Un des avantages des lasers femtosecondes de haute puissance (TW-PW) est de pouvoir obtenir, au foyer d'une optique focalisante, des intensités très élevées atteignant jusqu'à 10^22W.cm^-2 soit un champ électrique de 2.7 PV.m^-1. Pour cela, ces chaînes lasers délivrent nécessairement des faisceaux de grands diamètres (jusqu'à 40 cm) et des impulsions très courtes (de l'ordre de la dizaine de femtosecondes). En conséquence, les propriétés spatiales et temporelles de l'impulsion ne sont généralement pas indépendantes. Ce type de dépendance, appelée couplage spatio-temporel, a pour conséquence d'augmenter la durée d'impulsion et la taille de la tache focale, ce qui peut conduire à une diminution notable de l'intensité maximale au foyer. Les dispositifs de métrologie couramment utilisés sur ces chaînes lasers femtosecondes de haute puissance ne permettent de mesurer les profils spatial et temporel de l'impulsion que de façon indépendante.L'objectif de cette thèse était de développer des techniques permettant de mesurer les couplages spatio-temporels afin de pouvoir quantifier leur effet et de les corriger dans l'optique d'obtenir l'intensité maximale au foyer. Ainsi, nous avons tout d'abord adapté une technique de caractérisation spatio-temporelle existante à la mesure de lasers TW. Afin d'éviter les contraintes induites au foyer, comme celles liées aux fluctuations de pointé, les mesures ont été réalisées sur le faisceau collimaté. Ajouter une source de référence en parallèle du dispositif initial, nous a aussi permis de prendre en compte les artéfacts de mesure dus aux variations thermiques et mécaniques affectant l'interféromètre. Grâce à cette amélioration, il est possible de reconstruire le profil spatio-temporel complet du faisceau, en particulier son front d'onde.Cependant, les limitations induites par cette technique, nous ont conduit à développer un nouveau dispositif de mesure. Basé sur une corrélation croisée, cette technique consiste à faire interférer le faisceau laser à caractériser avec une partie de ce dernier, suffisamment petite pour ne pas être distordue spatio-temporellement. Nous avons également mis en œuvre une variante de ce dispositif permettant une mesure mono-coup selon une dimension transverse de l'impulsion.A l'aide de ces différentes techniques, nous avons pu caractériser, pour la première fois, plusieurs chaînes lasers TW. Les mesures réalisées ont mis en lumière l'existence de couplages spatio-temporels résiduels conduisant à une baisse significative de l'intensité pic au foyer. Ces résultats montrent qu'il est indispensable de caractériser spatio-temporellement des chaînes lasers femtosecondes de haute puissance dans l'optique d'obtenir l'intensité maximale au foyer. / One of the advantages of high-power femtosecond lasers (TW-PW) is to obtain, at the focus of a focusing optic, very high intensities up to 10^22W.cm^-2 (i.e. an electric field of 2.7 PV.m^-1. Therefore, these lasers chains necessarily deliver beams with large diameter (up to 40 cm) and very short pulses (of the order of tens of femtoseconds). As a consequence, the spatial and temporal properties of the pulse are generally not independent. Such dependence, called spatial-temporal coupling has the effect of increasing the pulse duration and the size of the focal spot, which can lead to a significant reduction of the maximum intensity at the focus. Metrology devices commonly used on these high-power femtosecond lasers allow retriving the spatial and temporal profiles of the pulse only in an independent manner. The aim of this thesis was to develop techniques for measuring spatiotemporal couplings in order to quantify their effect and correct them in order to obtain the maximum intensity at focus. First of all, we adapted an existing technique of spatio-temporal characterization to the measurement of TW lasers. To avoid the issues induced at the focus, such as those related to jittering, measurements were performed on the collimated beam. By adding a reference source to the original device, we managed to take into account the measurement artifacts due to thermal and mechanical variations affecting the interferometer. With this improvement, it was possible to reconstruct the complete spatio-temporal profile of the beam, particularly its wavefront. However, the limitations imposed by this technique led to the development of a new measurement device. Based on a cross-correlation, this technique consists of making the laser beam to interfere with a part of itself, small enough not to be spatiotemporally distorted. We have also implemented a variant of this device for a single-shot measurement along one transverse dimension of the pulse. Using these techniques, we performed the very first characterization of several TW laser chains. The measurements have revealed the existence of residual space-time couplings leading to a significant decrease of the peak intensity at focus. These results show that it is essential to spatio-temporally characterize high power femtosecond laser chains to obtain the maximum intensity at focus.

Ce mémoire présente les efforts effectués pour réduire l'angle de perte de couches de pentoxyde de tantale amorphes telles qu'utilisées pour les miroirs de LIGO. Afin d'améliorer le niveau de relaxation des couches, celles-ci ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron à des températures allant de 50 °C à 480 °C, elles ont subi un recuit thermique rapide, elles ont été implantées par des ions d'oxygène, elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en appliquant une tension de polarisation sur le substrat lors du dépôt allant de 0 V à -450 V et elles ont été déposées par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance dans le cadre de différentes expériences. L'angle de perte, l'épaisseur, la rugosité, l'indice de réfraction, la composition atomique, la contrainte, l'état de relaxation et le module de Young des couches ont par la suite été trouvés à l'aide de l'ellipsométrie spectralement résolue, la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford, la détection des reculs élastiques, la spectroscopie Raman, la diffraction de rayons X et la nano-indentation. Il a été trouvé que la température de dépôt améliorait légèrement le degré de relaxation des couches jusqu'à 250 °C, mais qu'elle avait peu d'impact après recuit. Aussi, lors de dépôt à température de la pièce, une forte tension de polarisation réduit l'angle de perte, mais cet effet est encore une fois perdu suite au recuit. Les autres méthodes mentionnées ci-dessus n'ont pas influencé le degré de relaxation des couches selon l'angle de perte, la spectroscopie Raman et la diffraction de rayons X. Cette recherche a été réalisée avec le support financier du CRSNG et du FRQNT (numéro de dossier 206976). / This master's thesis presents the experiments made to reduce the loss angle of tantala coatings similar to those used in LIGO. To improve the relxation level of the coatings they were deposited by magnetron sputtering at temperatures varying from 50 °C to 480 °C. They were also subjected to rapid thermal annealing, and oxygen implantation. In another experiment, the coatings were deposited by magnetron sputtering with substrate biasing varying from 0 V to -450 V at room temperature and at 250 °C. Finally, the coatings of tantala were deposited by high power impulse magnetron sputtering. The loss angle, thickness, roughness, refractive index, atomic composition, stress, the relaxation state and Young's modulus of the coatings were characterized using spectroscopic ellipsometry, Rutherford backscattering, elastic recoil detection, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and nanoindentation. It was found that the deposition temperature improved the loss angle until it reached 250 °C. However, annealing the coatings had a superior impact and the influence of the deposition temperature was not visible after annealing. When was applied a high bias to the susbtrate at room temperature, the obtained coating was slightly more relaxed than when a low bias was applied but this effect is, once again, insignificant after annealing. The other methods of deposition mentioned did not improve the loss angle or modify the relaxation state found by Raman spectroscopy and X-ray diffraction of the tantala coatings. This research was made with the financial support of the NSERC and of the FRQNT (file number 206976).

En 2015, le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a observé pour la première fois des ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux trous noirs. Cette observation résulte de 40 ans d’efforts afin de réduire au minimum les sources de bruit qui affectent l’interféromètre. À ce jour, la sensibilité de LIGO, dans son domaine de fréquence le plus sensible, est limitée par la granularité de la lumière d’une part et, d’autre part, par un phénomène de fluctuations thermiques résultat de la dissipation mécanique dans les couches minces qui constituent ses miroirs, en particulier dans le matériau ayant un haut indice de réfraction : l’oxyde de tantale. Une amélioration de la sensibilité permettrait d’observer davantage d’événement, d’autres phénomènes gravitationnels, ainsi que des détails importants permettant de mieux les comprendre. Ce mémoire présente les résultats de nos recherches afin de diminuer le bruit causé par la dissipation mécanique interne dans les couches à haut indice de réfraction. Pour ce faire, des couches d’oxyde de tantale ont été dopées soit au zirconium ou à la fois au zirconium et au titane, par co-dépôt. Des couches avec différentes quantités de dopant ont été synthétisées par pulvérisation cathodique magnétron sur des substrats de silice semblables à ceux de LIGO. Par la suite, la dissipation mécanique, l’épaisseur, la rugosité, la composition, la densité surfacique, et la microstructure ont été caractérisées par suspension nodale, ellipsométrie résolue spectralement, spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford et la spectroscopie Raman. Il appert que le zirconium permet d’augmenter la température de recuit avant la cristallisation, ce qui permet de diminuer plus amplement la dissipation mécanique interne, mais ne change pas la dissipation à une température de recuit donnée. Il a aussi été déterminé que la concentration de titane permettait de diminuer l’angle de perte, peu importe la concentration de zirconium. Une combinaison des deux dopages et un recuit à haute température permet ainsi de recuire par un facteur d’environ 1.5 la dissipation mécanique interne. La différence de coefficient d’expansion thermique durant les recuits à haute température induit cependant des problèmes de craquement des couches, partiellement résolus par l’application d’une couche de recouvrement en silice. / In 2015, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) observed for the first time gravitational waves generated by the merger of two black holes. This observation was the resut of 40 years of efforts to minimize the noise source which affect the the interferometer. To this date, the sensitivity of LIGO, in its most sensitive frequency domain, is limited by the granularity of the light on one hand, on the other, by a phenomenon of thermal fluctuations resulting from the mechanical dissipation in the thin film of the miroir, in particular in the high refractive index material: tantala. An improvement of the sensitivity would allow the measurement of more events, other gravitational phenomena and some details that would result in a better understanding. This master’s thesis presents results of our research to reduce the noise caused by internal mechanical dissipation in high refractive index layers. To do so, tantala layers were doped with either zirconium and titanium by co-deposition. Layers with different amounts of dopant were synthesized by magnetron sputtering on fused silica substrate similar to those of LIGO. Subsequently, mechanical dissipation, thickness, roughness, composition, areal density and microstructure were characterized by gentle nodal suspension, spectrally resolved ellipsometry, Rutherford backscattering spectroscopy, and Raman spectroscopy. It appears that zirconium allows the annealing temperature to be increased before crystallization which further decreases internal mechanical dissipation, but does not change dissipation at a given annealing temperature. It was also determined that the concentration of titanium reduced the loss angle regardless of the zirconium concentration. A combination of the two dopant and high annealing temperatures thus enables the internal mechanical dissipation to be lower by a factor of 1.5.The difference in thermal expansion coefficient during high temperature annealing, however, induces layer cracking problems, partially resolved by the application of a silica cap.