L'endommagement laser est le résultat d'une interaction laser-matière qui se traduit par une dégradation physique des optiques, entraînant une détérioration de leur fonction optique. C'est un des facteurs limitant le développement des lasers de puissance et de leurs applications. Dans les matériaux diélectriques et en régime femtoseconde, ce phénomène repose sur des processus non linéaires et dépend des propriétés intrinsèques du matériau, contrairement au régime nanoseconde. Un banc d'endommagement laser femtoseconde a été développé et appliqué à l'étude du comportement des couches minces diélectriques. Le caractère déterministe de l'endommagement femtoseconde a été confirmé sur les substrats et les couches minces. Nous montrons de plus que les couches minces sont le siège d'effets transitoires, capables d'affecter le seuil d'endommagement, lorsque la densité d'électrons libres atteint une valeur critique. Un modèle dynamique a été développé afin de prendre en compte ces effets. Son efficacité à prédire l'évolution du seuil d'endommagement en fonction de la durée de l'impulsion a été démontrée expérimentalement. Les tests d'endommagement menés sur des monocouches HfO2 montrent une dépendance du seuil d'endommagement avec la technique de dépôt. Par ailleurs le comportement linéaire du seuil d'endommagement en fonction de la largeur de bande interdite a été confirmé pour les oxydes purs. Enfin nous présentons la première étude exhaustive sur la tenue au flux de mixtures d'oxydes, menée en collaboration avec le centre laser de l'Université de Vilnius, Lituanie et le Laser Zentrum Hannover LZH, Allemagne.

Cette thèse présente l'étude de dynamique à l'échelle femtoseconde de systèmes atomiques et moléculaires. Dans une première partie nous décrivons l'oscillation d'un paquet d'onde dans un doublet de structure fine de l'atome de potassium, observée expérimentalement. Cette oscillation est reliée à la précession du spin autour du moment angulaire total. Nous montrons théoriquement comment mettre à profit cette oscillation pour produire des électrons polarisés en spin. En ionisant ce même atome par deux impulsions ultracourtes séparées en temps, deux paquets d'électrons libres sont émis. Nous montrons qu'il est possible de les faire interférer. L'étude expérimentale, par la technique pompe-sonde, de l'excitation d'un système à deux niveaux dans l'atome de rubidium par une impulsion à dérive de fréquence nous a permis d'observer en temps réel le transfert de population de l'état fondamental vers l'état excité. Ce transfert s'accompagne de transitoires cohérents résultant d'interférences entre les amplitudes de probabilité transférées au passage et après le passage par la résonance. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la prédissociation d'états très excités de l'acétylène, de durées de vie très courtes (~100 fs). Nous avons dans un premier temps réalisé des expériences en régime nanoseconde REMPI (3+1). Les signatures des spectres de photoélectrons correspondant aux différents états permettent de mettre en évidence le mélange des caractères Rydberg-Valence dans cette gamme d'énergie. La dynamique de ces états est observée en fonction du délai entre des impulsions ultracourtes pompe VUV (132 nm) et sonde UV (396 nm) en collectant le signal d'ion et/ou le spectre de photoélectrons. Nous montrons par ces résultats que la détermination des durées de vie doit passer par une analyse des signaux pompe-sonde tenant compte des caractéristiques des impulsions laser.

Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés. Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.

Pour un grand nombre d'applications, les sources laser impulsionnelles femtoseconde (fs) doivent fournir des puissances toujours plus importantes. En régime impulsionnel, on recherche d'une part une forte puissance crête par impulsion, et d'autre part une forte puissance moyenne, c'est à dire un taux de répétition élevé. Parmi les technologies existantes, les amplificateurs à fibre optique dopée ytterbium présentent de nombreux avantages pour l'obtention de fortes puissances moyennes, cependant le fort confinement des faisceaux dans la fibre sur de grandes longueurs d'interaction induit inévitablement des effets non-linéaires, et limite ainsi la puissance crête accessible. Nous avons étudié lors de cette thèse la combinaison cohérente d'impulsions fs appliquée aux systèmes fibrés.Ayant déjà fait ses preuves dans les régimes d'amplification continu et nanoseconde, la combinaison cohérente de faisceaux (dite combinaison spatiale) permet de diviser une seule et unique source en N voies indépendantes, disposées en parallèle et incluant chacune un amplificateur. Les faisceaux amplifiés sont ensuite recombinés en espace libre en un seul et unique faisceau, qui contient toute la puissance des N amplificateurs sans accumuler les effets non-linéaires. Cette architecture permet théoriquement de monter d'un facteur N le niveau de puissance crête issu des systèmes d'amplification fibrés. Au cours de cette thèse, nous avons démontré la compatibilité et l'efficacité de cette méthode en régime d'amplification fs avec deux amplificateurs, selon différents procédés. Les expériences démontrent d'excellentes efficacités de combinaison ainsi qu'une très bonne préservation des caractéristiques temporelles et spatiales initiales de la source. Les procédés de combinaison cohérente nécessitent cependant un accord de phase entre différents amplificateurs stable dans le temps, assuré en premier lieu par une boucle de rétroaction. Nous avons poursuivi notre étude en concevant une architecture totalement passive, permettant une implémentation plus simple d'un système de combinaison à deux faisceaux sans asservissement électronique. Enfin, une méthode passive de combinaison cohérente dans le domaine temporel est étudiée et caractérisée dans le domaine fs, et implémentée simultanément avec la méthode passive de combinaison spatiale proposée précédemment. Ces expériences démontrent la validité et la variété des concepts proposés, ainsi que leurs nombreuses perspectives pour les systèmes d'amplification fs fibrés.

Si les performances des instruments d'exploration de l'Univers continuent de s'améliorer, c'est souvent au prix d'une augmentation de leurs dimensions. Pour le développement de nouveaux télescopes spatiaux, le vol en formation de satellites est une solution technique de plus en plus envisagée. La mesure absolue des distances entre satellites avec une exactitude de l'ordre de quelques dizaines de microns est alors une nécessité pour l'exploitation des données obtenues avec de tels systèmes. Elle est aussi au cœur d'expériences de physique fondamentale. Mon travail de thèse a porté sur le développement de deux télémètres, T2M et Iliade pouvant répondre à ces besoins. La difficulté dans le développement de ces deux systèmes est de concilier un grand intervalle de mesure de distances avec une grande sensibilité tout en gardant une certaine simplicité et ainsi permettre que ces instruments puissent être embarqués. La performance visée est une mesure de distance de l'ordre du kilomètre exacte à mieux d'un micron. La différence entre T2M et Iliade réside dans leurs conceptions mais aussi dans leurs complexités et les performances visées en termes de résolution. Le télémètre T2M exploite la différence de phase d'une onde modulée en amplitude séparée entre une voie de mesure et une voie de référence. La résolution visée avec ce système est la dizaine de nanomètres. Ce système est capable d'atteindre une grande exactitude du fait que la mesure de distance est déduite d'une mesure de fréquence. Les problèmes d'erreurs cycliques inhérentes à l'utilisation de ce type de techniques sont éliminés par un système d'aiguillage optique permettant d'échanger les faisceaux propres aux deux voies de télémétrie en regard des deux voies de détection. Après la stabilisation du battement de fréquences des deux lasers, mon travail a porté sur l'amélioration de la résolution et sur l'élimination des diverses sources d'erreurs affectant l'exactitude. Les objectifs fixés semblent être atteints et les résultats obtenus sont très encourageants pour les futurs tests et développements à réaliser. Le télémètre Iliade combine une mesure de temps de vol d'impulsions laser et une mesure interférométrique à deux longueurs d'onde. Au prix d'une sophistication un peu plus importante que T2M, la résolution visée est inférieure au nanomètre. La caractérisation de la source d'impulsions d'Iliade présentant un taux de répétition de 20 GHz, a permis de montrer que la gigue temporelle de 65 fs à sa sortie est principalement due au bruit de phase du battement initial de deux lasers monomodes. J'ai travaillé sur une cavité Fabry Perot fibrée pour pré-stabiliser le rayonnement d'un laser monomode. J'ai démontré une technique permettant d'obtenir un signal d'erreur de type dispersif, sans recourir à une modulation. Enfin j'ai étudié une méthode numérique basée sur l'analyse harmonique permettant d'assurer une mesure de différence de phase avec une exactitude de 10-5 radian. Le télémètre Iliade est actuellement en cours de développement.

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée. / Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder.

Cette thèse est consacrée à l’étude d’une technique innovante de lyse de microorganismes, fondée sur l’utilisation d’impulsions haute tension en milieu aqueux. Cette technique se distingue de l’électroporation qui exploite le champ électrique produit pour dégrader la membrane cellulaire ; dans notre étude les impulsions haute tension permettent la formation d’arcs électriques produisant de multiples phénomènes physico-chimiques qui peuvent entraîner la lyse des microorganismes.L’efficacité du procédé a été évalué sur les microorganismes suivants : des microalgues productrices d’huile (Nannochloropsis gaditana et Phaeodactylum tricornutum) et des bactéries couramment utilisées comme modèles de laboratoire (Escherishia coli et Bacillus subtilis). Dans ces travaux, nous avons montré que les ondes de pression produites sont principalement responsables de la lyse.En fin d’étude, des perspectives sont explorées en vue du développement de systèmes autonomes soit dans le cadre de la bioproduction, soit dans le cadre de l’analyse cellulaire. / This thesis focuses on the study of an innovative technology for microorganisms lysis, based on high voltage pulses generated in an aqueous medium. This technology is different from electroporation which operates thanks to the electric field for damaging cell membranes ; in our study high voltage pulses generate an electric arc leading to various physicochemical phenomena supposed to lyse microorganisms.The technology efficiency is evaluated with the following microorganims : some lipid producting microalgae (Nannochloropsis gaditana and Phaeodactylum tricornutum) and classical laboratory model bacteria (Escherishia coli and Bacillus subtilis). In this work, we found that generated shock waves are mainly responsible of the cells lysis.At the end, the development of self-functioning devices is investigated either for bioproduction or for cell analysis.

Ce travail de thèse explore l’excitation électrique de micro-OLEDs en régime d’impulsion afin d’évaluer la possibilité d’atteindre le seuil laser dans les diodes laser organiques qui restent encore à démontrer. Ils’agit d’identifier des solutions scientifiques et techniques ouvrant la voie vers des densités d’excitations électriques équivalentes aux seuils laser observés en pompage optique. Dans la littérature, les seuils les plus bas sont équivalents à des densités de courant entre 0.72 et 4kA/cm² si on suppose une efficacité quantique externe de 1%. De telles densités de courant imposent un régime d’excitation électrique impulsionnel pour s’affranchir des risques de destructions par effet thermique et des pertes par annihilation singulet-triplet dès lors que l’on travaille avec des durées d’impulsion de l’ordre de la nanoseconde. Et pour espérer des réponses électriques et optiques efficaces à de telles durées d’impulsions, il est proposé ici de combiner l’électronique hyperfréquence et l’optoélectronique organique. A cet effet, un modèle électrique équivalent de l’OLED permettant d’accéder à son temps de réponse en mode tout-ou-rien est développé. De plus, des électrodes spécifiques sont dimensionnées et structurées sous forme de lignes coplanaires d’impédance caractéristique 50Ω afin de maîtriser l’impédance du circuit d’excitation et d’assurer le transfert du maximum d’énergie de l’impulsion d’excitation vers celui-ci. Après dépôts de l’hétéro-structure organique basée sur le système hôte-dopant Alq3:DCM, les composants ainsi réalisés sont caractérisés électriquement et optiquement avec différentes techniques par analyse vectorielle, en régime continu et en régime d’impulsion. En régime d’impulsion de très courtes durées (2.5~20ns) et à faible taux de répétition (100Hz), des temps de réponse de 330ps etdes densités de courant maximales entre 4 et 6kA/cm² ont été mesurés alors que le maximum de luminance culmine à 4.11x10⁶ cd/m². / This thesis explores the pulsed electrical excitation of micro-OLEDs in order to evaluate the possibility of reaching the laser threshold in organic laser diodes that have not yet be demonstrated. The main goal is the identification of the scientific and technical solutions towards high electrical excitation current densities equivalent to the laser thresholds observed under optical pumping. In the literature, the lowest reported thresholds are equivalent to current densities between 0.72 and 4kA/cm², assuming an external quantum efficiency of 1%. Such current densities imply a pulsed electrical excitation regime to prevent the risks of device breakdown by Joule heating effects and to avoid losses by excitons annihilation processes, as long as the pulses duration are in nanosecond range. To expect efficient electrical and optical responses to such pulse durations, it is suggested to combine microwave electronics and organic optoelectronics. For this purpose, an equivalent electrical model of the organic light emitting device, allowing access to its on-off mode time response, is developed. Additionally, specific electrodes are designed and patterned in the coplanar waveguide configuration with characteristic impedance of 50Ω, inorder to control the impedance of the excitation circuit and to ensure the maximum energy transfer of the excitation pulse to the device. After deposition of organic hetero-structure based on the Alq3:DCM host-guest system, the device is characterized electrically and optically with different techniques by vector network analysis, in continuous mode and in pulse mode. In pulse excitation regime with very short pulses durations (2.5~20ns) and low repetition rate (100Hz), time response of 330ps and maximum current densities between 4 and 6kA/cm² are recorded while the maximum of luminance peaks at 4.11x10⁶ cd/m².

Produire des impulsions lumineuses toujours plus courtes permet de résoudre temporellement des processus microscopiques de plus en plus rapides grâce aux techniques pompe-sonde. Ainsi, mesurer la dynamique d'évolution des électrons dans la matière nécessite des impulsions de durée situées dans la gamme attoseconde (1 as=10-18 s). Si une technique pour générer de telles impulsions a été identifiée dès le début des années 90, il a fallu attendre 2001 pour que des méthodes permettant d'en mesurer la durée soient enfin élaborées, basées sur la spectroscopie des photoélectrons produits par photoionisation d'atomes en présence d'un champ laser. Je présente l'évolution de ces méthodes, depuis les premiers concepts permettant simplement d'estimer une durée, jusqu'aux techniques plus élaborées donnant aujourd'hui accès expérimentalement à la structure temporelle exacte du champ électrique. Des sources d'impulsions attosecondes bien caractérisées sont ainsi aujourd'hui disponibles et commencent à être utilisées dans des expériences résolues en temps. Néanmoins, pour étendre la gamme des phénomènes accessibles, il est essentiel d'obtenir des sources plus intenses, plus brèves et à plus courtes longueurs d'onde. Dans ce contexte, j'analyse le phénomène de réflexion spéculaire d'impulsions lasers ultraintenses sur miroir plasma, qui devrait à terme permettre l'obtention de sources attosecondes de « 2ième génération ».

MISE EN EVIDENCE, EN REGIME DE FORTE EXCITATION, DU DEGRE DE FRAGILITE DU SYSTEME QUASI-PARTICULES<->CONDENSAT DE PAIRES. LES MATERIAUX DE GRANDE DIFFUSIVITE ELECTRONIQUE ONT CANTONNE L'ETUDE A DES SITUATIONS DE QUASI-HOMOGENEITE. EN CE QUI CONCERNE LES PHONONS BALISTIQUES, DES RESULTATS PRECIS ONT ETE OBTENUS: L'ETAT SUPRACONDUCTEUR A T=0 AGIT COMME UN FILTRE PARFAIT DES FREQUENCES JUSQU'A LA CASSURE DES PAIRES DONT LE SEUIL ET L'ANISOTROPIE SONT AINSI MESURABLES; EN FRANCHANT THERMIQUEMENT L'INTERACTION AVEC LES QUASI-PARTICULES, LES DUREES DE VIES LIMITEES PAR LES ELECTRONS ONT ETE OBTENUES MODE PAR MODE. DES MESURES SUR LE NIOBIUM ONT PERMIS DE DONNER UNE VALEUR MOYENNE DU POTENTIEL DE DEFORMATION. APPROCHE SYNTHETIQUE DES MODES POSSIBLES DE LA CONDUCTIVITE ELECTRONIQUE PAR UNE METHODE D'EQUATIONS DE TRANSPORT COUPLEES. CONCLUSION