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Les effets non-linéaires dépendant essentiellement de l’intensité du champ électrique de l’onde et du guide, sont indispensables à la génération des régimes impulsionnels dans les lasers à fibre dopée. L’effet Kerr, qui se manifeste quel que soit l’énergie de propagation et de pompage, va engendrer le phénomène de l’auto modulation de phase (SPM) qui se traduira par un élargissement spectral. La SPM peut se voir aussi dans l’interaction entre les deux ondes qui se propagent le long des axes lents et rapides du guide (XPM). Dans un guide uniforme passif, cette auto modulation de phase en se conjuguant avec la dispersion chromatique du guide peut conduire à l’impulsion soliton, mais ce cadre doit être largement dépassé pour aborder la mise en forme d’impulsions dans un système dissipatif, tel qu’une cavité laser. Ce cadre élargi est celui du soliton dissipatif. Dans ce travail, nous avons passé en revue la fibre optique dopée en tant que milieu actif. Nous avons présenté le principe physique du blocage de modes, en introduisant l’absorbant saturable virtuel reposant sur l’évolution non linéaire de la polarisation (ENLP). Dans la partie expérimentale, on s’est penché plus particulièrement sur de nouvelles dynamiques à haute cadence (multi-GHz) d’un laser à fibre dopée, à modes bloqués. Avant de présenter et positionner notre travail, on s’est intéressé dans un premier temps à ce qui a été publié sur la génération des trains d’impulsions ultracourtes à haute cadence. Nous avons étudié chaque configuration, allant de la génération de régime harmonique à haute cadence par le blocage de modes habituel jusqu’aux techniques utilisant l’instabilité de modulation avec un filtrage interférométrique (µcavité, F.P, SFBG). En évaluant les opportunités de réalisation de chacune, nous avons été attirés par la configuration de Mao, publiée dans Sci. Reports, toute fibrée, qui sera le premier volet de notre contribution expérimentale. Effectivement, dans un premier temps nous avons repris les travaux de Mao et al. où le MZI est pris en série dans la cavité fondamentale. Dans le souci d’apporter plus de stabilité, nous avons proposé une autre configuration où le MZI est pris dans une boucle de recirculation qui permettra plus de filtrage des modes cavité en phase. Cette stabilité du régime impulsionnel, à haute cadence, a été observée en temps réel. / Non-linear effects, which depend essentially on the intensity of the electric field of the wave and the guide, are essential for the generation of pulse regimes in doped fiber lasers. The Kerr effect, which occurs regardless of the propagation and pumping energy, will generate the phenomenon of phase auto modulation (SPM), which will result in a spectral expansion. The SPM can also be seen in the interaction between the two waves that propagate along the slow and fast axes of the guide (XPM). In a passive uniform guide, this self-phase modulation in combination with the chromatic dispersion of the guide can lead to the soliton pulse, but this framework must be largely overcome to address pulse shaping in a dissipative system, such as a laser cavity. This extended framework is that of the dissipative soliton. In this work, we reviewed doped optical fiber as an active medium. We presented the physical principle of mode blocking, introducing the virtual saturable absorber based on the non-linear evolution of polarization (ENLP). In the experimental part, we focused more particularly on new high rate dynamics (multi-GHz) of a doped fiber laser with blocked modes. Before presenting and positioning our work, we first focused on what was published on the generation of ultra-short high speed pulse trains. We studied each configuration, ranging from the generation of high-rate harmonic regime by blocking the usual modes to techniques using modulation instability with interferometric filtering (µcavity, F.P, SFBG). In assessing the opportunities for each, we were attracted by the configuration of Mao, published in Sci. Reports, all fiber, which will be the first part of our experimental contribution. Indeed, initially we resumed the work of Mao et al. where the MZI is taken in series in the fundamental cavity. In order to provide more stability, we have proposed another configuration where the MZI is caught in a recirculation loop that will allow more filtering of the cavity modes in phase. This stability of the impulse regime, at high repetition rate, was observed in real time.

L’étude expérimentale des processus physico-chimiques de la combustion nécessite de disposer de diagnostics non-intrusifs. Le présent manuscrit reporte le développement du diagnostic laser de mesure de température DRASC (Diffusion Raman anti-Stokes Cohérente) en régime d’impulsions laser femtoseconde pour lequel la configuration à sonde à dérive de fréquence (CPP) a permis d’effectuer des mesures instantanées de température à 1kHz. Un travail à la fois théorique, numérique et expérimental a permis d’extraire la température des spectres DRASC instantanés acquis dans des mélanges air/argon (300-600K) et en flamme prémélangée CH4/Air avec une précision de l’ordre de 1% à 2100 K. La validité de ces résultats est obtenues par des confrontations numérique/expérimental pour différentes grandeurs d’influence. Cette étude permettra dans un proche futur d’appliquer le diagnostic DRASC fs CPP dans des flammes turbulentes représentatives d’écoulements réels observés en combustion aéronautique. / The experimental study of the physico-chemical processes of combustion requires the use of non-intrusive diagnostics. This manuscript reports the development of the CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)) laser diagnostic in the femtosecond pulse regime for which the Chirped Pulse Probe (CPP) configuration enabled instantaneous measurements of temperature at 1kHz. A theoretical, numerical and experimental study allowed highlighting the possibility to measure temperature from the data processing of instantaneous DRASC spectra acquired in air/argon mixtures (300-600K) and in premixed flame CH4/Air with an accuracy of 1% at 2100 K. Validity of these results was obtained from numerical/experimental confrontations for different scalar parameters configurations. This study would enable in the near future the application of the CPP fs CARS diagnostic in turbulent flames representative of real flows observed in aeronautical combustion.

Depuis une vingtaine d’années, la physique attoseconde, via le phénomène de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG), a permis de nombreuses avancées dans la compréhension des phénomènes de dynamique ultra-rapide. Les lasers femtoseconde émettant des impulsions de fortes énergies et de durées de quelques cycles optiques sont les outils indispensables à cette physique. De plus, la phase entre la porteuse et l’enveloppe (CEP) des impulsions doit être contrôlée. Récemment les lasers basés sur les fibres dopées ytterbium ont permis de transposer les expériences d’HHG à haute cadence. La stabilisation de la CEP pour ce type de systèmes constitue la brique manquante au développement de sources à haute cadence pleinement compatibles avec ces applications. Cette thèse a été consacrée à la stabilisation CEP d’un laser à fibre dopée ytterbium pour une application à la génération de rayonnement cohérent dans l’XUV à fort flux de photon. Dans la première partie nous présentons l’architecture d’une source à un taux de répétition de 100 kHz stable en CEP émettant des impulsions de 30 microjoules et 96 fs. Ce système constitue une preuve de principe pour les futures sources haute énergie. La stabilisation de CEP est assurée par une architecture hybride composée d’un injecteur stabilisé passivement suivi d’un amplificateur de puissance stabilisé activement. Un bruit résiduel de CEP inférieur à 400 mrad est obtenu dans différentes configurations, de la mesure courte durée (1 s) tir à tir jusqu’à la mesure sur une heure de fonctionnement. Dans la seconde partie nous présentons la mise au point d’une ligne HHG XUV optimisée à 13 nm sur les paramètres d’un laser à fibre, pour des applications à l’imagerie par diffraction cohérente. / In the last two decades, attosecond physics, based on the high harmonic generation (HHG) phenomenon, has allowed a better understanding of ultrafast dynamics in the microcosm. High-energy few-cycles carrier-envelope phase (CEP) stabilized sources are the main enabling tools for this physics. Recently, temporally compressed Ytterbium-doped fiber amplifiers have been successfully used as high XUV photon flux HHG drivers. CEP stabilization of these sources would ensure their full compatibility with attoscience. The thesis is devoted to the CEP stabilization of a high repetition rate Yb-doped fiber femtosecond source, for high XUV photon flux beamline applications. In the first part, we present the architecture of such a source at 100 kHz repetition rate delivering 30 microjoules 96 fs CEP-stable pulses. It constitutes a test bench for future energy-scaled few-cycle sources. The CEP stabilization is ensured in a hybrid architecture including a passively stabilized frontend followed by an actively stabilized power amplifier. A residual CEP noise <400 mrad is measured using various setups, including a shot-to-shot measurement over 1 s and a long-term stability over 1 h. In the second part, we discuss the design of a high flux HHG beamline optimized for a future generation of fiber-based driver at 13 nm for applications to coherent diffraction imaging.

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Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendbarkeit eines hochmodernen 100 kHz BB-VSFG-Spektrometers, das kürzlich im SALSA Photonics Lab entwickelt wurde, für die Analyse der Grenzflächenstruktur von Alkylketten, des sie umgebenden Wassers und der Phosphatkopfgruppen von Phospholipidschichten. Zunächst wurden Phospholipid-Doppelschichten, die mehrere Komponenten enthalten, bei Laserwiederholraten von 5, 10, 50 und 100 kHz mit konstanter Pulsenergie untersucht. Die BB-VSFG-Spektren legen nahe, dass die Phospholipid-Doppelschichten während der Messungen ohne wärmeinduzierte Veränderungen stabil waren. Darüber hinaus bot die Erhöhung der Laserwiederholungsrate eine praktikable Möglichkeit, Spektren in kurzen Datenerfassungszeiten zu erhalten, ohne dass das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigt wurde. Die extrem kurze Aufnahmezeit von 500 ms, die hohe spektrale Auflösung und alle verwendeten Pulsparameter sorgen dafür, dass bei Messungen unter Umgebungsbedingungen keine thermisch bedingten Photoschäden auftreten. Es wurde eine systematische Untersuchung von ein- und zweikomponentigen Phospholipid-Monoschichten in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung und dem Mischungsverhältnis für verschiedene Kombinationen an Polarisationen durchgeführt und die Abhängigkeit der Schwingungsspektren untersucht. Die Struktur von Alkylketten und umgebendem Wasser wurde anhand derselben Modellsystemen analysiert. Bislang nicht beobachtete Schwingungsbanden und Spektren von Monolagen mit geringer Oberflächenbedeckung wurden mit einem bisher nicht erreichten Signal-Rausch-Verhältnis gemessen und beschrieben. Die Struktur von Phospholipid-Monolagen mit identischen Kopfgruppen und unterschiedlichen Ketten wurde analysiert und verglichen. Die Spektren bestätigten die Anwesenheit von Wassermolekülen in der Nähe der Phosphat- und Cholingruppen der Phospholipid-Monolagen. / This thesis focuses on the applicability of a state-of-the-art 100 kHz BB-VSFG spectrometer recently developed at the SALSA Photonics Lab and on the analysis of the interfacial structure of alkyl chains, surrounding water, and the phosphate head groups of phospholipid layers. First, multi-component phospholipid bilayers were studied at laser repetition rates of 5, 10, 50, and 100 kHz at constant pulse energy. The spectra suggest that the phospholipid bilayers were stable during the measurements with no heat-induced distortions. Moreover, an increase in the laser repetition rate provided a feasible route to obtain spectra in short data acquisition times without compromising the signal-to-noise ratio. The extremely short acquisition time of 500 ms, the high spectral resolution, and all applied pulse parameters ensured no thermal induced photodamages occur during the measurements. A systematic study of one- and two-component phospholipid monolayers as a function of surface tension and mixture ratio at different polarization combinations was performed and the dependence of the vibrational spectra was explored. The structure of alkyl chains and surrounding water was analyzed using the same model systems. Vibrational modes that were previously unseen and spectra of monolayers at low surface coverage were reported for the first time with an unprecedented signal-to-noise ratio. The structure of phospholipid monolayers containing identical head groups and different chains was analyzed and compared. The order of the phospholipid molecules as a function of the composition of the monolayers was inferred from the spectral data. The influence of the hydration and/or changes in the orientation of the phosphate group was visible from the spectra as well.

Lasers find a wide range of applications in many areas including photo-biology, photo-chemistry, materials processing, imaging and telecommunications. However, the practical use of such sources is often limited by the bulky nature of existing systems. By fabricating channel waveguides in solid-state laser-gain materials more compact laser systems can be designed and fabricated, providing user-friendly sources. Other advantages inherent in the use of waveguide gain media include the maintenance of high intensities over extended interaction lengths, reducing laser thresholds. This thesis presents the development of Yb:tungstate lasers operating around 1μm in waveguide geometries. An Yb:KY(WO₄)₂ planar waveguide laser grown by liquid phase epitaxy is demonstrated with output powers up to 190 mW and 76 % slope efficiency. This is similar to the performance from bulk lasers but in a very compact design. Excellent thresholds of only 40 mW absorbed pump power are realised. The propagation loss is found to be less than 0.1 dBcm⁻¹ and Q-switched operation is also demonstrated. Channel waveguides are fabricated in Yb:KGd(WO₄)₂ and Yb:KY(WO₄)₂ using ultrafast laser inscription. Several of these waveguides lase in compact monolithic cavities. A maximum output power of 18.6 mW is observed, with a propagation loss of ~2 dBcm⁻¹. By using a variety of writing conditions the optimum writing pulse energy is identified. Micro-spectroscopy experiments are performed to enable a fuller understanding of the induced crystal modification. Observations include frequency shifts of Raman lines which are attributed to densification of WO₂W bonds in the crystal. Yb:tungstate lasers can generate ultrashort pulses and some preliminary work is done to investigate the use of quantum dot devices as saturable absorbers. These are shown to have reduced saturation fluence compared to quantum well devices, making them particularly suitable for future integration with Yb:tungstate waveguides for the creation of ultrafast, compact and high repetition rate lasers.