Les sources cohérentes de lumière émettant deux fréquences optiques avec une différence largement accordable dans le domaine radiofréquence et un fort degré de corrélation entre leurs fluctuations respectives peuvent être d’un grand intérêt pour de nombreuses applications telles que la photonique micro-onde, les horloges atomiques ultra stables, la physique atomique, la métrologie, etc. C’est le cas des lasers bifréquences émettant deux modes de polarisations linéaires croisées avec une différence de fréquence dans le domaine radiofréquence. Nous comparons les caractéristiques de telles sources bifréquences basées sur des lasers à semiconducteurs (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) ou des lasers à solide (notamment les solides dopés Nd3+ ou Er3+). Au-delà de la différence évidente entre les mécanismes de gain dans les lasers à semiconducteurs et dans les lasers à solide, le VECSEL bifréquence et le laser Nd:YAG bifréquence ne présentent pas la même dynamique. Le VECSEL bifréquence, comme pour un laser de classe A, a une dynamique dénuée d’oscillations de relaxation puisque la durée de vie des photons dans la cavité est beaucoup plus longue que celle de l’inversion de population. A l’opposé, le laser Nd:YAG bifréquence possède une dynamique présentant des oscillations de relaxation comme pour un laser de classe B, en vertu du fait que la durée de vie des photons dans la cavité est plus courte que celle de l’inversion de population. Dans cette thèse, nous explorons les mécanismes par lesquels cette dynamique, en plus du couplage non linéaire entre les deux modes, gouverne le bruit dans les lasers bifréquences. En particulier, nous analysons à la fois expérimentalement et théoriquement les propriétés spectrales des différents bruits (intensité, phase) ainsi que leurs corrélations dans le cas d’un VECSEL bifréquence de classe A et d’un laser Nd:YAG bifréquence de classe B. Enfin, un modèle de réponse linéaire de deux oscillateurs amortis couplés permet d’interpréter les résultats obtenus sur la corrélation entre ces différents bruits. / Coherent sources emitting two optical frequencies with a widely tunable frequency difference lying in the radio-frequency range and having a high degree of correlation between their fluctuations can be useful for numerous applications such as microwave photonics, ultra-stable atomic clocks, atom manipulation and probing, metrology, etc. Dual-frequency lasers, which emit two orthogonal linearly polarized modes with a frequency difference lying in the radio-frequency range, have huge potentials for the above mentioned applications. We compare the characteristics of such dual-frequency oscillation in lasers based on either semiconductor (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) or solid-state active media (mainly Nd3+, or Er3+ doped crystalline host). Apart from the obvious difference between the gain mechanisms in semiconductor and solid-state laser media, the dual-frequency VECSEL and the dual-frequency Nd:YAG laser exhibit different dynamical behaviors. The dual-frequency VECSELs exhibit relaxation oscillation free class-A dynamics as the photon lifetime inside the cavity is longer than the population inversion lifetime. On the contrary, the dual-frequency Nd:YAG lasers obey class-B dynamics linked with the fact that the photon lifetime inside the cavity is shorter than the population inversion lifetime, leading to the existence of relaxation oscillations. In this thesis, we figure out how the laser dynamics, in addition to the nonlinear coupling between the two laser modes, governs different noise phenomena in dual-frequency lasers. In particular, we demonstrate, both experimentally and theoretically, the influence of the laser dynamics and the nonlinear coupling between the two modes on the laser noise, by analyzing the spectral properties of the different noises (intensity, phase) and their correlation in a class-A dual-frequency VECSEL (vertical-external-cavity surface emitting laser) and a class-B dual-frequency Nd:YAG laser. Moreover, the noise correlation results are interpreted in terms of the linear response of two coupled damped oscillators.

Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonants. / Dual-frequency solid-state lasers are attractive for numerous domains (metrology, microwave photonics, Lidar-Radar, optical clocks). However, such lasers suffer from excess intensity noise which is difficult to cancel with usual methods. In this context, we develop a new approach called “buffer reservoir” for reducing the excess intensity noise. This method relies on the change of the laser’s dynamical behavior by inserting a low efficient nonlinear absorption mechanism in the cavity. First, this approach is studied on single frequency solid-state lasers by using two types of non-linear absorption: two-photon absorption (TPA) and second harmonic generation absorption (SHGA). We show a possible reduction of the intensity noise at the relaxation oscillations frequency of an Er,Yb:glass laser up to 50 dB without degrading neither its power nor its phase noise. We explore the underlying physics by developing an analytical model describing the laser dynamical behavior. The effect of the nonlinear absorber on the noise peaks lying at high frequency at the free spectral range of the cavity is also studied. We demonstrate the relevance of such self-regulated lasers for the distribution of optically carried local oscillators. We then extend the “buffer reservoir” approach to dual-frequency lasers. By developing a predictive analytical model, we show experimentally that the use of TPA enables 40 dB reduction of both in-phase and anti-phase noise under certain conditions. The mode coupling in the active medium is analyzed when the nonlinear losses are present. Finally, we address the use of SHGA as a ''buffer reservoir'' in dual-frequency lasers. In particular, we experimentally and theoretically explore the laser behavior when the nonlinear losses are inserted on one eigen-mode of the laser only. This configuration enables a strong reduction of resonant noise peaks for both modes.

Le but de cette thèse est la synthèse optique d'ondes millimétriques et submillimétriques avec un très bas bruit de phase. La première partie concerne la réalisation d'un laser biaxe bifréquence dont chacune des deux fréquences est accordable indépendamment et continûment sur 1 THz. Ce laser est caractérisé en bruit d'amplitude et de phase. Nous avons mis en évidence un facteur de couplage entre les fluctuations de puissance de la diode de pompe et le bruit de phase du laser. La deuxième partie concerne le développement d'un système amplificateur qui se compose d'un amplificateur EDFA et d'un SOA par polarisation. Ce système amplificateur permet d'obtenir une puissance de l'ordre de 17 dBm, tout en réduisant le bruit relatif d'intensité (RIN) d'une vingtaine de dB sur 1 GHz. Cet amplificateur est également un actionneur pour la stabilisation de puissance permettant un RIN de l'ordre de -150 dB/Hz de 3 Hz à 5 kHz. La dernière partie concerne la mise en place du banc cavité et de l'asservissement des fréquences du laser sur une cavité ultra-stable. Nous obtenons un bruit de phase, à 10 kHz pour une porteuse à 10 GHz, meilleur que le plancher de bruit d'un analyseur de bruit de phase hautes performances de l'ordre de -115 dBc/ Hz. Le bruit de phase du système est indépendant de la fréquence de battement. / The aim of this thesis is the optical synthesis of millimeter and submillimeter waves with a very low phase noise. The first part concerns the development of a dual-axis dual frequency laser, whose the two frequencies are tuneable independently and continuously on 1 THz. This laser is characterized in amplitude noise and phase noise. We have identified a coupling factor between the diode pump and the power fluctuations of the laser phase noise. In the second part, we report the development of an amplifier system which consists of an EDFA and a SOA per polarisation axis. This amplifier system delivers 17 dBm of power and reduces the relative intensity noise (RIN) by 20 dB on a 1 GHz bandwidth. This amplifier is also an actuator for the power stabilization to a RIN of the order of -150 dB/Hz from 3 Hz to 5 kHz. The last part concerns the setup of the cavity bench and the stabilization of the laser frequency on a ultrastable cavity. We obtain a phase noise at 10 kHz of frequency offset on a 10 GHz carrier better than the noise floor of a phase noise analyser with high performance of the order of -115 dBc/Hz. The system phase noise is independent of the beatnote frequency.

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Les horloges atomiques à piégeage cohérent de population (CPT) constituent aujourd'hui un outil idéal pour la réalisation de références de fréquence stables, compactes et à faible consommation énergétique. Dans le cas des horloges à base de césium, elles nécessitent l'utilisation d'un champ laser bifréquence à 895 nm (raie D1) ou à 852 nm (raie D2) et dont la différence entre les fréquences optiques est égale à 9,19 GHz, soit l'écart entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental. Nous proposons une nouvelle solution pour générer ce champ laser, à partir d'un unique laser à semiconducteur pompé optiquement et à émission bipolarisée et bifréquence.Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est accordable en fréquence sur la transition D2 du césium. Nous détaillons tout particulièrement le choix des éléments intracavité et de la structure semiconductrice utilisée. Nous décrivons ensuite la mise en oeuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype. Nous présentons les deux boucles d'asservissement que nous avons mises en place pour verrouiller la fréquence optique du laser sur la transition du césium, et la différence de fréquence sur la fréquence délivrée par un oscillateur local. Nous effectuons une modélisation et une caractérisation complète des trois types de bruits du laser, à savoir le bruit d'intensité, le bruit de fréquence optique, et le bruit de phase du signal généré par battement entre les modes laser. Enfin, nous montrons les premiers résultats expérimentaux de piégeage cohérent d'atomes de césium réalisé avec le prototype et étudions les caractéristiques du signal obtenu. Finalement nous établissons un budget de bruit d'une horloge CPT, en nous appuyant sur l'estimation de l'impact de chacun des bruits laser précédemment étudiés. Après avoir identifié les limites du système actuel, nous proposons quelques pistes d'améliorations du laser bifréquence, reposant sur la réduction du bruit d'intensité laser et sur la modification de la structure semiconductrice. / Atomic clocks using the coherent population trapping (CPT) technic are ex-cellent candidates to obtain frequency references that are stable, compact and with a low powerconsumption. In the case of cesium atomic clocks, this technic require a dual-frequency laserfield either at 895 nm (D1 transition) or 852 nm (D2 transition) whose frequency difference isequal to 9.19 GHz, the frequency splitting between the two hyperfine levels of the fundamentalstate. Here we present a new concept for generating this type of laser field using a unique dualfrequency and optically-pumped laser with a dual-polarized emission.In this manuscript, we study the conception of such a laser source at a wavelength of 852 nm.We detail the design of the intracavity elements and the semiconductor active structure. Thenwe describe the experimental set-up and characterization of a first prototype. We present thestabilization set-up of the laser based on two different servo-loops, one used to lock the opticalfrequency onto the cesium transition and the other to lock the frequency difference onto thefrequency generated by a local oscillator. We report a complete simulation and characterizationof the main laser noises: the laser intensity noise, the optical frequency noise, and the phase noiseof the radiofrequency signal generated by the beatnote of the two laser modes. We show the firstexperimental results of coherent population trapping obtained with the prototype. Finally weestablish a noise budget of a CPT atomic clock by estimating the impact of each laser noises.After we identify the system limits, we propose different ways to improve the dual-frequencywhich rely on the reduction of the intensity noise and the modification of the semiconductorstructure design.

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Dans le domaine des cellules photovoltaïques à base de couches minces, l'alliage de Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) constitue l'une des filières les plus avancées. Le passage à l'échelle industrielle soulève cependant de nouvelles problématiques. En effet, si le procédé standard de co-évaporation permet d'atteindre des rendements records supérieurs à 20 %, il reste relativement couteux à mettre en place. C'est ainsi que dans un contexte toujours plus compétitif, l'électrodépôt apparait comme une alternative de choix pour diminuer les coûts de production tout en garantissant des rendements compétitifs sur de grandes surfaces. Néamoins, de nombreuses propriétés spécifiques à ce mode de dépôt restent méconnues. En particulier les propriétés optiques à l'origine du photo-courant. Le premier objectif de cette thèse est donc de déterminer les constantes optiques de chaque couche du dispositif par ellipsométrie. Une attention particulière est donnée à la couche absorbante de CIGSe électrodéposée pour laquelle un protocole spécifique est employé. Une seconde partie de la thèse est dédiée à la réalisation d'un outil de caractérisation sans contact : la photoréflectance (PR). La PR va permettre de mesurer avec précision les énergies de transition interbandes d'un semi-conducteur, dont l'énergie de gap. Nous décrivons dans le détail le dispositif expérimental. Une implémentation originale utilisant une double modulation des sources a été développée et permet de réduire le bruit de mesure induit par la rugosité et la diffusion. L'étude de 14 échantillons de CIGS permet finalement de corréler des paramètres opto-électriques issus des caractéristiques courant-tension aux spectres PR. / Regarding, thin film photovoltaic market, Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) based material is one of the most advanced technologies. Its high absorption coefficient allows it to absorb an important part of the solar spectrum with only two micron thickness. But while moving from fundamental research to the development of batch flow production, issues still remain. If the standard co-evaporation process lead to the best efficiency up to 20 %, high energy consumption is needed. In an increasingly competitive market, electroplating allows to reduce operating cost related to vacuum processes while guaranteeing competitive efficiencies on large scale modules. Nevertheless, due to the specificities of electroplating, new issues occur and some properties may differ from vacuum routes. In particular, optical properties which are responsible for photo-current generation. The first part of this thesis is thus devoted to obtain the optical constants for each layer of the device by spectroscopic ellipsometry. We pay special attention to the electrodeposited CIGSe absorber layer for which a specific method have been used in order to perform measurements on the back side. The second part of this thesis is dedicated to the development of an caracterisation tool : the photoreflectance (PR). The experimental setup is precisely described. An special implementation, using dual modulation technique, increases accuracy by removing luminescence and scattering perturbations. The study of 14 CIGS samples allows finally to correlate opto-electrical parameters from I(V) curves with PR spectra.

Le contrôle de la différence de fréquence entre deux lasers est un défi transversal à de nombreux domaines de la photonique, que ce soit dans un but de génération hétérodyne d'un battement micro-onde de grande pureté, ou pour des expériences de métrologie ou de télécommunication. L'avancée des connaissances sur la dynamique de lasers soumis à divers couplages a permis le développement de méthodes de stabilisation basées sur l'injection optique. Nous étudions ici théoriquement et expérimentalement un mécanisme appelé réinjection décalée en fréquence (RDF), qui permet dans des situations variées de contrôler précisément la différence de fréquence entre deux lasers. Dans un premier temps, la méthode RDF est appliquée à un laser à état solide bi-polarisation bi-fréquence Nd:YAG afin de verrouiller en phase ses deux modes de polarisation orthogonaux. Le développement d'un modèle type «rate equations» en bonne adéquation avec les expériences a aussi permis de mettre en lumière un certain nombre de régimes de synchronisation partielle dits de phase bornée. De plus, nous montrons que cet état peut subsister en présence d'oscillations chaotiques de l'intensité et de la phase. Le comportement du laser sous RDF est étudié pour différentes valeurs du désaccord de fréquence, du taux d'injection, du retard éventuel, et du couplage inter-modes. Enfin, la nécessité d'inclure un couplage phase-amplitude (facteur de Henry non-nul) dans le modèle a mené au développement d'une méthode pour mesurer ce coefficient habituellement négligé dans les lasers solides. Le mécanisme de stabilisation par RDF est ensuite appliqué à un composant semiconducteur original contenant deux lasers DFB sur InP. Malgré une plus grand complexité du schéma de couplage, et la présence de retards effectifs importants, il reste possible de synchroniser en phase ces lasers. Des bandes d'accrochages liées au retard sont observées, et reproduites à l'aide d'un modèle numérique. Ce dernier permet aussi de déterminer les conditions de fonctionnement minimisant l'influence de paramètres expérimentaux non maîtrisés. Enfin, ce système, permettant de contrôler une phase micro-onde sur porteuse optique, peut être intégré dans une boucle résonante de type oscillateur opto-électronique (OEO) qui ne nécessite pas de référence externe. On réalise un oscillateur micro-onde sur porteuse optique auto-référencé, à bande latérale unique, ayant des performances encourageantes. Dans ce cadre, il semble que la plupart des techniques développées pour les OEO puissent être réinvesties. / The control of the frequency difference between two lasers is a cross-cutting challenge in many fields of photonics, either for the generation of high-purity heterodyne microwave beatnotes, or in metrology and telecommunication experiments. The advances of the comprehension of laser dynamics under various couplings has allowed to develop stabilization methods based on optical injection. We study here theoretically and experimentally a mechanism called frequency-shifted feedback (FSF), which allows to precisely control the frequency difference between two lasers in several situations.First, the FSF method is applied to a dual-frequency dual-polarization solid-state Nd:YAG laser, in order to lock the phases of its two orthogonal polarization modes. A model of rate equations is used to precisely describe the experiment, and allows to highlight partial "bounded phase" synchronization regimes. Furthermore, we show that in some cases this synchronization can subsist even with chaotic oscillations of the intensity and phase. The behavior of the laser under FSF is studied for varying values of the frequency detuning, injection rate, possible injection delay, and mode coupling in the active medium. Finally, we find that the inclusion of a phase-amplitude coupling (non-zero linewidth enhancement factor) is needed in the model to account for experimental observation. This leads to the development of an ad-hoc technique to measure the low value of this usually neglected factor in solid-laser lasers.The FSF stabilization mechanism is then applied to a custom semiconductor component embedding two DFB lasers overs InP. In spite of a more complex coupling scheme and the large effective delays into play, phase locking of the two lasers is possible. Due to the delay, locking bands appear when the detuning changes, and this behavior can be replicated using a numerical model. This model also permit to determine working conditions minimizing the influence of uncontrolled experimental optical feedback phases. Finally, as this system allows to control a microwave phase over an optical carrier, it can be integrated in a resonant loop not unlike an opto-electronic oscillator (OEO). We realized an oscillator generating a self-referenced, single sideband microwave signal over an optical carrier, with encouraging phase noise performances. In this case, it seems that most of the techniques that exist for standard OEO can be reused.

This thesis describes new methods of evaluating the efficiency of three-phase induction machines using synthetic loading. Synthetic loading causes the induction machine to draw full-load current without the need to connect a mechanical load to the machine's drive shaft. The synthetic loading methods cause the machine to periodically accelerate and decelerate, producing an alternating motor-generator action. This action causes the machine, on average over each synthetic loading cycle, to operate at rated rms current, rated rms voltage and full-load speed, thereby producing rated copper losses, iron loss and friction and windage loss. The excitation voltages are supplied from a PWM inverter with a large capacity DC bus capable of supplying rated rms voltage. The synthetic loading methods of efficiency evaluation are verified in terms of the individual losses in the machine by using a new dynamic model that accounts for iron loss and all parameter variations. The losses are compared with the steady-state loss distribution determined using very accurate induction machine parameters. The parameters were identified using a run-up-to-speed test at rated voltage and the locked rotor and synchronous speed tests conducted with a variable voltage supply. The latter tests were used to synthesise the variations in stator leakage reactance, magnetising reactance and the equivalent iron loss resistance over the induction machine's speed range. The run-up-to-speed test was used to determine the rotor resistance and leakage reactance variations over the same speed range. The test method results showed for the first time that the rotor leakage reactance varied in the same manner as the stator leakage and magnetising reactances with respect to current. When all parameter variations are taken into account there is good agreement between theoretical and measured results for the synthetic loading methods. The synthetic loading methods are applied to three-phase induction machines with both single- and double-cage rotors to assess the effect of rotor parameter variations in the method. Various excitation waveforms for each method were used and the measured and modelled efficiencies compared to conventional efficiency test results. The results verify that it is possible to accurately evaluate the efficiency of three-phase induction machines using synthetic loading.