Lors de la filamentation d'une impulsion laser femtoseconde dans un gaz, la symétrie du milieu optique est brisée dans la direction de polarisation du champ électrique intense du laser. Les propriétés optiques du gaz sont alors modifiées, le milieu passant d'isotrope à biréfringent. Expérimentalement, l'évolution temporelle de ces modifications d'indice de réfraction est sondée par une seconde impulsion sonde femtoseconde de faible intensité. L'analyse de la figure de diffraction de l'impulsion sonde en champ lointain et la modulation de son spectre révèlent la nature des changements d'indice. Dans les milieux atomiques non résonnants tels que l'argon, ces changements d'indice sont instantanés et sont attribués à l'effet Kerr électronique. Dans les gaz moléculaires tels que l'air et l'azote, l'effet dominant provient de la réponse moléculaire retardée par environ 100 fs et causée par l'alignement des molécules dans la direction de polarisation de la pompe. L'alignement partiel des molécules se reproduit périodiquement dans le temps, aux délais correspondant au quart de la période fondamentale de rotation des molécules.

Nous avons mis au point une nouvelle technique optique de détection en temps réel des bioaérosols parmi un ensemble d'aérosols de fond, dont en particulier les suies de combustion. Cette technique repose sur l'excitation ultra-brève multi-impulsionnelle des fluorophores intrisèques des bioaérosols. Des signatures spécifiques aux bactéries et aux hydrocarbures ont ainsi été mises en évidence, alors que les spectres de fluorescence de ces espèces sont indiscernables. <br /><br />La spectroscopie pompe-sonde a aussi été mise en oeuvre pour sonder la dynamique de propagation d'une impulsion femtoseconde dans une microcavité 2D de forme spirale. Nous avons réalisé un dispositif d'imagerie de corrélation afin de suivre, avec une résolution temporelle, la propagation d'un paquet d'onde laser. Des simulations FDTD ont permis d'interpréter les observations et de mettre en évidence un processus original de couplage de sortie, impliquant la réflexion de l'onde évanescente sur la discontinuité de la spirale.

Cette thèse constitue une étude théorique et numérique sur l'accélération d'ions à haute énergie dans l'expansion d'un plasma créé par laser. Les faisceaux d'ions émis en face arrière d'une cible irradiée présentent des caractéristiques (laminarité, faible divergence, largeur des spectres) qui les distinguent de ceux provenant de la face avant. Ces caractéristiques ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que la protonthérapie ou la radiographie de protons. L'accélération des ions s'effectue via un champ électrostatique auto-consistant résultant de la séparation de charges entre les ions et les électrons chauds. La première partie du mémoire présente le modèle théorique fluide ainsi que le code de simulation hybride décrivant l'expansion du plasma. La modélisation numérique d'une récente expérience de sondage du champ d'expansion par faisceaux de protons permet de valider le modèle exposé. L'influence d'un gradient initial de densité sur l'efficacité de l'accélération est abordée dans le seconde partie. Nous établissons un modèle qui retrace la dynamique du plasma et plus particulièrement le déferlement du flot ionique. Les réseaux de courbes qui prévoient une nette dégradation de l'énergie maximale des protons pour de grandes longueurs de gradient sont en accord avec les résultats expérimentaux. L'hypothèse d'un équilibre de Boltzmann électronique, supposé dans le modèle guide, est remise en cause dans la troisième partie où les électrons suivent une description cinétique. La nouvelle version du code permet d'évaluer l'écart à la loi de Boltzmann, qui ne modifie pas cependant de manière significative l'énergie maximale acquise par les ions.

La thèse traite d'un point de vue expérimental la dynamique d'aimantation induite par laser femtoseconde de nanostructures magnétiques. En premier lieu, nous nous sommes intéressés à la dynamique de spins dans des plots ferromagnétiques individuels de CoPt3 et de permalloy (le diamètre varie de 0.25 à 30 Μm). Le montage expérimental consiste en des mesures magnéto-optique Kerr pompe sonde en géométrie confocale (la résolution spatiale est 300 nm ; la résolution temporelle est 150 fs). Nous avons montré que la dynamique d'aimantation dépend fortement de la densité d'excitation laser notamment le temps de relaxation spin-réseau et la fréquence de précession. Nous avons également étudié l'expansion spatiale de la désaimantation dans un plot individuel. De plus, nous avons développé une technique d'imagerie résolue en temps permettant d'étudier le renversement d'aimantation dans des films et plots individuels de CoPt. Nous avons exploré l'effet des différents paramètres : intensité laser, champ magnétique appliqué, et la nature cristalline du substrat (alliage, multicouches) sur le renversement d'aimantation. Enfin, nous avons étudié par microscope à force magnétique la structure des domaines magnétiques induite par laser. <br />Nous avons également étudié la dynamique cohérente d'aimantation de nanoparticules magnétiques (le diamètre moyen varie de 2 à 10 nm) excitées par des impulsions laser. L'analyse de la trajectoire d'aimantation dans les trois directions de l'espace (polaire, longitudinal, transverse) après l'excitation optique (> 120 fs) nous a permis de mettre en évidence la désaimantation ultrarapide (~ 200 fs), le mouvement gyroscopique de l'aimantation (précession et l'amortissement de l'aimantation) qui précède les fluctuations super-paramagnétiques. Nous avons exploré le rôle de l'anisotropie magnétique sur la réorientation initiale de l'aimantation et nous avons montré que le damping augmente avec la diminution de la taille de particules.

L'irradiation d'agrégats de gaz rare de taille nanométrique par une impulsion laser brève (quelques centaines de femtosecondes) et intense (I>10^{15} W/cm2) génère un rayonnement X (multi-keV) de courte durée. Afin de comprendre et modéliser les mécanismes mis en jeu dans ce type d'interaction, nous avons repris un modèle hydrodynamique existant, le modèle "nanoplasma", où la cible est considérée comme une sphère diélectrique irradiée par le champ laser quasistatique, produisant un plasma de taille nanométrique. Nous avons cependant démontré que le modèle en l'état ne pouvait reproduire les résultats expérimentaux tels que les importants degrés d'ionisation observés et les spectres X associés. Nous avons alors inclus dans le modèle deux mécanismes supplémentaires qui améliorent significativement la dynamique d'ionisation:<br /><br /> - Nous avons introduit des processus d'ionisation d'ordres supérieurs en incluant des états excités intermédiaires X^{q+} + e- -> X^{q+*} +e- -> ... -> X^{(q+1)+} +2 e-. Nous avons pour cela utilisé une approche potentiel modèle pour décrire la structure électronique des ions (ou atomes) de l'agrégat et nous avons évalué les sections efficaces totales d'excitation et d'ionisation collisionnelles suivant le formalisme des ondes distordues. <br /> <br /> - Nous avons étudié l'influence des phénomènes d'écran induits par la densité d'électrons libres sur la dynamique de l'interaction. A l'aide d'un potentiel d'écran sophistiqué, nous avons montré que les effets d'écran augmentent les sections totales d'ionisation et réduisent les sections d'excitation par rapport aux données non écrantées. <br /><br />Le modèle nanoplasma amélioré permet à présent de reproduire les populations d'états de charge très élevés observées expérimentalement ainsi que la variation de l'émission He_alpha provenant d'agrégats d'argon en fonction des différents paramètres de l'interaction (durée d'impulsion, taille d'agrégat, éclairement crête, longueur d'onde). Nous avons également simulé les spectres d'émission X résolus en temps et en énergie. Ces spectres indiquent une durée d'émission ultra-brève (inférieure à 100 fs), et confirment ainsi que l'interaction laser-agrégat est une source de rayonnement utilisable dans le cadre d'applications à la science X ultra-rapide.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la propagation non linéaire, sous forme de filaments laser, d'impulsions laser ultra-courtes dans l'atmosphère. Les résultats, principalement obtenus à partir d'expériences réalisées en laboratoire, apportent des éléments de compréhension clés en lien avec la la projection de filaments laser dans l'air. Trois aspects distincts de la filamentation sont abordés, à savoir l'évolution, le contrôle et les applications de la filamentation laser. Dans la section évolution, un filament unique a été rigoureusement caractérisé sur plusieurs dizaines de mètres. Plusieurs mesures ont été effectuées pour obtenir une image détaillée du phénomène global. En effet, la caractérisation inclut la mesure de la distribution de plasma du filament et l'évolution spectrale des impulsions laser. Également, des canaux de lumière intense, exempte d'ionisation, ont été observés et caractérisés sur plusieurs dizaines de mètres. La section sur le contrôle présente des méthodes qui pourraient éventuellement résoudre plusieurs problèmes liés à la projection de filaments puissants à longue distance. La plupart de ces méthodes se concentrent sur la fusion de filaments multiples afin d'obtenir un plus grand nombre d'électrons libres ou, un plus grand élargissement spectral. Ces méthodes comprennent l'utilisation de masques spéciaux, la diffraction d'une ouverture circulaire et un système d'optique adaptative. Enfin, la troisième partie présente deux applications prometteuses de la filamentation dans l'air. La première est la télédétection de polluants. Plusieurs cibles (gaz, cibles métalliques, nuages de fumée, aérosols, traces d'explosifs) ont été exposées à la radiation des filaments et la fluorescence caractéristique de ces cibles a été recueillie à l'aide de la technique LIDAR. Un système d'optique adaptative a été utilisé pour améliorer de façon significative les signaux de fluorescence émise. La deuxième application discutée est la génération d'impulsions dans l'infrarouge moyen via le mélange à quatre ondes durant la filamentation à deux couleurs. Le développement de nouvelles sources laser dans l'infrarouge moyen est de première importance pour résoudre des problèmes importants pour la défense et la sécurité civile. En utilisant cette méthode, des impulsions à large bande centrées entre 4-7 [Mu]m de longueur d'onde ont été produites.

Cette thèse porte sur l’assemblage de verres par impulsions laser femtosecondes. Une source laser femtoseconde à haute fréquence de répétition a été utilisée pour souder des lames de borosilicate de haute qualité de surface. La technique d’assemblage mise en œuvre diffère de la littérature par le système de focalisation utilisé. Un plan d’expériences a été réalisé afin de déterminer l’influence des différents paramètres laser sur les performances des soudures obtenues, démontrant que l’augmentation de la quantité d’énergie déposée améliore les performances mécaniques et thermiques. Les assemblages soudés peuvent atteindre une haute résistance mécanique supérieure à 25 MPa et supporter des chocs thermiques supérieurs à 300 ° C. L’adaptation des paramètres laser en fonction de la distance entre les lames de verre permet de souder des verres hors contact optique. Cette méthode a également été implémentée avec succès à l’assemblage de verre sur du silicium. / This PhD thesis is about glass bonding by femtosecond laser pulses. A femtosecond laser source generating high repetition rate laser pulses has been used to weld borosilicate glass plates with high surface quality. The method presented in this work differs from the literature by the focusing system implemented. The influence of the laser parameters on the bonded samples performances has been studied implementing a design of experiments, demonstrating that the mechanical and thermal resistance of the samples can be improved by increasing the amount of deposited. Thebonded samples provide high mechanical resistance, higher than 25 MPa, can held high thermal shock above 300 °C and present high transparency above 90 %. Glass bonding with a distance between the glass plates has been performed by adapting the laser parameters. Bonding of glass on silicon has also been performed successfully.

Des puissances extraordinaires sont, de nos jours, extraites de systèmes à fibres dopées (» 10 kW de puissance continue et » 1 MW de puissance crête en régime d'impulsions). L'augmentation de la puissance dans les systèmes s'accompagne de l'apparition d'effets qui peuvent limiter leurs performances. Parmi ceux-ci citons, notamment, les effets non linéaires, thermiques, de dégradation des propriétés spatiales et spectrales de faisceau, . . . ). Au cours de cette thèse, nous avons développé et étudié des systèmes à fibre dopée Ytterbium délivrant de très fortes puissances en régime de fonctionnement continu et en régime d'impulsions. Pour ce faire, nous avons retenu une technologie à fibre double-gaine couplée à des techniques de pompage adaptées. La puissance s'élevant, nous avons été confrontés à l'apparition d'effets non linéaires. Une étude théorique de ces effets nous permet de proposer des méthodes originales pour s'en affranchir ou en augmenter le seuil. Nos expériences confrontées à notre étude théorique et, le cas échéant, à un modèle d'analyse numérique, nous permettent d'accroître la puissance obtenue. Un amplificateur optimisé pour l'amplification d'un signal à gain faible en régime continu est étudié. Les mêmes méthodes, en régime d'impulsions, permettent de préserver les propriétés spectrales d'une source laser très cohérente à très forte puissance crête. Dans ce régime, une technique de modelage de l'impulsion source est mise en oeuvre, en amplification à l'aide d'une structure à oscillateur amplifié, pour réduire l'impact sur les performances à très forte puissance des effets non linéaires. Celle-ci est étudée, pour l'extraction de très fortes énergies, de manière théorique et nos résultats de simulations confrontés à l'expérience. Avec les technologies utilisées nous proposons, enfin, une ouverture vers l'obtention de davantage de puissance.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé par focalisation d'un laser intense femtoseconde dans un jet de gaz rare permet d'obtenir des trains d'impulsions attosecondes dans l'extrême ultraviolet. Dans cette thèse, nous présentons une caractérisation temporelle de ce rayonnement sur deux échelles de temps, femtoseconde et attoseconde. <br />En transposant une technique d'interférométrie spectrale couramment utilisée pour la caractérisation complète d'impulsions infrarouges (SPIDER), nous effectuons une caractérisation complète monocoup du profil temporel d'harmoniques individuelles, à l'échelle femtoseconde.<br />Ensuite, nous étudions expérimentalement la structure attoseconde du rayonnement harmonique, et mettons en évidence une dérive temporelle dans l'émission : les harmoniques les plus faibles sont émises avant les plus élevées. Cette dérive, qui est directement liée à la dynamique électronique microscopique dans le processus de génération, limite la durée d'impulsion que l'on peut obtenir en augmentant la largeur spectrale. Nous présentons les résultats de l'optimisation des conditions de génération afin d'améliorer la synchronisation dans l'émission. Nous montrons également la possibilité de recomprimer les impulsions attosecondes.<br />Enfin, nous proposons une nouvelle technique pour la caractérisation complète d'impulsions attosecondes arbitraires : FROGCRAB. Elle permettrait une mesure simultanée des caractéristiques femtoseconde et attoseconde du rayonnement, et ainsi une connaissance complète de la source lumineuse attoseconde en vue de son utilisation dans des expériences d'applications.

Les systèmes laser ultracourts concentrent une énergie de quelques microjoules dans une impulsion d'une centaine de femtosecondes, de telle sorte que les intensités atteignent 10^12 à 10^15 W/cm^2. Lors de l'irradiation d'un métal, la matière est éjectée du milieu d'origine avec une très grande précision, ce qui confère au système des qualités indéniables pour des applications industrielles. Dans ce travail, nous avons adopté une démarche théorique en proposant une modélisation et une simulation des effets engendrés par ce type d'impulsion.<br /><br /> La mise en mouvement ultrarapide des électrons libres insuffle une dynamique puissante de destruction du métal. Des modèles optiques, thermiques et hydrodynamiques adaptés, réalisant la transition entre l'état dégénéré de la matière condensée vers un régime plasma chaud non-dégénéré, sont ici développés. Nous les avons insérés dans un code Lagrangien de simulation hydrodynamique. Nous montrons que des états thermodynamiques extrêmes, hors d'équilibre, peuvent être engendrés et nous avons comparé les taux d'ablation obtenus aux résultats d'expérience. <br /><br /> Une conductivité électrique hors d'équilibre est également développée afin de rendre compte des effets produits par la dynamique électronique sur les propriétés d'absorption optique. Plusieurs types d'expériences numériques, impliquant notamment des dispositifs pompe-sonde, sont ensuite exposés afin d'améliorer notre compréhension des processus de transport (électron-électron et électron-phonon) dans ce régime. Nous avons enfin appliqué cette modélisation aux effets produits par une impulsion mise en forme temporellement afin d'optimiser les expériences d'ablation.