Au cours de dix dernières années la science aux attoseconde ou Physique au champ-fort a été l’objet d’un fort développement. La production d’impulsions laser énergétiques de courte durée à haute cadence et stabilisées en CEP constitue la première étape pour accéder aux dynamiques ultra-rapides caractérisant l’interaction de la matière avec une source de lumière cohérente, intense et ultra-rapide. Le travail de cette thèse consiste à améliorer globalement les performances d’un système laser Ti:Sa à haute cadence optimisé pour la génération des impulsions attoseconde. Nous avons développé une nouvelle configuration de cavité régénérative fonctionnant à 10 kHz qui permet une meilleure gestion des effets thermiques dans le cristal. En sortie de l’amplificateur les impulsions atteignent des valeurs de puissance de 5 W en bande étroite (35 fs), ou 2.7 W en bande spectrale large permettant une compression des impulsions proche de 17 fs. La CEP des impulsions en sortie d’amplificateur a été stabilisée ; le bruit résiduel mesuré tir-à-tir est de 210 mrad pendant trois heures.L’amplificateur peut supporter également le fonctionnement en mode accordable, en sélectionnant des spectres de 30 à 40 nm de largeur à mi-hauteur et en accordant leur longueur d’onde centrale dans une gamme de 80 nm autour de 800 nm. Nous avons conçu et mis en fonctionnement un amplificateur multi-passages non-cryogéné à imagerie par lentille thermique pour accroître la puissance des impulsions jusqu’à 10 W à une cadence de 1 kHz. Le régime de forte saturation d’amplificateur garantit une variation négligeable (±3% pic à pic) de la puissance des impulsions en sortie du module, face à une variation importante de la puissance en entrée (±25% pic à pic) sur la bande spectrale accordable. L’amplification peut encore être plus importante grâce à une ligne d’amplification à refroidissement cryogénique, qui permet d’atteindre des puissances au niveau TW, à la cadence de 1 kHz, tout en maintenant un régime de courte durée (17.5 fs) et stabilité en CEP (350 mrad de bruit résiduel tir-à-tir). Nous proposons aussi une étude des sources de bruit de CEP dans les modules hautement dispersifs: nous avons conçu une nouvelle approche numérique sur la base d’un logiciel de tracé de rayon commercial (Zemax) pour évaluer les variations de CEP dans les modules contenant réseaux de diffraction. / The last decade has seen a lot of progress in attosecond science or in strong field physics. Generating energetic, few-cycle laser pulses with stabilized Carrier-Envelope Phase at high repetition rate constitutes the first step to access the ultra-fast dynamics underlying the interaction of matter with intense, ultrashort coherent light source. The work of this thesis consists in globally improving the performances of a high repetition rate Ti:Sa laser system optimized for attosecond science. We present an original 10 kHz Ti:Sa CPA laser based on an newlydesigneddouble-crystal cavity for thermal lensing management. The amplifier delivers up to 5 W in narrow band mode (35 fs pulses), or 2.7 W in broad band mode, supporting 17 fs pulses after temporal compression. We demonstrate shot-to-shot CEP stabilization with a remaining noise of 210 mrad over three hours at the front-end output. In parallel to the short pulse duration operation mode, it is possible to use the front end in a wavelength tunability mode within a 80 nm range around 800 nm, with a resolution of 1 nm and 30 to 40 nm of bandwidth. We designed and demonstrated a complete water-cooled lens-less multipass amplifier using thermal lensing for modeadaptation boosting the pulse energy up to 10mJ at 1 kHz repetition rate (up to 10 W). The saturation regime of the amplifier ensures negligible variation (±3% peak to peak) of the output power for significant variation of the input power (±25% peak to peak) over the tunability range. The energy scalability of the front-end is demonstrated by coupling its output to cryogenically cooled amplifier, delivering 1 kHz, TW-class pulses at 17.5 fs and CEP stabilized with a residual noise of 350 mrad. A study of CEP noise sources in high dispersive module is also addressed, proposing a numerical approach based on a commercial ray-tracing software (Zemax) for predicting CEP fluctuation in grating based modules.

Les lasers ultra-rapides fibrés sont aujourd’hui incontournables dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques du fait de leur stabilité, de leur compacité et des hautes puissances disponibles. Les performances actuelles, rendues accessibles par le développement de fibres à larges aires modales et le concept d’amplification à dérive de fréquence, sont toutefois complexes à mettre oeuvre et limitées par l’utilisation de composants massifs pour les étapes de compression et d’étirement des impulsions. Ces travaux de thèse, à la fois expérimentaux et numériques, avaient pour objectif d’explorer des régimes dynamiques originaux basés sur l’utilisation de fibres actives spécifiques combinant large aire modale et propriétés dispersives adéquates pour la génération d’impulsions ultra-courtes de haute énergie. Les études numériques ont ainsi permis de montrer que des régimes impulsionnels à haute dispersion normale pouvaient être atteints en exploitant les phénomènes de résonnance et de couplage de modes dans des fibres de Bragg ou à profil en W. L’étude de l’influence des paramètres de la cavité laser sur le mécanisme de verrouillage de modes a permis d’identifier des configurations attractives pour la montée en puissance. La mise en oeuvre expérimentale de ces concepts a notamment permis le développement d’une source laser à soliton dissipatif produisant des impulsions énergétiques (38 nJ, 700 fs après compression) à des longueurs d’ondes autour de 1560 nm, record pour ce type d’oscillateur. La réalisation expérimentale de sources ultra-rapides basées sur des fibres actives spécifiques combinées au phénomène de couplage de mode ont permis d’identifier les potentialités et limitations de ces architectures originales à fortes dispersions totales pour la montée en énergie. / Ultrafast fiber lasers represent today a ubiquitous technology in various industrial and research applications thanks to their inherent advantages such as compactness, stability and high power. The best performances to date, mostly relying on large mode area fibers and chirped pulse amplification, however require complex experimental developments and are limited by the use of bulk components for pulse stretching and compression. The experimental and numerical work presented in this PhD thesis aimed at exploring original dynamical regimes based on specific active fibers combining large mode area and high dispersions for the generation of high-energy ultra-short pulses. The numerical studies then showed that pulsed regimes with high normal dispersions could be reached by exploiting resonance and mode-coupling phenomena in Bragg or W-type fibers. Studying the influence of the cavity parameters on mode-locking mechanisms allowed to target attractive configurations for energy scaling. The experimental implementation of this concept allowed the development of a dissipative soliton source delivering record high-energy chirped pulses (38 nJ, 700 fs after compression) at 1560 nm. The realization of ultrafast sources based on specific active fibers combined to mode-coupling phenomena then brought the possibility to identify the potentiality and limitations of these particular architectures with high dispersions for energy scaling.

Depuis une vingtaine d’années, la physique attoseconde, via le phénomène de génération d’harmoniques d’ordres élevés (HHG), a permis de nombreuses avancées dans la compréhension des phénomènes de dynamique ultra-rapide. Les lasers femtoseconde émettant des impulsions de fortes énergies et de durées de quelques cycles optiques sont les outils indispensables à cette physique. De plus, la phase entre la porteuse et l’enveloppe (CEP) des impulsions doit être contrôlée. Récemment les lasers basés sur les fibres dopées ytterbium ont permis de transposer les expériences d’HHG à haute cadence. La stabilisation de la CEP pour ce type de systèmes constitue la brique manquante au développement de sources à haute cadence pleinement compatibles avec ces applications. Cette thèse a été consacrée à la stabilisation CEP d’un laser à fibre dopée ytterbium pour une application à la génération de rayonnement cohérent dans l’XUV à fort flux de photon. Dans la première partie nous présentons l’architecture d’une source à un taux de répétition de 100 kHz stable en CEP émettant des impulsions de 30 microjoules et 96 fs. Ce système constitue une preuve de principe pour les futures sources haute énergie. La stabilisation de CEP est assurée par une architecture hybride composée d’un injecteur stabilisé passivement suivi d’un amplificateur de puissance stabilisé activement. Un bruit résiduel de CEP inférieur à 400 mrad est obtenu dans différentes configurations, de la mesure courte durée (1 s) tir à tir jusqu’à la mesure sur une heure de fonctionnement. Dans la seconde partie nous présentons la mise au point d’une ligne HHG XUV optimisée à 13 nm sur les paramètres d’un laser à fibre, pour des applications à l’imagerie par diffraction cohérente. / In the last two decades, attosecond physics, based on the high harmonic generation (HHG) phenomenon, has allowed a better understanding of ultrafast dynamics in the microcosm. High-energy few-cycles carrier-envelope phase (CEP) stabilized sources are the main enabling tools for this physics. Recently, temporally compressed Ytterbium-doped fiber amplifiers have been successfully used as high XUV photon flux HHG drivers. CEP stabilization of these sources would ensure their full compatibility with attoscience. The thesis is devoted to the CEP stabilization of a high repetition rate Yb-doped fiber femtosecond source, for high XUV photon flux beamline applications. In the first part, we present the architecture of such a source at 100 kHz repetition rate delivering 30 microjoules 96 fs CEP-stable pulses. It constitutes a test bench for future energy-scaled few-cycle sources. The CEP stabilization is ensured in a hybrid architecture including a passively stabilized frontend followed by an actively stabilized power amplifier. A residual CEP noise <400 mrad is measured using various setups, including a shot-to-shot measurement over 1 s and a long-term stability over 1 h. In the second part, we discuss the design of a high flux HHG beamline optimized for a future generation of fiber-based driver at 13 nm for applications to coherent diffraction imaging.