Cette thèse vise à connaître et expliquer l'impact de la contamination moléculaire sur l'endommagement laser des optiques en silice d'un laser de puissance tel que le Laser Méga Joule (LMJ). L'une des causes de l'endommagement prématuré de ces optiques est l'adsorption de polluants moléculaires ou particulaires à leur surface. Dans le contexte particulier du LMJ, nos conditions d'études laser sont des fluences supérieures à 10 J/cm², une longueur d'onde de 351 nm et une durée d'impulsion de 3 ns pour une irradiation en monocoup. Des prélèvements moléculaires, l'analyse du dégazage des matériaux, et l'identification de la contamination condensée sur les surfaces des optiques présentes dans des environnements jugés critiques, ont permis de déterminer certains polluants critiques. Des expériences de contamination contrôlée impliquant ces polluants ont alors été menées afin de comprendre et modéliser leur effet sur l'endommagement laser des optiques. Ceci nous a conduits à proposer plusieurs mécanismes supposés.

Dans ce manuscrit, nous abordons la problématique des modulations de phase sur les lasers de puissance (comme le Laser MégaJoule, projet développé en France) et de leur impact sur différents phénomènes physiques comme la suppression de la diffusion Brillouin stimulée (nécessaire pour éviter l'endommagement des optiques) et le lissage optique qui permet une homogénéisation spatiale des taches focales. Nous abordons de manière approfondie les contreparties des modulations de phase et en particulier la conversion FM-AM qui est source de modulations d'intensité non désirées et de perte d'énergie. Nous donnons une modélisation qui se veut complète des phénomènes générant de la conversion FM-AM sur une chaîne de laser de puissance. Nous étudions théoriquement et expérimentalement les deux méthodes permettant de réduire la conversion FM-AM à distorsion spectrale donnée : la compensation des fonctions de transfert et la modification du signal de modulation de phase pour le rendre moins sensible aux effets de distorsions spectrales. Concernant la seconde voie d'exploration, nous déterminons quelle devrait être la forme du spectre idéal de la modulation de phase et nous donnons une méthode pour s'en approcher. Nous montrons la faisabilité pratique d'une telle méthode et nous effectuons différentes expériences pour montrer dans quelles mesures ces solutions peuvent améliorer les performances les lasers de puissance. Nous concluons ce manuscrit de thèse, en proposant des solutions optimisées pour le Laser MégaJoule.

Ces travaux de thèse ont pour objectif de proposer une nouvelle technique de caractérisation électro-optique de barrettes de diodes Laser de puissance (DLPs), au niveau émetteur individuel à partir d'un banc dédié, utilisées pour le pompage optique à 808nm de système LIDAR en environnement spatial et en régime QCW. Après une étude métrologique fine, ils décrivent une méthodologie de sélection d'un indicateur précoce de défaillance potentielle et sa capacité à estimer la fiabilité de DLPs en conditions opérationnelles (> 109 impulsions à 100Hz/200µs). L'analyse de la dégradation des DLPs se base sur l'identification de signatures paramétriques de défaillance mises en lumière après une série de tests accélérés ciblés et relatives à l'évolution de la puissance optique, du spectre optique (λmax) et du degré de polarisation (DOP) de chaque émetteur de la barrette. Nous montrons également la forte complémentarité entre la mesure du DOP par électroluminescence et par photoluminescence et nous proposons une méthodologie de sélection précoce des émetteurs en considérant leur localisation dans le plan (λmax, DOP). Ces études expérimentales, confortées par des simulations thermiques et mécaniques par éléments finis en introduisant un grand nombre de paramètres technologiques, ont permis de quantifier les niveaux de contraintes résiduelles dans les DLPs en fonction de différentes configurations d'assemblage et d'établir un lien avec leur fiabilité intrinsèque.

Cette thèse vise à connaître et expliquer l’impact de la contamination moléculaire sur l’endommagement laser des optiques en silice d'un laser de puissance tel que le Laser Méga Joule (LMJ). L'une des causes de l'endommagement prématuré de ces optiques est l'adsorption de polluants moléculaires ou particulaires à leur surface. Dans le contexte particulier du LMJ, nos conditions d'études laser sont des fluences supérieures à 10 J/cm², une longueur d’onde de 351 nm et une durée d’impulsion de 3 ns pour une irradiation en monocoup. Des prélèvements moléculaires, l’analyse du dégazage des matériaux, et l’identification de la contamination condensée sur les surfaces des optiques présentes dans des environnements jugés critiques, ont permis de déterminer certains polluants critiques. Des expériences de contamination contrôlée impliquant ces polluants ont alors été menées afin de comprendre et modéliser leur effet sur l'endommagement laser des optiques. Ceci nous a conduits à proposer plusieurs mécanismes supposés. / Laser induced damage impact of molecular contamination on fused polished silica samples in a context of high power laser fusion facility, such as Laser MegaJoule (LMJ) has been studied. One of the possible causes of laser induced degradation of optical component is the adsorption of molecular or particular contamination on optical surfaces. In the peculiar case of LMJ, laser irradiation conditions are a fluence of 10 J/cm², a wavelength of 351 nm, a pulse duration of 3 ns for a single shot/days frequency. Critical compounds have been identified thanks to environmental measurements, analysis of material outgassing, and identification of surface contamination in the critical environments. Experiments of controlled contamination involving these compounds have been conducted in order to understand and model mechanisms of laser damage. Various hypotheses are proposed to explain the damage mechanism.

Les fibres optiques en silice dopées ytterbium sont couramment utilisées pour des applications laser à forte puissance depuis plusieurs années. Ces puissances ne cessent de croître en raison de progrès continus sur les procédés de fabrication des fibres optiques. Cette thèse s’intéresse à l’élaboration de cœurs de fibres optiques en silice vitreuse dopée ytterbium par un procédé plasma (SPCVD). Cette technique a été inventée en 1986 pour la fabrication de fibres optiques de télécommunications et nous l’avons adaptée dans ces travaux de thèse à la fabrication de cœurs de fibres à grande aire effective dopés en terres rares. Dans un premier temps, la mise au point du procédé et des différentes sources d’évaporation des précurseurs est présentée. Les principaux cœurs de fibres élaborés sont très riches en silice, et faiblement dopés en aluminium, en fluor et en ytterbium. L’homogénéité radiale et longitudinale des cœurs est discutée, et plusieurs options sont proposées pour l’améliorer. Dans un deuxième temps, la structure du réseau vitreux des cœurs élaborés ainsi que l’environnement et la dispersion de l’ion Yb3+ au sein du réseau vitreux silicaté sont étudiés. Pour cela, une approche multi-spectroscopique est utilisée : la résonance magnétique nucléaire informe sur l’environnement des noyaux à spin nucléaire non nul 29Si, 27Al et 19F tandis que la résonance paramagnétique électronique à impulsions permet à la fois de sonder spécifiquement l’environnement de l’ion Yb3+ et d’étudier sa dispersion au sein du réseau vitreux. Ces expériences sont complétées par des caractérisations optiques telles que l’absorption et la luminescence des ions Yb3+. Enfin, les cœurs de fibres élaborés par la méthode SPCVD sont caractérisés en cavité laser. L’efficacité de conversion, la qualité de faisceau et la résistance au photonoircissement de plusieurs cœurs aluminosilicatés co-dopés en fluor et en ytterbium sont présentés. / Ytterbium-doped silica optical fibers are widely used for high power laser applications for several years. These powers keep on increasing due to continuous improvements in optical fibers fabrication processes. The aim of this PhD is to synthesize ytterbium-doped silica optical fibers’ cores using a plasma process named SPCVD. This method has been created in 1986 for telecommunications optical fibers synthesis, and we have adapted it to fit the fabrication of rare earth-doped large-mode-area optical fiber cores. We first present the development of ways of evaporating low vapor pressure reagents. All the synthesized optical fiber cores are silica-rich, and slightly doped with both aluminum, fluorine and ytterbium. Radial and longitudinal homogeneities are discussed, and we propose several options in order to improve them. Then, the glassy network structure of the fabricated cores and also the neighborhood and dispersal of Yb3+ ion in the silicate network are studied. Thus, we used several spectroscopic studies: nuclear magnetic resonance enables to focus on non-zero nuclear spin nucleus (29Si, 27Al, 19F) whereas electronic paramagnetic resonance is used to probe the neighborhood and the dispersal of Yb3+ ions. We also based our study on optical characterizations as absorption and luminescence of Yb3+ ions. Finally, the fibers’ cores we synthesized using the SPCVD process have been characterized in a laser cavity. We present the power conversion efficiency, the beam quality and the resistance to photodarkening of several ytterbium and fluorine-co-doped aluminosilicate cores.

Ce travail de thèse concerne le développement de sources femtoseconde de forte puissance moyenne ou de forte énergie avec des matériaux pompés par diodes laser, dopés à l'ytterbium. Plus particulièrement au cours de cette thèse deux types de matrices ont été utilisés, le CALGO (CaGdAlO4) et les fluorures, possédant le potentiel de générer des impulsions courtes (100aine de femtoseconde). Les caractéristiques spectroscopiques et thermiques du CALGO dopés à l'ytterbium permettent d'envisager le développement d'oscillateur femtoseconde court de forte puissance moyenne. Dans ce contexte, la technologie des disques minces permet d'obtenir avec d'autres matrices, des résultats très intéressants. C'est pourquoi durant cette thèse le choix de maitriser cette nouvelle technologie, avec l'utilisation de ce cristal, a été fait. Dans ce cadre, des résultats très prometteurs ont été obtenus. L'oscillateur femtoseconde Yb :CALGO de plus forte puissance moyenne a en effet été développé (28 W), pour une énergie non négligeable, supérieure au µJ et une durée d'impulsions de 300 fs. Des améliorations sont à prévoir avec l'utilisation de nouveaux cristaux plus dopés et plus fins, mais d'hors et déjà les résultats obtenus sont au niveau de l'état de l'art des oscillateurs femtoseconde de forte puissance moyenne.Le cristal de CaF2 quant à lui, possède un grand intérêt pour le développement d'amplificateurs énergétiques courts, puisqu'il a la capacité de stocker beaucoup d'énergie. Deux types d'amplificateurs ont alors été développés, avec des objectifs bien différents. Le premier permet d'obtenir un fort gain (~106), avec une énergie extraite proche du mJ (amplificateur régénératif), alors que le second a pour but d'extraire le maximum d'énergie (amplificateur multipassage), dans notre cas jusqu'à 160 mJ, avec un gain plus faible (~10).Le potentiel de ces matériaux pour la génération d'impulsions courtes et/ou de forte puissance moyenne a alors été démontré.

Ce travail de thèse concerne le développement de sources femtoseconde de forte puissance moyenne ou de forte énergie avec des matériaux pompés par diodes laser, dopés à l’ytterbium. Plus particulièrement au cours de cette thèse deux types de matrices ont été utilisés, le CALGO (CaGdAlO4) et les fluorures, possédant le potentiel de générer des impulsions courtes (100aine de femtoseconde). Les caractéristiques spectroscopiques et thermiques du CALGO dopés à l’ytterbium permettent d’envisager le développement d’oscillateur femtoseconde court de forte puissance moyenne. Dans ce contexte, la technologie des disques minces permet d’obtenir avec d’autres matrices, des résultats très intéressants. C’est pourquoi durant cette thèse le choix de maitriser cette nouvelle technologie, avec l’utilisation de ce cristal, a été fait. Dans ce cadre, des résultats très prometteurs ont été obtenus. L’oscillateur femtoseconde Yb :CALGO de plus forte puissance moyenne a en effet été développé (28 W), pour une énergie non négligeable, supérieure au µJ et une durée d’impulsions de 300 fs. Des améliorations sont à prévoir avec l’utilisation de nouveaux cristaux plus dopés et plus fins, mais d’hors et déjà les résultats obtenus sont au niveau de l’état de l’art des oscillateurs femtoseconde de forte puissance moyenne.Le cristal de CaF2 quant à lui, possède un grand intérêt pour le développement d’amplificateurs énergétiques courts, puisqu’il a la capacité de stocker beaucoup d’énergie. Deux types d’amplificateurs ont alors été développés, avec des objectifs bien différents. Le premier permet d’obtenir un fort gain (~106), avec une énergie extraite proche du mJ (amplificateur régénératif), alors que le second a pour but d’extraire le maximum d’énergie (amplificateur multipassage), dans notre cas jusqu’à 160 mJ, avec un gain plus faible (~10).Le potentiel de ces matériaux pour la génération d’impulsions courtes et/ou de forte puissance moyenne a alors été démontré. / This work concerns the development of high average power or high energy laser with diode-pumped ytterbium-doped materials. Two host matrices were studied, CALGO (CaGdAlO4) and fluoride, which permit the generation of ultra-short pulses. Spectroscopic and thermal properties of ytterbium doped CALGO crystals are adapted for the development of high average power oscillator. In this area, thin disk technology seems to be particularly interesting for the development of such oscillator. That’s why we choose to master this technology with ytterbium-doped CALGO crystals. Thus, Yb:CALGO oscillator with the highest average power was developed (28 W), with more than µJ energy and pulse duration of 300 fs. Using more doped and thinner crystals should permit to improve our performances, however they are already at the state of the art of high average power oscillator.Ytterbium doped CaF2 has a great interest for short-pulse high energy amplifier, thanks to its capacity to store energy. Two types of amplifier were developed. A regenerative amplifier with high gain (~106), mJ energy level, and a multipass amplifier with lower gain (~10) but permitting to extract really high energy (up to 160 mJ).Potential of these materials for the development of short pulse high average power and/or high energy system was demonstrated.

Chaque faisceau d'un laser de puissance, tel que le Laser MégaJoule, est mis en forme et voit son énergie amplifiée à l’aide d’une centaine de composants optiques tels que des plaques de verre amplificateur, des lentilles, des miroirs, des lames de phase, des réseaux... 'Evidemment ces composants ne sont pas parfaitement réalisés et ils présentent à leurs surfaces des défauts de fabrication. Ces imperfections peuvent être dues aux outils de polissage des composants, aux dépôts antireflet ou même apparaitre au cours de la phase d’exploitation ou de remédiation du composant. Ces défauts contribuent à une baisse des performances du Laser MégaJoule que ce soit au niveau de l’énergie déposée au centre de la chambre d’expériences ou à l’endommagement accéléré des composants optiques placés en aval. Actuellement la norme ISO 10110-7 est utilisée pour spécifier les défauts d’aspect. Cependant elle manque de justification pour les besoins d’une chaine laser de puissance. Dans le cadre de la thèse nous nous intéressons exclusivement à l’endommagement fratricide local des composants optiques. Un défaut présent à la surface du composant module l’onde lumineuse par phénomène de diffraction. Un << point chaud >> peut apparaitre dans le faisceau laser augmentant alors la densité locale surfacique d’énergie appliquée aux composants suivants. La loi d’endommagement prédit une augmentation de la probabilité d’endommagement puisque la densité d’énergie est modifiée. Une première étude, fondée sur les équations de Fresnel, met en évidence les paramètres intéressants à spécifier pour prédire les intensifications engendrées par des défauts typiques. Le lien entre paramètres du défaut et intensifications diffractées est, ensuite, validité expérimentalement sur des cas réels de défauts. Une seconde étude établit un seuil exprimé en puissance en deçà duquel l'hypothèse d'une propagation linéaire, selon les équations de Fresnel, est valide. La cohérence des résultats donnés par le seuil en puissance et par la simulation numérique renforce l’idée voulant que la propagation d’un << point chaud >> en présence d'effet Kerr soit sensiblement différente de celle d’un faisceau gaussien. Fort de ces deux résultats nous sommes en capacité d'établir une spécification des défauts d’aspect en ayant une meilleure compréhension de l’endommagement fratricide local. / Each beam of a high power laser facility, such as the Laser MégaJoule, is shaped and amplified thanks to hundreds optical components such as amplifier slabs at Brewster’s angle, lenses, mirrors, phase plates, diffraction gratings... Of course, all these components cannot be perfect; there are some defects on their surface. These imperfections appear at each stage of the life of the component, during polishing, coating, or mitigation process or when the component is used on the facility. They have a huge impact on the energy losses delivered on the target and they decrease the resistance of downstream components to intense light. The ISO 10110-7 standard is currently used to specify the visual defects. However, this standard is poorly justified and do not fit a high power laser needs. In this thesis, we are focused on the fratricide effect. Light propagates through a defect, then, some intensity modulations appear along the propagation. The damage law states that high energy density leads to an increase of the damage probability. Firstly, we investigate the characteristic parameters of the defect morphology linked to the formation of downstream << hot spots >>. Then, the link between these typical parameters and the high intensifications are confirmed by experiments on real defects. Secondly, a power criterion is demonstrated to guarantee the linear propagation hypothesis. This criterion is compared to numerical simulations and it is shown how the nonlinear propagation, induced by Kerr effect, can be different between the << hot spot >> formed by a defect and a Gaussian beam. Finally, the results are used to improve the visual defect specification thanks to a better understanding of the fratricide effect.

Un grand nombre d’applications réclament des sources laser en régime impulsionnel toujours plus puissantes et énergétiques. Les progrès continus des technologies laser permettent non seulement d’améliorer les performances de l’outil laser mais aussi d’ouvrir la voie à de nouvelles applications. Cependant, l'augmentation de la puissance des sources laser est aussi accompagnée par une complexification des systèmes. Cette thèse porte sur l’étude d’amplificateurs laser de puissances qui se distinguent par la simplicité de leurs architectures : avec un ou deux passages dans le milieu laser. Dans la première partie, nous étudions le potentiel de la fibre cristalline Yb: YAG pompée par diode en tant qu’amplificateur. Les effets de confinement de l’intensité de pompe au centre de la fibre cristalline par guidage sont étudies théoriquement et expérimentalement. Deux expériences démontrent ensuite l’intérêt de la fibre cristalline Yb:YAG en tant qu’amplificateur de puissance de sources laser à fibres, l’une en régime femtoseconde et l’autre avec un laser mono-fréquence. Par ailleurs, nous explorons le potentiel de notre concept en régime de forte puissance. Une puissance de 250 W en oscillateur et une extraction de 100 W en amplificateur ont été obtenues avec une diode de pompe de 600 W. La deuxième partie traite de l’étude d’amplificateurs à base de cristaux de Nd:YVO4. Le dimensionnement de notre système est réalisé en s’appuyant sur une étude des propriétés du Nd:YVO4. L’amplificateur ainsi obtenu affiche des performances inédites qui se caractérisent par un très fort gain optique (40-60 dB) couplé à une forte extraction de puissance moyenne (10 à 15 W). / A wide range of scientific and industrial applications require pulsed laser sources delivering increasing amount of powers and pulse energies. Continuous progresses in the field of laser technology do not only bring significant process efficiency improvements but also allow developing new applications. However, the complexity of laser sources has significantly increased over the years together with their performance. In contrast, this work focuses on power amplifier architectures which are particularly simple (with one or two passes). In the first part, we study the potential of Yb:YAG single crystal fibers. Pump intensity confinement by the pump beam guiding is studied in details both theoretically and experimentally. Two experiments demonstrate the interest of Yb:YAG single crystal fibers as a power amplifier for fiber based laser sources, one in femtosecond regime and the other one with a single frequency laser. Furthermore, the potential of our architecture is also explored in high power regime. An output power of 250 W for the oscillator and 100 W power extraction with the amplifier were obtained with a 600 W pump diode. The second part describes the study of laser amplifiers using longitudinally pumped Nd:YVO4 bulk crystals. We study the effect of temperature increase in the laser crystal and evaluate the influence of the doping concentration and excited state population on the heat load. Guided by the conclusion of our study, we design a high gain amplifier characterized by very high optical gain (40-60 dB) coupled to a high average power extraction (10 to 15 W)

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d'optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l'état de l'art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d'impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête).