L'objectif de ce travail est d'étudier la possibilité d'étendre les formats de modulation utilisés actuellement en télécommunications optiques par solitons. Face aux techniques classiques de modulation d'intensité, multiplexage temporel, et multiplexage en longueur d'onde, largement répandues dans de tels systèmes, nous avons réalisé un démonstrateur basé sur les retards optiques et la modulation de phase différentielle. Cette modulation s'apparente à un codage cohérent, c'est à dire que l'information est codée dans la phase optique des solitons transmis. De plus, l'utilisation de retards optiques nous fournit un moyen naturel de multiplexage / démultiplexage tout optique. Cette technique nous a permis d'explorer les effets propres à la phase dans la propagation de solitons sur une liaison amplifiée. Nous avons donc réalisé une source soliton basée sur la commutation de gain d'un laser semiconducteur et la compression linéaire au moyen d'un réseau de Bragg chirpé photoinscrit. Afin d'évaluer les performances du système proposé, nous avons ensuite étudié la stabilité de la phase d'un soliton face au bruit des amplificateurs optiques de manière théorique. L'expression analytique obtenue a été validée par des simulations numériques basées sur la méthode split-step Fourier. Cette étude nous a permis de mettre en évidence l'effet bénéfique du filtrage en ligne sur la stabilité de la phase. Enfin, nous avons réalisé un démonstrateur mettant en pratique le format de modulation proposé. Celui-ci comporte un unique dispositif pour simuler le codeur et le décodeur, et la propagation sur de longues distances est étudiée grâce à une boucle de recirculation. La gigue de phase mesurée correspond assez bien aux estimations théoriques.

Les harmoniques d'ordres élevés, produites lors de l'interaction entre un laser impulsionnel intense et un milieu gazeux, sont émises dans le domaine temporel sous forme d'un train d'impulsions attosecondes espacées d'une demi période optique du champ laser. La production d'une seule impulsion attoseconde permettrait d'accéder à des résolutions temporelles jusqu'ici inaccessibles pour des études résolues en temps. D'après les simulations, une des solutions pour atteindre cet objectif est de confiner la génération d'harmoniques sur moins d'un cycle optique du laser fondamental. Dans ce manuscrit, nous présentons une méthode qui permettrait de restreindre l'émission harmonique à une seule impulsion. Elle repose sur l'extrême sensibilité de la génération d'harmoniques à la polarisation. Nous avons développé une technique originale permettant de moduler temporellement la polarisation d'une impulsion laser infra-rouge. Dans un premier temps, nous avons étudié les modifications spectrales des harmoniques générées par cette impulsion modulée en polarisation. Dans un second temps, nous avons réalisé une mesure directe des impulsions harmoniques obtenues en modulant temporellement l'état de polarisation de l'impulsion laser. Nous avons observé clairement un confinement de la génération d'harmoniques. Ce travail a permis de fixer à environ 10 fs la durée maximale que l'impulsion infrarouge doit avoir pour obtenir une seule impulsion attoseconde. Dans ce cadre, nous avons développé au laboratoire une technique originale de post-compression d'impulsion laser pour obtenir des impulsions haute énergie sub-10 fs.

Les fibres à cristaux photoniques (PCF) et autres fibres fortement non-linéaires conventionnelles (HNLF) représentent une nouvelle catégorie de guides d'ondes optiques qui possèdent des caractéristiques de dispersion et de non-linéarité inédites. Elles permettent, en effet, d'accroître fortement les effets non-linéaires avec des paramètres de dispersion multiples. De nombreux travaux récents ont déjà exploité ces propriétés pour la génération de spectres à très large bande au moyen de la génération de supercontinuum. L'étude de tels élargissements spectraux, en particulier dans les PCF, nécessite alors une modélisation précise de la propagation des impulsions. L'extension des modèles existants basés sur l'équation non-linéaire d'enveloppe de Schrödinger a été réalisée pour inclure des effets tels que de la dépendance en fréquence de l'aire effective du mode guidé et la génération de troisième harmonique. Les conséquences de tels effets sont décrites ainsi que de nouvelles perspectives pour la génération de supercontinuum. L'autre aspect attrayant de cette nouvelle génération de fibres optiques, en particulier concernant les HNLF, est leur utilisation dans l'important développement actuel des sources fibrées femtosecondes, proche de la longueur d'onde des télécommunications à 1550 nm. Dans ce cadre, deux systèmes expérimentaux ont été mis en place, permettant respectivement d'obtenir par compression non-linéaire des impulsions sub-30 fs et de générer des impulsions paraboliques de manière passive. Ces dispositifs sont basés sur l'utilisation et la gestion de très courtes longueurs de fibres commerciales de type HNLF, menant alors à des dispositifs ultra-compacts.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG), qui dans le domaine temporel se traduit par l'émission d'un train d'impulsion VUV attoseconde (1as =10-18s), a connu un grand intérêt scientifique depuis une dizaine d'années. Cette source constitue en effet un bon candidat pour la mise en oeuvre d'expériences pompe sonde visant à observer la dynamique électronique au coeur même des atomes et des molécules. <br />Au CELIA, nous avons implémenté une technique de post-compression qui nous a permi de comprimer nos impulsions laser IR de 40 fs à 9 fs (1fs=10-15s). Ces impulsions sont ensuite utilisée pour confiner la HHG. Étant donné que le processus de HHG est efficace uniquement si les impulsions IR génératrices sont polarisées linéairement, nous avons créé une porte dans le profil temporel de nos impulsions sub-10fs où la polarisation est linéaire pendant une durée inferieure à la durée de l'impulsion IR génératrice. Ceci nous permet de confiner la HHG en dessous d'un demi-cycle optique IR. Cette technique de porte d'ellipticité, complètement caractérisée dans cette thèse, nous a permis de confiner la HHG jusqu'à l'émission d'une à deux impulsions attosecondes. Afin de caractériser le profil temporel du train d'impulsions attosecondes, nous avons également implémenté un interféromètre à deux couleurs qui nous a permit de mesurer la phase harmonique et de reconstruire nos trains d'impulsions attosecondes.

Le secteur maritime présente un besoin de surveillance et de sauvegarde qui concerne la sécurité des vies en mer, la protection de l'environnement ou encore la lutte contre le trafic illégal et le terrorisme. Parmi les moyens développés pour assurer cette fonction connue sous le nom de Vessel Traffic Service (VTS), le radar est une solution incontournable de localisation de cible en temps réel, détectant tous les obstacles aux alentours même dans les conditions de visibilité limitées. Cependant la détection de petites cibles dans le fouillis de mer reste très limitée pour un radar classique. Le radar cohérent est moyen d'améliorer cette détection de par son architecture tout état solide, permettant de conserver l'information de la phase du signal de l'émission à la réception. L'objet de cette thèse est de concevoir une architecture suivant ce modèle en bande X, à partir de composants disponibles à bas coût du domaine des télécommunications. La réalisation d'un prototype permet dans un premier temps de valider l'architecture par la mise en place de mesures caractérisant les éléments de la chaîne. La caractérisation des performances de détection se font en émission-réception, en présence de cibles exploitables. Ainsi, le radar est exposé à différentes cibles (voitures, avions et bateaux) dans le but d'extraire et d'exploiter leur information Doppler. La validation du fonctionnement du prototype doit laisser envisager l'industrialisation de ce radar. Ainsi, la miniaturisation de ce système se concrétise par le développement de cartes électroniques embarquées, assurant les fonctions allant du pilotage et du traitement, jusqu'aux composants liés à l'émission et la réception.

Les plus brefs flashs de lumière qui puissent être produits en laboratoire actuellement ont des durées de quelques dizaines d'attosecondes (1 as = 10-18 s), et ne peuvent être créés que dans le domaine extrême-ultraviolet (XUV). Le développement de composants optiques capables de contrôler et de mettre en forme ce rayonnement attoseconde est crucial pour permettre à ces impulsions de se généraliser. Cette thèse porte donc sur l'étude et la réalisation de tels composants.Les impulsions attosecondes ont la particularité de comporter une dérivée de fréquence intrinsèque au processus utilisé pour leur génération. Cela a pour effet d'augmenter leur durée. Nous avons donc développé des miroirs multicouches capables d'induire une dérive de fréquence opposée sur les impulsions s'y réfléchissant, permettant ainsi de les compresser. En caractérisant les impulsions attosecondes réfléchies par ces miroirs, nous avons pour la première fois observé une telle compression des impulsions attosecondes. Nous avons également développé des miroirs multicouches théoriquement capables de compresser des impulsions sous la barre symbolique des 50 as, soit en dessous du record actuel de durée d'une impulsion lumineuse.La mesure de ces impulsions requiert leur focalisation dans un spectromètre. Or les miroirs focalisants généralement utilisés peuvent très rapidement introduire des aberrations géométriques. A l'aide de simulations numériques et d'une étude analytique, nous avons montré que ces aberrations pouvaient très fortement déformer la structure spatio-temporelle des impulsions attosecondes, provoquant une augmentation de leur durée. Enfin, nous avons montré que ces effets n'étaient pas pris en compte par les techniques actuelles de caractérisation d'impulsions attosecondes, cela pouvant amener à mesurer une impulsion attoseconde plus courte qu'elle ne l'est en réalité.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une source laser TW, de cadence élevée, stabilisée en phase, et délivrant des impulsions de quelques cycles optiques pour explorer la physique attoseconde. De telles impulsions contiennent seulement quelques oscillations de l’onde porteuse (durée de 5 fs à une longueur d’onde centrale de 800 nm) et ne sont pas directement disponibles à la sortie d’une source laser femtoseconde classique. Une technique de post-compression efficace pour obtenir de telles impulsions consiste à élargir le spectre des impulsions laser par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz, puis à compenser la phase spectrale introduite avec des miroirs chirpés. Cette technique convient à des impulsions dont l’énergie est inférieure au millijoule. Au-delà, la transmission et la stabilité du compresseur chutent fortement à cause d'effets non linéaires tels que l'autofocalisation et l'ionisation. Pour comprimer des impulsions énergétiques et dont la phase de l’enveloppe est stabilisée par rapport à la porteuse (stabilisation de la CEP), il est possible de diviser l'impulsion initiale en plusieurs répliques d'énergie moindre et de réduire ainsi l'intensité crête en entrée de fibre. Le spectre de chaque réplique est alors élargi indépendamment. Dans le cadre de cette thèse, la combinaison cohérente passive d'impulsions de quelques cycles optiques issues d'une fibre creuse remplie de gaz est démontrée pour la première fois. L'utilisation de lames biréfringentes (calcite) dont l’orientation est soigneusement déterminée permet de générer et combiner des répliques avec une efficacité élevée. Ainsi, dans le cas d’une division en deux répliques, des impulsions stabilisées en phase (CEP), de durée 6 fs et d'énergie 0.6 mJ ont été générées de manière fiable et reproductible. L’étude détaillée de cette technique, aussi bien théorique qu’expérimentale, a permis de mettre en évidence les conditions requises pour générer des impulsions de quelques cycles optiques et présentant un bon contraste temporel. Plus précisément, la phase spectrale relative entre les répliques peut être mesurée à l'aide d'une méthode interférométrique permettant de quantifier les déphasages résiduels dus à la lame qui recombine les répliques, ainsi que ceux induits lors de la propagation dans la fibre par d'éventuels effets de modulation de phase croisée ou d'ionisation. Les effets qui affectent le processus de combinaison des répliques, tels que les modifications des états de polarisation des répliques ou bien les interactions non linéaires entre les répliques, sont analysés en détail. Une méthode est proposée pour minimiser ces effets, même dans le cas plus critique de la division et combinaison d'impulsions à quatre répliques. / The framework of this thesis is the design and development of a TW-class, high-repetition rate, CEP-stabilized, few-cycle laser system devoted to attosecond physics. Few-cycle pulses includes only a few oscillations of the carrier wave (duration about 5 fs for 800nm central wavelength) and are not directly available at the output of typical femtosecond sources. One of the most popular techniques used for producing such pulses with high spatial quality is nonlinear spectral broadening in a gas-filled hollow-core fiber followed by temporal compression with chirped mirrors. However, as the input pulse energy approaches the milliJoule level, both the transmission and stability of hollow fiber compressors rapidly drop with the onset of self-focusing and ionization. A way of overcoming this limitation is to divide the input pulse into several lower energy replicas that can be subsequently recombined after independent spectral broadening in the fiber. In this thesis, the passive coherent combining of millijoule energy laser pulses down to few-cycle duration in a gas-filled hollow fiber is demonstrated for the first time. High combining efficiency is achieved by using carefully oriented calcite plates for temporal pulse division and recombination. Carrier-envelope phase (CEP)- stable, 6-fs, 800-nm pulses with more than 0.6 mJ energy were routinely generated in the case of twofold division and recombination. A detailed theoretical and experimental analysis of this temporal multiplexing technique is proposed to explain the conditions required for producing few-cycle pulses with high fidelity. In particular, an interferometric method for measuring the relative spectral phase between two replicas is demonstrated. This gives a measure of the phase mismatch in the combining plate, as well as that induced by eventual cross-phase modulation or ionization during propagation in the fiber. The effects degrading the combining process, as polarization change or nonlinear interactions between pulse replicas are analyzed in details. A method is proposed to overcome these limitations, even in the critical case of fourfold pulse division and combination.

Intensivement étudié depuis son apparition en 1960, le laser est un outil qui a su trouver sa place au-delà du monde académique : ses performances uniques l'ont rendu indispensable dans nombres d'applications de la vie courante. Les particularités les plus attractives du rayonnement laser sont la directivité de son émission, et le caractère quasi-monochromatique de son rayonnement.La première permet de propager un faisceau laser sur des longues distances, et également de concentrer la lumière sur des cibles aux dimensions extrêmement réduites : on parle de cohérence spatiale de l'émission laser. Cette seule propriété trouve de nombreuses applications : les lecteurs de codes-barres, imprimantes laser, pointeurs lasers en sont des exemples très rependus.La seconde permet d'accorder la bande spectrale étroite de l’émission laser aux bandes d'absorption de certains matériaux, ce qui permet de déposer localement de l’énergie de manière contrôlée. Par ailleurs elle confère au rayonnement laser des propriétés de cohérence temporelle uniques, qui peuvent être exploitées notamment en interférométrie, ouvrant la voie à de très nombreuses applications dans le domaine de la mesure, pour la caractérisation de surfaces optiques, dans les capteurs de position à effet Sagnac, en spectrométrie, pour ne pas citer quelques exemples. / ...

Ce mémoire présente différentes techniques permettant de produire des impulsions lumineuses très brèves. Dans un premier temps, nous avons conçu et réalisé un laser nd:yag continu a modes couples activement et double en fréquence. Ce laser délivre des impulsions dont la largeur a mi-hauteur en intensité est voisine de 60 picosecondes a 532 nanomètres, repetitives a 82 mhz. La puissance moyenne des impulsions est suffisante pour permettre le pompage d'un laser a colorant en mode synchrone. Ce dernier délivre des impulsions lumineuses dont la durée est voisine de 10 picosecondes et répétitives a 82 mhz. L'ensemble du système a été caractérise en utilisant des caméras a balayage de fente en mode sinusoïdal ou en mode monocoup. Nous avons ensuite étudié la possibilité de produire des impulsions femtosecondes (10##1#5 s) en comprimant les impulsions délivrées par un laser a colorant a deux jets (milieu amplificateur rh6g), absorbant saturable (dodci). Avant compression, ces impulsions ont une largeur a mi-hauteur en intensité voisine de une picoseconde et sont répétitives a environ 80 mhz. Nous avons pu comprimer ces impulsions jusqu'a des durees voisines de 130 femtosecondes. Les résultats expérimentaux sont très proches des prévisions théoriques. Enfin, nous avons produit directement des impulsions lumineuses femtosecondes a partir d'une cavité laser dont le milieu amplificateur est un cristal de saphir dope au titane (ti:al#2o#3). Dans un premier temps, le couplage des modes est réalisé a l'aide d'un modulateur acousto-optique. Dans cette configuration, le laser produit des impulsions dont la durée est aussi courte que 10 picosecondes, répétitives a 125 mhz et dont le domaine d'accord en longueur d'onde est limite par les miroirs entre 72 et 800 nanomètres. Dans un second temps, le couplage des modes est réalisé en utilisant un absorbant saturable (hitci) et la dispersion intracavite est aju.