux laser, un toron de 64 fibres collimatées chacune par une petite lentille est conçu puis réalisé technologiquement. Par extension de l'idée de l'interféromètre à décalage quadri-latéral, une méthode de mesure collective et auto-référencée de la phase des fibres est mise au point. Enfin, une technique originale et auto-adaptative de mise en phase par holographie numérique est présentée et validée expérimentalement.

L'objectif de cette thèse est d'étudier une technique de combinaison cohérente de faisceaux : l'amplification paramétrique optique (OPA) à multiple pompes. Cette technique permet de transférer instantanément l'énergie de nombreuses pompes en un unique faisceau signal sans stockage d'énergie, et ainsi s'affranchissant d'effets thermiques dans le milieu amplificateur. Ceci peut s'avérer intéressant pour combiner l'énergie de multiples lasers à fibre et réaliser l'amplification à forte cadence de lasers très énergétiques ou d'impulsions à spectre large. A l'aide d'un code de calcul général et d'une étude expérimentale utilisant comme cristal non linéaire du BBO ou du LBO, nous calculons dans un premier temps la localisation des pompes autour du signal à amplifier, ainsi que les tolérances angulaires correspondantes qui déterminent la criticité d'alignement d'une telle configuration. Nous nous intéressons ensuite aux mécanismes de recombinaisons parasites entre une pompe et l'idler correspondant à une autre pompe. Après avoir démontré expérimentalement que ces recombinaisons peuvent dégrader les caractéristiques spatiales et spectrales du signal amplifié, nous montrons qu'il est possible d'éliminer ces risques de couplages néfastes en écartant suffisamment les pompes entre elles. Une modélisation originale de l'OPA multi-pompes suggère de relier ces phénomènes parasites aux effets des réseaux résultant des interactions entre les différentes pompes. La dernière partie présente l'expérience d'OPA à 5 pompes qui nous a permis d'atteindre un rendement de transfert énergétique des pompes vers le signal de 27%, et obtenir ainsi un signal plus énergétique que chaque pompe prise séparément. / This work deals with a technique of combination of coherent beams: Optical Parametric Amplification (OPA) with Multiple Pumps. This technique is used to instantly transfer the energy of several pumps on one beam, without energy storage and thus avoiding thermal effects in the amplifying media. It can be useful to combine energy of numerous fiber lasers and to amplifiy with a high repetition rate very high energy lasers or broadband pulses. With a numerical and experimental study using BBO and LBO as nonlinear crystal, we determine how to dispose the pumps around the signal and the corresponding angular tolerances of such set up. Then we focus our attention on recombining mechanisms between a pump and a non-corresponding idler. We demonstrate experimentally that these cascading effects may decrease the spatial and spectral quality of the amplified signal, and that these phenomena can be avoided with a minimum angle between the different pumps. A novel modelling of multi-pumps OPA links these cascading effects to the gratings generated by the interaction between the pumps. The last part presents a 5 pump OPA experiment. We achieve a pump-to-signal efficiency of 27% and so that a signal more powerful than each pump is obtained.

L'objectif de cette thèse est d'étudier une technique de combinaison cohérente de faisceaux : l'amplification paramétrique optique (OPA) à multiple pompes. Cette technique permet de transférer instantanément l'énergie de nombreuses pompes en un unique faisceau signal sans stockage d'énergie, et ainsi s'affranchissant d'effets thermiques dans le milieu amplificateur. Ceci peut s'avérer intéressant pour combiner l'énergie de multiples lasers à fibre et réaliser l'amplification à forte cadence de lasers très énergétiques ou d'impulsions à spectre large. A l'aide d'un code de calcul général et d'une étude expérimentale utilisant comme cristal non linéaire du BBO ou du LBO, nous calculons dans un premier temps la localisation des pompes autour du signal à amplifier, ainsi que les tolérances angulaires correspondantes qui déterminent la criticité d'alignement d'une telle configuration. Nous nous intéressons ensuite aux mécanismes de recombinaisons parasites entre une pompe et l'idler correspondant à une autre pompe. Après avoir démontré expérimentalement que ces recombinaisons peuvent dégrader les caractéristiques spatiales et spectrales du signal amplifié, nous montrons qu'il est possible d'éliminer ces risques de couplages néfastes en écartant suffisamment les pompes entre elles. Une modélisation originale de l'OPA multi-pompes suggère de relier ces phénomènes parasites aux effets des réseaux résultant des interactions entre les différentes pompes. La dernière partie présente l'expérience d'OPA à 5 pompes qui nous a permis d'atteindre un rendement de transfert énergétique des pompes vers le signal de 27%, et obtenir ainsi un signal plus énergétique que chaque pompe prise séparément.

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.