Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz. / This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency.

Titre de l'écran-titre (visionné le 31 juillet 2023) / Le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen a soulevé beaucoup d'intérêt en recherche au cours des deux dernières décennies. Ces sources laser sont particulièrement intéressantes pour la télédétection de gaz atmosphériques, pour le diagnostic médical, pour la découpe de tissus biologiques, pour le traitement des matériaux et pour les applications en défense et sécurité. Cependant, elles ne sont pas encore suffisamment robustes et fiables pour permettre leur utilisation à grande échelle. Cette thèse se concentre donc sur le développement de lasers impulsionnels à fibre optique émettant autour de 2.8 µm avec une architecture tout-fibre adaptée pour les applications nécessitant des systèmes robustes pouvant être déployés dans des environnements non contrôlés. Ainsi, ces lasers sont également intéressants pour l'usinage laser et les applications biomédicales ainsi que pour les applications en défense et sécurité. Le chapitre 1 présente l'état de l'art des lasers à fibre optique émettant dans l'infrarouge moyen, autant en régime continu qu'en régime impulsionnel, et les défis technologiques à relever pour leur permettre de percer dans les différentes applications d'intérêt. Ensuite, le premier laser impulsionnel à commutation du gain ayant une architecture tout-fibre émettant dans l'infrarouge moyen est présenté au chapitre 2. Celui-ci génère des impulsions aussi courtes que 170 ns avec une énergie par impulsion de 80 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Au chapitre 3, le développement d'un nouvel absorbant saturable à partir d'une fibre en silice dopée au dysprosium a permis la commutation des pertes d'un laser tout-fibre émettant des impulsions à 2.8 µm avec une durée de 240 ns et une énergie de 4.9 µJ à un taux de répétition de 140 kHz. Pour y arriver, un réseau de Bragg à pas variable hautement réflectif inscrit dans l'absorbant saturable en silice est utilisé de façon novatrice pour l'infrarouge moyen. Nous avons aussi optimisé la technique d'épissure entre une fibre en silice et une autre en verre fluoré pour obtenir une bonne transmission monomode. Finalement, le chapitre 4 présente les effets des paramètres d'un réseau de Bragg uniforme à large bande spectrale, de la longueur de la fibre active et d'un combinateur de pompe fibré sur les performances d'un laser à fibre optique émettant des impulsions aussi courtes que 15 ps à 2.8 µm par synchronisation modale à l'aide d'un SESAM. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la porte au déploiement des lasers impulsionnels émettant dans l'infrarouge moyen pour les applications ciblées.

Dans les thérapies rétiniennes sélectives (TRS) au laser, on vise à confiner les dommages produits par le laser à l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR). L’objectif poursuivi est de générer des effets thérapeutiques équivalant à ceux de la photocoagulation classique sans toutefois provoquer la destruction des photorécepteurs. La stratégie des TRS consiste à miser sur des durées d’exposition au laser plus courtes (~ 1 µs), ce qui limite la conduction de la chaleur vers les photorécepteurs. Cette réduction des temps d’exposition coïncide avec la transition du régime thermique d’endommagement des cellules à un régime photomécanique, où la microcavitation intracellulaire devient le principal phénomène responsable des dommages créés. La microcavitation correspond à la formation de bulles de vapeur transitoires autour de pigments cellulaires chauffés par le laser. Dans les TRS, il importe de contrôler la taille maximale de ces bulles pour éviter d’endommager les photorécepteurs par voie photomécanique et ainsi profiter d’une réelle sélectivité. Notre étude vise à évaluer le potentiel du formatage temporel d’impulsions laser en tant que méthode permettant d’assurer une diffusion minimale de la chaleur autour des pigments avec un contrôle simultané de la taille des bulles de microcavitation. Afin de réaliser une première preuve de concept, nous nous sommes principalement intéressés aux mécanismes physiques impliqués pour le cas de pigments de mélanine isolés en suspension dans l’eau, et ce tant expérimentalement que théoriquement. Nous présentons également quelques résultats obtenus lors d’expériences préliminaires réalisées ex vivo avec des feuillets d’EPR provenant d’yeux de lapin. Il s’agit là de premières étapes essentielles s’inscrivant dans une démarche qui pourra par la suite examiner la réponse biologique des tissus rétiniens à différents formats d’impulsions, dans le but d’établir les conditions d’irradiation permettant d’optimiser la sélectivité et la fenêtre thérapeutique des TRS. / The rationale of selective retina therapies (SRT) is to confine laser-induced damages to the retinal pigment epithelium (RPE) in order to produce therapeutic effects equivalent to those generated in classical photocoagulation, while sparing the photoreceptors. For this purpose, SRT use shorter irradiation times (~ 1µs) to reduce thermal conduction to the neural retina. At these time scales, a transition from thermal to photomechanical cellular damage mechanisms occurs. Indeed, intracellular microcavitation inside RPE cells was shown to be a dominant mechanism leading to cell death in SRT. Microcavitation is a phenomenon where transient vapor bubbles are generated around laser-heated cellular pigments. The control of the maximum size of these bubbles is of paramount importance in SRT to avoid photomechanical alterations of the photoreceptors, which would compromise the selectivity of the treatment. The goal of this study is to evaluate the potential of temporal laser pulse formatting as a mean of ensuring minimal heat conduction around cellular pigments while controlling the size of the bubbles at the same time. In order to conduct a first proof of concept, the focus was kept on the physical mechanisms involved for the case of isolated melanin pigments suspended in water, both experimentally and theoretically. The outcomes of preliminary experiments conducted with leporine RPE sheets ex vivo are also presented. The results of this study represent crucial initial steps in a program that will thereafter examine the biological response of retinal tissues to various pulse formats in order to determine irradiation conditions that will optimize the selectivity and the therapeutic window of SRT.

Les interactions entre un milieu diélectrique et des impulsions laser intenses sont étudiées, d’abord d’un point de vue général, puis dans le contexte de la fabrication de nanostructures de surface auto-organisées. Les bases de l’électromagnétisme, de l’optique et de la physique des plasmas sont posées, avant de présenter la première contribution majeure de cette étude. Un nouveau modèle décrivant la formation de plasma induit par laser dans un milieu diélectrique, nommé delayed rate equations (DRE), est présenté. Ce modèle d’ionisation a les avantages d’être facile à implémenter dans une simulation numérique, peu coûteux en ressources computationnelles. L’émergence de nanostructures périodiques auto-organisées à la surface initialement rugueuse et aléatoire de matériaux exposés à des impulsions laser est ensuite étudiée numériquement, en tenant compte des effets électromagnétiques (équations de Maxwell). La seconde contribution majeure est l’implémentation d’une boucle de rétroaction dans les simulations, entre le champ électromagnétique et le plasma en formation. Ces simulations révèlent un nouveau phénomène, l’auto-reconfiguration de nanostructures de plasma, se produisant durant l’interaction. Finalement, on effectue des simulations multi-impulsionnelles qui permettent d’observer l’évolution de la forme de la surface après chaque impulsion laser. On observe la croissance de nanostructures de surface ayant une période et une orientation semblables à celles obtenues dans la densité du plasma après sa reconfiguration. Ceci confirme l’hypothèse que les motifs observés dans le plasma peuvent effectivement être inscrits de façon permanente dans la forme de la surface. / The interactions between intense laser pulses and a dielectric medium are studied, first in a general perspective, then in the context of the fabrication of self-organized surface nanostructures. After going through the rudiments of electromagnetism, optics and plasma physics, the first major contribution of this study is presented. A novel model for laser-induced plasma formation in dielectrics, the delayed rate equations model (DRE) is described. This ionization model has several advantages, among which are the ease of implementation in numerical simulations and low computational cost, while preserving all the advantages of the state of the art model that can be incorporated in tridimensional simulations. The emergence of periodic self-organized nanostructures at the initially rough and random surface of materials after being exposed to intense light is then numerically studied in a time domain electromagnetic framework. The second major contribution is the implementation of a feedback loop in the simulations, between the electromagnetic field and the plasma information. Simulations reveal a new phenomenon, the self-reconfiguration of plasma nanostructures, which occurs at the laser pulse time scale. Finally, multi-pulses simulations are performed, revealing the evolution of the shape of the irradiated surface after each laser pulse. The growth of surface nanostructures with period and orientation similar to what was observed in the plasma density, after its reconfiguration, is observed. This confirms the hypothesis that the plasma patterns can effectively be permanently inscribed in an irradiated surface.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les lasers impulsionnels opérant dans l'infrarouge moyen ont ouvert la porte à une multitude d'applications au cours des dernières années, mais la plage spectrale entre 3 μm et 3.5 μm a largement fait défaut. L'ion dysprosium disposant d'une large plage d'émission couvrant cette plage a attiré beaucoup d'attention, notamment grâce au développement de sources laser pouvant être utilisées pour son pompage. L'objectif de cette thèse était de développer des sources impulsionnelles performantes basées sur des fibres de fluorozirconate dopées au dysprosium. Cette thèse présente dans un premier temps un article de revue présentant l'état de l'art des lasers à fibre dopée aux lanthanides émettant entre 3 μm et 5 μm. Les considérations spectroscopiques et théoriques du dysprosium sont ensuite discutées dans le second chapitre. Le troisième chapitre présente la modélisation numérique des lasers à fibre dopée au dysprosium ainsi que l'étude numérique des schémas de pompage considérés dans le cadre de cette thèse, soit le pompage à 1.1 um et le pompage à 2.8 μm. Les deux derniers chapitres présentent les principaux résultats expérimentaux obtenus. D'abord un pompage intrabande a permis d'obtenir les meilleures performances à ce jour pour un laser impulsionnel fibré opérant au-delà de 3 μm. Ce laser opérait à 3.24 μm pour des cadences de 20-120 kHz avec une puissance maximale de 1.4 W et une énergie maximale par impulsion de 19.2 μJ. Le dernier article présente un laser pompé cette fois-ci par un système laser à l'ytterbium à 1064 nm. Des performances plus modestes ont été obtenues, mais un record d'énergie par impulsion pour ce type de pompage avec 8.9 μJ a été obtenu à 10 kHz. Le laser opérait de 100-200 kHz, soit les cadences les plus élevées pour ce type laser, mais une puissance moyenne limitée à 207 mW. Ces résultats montrent que parmi les différents schémas de pompage disponibles, le pompage intrabande semble être celui produisant les meilleures performances et permettent d'établir des lignes directrices quant au développement futur des lasers à fibre dopée au dysprosium dans l'objectif de répondre aux besoins des applications dans le domaine de la détection de méthane et de l'usinage des polymères. / Pulsed lasers operating in the mid-infrared have opened the door to a multitude of applications in recent years, but the spectral range between 3 μm and 3.5 μm has been largely underserved. The dysprosium ion with a wide emission range covering this range has attracted a lot of attention, especially thanks to the development of laser sources that can be used for its pumping. The objective of this thesis was to develop efficient pulsed sources based on dysprosium doped fluorozirconate fibers. This thesis first presents a review article describing the state of the art of lanthanide-doped fiber lasers emitting between 3 μm and 5 μm. Spectroscopic and theoretical considerations of dysprosium are then discussed in the second chapter. The third chapter presents the numerical modeling of dysprosium-doped fiber lasers as well as the numerical study of the pumping schemes considered in this thesis, i.e., 1.1 μm pumping and 2.8 μm pumping. The last two chapters present the main experimental results obtained. First, an in-band pumping has allowed to obtain the best performances to date for a pulsed fiber laser operating beyond 3 μm. This laser operated at 3.24 μm for rates of 20 kHz to 120 kHz with a maximum power of 1.4 W and a maximum energy per pulse of 19.2 μJ. The last paper presents a laser pumped this time by an ytterbium laser system at 1064 nm. More modest performances were obtained, but a record energy per pulse for this type of pumping with 8.9 μJ was obtained at 10 kHz. The laser operated from 100 kHz to 200 kHz, the highest rates for this type of laser, but an average power limited to 207 mW. These results show that among the different pumping schemes available, in-band pumping seems to be the one producing the best performances and allow to establish guidelines for the future development of dysprosium-doped fiber lasers in order to meet the needs of applications in the field of methane detection and polymer processing.

Différents aspects de l'interaction d'une impulsion ultra-courte et ultra-intense avec un plasma sous-dense ont été étudiés analytiquement et numériquement.Ces études présentent un intérêt pour l'accélération laser de particules dans les plasmas, les lasers à rayons X, la génération d'harmoniques d'ordre élevé, le concept d'allumeur rapide pour la fusion par confinement inertiel. On a utilisé le code particulaire relativiste WAKE développé précédemment à l'Ecole Polytechnique. Ce code a été modifié au cours de la thèse pour traiter le mouvement des ions, pour calculer des trajectoires d'electrons tests, et pour inclure des diagnostics divers sur les champs et les particules. Les sujets traités dans cette thèse sont les suivants: l'accélération de photons dans le sillage d'une impulsion laser courte et intense, la vitesse de phase de l'onde plasma dans le sillage d'une impulsion laser auto-modulée, la canalisation relativiste d'impulsions laser de durée de l'ordre de la période plasma, la dynamique ionique dans la sillage, le déferlement. Ensuite on a simulé 3 expériences de propagation d'onde laser et d'accélération d'électrons. Voici les principaux résultats de la thèse : La réduction de la vitesse de phase de l'onde plasma dans le cas d'une impulsion laser auto-modulée ne joue que dans le cas d'un canal préformé pour la guidage relativiste de l'onde laser. On a trouvé des structures self-similaires pour décrire le guidage relativiste d'une impulsion courte dans un plasma. On a démontré la propagation auto-guidée d'impulsion initialement gaussiennes de quelques périodes plasma. On a montré que la force pondéromotrice de l'onde plasma excitée par l'impulsion laser fomre un canal et le déferlement dans ce canal a été analysé en détail. Les éfficacités de l'accélération d'électrons dans le champ laser et dans l'onde plasma ont été comparées. Le décalage en fréquence d'une sonde se propageant dans le sillage plasma a été étudié dans des conditions correspondant à des expériences actuelles.

Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la génération et de la mise en forme d'impulsions térahertz (THz). Dans un premier temps, nous avons étudié la génération d'impulsions THz par redressement optique d'impulsions laser femtosecondes intenses dans des cristaux semiconducteurs de ZnTe. Nous avons mis en évidence une forte dépendance de l'efficacité de ce processus de génération avec l'intensité de l'impulsion laser génératrice. Ceci se traduit en particulier par un décalage progressif du spectre vers les basses fréquences et par une évolution anormale de l'énergie THz avec l'intensité laser. Ces comportements résultent d'une combinaison de trois phénomènes : la déplétion de l'impulsion laser au cours de sa propagation dans le cristal, l'absorption de l'onde THz par les porteurs libres créés par absorption à deux photons et une modification de la condition d'accord de phase induite par les porteurs chauds. Dans un deuxième temps, nous avons développé une approche analytique permettant de générer des impulsions THz de formes particulièrement intéressantes pour les expériences de spectroscopie cohérente ou de contrôle cohérent. Nous avons notamment généré des paires d'impulsions verrouillées en phase, des trains d'impulsions, ainsi que des impulsions THz accordables de grande finesse spectrale. Cette technique repose sur le redressement optique d'impulsions laser femtosecondes mises en forme à l'aide d'un masque à cristaux liquides placé dans le plan de Fourier d'une ligne à dispersion nulle. Afin de démontrer la validité de notre approche, nous avons également développé un programme de simulation qui donne des résultats en très bon accord avec l'expérience.

Les réseaux de diffraction pour la compression d'impulsions constituent actuellement un verrou technologique pour le développement des chaînes laser de puissance énergétiques dans le régime Petawatt. En effet, la tenue au flux laser et les dimensions des réseaux métalliques actuels sont limitées. C'est pourquoi, une nouvelle génération de réseaux de diffraction à multicouches diélectriques (MLD) a été développée. Ce travail d'étude et de caractérisation des réseaux MLD pour le laser Petawatt Pico2000 du LULI constitue la première partie de ma thèse. D'autre part, les réseaux de diffraction pour la compression d'impulsions Petawatt doivent avoir des dimensions de l'ordre du mètre, ce qui complique les procédés de fabrication et de caractérisation. Comme alternative! aux grands réseaux, le concept de la mise en phase de réseaux de diffraction a été étudié. Les différents résultats obtenus sur la mise en phase en lumière monochromatique par technique interférométrique sont exposés ainsi que la démonstration de la compression d'impulsions multi-terawatt par mosaïques de réseaux. Une étude du contrôle temporel des impulsions du laser Pico2000 a également été réalisée, portant sur la thématique du contraste temporel et sur la mise en forme spectrale des impulsions.

Dans ce travail, les propriétés optiques non linéaires de différentes nanostructures métalliques à base d'or et d'argent sont étudiées. En particulier, une attention particulière est portée à la nature cohérente ou incohérente de la réponse. Pour cela, la technique de la Génération du Second Harmonique (SHG) est employée. C'est en effet l'une des méthodes optiques non linéaires les plus simples pour mettre en évidence cette nature cohérente ou incohérente de la réponse. Les échantillons utilisés pour cette mise en évidence sont constitués d'une part par des films diélectriques dopés par des nanoparticules bimétalliques d'alliages du type AuAg de différentes fractions molaires en or pour la réponse incohérente et d'autre part par des réseaux de nanocylindres d'or de différentes tailles disposés selon trois configurations géométriques (carrée, hexagonale et aléatoire) sur un substrat pour la réponse cohérente. La majeure partie du travail est dévolue à l'étude de la propagation et du doublage de fréquence en régime de faisceaux gaussiens et impulsions courtes dans les films diélectriques dopés par des nanoparticules bimétalliques en raison de phénomènes supplémentaires observés simultanément à la conversion de fréquence : absorption et réfraction non linéaire, phase de Gouy... Par la méthode des franges de Maker, les valeurs absolues des composantes de la susceptibilité non linéaire d'ordre 2 de ces films sont mesurées puis les valeurs absolues de l'hyperpolarisabilité quadratique des nanoparticules sont estimées sur la base d'un modèle de réponse incohérente. Enfin, une étude préliminaire sur la génération de continuum de lumière est présentée. La nature cohérente de la réponse SHG est recherchée dans les réseaux de nanocylindres. Nous montrons que l'origine de la réponse est associée à l'existence de défauts de surface dans ces nanostructures et donc conserve un caractère incohérent. Toutefois, nous avons pu mettre en évidence des effets associés à la taille des nanocylindres et à l'organisation des nanocylindres sur le substrat, ce dernier effet étant attaché à un caractère cohérent de la réponse

Thèse de doctorat : Sciences. Physique : Ecole polytechnique Palaiseau : 2005. / Résumés en français et en anglais. Références bibliographiques.