Ce travail concerne l'étude de matériaux monocristallins à basses énergies de phonons, dopés par des ions de terres rares pour la réalisation de lasers solides pompés par diodes et émettant dans l'infrarouge moyen. Pour cela des cristaux purs et dopés (Er3+ou Pr3+) de KPb2Cl5 et Tl3PbX5 (X=Cl, Br) ont été élaborés par la méthode de Bridgman-Stockbarger. Ces matrices non hygroscopiques et à fusion congruente présentent des transitions de phase lors du refroidissement qui ne limitent cependant en rien l'élaboration de cristaux de taille centimétrique. L'étude spectroscopique des matériaux dopés par l'ion Er3+a été effectuée à haute comme à basse température. Il a ainsi été possible de mettre en évidence que ces systèmes présentent des temps de vie de fluorescence et des sections efficaces de gain favorables à une émission laser autour de 4,5 µm. Il a été également démontré que les processus d'up-conversion " par absorption dans les états excités des ions Er3+ à la longueur d'onde de pompage optique comme les processus de transferts d'énergies entre les ions n'entraînent pas de pertes optiques significatives pour le système laser. Les paramètres ainsi obtenus ont alors été utilisés pour construire un modèle et simuler le fonctionnement de ce système laser en présence d'un pompage par diodes à 800 nm. L'étude spectroscopique de l'ion Pr3+ dans différents matériaux a enfin permis de mettre en évidence des sections efficaces d'émission élevées associées à des temps de vie importants favorables cette fois à une émission laser autour de 5µm.

Le travail de thèse décrit plusieurs sources lasers originales spécifiquement développées pour deux applications particulières que sont la spectroscopie LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) et le marquage de câbles par laser. Les travaux sur la LIBS ont eu pour principaux objectifs de proposer de nouvelles solutions pour rapprocher les performances de la LIBS portable de celles de la LIBS de laboratoire et d’évaluer leur potentiel sur des applications géologiques. De nouvelles solutions de spectromètres (technologie SWIFTS) et de lasers compacts ont ainsi été évaluées et ont conduit par exemple à la réalisation d’un nouveau pistolet d’analyse LIBS portable. Les deux sources laser disposent de performances spécifiques : une première source compacte de très bonne qualité de faisceau émettant à 532 nm permettant d'obtenir une forte résolution spatiale adaptée à de la cartographie chimique de surface et une deuxième source infrarouge d'encombrement minimum et de qualité de faisceau plus faible mais d'une grande robustesse. La source laser développée pour le marquage par balayage est donc un laser Nd:YVO4 impulsionnel, quelques watts moyens, émettant dans l’ultraviolet à 355 nm. L’architecture originale utilisée, le « Cavity-Dumped », permet d’obtenir une durée d’impulsion constante (2 ns) quelle que soit la fréquence de répétition et donc une puissance crête élevée même à cadence importante. La très bonne qualité de faisceau observée a aussi permis d’obtenir un spot laser de très faible diamètre compatible avec un marquage précis et bien contrasté. / This work describes three original laser sources developed specifically for Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and wire marking. The main goal of the work on the LIBS was to propose new solutions to make portable LIBS as efficient as laboratory LIBS and to evaluate their potential in geological applications. New spectrometers (based on SWIFTS technology) and compact lasers were evaluated and they led to the realization of a portable LIBS gun. The two types of analyze possible which are in situ analysis and chemical cartography of the sample surface led to design two specific lasers: a first compact source emitting at 532 nm with a high beam quality allowing a high spatial resolution and a second one with a lower beam quality but much more robust. The laser developed for marking is a Q-switched Nd:YVO4 emitting in the UV at 355 nm. The original architecture used, the “Cavity-Dumped”, make the pulse duration constant (2 ns) with any repetition rate so that the peak power is high even if the repetition rate is important. The very good beam quality observed makes the laser spot very small so that the marking is very precise and contrasted.

Cette thèse expérimentale est consacrée à l’optimisation d’une source de rayons X Kalpha générée par interaction laser femtoseconde à fort contraste temporel avec une cible épaisse en molybdène. Ce travail vise à explorer l’effet du contraste temporel sur l’émission Kalpha sur une gamme d’intensité combinant les deux régimes relativiste et non-relativiste. La première étude est consacrée à l’évolution de l’émission Kalpha en fonction du contraste temporel et de l’intensité. L’étude a révélé différents comportements de l’émission Kalpha suivant la valeur du contraste et d’intensité. L’étude a aussi montré une émission Kalpha indépendante du contraste dans le régime relativiste. Au regard des travaux de la littérature, nous avons proposé une première interprétation des résultats obtenus. Il s’agit d’établir un lien entre l’émission Kalpha et les mécanismes d’absorption de l’énergie laser. Certains mécanismes sont dépendants de l’angle d’incidence. Afin d’appuyer notre interprétation, une deuxième étude du rendement de la source Kalpha en fonction de l’angle d’incidence a été réalisée. Ainsi les résultats obtenus sont en accord avec certaines de nos conclusions. En outre, Nous nous sommes intéressés à l’effet de l’étirement temporel de l’impulsion. Nous avons observé une sensibilité de l’émission suivant le signe du chirp. Enfin, nous avons étudié l’effet du contraste et de l’intensité sur la taille de la source X. Celle-ci est d’autant plus réduite que le contraste est plus fort et devient très proche de la tache focale laser à faible intensité laser. Le rendement de production en photon Kalpha atteint est de 2 × 10^−4, similaire au meilleur rendement reporté à ce jour. / This thesis is focused on the optimization of a Kalpha x-ray source induced by high contrast femtosecond laser molybdenum thick target interaction. The objective of this work is to explore the effect of the temporal contrast ratio on Kalpha emission in an intensity range including the non relativistic and relativistic regimes. The first study consists of the measurement of Kalpha emission as a function of contrast ratio and intensity. The study shows different behaviors of the emission depending on the contrast ratio and intensity range. Furthermore, it was found that in the relativistic regime Kalpha production is independant of the contrast ratio. According to published work in litterature, we proposed a first intepretation of the obtained results. In particular, we discuss the absorption mechanism of laser pulse energy for each contrast ratio and intensity condition. Some of the mechanisms are dependant on the angle of incidence of the pulse on target. Thus, to verify the validity of our interpretation, we study the Kalpha effciency as a function of the angle of incidence. Most of the results agree with our first conclusions. Furthermore, we investigate the effect of the chirped pulse of the Kalpha emission. It is shown that Kalpha emission is sensitive to the sign of the chirp. Finally, we performed a study on the effect of contrast ratio and intensity on the x-ray source size. It was observed that high contrast ratio decreases strongly the x-ray source size which aproaches the focal spot size at low laser intensity. High Kalpha efficiency is reached 2 × 10^−4 which is similar to the highest effciency reported to date in litterature for a thick molybdenum target.