Cette thèse présente de nouvelles approches en optique cristalline : l'étude angulaire de l'absorption et de l'émission d'ions fluorescents dans un cristal monoclinique ; la caractérisation de l'auto-doublage de fréquence ; le développement de la théorie du quasi-accord de phase angulaire. Avec un cristal sphérique de YCOB :Nd, les premières mesures des indicatrices d'absorption et d'émission des ions Nd3+ ont été réalisées : les directions propres d'absorption et d'émission diffèrent entre elles, ainsi que des axes principaux du repère optique. Des développements théoriques ont permis de décrire ces observations. Ces résultats montrent l'impossibilité d'optimiser simultanément l'absorption et l'émission pour de tels milieux, ainsi que la nécessité des études sur sphère. Une extension de la méthodologie sur cristaux sphériques à la mesure simultanée des propriétés laser et optiques non linéaires des milieux auto-convertisseurs est visée. L'étude théorique d'une cavité contenant un milieu laser auto-doubleur de géométrie sphérique a été menée, et la réalisation est en cours. Une généralisation du quasi-accord de phase a été menée pour toute direction de propagation dans les milieux périodiquement alternés. Une analyse basée sur la théorie des groupes a été menée pour définir les symétries et topologies des solutions de ces interactions. Les potentialités du quasi-accord de phase angulaire, illustrées sur PPLN :MgO, ont montré un accès à une plage spectrale et parfois à des tolérances spectrales plus grandes qu'en quasi-accord de phase classique. Ainsi, ce travail a contribué à développer des outils théoriques, méthodologiques et métrologiques en optique cristalline.

Les sources laser émettant autour de 976 nm ont des applications dans le domaine des télécommunications optiques, pour le pompage des amplificateurs à fibres dopées par des ions erbium, ou pour la réalisation d'une source à 488 nm après une étape de conversion non linéaire. Les sources monomodes transverses avaient au début de ma thèse des puissances limitées à 1 W. De plus fortes puissances étaient demandées. Nous avons choisi de proposer des sources basées sur les matériaux dopés par des ions ytterbium, qui présentent une importante section efficace d'émission autour de 976 nm. Mais l'absorption à 976 nm est très forte, liée au caractère trois niveaux de la transition, nécessitant un pompage à 915 nm intense pour obtenir la transparence à 976 nm. Deux solutions ont été testées.<br />Les fibres monomodes dopées par des ions ytterbium nous ont permis de développer des sources, dont un laser de spectre fin très efficace, qui a servi à réaliser une source à 488 nm grâce à un guide d'onde non linéaire en niobate de lithium polarisé périodiquement. Nous avons aussi étudié l'amplification d'une diode laser impulsionnelle à 976 nm dans ces fibres, et le doublement de la fréquence de cette source. Pour dimensionner les fibres utilisées, nous avons simulé la propagation des faisceaux dans ces fibres. <br />Les cristaux de Yb:KY(WO4)2 constituent une alternative aux fibres. Ils ont montré un fort gain à 981 nm avec un pompage par un laser à saphir dopé au titane à 931 nm. Les sources réalisées ont été simulées. L'intensité des diodes laser à 931 nm actuelles est limitée, interdisant le pompage par diode de ces cristaux.

Les sources laser bleues possèdent des applications nombreuses et varies (shows laser, affichage, médecine, spectroscopie, communications sous-marines, stockage de données). Lors de cette thèse, nous avons démontré qu'avec de nouveaux concepts, il est possible de réaliser des sources bleues originales à base de cristaux dopés néodyme. Nous avons dans un premier temps proposé une alternative au laser à Argon en concevant une source basée sur la somme de fréquence de deux raies du néodyme émettant autour de 1060 nm et 910 nm. Afin de choisir le cristal optimal, nous avons mené une étude comparative sur certaines caractéristiques physiques et les performances laser sur la transition 4F3/2-4I9/2 des cristaux de Nd:GdVO4 et Nd:YVO4. Nous avons ensuite conçu et réalisé quatre architectures laser émettant en continu à 491 nm, toutes à base de somme de fréquence intracavité. Les deux premières étaient basées sur des laser bi-longueur d'onde à un seul ou deux cristaux laser. La troisième était composée de deux lasers dont les cavités étaient imbriquées, le cristal non linéaire étant inséré dans la partie commune. Finalement, nous avons réalisé un laser émettant à 1064 nm pompé intracavité à 912 nm. Sur le même principe, nous avons conçu une source en régime déclenché à 491 nm grâce à un nouveau concept d'extraction de puissance par interaction non linéaire. La somme de fréquence a alors lieu intracavité à 912 nm mais extracavité à 1063 nm. Finalement, nous avons étudié et réalisé un laser fonctionnant sur la transition à trois niveaux de l'ion néodyme. Par génération de second harmonique, nous avons ainsi réalisé des sources bleues de longueur d'onde inférieure à 450 nm.

Les travaux exposés dans ce mémoire concernent le développement de lasers femtoseconde entièrement pompés par diodes, utilisant de nouveaux cristaux laser dopés à l'ytterbium, et émettant à une longueur d'onde proche de 1,06 µm. Nous étudions plus particulièrement deux cristaux récemment découverts : l'Yb3+: BOYS (ou Yb3+: Sr3Y(BO3)3) et l'Yb3+: SYS (ou Yb3+: SrY4(SiO4)3O), dont les propriétés cristallographiques, physiques et spectroscopiques sont particulièrement adaptées à la production et à l'amplification d'impulsions brèves (de durées typiques allant de 10-14 à 10-12 s). Dans un premier temps, nous avons réalisé deux oscillateurs femtoseconde basés respectivement sur l'Yb3+: BOYS et l'Yb3+: SYS, qui ont permis de produire des impulsions de durées respectives égales à 69 fs et 94 fs avec une énergie par impulsion de l'ordre du nanojoule, et à une cadence avoisinant la centaine de mégahertz. Le régime impulsionnel a été obtenu par verrouillage de modes passif, dont le démarrage automatique et l'excellente stabilité ont été assurés par un miroir absorbant saturable à semi-conducteur. Dans un deuxième temps, afin d'augmenter l'énergie de ces impulsions, nous avons développé un amplificateur régénératif basé sur l'Yb3+: SYS. Placé en aval d'un oscillateur femtoseconde Yb3+: SYS, cet amplificateur nous a conduit à la production d'impulsions d'une durée de 380 fs, ayant une énergie de 80 µJ, à une cadence de 1 kHz. Enfin, nous avons utilisé un filtre acousto-optique programmable pour modeler l'amplitude spectrale des impulsions qui sont issues de l'oscillateur femtoseconde puis injectées dans l'amplificateur régénératif. Ces expérimentations nous ont ouvert de nouvelles perspectives en validant un modèle théorique (qui a donné lieu à des simulations numériques réalistes de l'amplificateur régénératif), et en améliorant les performances de notre chaîne laser femtoseconde basée sur l'Yb3+: SYS de sorte que des impulsions d'une durée inférieure à 300 fs devrait être produites.

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une étude systématique des propriétés physico-chimiques de polyphosphates à l’argent permettant d’avancer sur de nouvelles voies pour les dispositifs tels que l’éclairage, les lasers accordables dans le visible, la radiophotoluminescence. L'objectif de ce travail vise la compréhension des mécanismes de luminescence de l’ion Ag+ dans les composés Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) dont la structure a été parfaitement déterminée. La luminescence des monocristaux provient des ions Ag+, dans des sites isolés et proches de lacunes positives (Ag2+) résultant de la photosensibilité aux UV pour les cristaux au lanthane. La luminescence des verres Na1-xAgxLa(PO3)4 (seuls vitrifiables) a été élucidée grâce à une étude après irradiation et à celle des verres Na2-xAgxZnP2O7. Elle est due aussi aux ions Ag+ dans des sites isolés. / This work focuses on keeping with the general pattern of investigations of physical-chemical properties of silver-polyphosphates to find new ways for devices such as lighting, visible range laser applications and radiophotoluminescence. The goal of this study aims at understanding the processes of Ag+ luminescence in Na1-xAgxLn(PO3)4 (Ln = La et Y) compounds which structure has been completely determinated. The luminescence of the single crystals is induced by Ag+ ions in isolated sites and close to hole centers (Ag2+) resulting in UV photosensitivity for the lanthanum crystals. The photoluminescence of the Na1-xAgxLa(PO3)4 glasses (glass-forming only) has been resolved owing to UV irradiation investigations and comparison with the luminescence of Na2-xAgxZnP2O7 glass. Both are also due to Ag+ ions in isolated sites.

Les Quantum Dots (QDs) sont des particules cristallines de semi-conducteur ou du métal de forme sphérique et de dimension nanométrique. L'intérêt majeur des QDs réside dans leur grande adaptabilité à de nombreuses applications biologiques.Le but de mon travail était de développer une nouvelle classe de QDs de faible toxicité afin de les utiliser pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses. Pour cela, il est nécessaire de préparer des sondes hydrosolubles, photostables, biocompatibles, de luminescence élevée et possédant une faible toxicité. La synthèse des cœurs de type ZnS and ZnSe dopés au manganèse ou au cuivre et stabilisés par l’acide 3-mercapropropionique ou par le 1-thioglycérol a été réalisée par la voie hydrothermale. Les techniques analytiques de caractérisation utilisées sont la spectroscopie UV-visible, la spectroscopie de fluorescence, la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique de rayon X (XPS), la microscopie électronique à transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière DLS, la spectroscopie infra-rouge (IR), et la résonance paraélectronique (RPE). La toxicité des QDs a été déterminée sur des cellules cancéreuses. Les différents test de cytotoxicité (MTT, XTT et ferrous oxidation-xylenol orange) ont été réalisés. Finalement, les QDs de type ZnS:Mn conjugués à l’acide folique ont été utilisés pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses par le biais d’une excitation biphotonique / Semiconductor QDs are tiny light-emitting crystals, and are emerging as a new class of fluorescent labels for medicine and biology. The aim of this work was to develop a new class of non-toxic QDs probes with essential attributes such as water dispersibility, photostability, biocompatibility, high luminescence and possible excitation with low-energy visible light, using simple processing method. Such nanoprobes could be used for bio-imaging of cancer cells. In the performed studies, I focused on ZnS and ZnSe QDs as they are cadmium-free and might be excited biphotonically.The synthesis protocols of ZnS and ZnSe QDs doped with two ions such as Mn or Cu and stabilized by 3-mercaptopropionic acid or 1-thioglycerol were established, followed by NCs characterization (diameter, surface charge, photophysical properties, …) using analytical techniques such as spectrophotometry UV-vis, fluorimetry, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), infra-red analysis (FT-IR), thin layer chromatography (TLC) and electron paramagnetic resonance (EPR). The cytotoxicity of synthesized bare and conjugated NPs was evaluated on cancer cell lines using MTT, XTT and ferrous oxidation-xylenol orange assay.Finally, chosen well fluorescent and weakly toxic types of as-prepared and characterized QDs were used for bio-imaging of cancer cells. In these experiments, FA-functionalized NCs were excited biphotonically. The performed experiments showed the potential of QDs as cancer cells fluorescent markers and that they accumulate around the cell nuclei

Ce travail de thèse est consacré au développement de sources lasers femtosecondes à haute cadence, de forte puissancemoyenne (>10 W) avec des énergies supérieures à 100 μJ. Ce type de sources est primordial pour le développementd’applications industrielles variées (micro-usinage athermique, chirurgie oculaire, …) ainsi qu’en recherchefondamentale pour l’étude de l’interaction laser matière.Après un chapitre d’introduction sur l’état de l’art des chaînes lasers de forte puissance moyenne à base de matériauxdopés ytterbium, la réalisation d’une chaîne laser de forte puissance moyenne compacte à base de fibre photoniquemicrostructurée à large aire modale sera présentée. Il sera notamment démontré les principales limitations en termed’énergie et de puissance moyenne. D’une part, le fort confinement de l’impulsion lumineuse dans le coeur de la fibrefavorise l’accumulation d’effets non-linéaires lors de l’amplification et détériore la qualité de l’impulsion. D’autrepart, en raison du diamètre de coeur important (> 70 μm) choisit pour lutter contre l’effet précèdent, le guidage dumode fondamental TEM00 de ces fibres est très critique et devient sensible à la charge thermique interne à la fibre.Cette source laser a été utilisée dans le cas de deux applications bien spécifiques : le perçage de plaques d’acierépaisses pour une finalité de déminage (relatif au cadre du financement de cette thèse par la Direction Générale del’Armement) et à la génération d’harmoniques d’ordres élevées à très haute cadence (relatif au domaine d’expertisedu CELIA). Ces deux applications sont traitées au cours du troisième chapitre.A la vue des limitations observées et afin de disposer de chaînes lasers plus énergétiques et offrant des duréesd’impulsions encore plus courtes, une nouvelles architecture d’amplification a été proposée : le pompage fortebrillance de matériaux dopés Ytterbium. Ce concept présenté dans le dernier chapitre utilise le développement desources fibrées monomodes continues émettant à 976 nm. Cette architecture d’amplification a été utilisée afin deréaliser d’une part un oscillateur sub-70 fs et de forte puissance moyenne (>2,3 W) à une cadence de 73 MHz etd’autre part : un amplificateur type « booster » à fort gain. Deux expériences qui ont été réalisées avec des cristauxd’Yb:CaF2. Ce matériaux présente en effet l’avantage d’avoir un très large spectre d’émission (>60 nm) propice à lagénération et amplification d’impulsions femtosecondes mais aussi d’être « compatible » avec les chaînes de trèsforte puissance grâce à sa très bonne conductivité thermique. / This work concerns the development of high repetition rate femtosecond lasers with high average power (>10 W)and energies in excess of 100 μJ. Such lasers are paramount for the development of new industrial applications(athermal micro-drilling, eye surgery, ...) and for fundamental research on high repetition rate laser matter interactionstudies.After a brief introduction and the state of the art summary on high-average power femtosecond laser with ytterbiumdoped materials, a compact high-average power femtosecond laser with a large mode area microstructured rod typeamplifier will be presented. It will browse the main limitations in terms of energy and average power. Limitationsare mainly due to the strong confinement of the electric field propagating in the fibre core leading to non-linear effectsaccumulated during the amplification. On the other hand, for larger core diameter (> 70 μm), the fundamental modeguiding (TEM00) is very weak and thus very sensitive to the internal thermal load of the fibre.This laser source has been used in two specific applications: athermal drilling of thick stainless steel plate for mineclearing(an application of interest for the Direction Générale de l’Armement) and High order Harmonics Generationat high repetition rate (related to CELIA activities). These two applications are presented in the third chapter.In order to stretch the limits and generate more energetic and a shorter pulse, a new amplification scheme has beenproposed, namely high brightness optical pumping of ytterbium doped materials. This concept presented in the lastchapter benefits from the development of high average power single-mode fibre lasers source emitting at 976 nm.This amplification scheme allowed us to realize a high average power Kerr-lens oscillator delivering pulses with apulse duration below than 70 fs and an average power of 2.3W at a repetition rate of 73 MHz. In a second phase, wealso developed a « booster » amplifier with a high single- pass-gain. These two results have been obtained by usingYb-doped CaF2 crystals. This material presents the advantage to have a very broad emission bandwidth (> 60nm)suitable to generate and amplify femtosecond pulses and to be compatible with high average power laser due to hisvery good thermal conductivity.