"Thèse en cotutelle, Doctorat en physique; Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France" / L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser directe bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classées en trois types distincts:(type I, type II et type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induits. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leur synthèse, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le type I soit le type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly fabricate three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over the lithography technique, which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A occurring in the low pulse energy regime that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50- 50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. In addition, a comparitive study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modifications inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification.

L'objectif principal de cette thèse est de rendre compte d'une étude expérimentale sur la dissociation neutre de molécules simples dans un champ laser intense créé par un cristal titane saphir. Ces excitations fortement non linéaires nous indiquent que les molécules peuvent être peuplées dans les états hyperexcités. Dans ce travail, un laser titane saphir femtoseconde est utilisé pour amener les molécules de H₂, 0₂, NO, CH₄, C₂H₄, C₃, H₆, 1 — C₄H₈ et cis — 2 — C₄H₈ dans les états très excités. En utilisant une méthode de spectroscopic, on arrive à détecter des signaux de fluorescence. Le diagramme d'énergie des fragments excités et molécules neutres supporte l'excitation des états hyperexcités dans les molécules que nous avons étudiées. La dépendance hautement non linéaire du rendement produit selon la puissance du laser a été observée. En outre, les résultats soutiennent le mécanisme d'hyperexcitation multiphotonique. En utilisant la technique de pompe (800 nm) et sonde (1338 nm) et aussi de la technique de spectroscopie par fluorescence, nous confirmons le mécanisme de hyperexcitation multiphotonique des molécules en présence d'un champ laser intense. Nous arrivons à déterminer la durée de vie des états hyperexcités en regardant l'atténuation des signaux de fluorescence observée à l'aide du faisceau sonde. Nos observations expérimentales ont été également vérifiées à l'aide des calculs semi—empiriques. Nous constatons que certaines impulsions laser provoquent la dissociation neutre de nombreuses molécules.

Les réseaux de Bragg occupent une place importante dans le secteur des composants optiques fibrés. En effet, ils permettent de filtrer et contrôler la lumière qui voyage à travers les réseaux de télécommunication. Ils réalisent cette tâche en réfléchissant une partie du signal autour d’une longueur d’onde appelée longueur d’onde de Bragg. Traditionnellement, leur fabrication se fait par irradiation d’une fibre de silice à un faisceau laser UV. Dans ce cas, l’écriture est limitée à la silice en raison des mécanismes de photosensibilité propre à la matrice de ce verre et qui sont malheureusment nécessaires à l’inscription des réseaux. Dans certains cas, ceci peut être problématique. En effet, pour le développement de sources lasers tout-fibres, une application technologique d’importance, il est d’usage que la cavité soit basée sur une fibre à composition exotique qui ne possèdent pas nécessairement les mêmes mécanismes de photosensibilité que la silice. Le développement récent de sources lasers ultrarapides et ultraintenses présente une solution à ce problème. En effet, en utilisant des impulsions femtosecondes, il est maintenant possible de prendre avantage d’une multitude d’effets non linéaires, qui eux sont universels, afin de générer la photosensibilité souhaitée. À ce jour, la plupart des travaux se sont réalisés grâce à des impulsions de 800 nmen longueur d’onde. Or, il s’avère qu’utiliser une longueur d’onde plus courte comporte certains avantages. Premièrement, ceci permet l’accès à des longueurs d’onde Bragg plus faibles. Ceci pourrait être utile dans le développement de sources lasers émettant dans le visible. Par ailleurs, des impulsions à plus haute énergie génèrent davantage d’effets nonlinéaires ce qui, théoriquement, se traduit pas une plus grande photosensibilité du milieu. Pour ces raisons, une longueur d’onde d’inscription de 400 nm a été choisie pour la réalisation de ces travaux. Par ailleurs, la technique d’écriture par balayage d’un masque de phase a été utilisée pour fabriquer les réseaux. Cette technique, qui n’avait jamais encore été étudiée pour l’écriture femtoseconde à 400 nm, est basée sur l’interférence des deux premiers ordres de diffraction d’un masque de phase. De plus, il est possible de balayer la fibre de façon longitudinale et transversale grâce à une platine de translation et un actuateur piézoélectrique de manière à maximiser la réflectivité du réseau et contrôler ses caractéristiques spectrales. Grâce à ce montage, l’écriture à 1 [mu]m dans une fibre de silice a été optimisée. Dans les conditions de focalisation de notre expérience, il faut, pour d’obtenir un taux d’écriture maximal, que la distance fibre-masque soit entre 1,7 nm et 3 mm, que l’énergie des impulsions soit entre 250 et 400 [mu]J et que la vitesse de déplacement de la platine soit la plus faible possible (v = 1 mm/min est généralement utilisée). Par ailleurs, nous avons montré que le recuit thermique de réseaux inscrits dans de la fibre de silice non photosensibilisée, hydrogénée et deutérisée résorbent leurs pertes sans pour autant sacrifier leurs performances. Le profil des filaments a également été caractérisé grâce à des mesures de réfractométrie en champ proche. Sans balayage transversal, nous avons constaté que les filaments traversant la fibre était en régime unique. Dans le cas avec balayage à une fréquence de 20 Hz, nous avons montré que la zone de changement d’indice, bien qu’étendue, était non uniforme. Des simulations numériques et des mesures de tensions aux bornes de l’actuateur piézoélectrique, nous a montré que pour assurer l’uniformité, il fallait respecter un rapport fréquence piézoélectrique sur vitesse de déplacement de la platine ne dépassant pas 0,01 avec une fréquence piézoélectrique ne dépassant pas 1 Hz. Finalement, l’uniformité est aussi affecter par l’amplitude de balayage transversale par rapport au rayon de la fibre en raison de l’effet de la courbure de la fibre. Pour éviter une déformation trop importante, il est de mise que ce rapport soit en deçà de 0,1. Un autre aspect des travaux à porter sur l’écriture de réseaux à pas courts pour le visible. En utilisant un masque de phase uniforme de pas [lambda] = 655 nm, il a été possible d’inscrire un réseau de deuxième ordre à 480 nm. Les pertes importantes causées par la présence de nombreuses bandes d’absorption associées aux centres de couleurs ont été résorbées à un niveau de 8,8 %. Finalement, des contributions aux projets respectifs de mes collègues Vincent Fortin et Jérôme Leclerc-Perron soit le développement d’un laser Raman dans le verre fluoré et celui d’un laser pulsé tout-fibre pour l’infrarouge ont été faites en inscrivant des réseaux pour leur cavité laser.

La filamentation dans l'atmosphère est devenue un sujet de recherche des plus attrayants à cause de ses applications possibles à la télédétection de polluants, au contrôle de la foudre, à la génération d'impulsion laser de quelques cycles et à la génération de terahertz à distance. La filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense induit non seulement une transformation significative dans le profil spatio-temporel de l'impulsion laser, mais elle brise en plus la centro-symétrie du milieu de propagation. Le mécanisme physique derrière la filamentation est donc complexe. Plusieurs processus non linéaires intéressants se produisent simultanément au cœur du filament. L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets principaux non linéaires qui surviennent pendant la filamentation d'une impulsion laser femtoseconde intense dans l'air. Les impulsions laser utilisées dans ces expériences proviennent d'une chaîne laser Ti : saphir commerciale. L'évolution complète d'un filament dans l'air est systématiquement étudiée. L'émission de fluorescence du filament, son diamètre et son contenu spectral sont mesurés. Nous montrons qu'un filament peut être vu comme une colonne « auto-guidée » avec deux sections d'ionisation: une première où l'ionisation est efficace suivie par une seconde, faiblement ionisée. Le diamètre du cœur du filament demeure quant à lui presque constant. L' « auto-conversion » vers les basses fréquences est observée en fonction de la longueur du filament et elle est causée par la réponse Raman moléculaire. Il est aussi démontré que l'intensité élevée au cœur du filament dans l'air induit une forte biréfringence instantanée due à la modulation de phase croisée d'origine électronique et une forte biréfringence retardée due à la réponse Raman. Cette dernière mène à la génération d'un séparateur de polarisation gazeux ultrarapide sans seuil de dommage ni limitation spectrale. De plus, on observe expérimentalement que l'émission terahertz provenant soit d'un filament à une couleur dans l'air, soit d'un filament à deux couleurs, a une polarisation elliptique. Ceci est attribué au bris de la symétrie de l'air dans le filament. Finalement, nous étudions la polarisation de la radiation terahertz provenant d'un filament soumis à un champ électrique DC. On montre qu'une nouvelle source de terahertz, différente de l'émission terahertz provenant d'un filament à une couleur sans champ externe, est générée en appliquant un champ électrique externe. La polarisation linéaire de cette source de terahertz est parallèle au champ DC. / Filamentation in the atmosphere has become one of the most attractive research topics due to its promising potential applications, such as remote atmospheric pollutants detection, lightning control, few-cycle laser pulse generation and remote terahertz generation, etc. The filamentation process of an intense femtosecond laser pulse not only induces significant transformations in the spatio-temporal profile of the laser pulse but also breaks the centro-symmetry of the propagation medium. Thus, the physical mechanism of the filamentation process is quite complex. Many interesting nonlinear processes take place simultaneously inside the filament core. The aim of this thesis is to investigate key nonlinear processes occurring during the filamentation of intense femtosecond laser pulses in air. The laser pulses used in the experiments are delivered by a commercial Ti-Sapphire femtosecond laser system. A full evolution of a femtosecond laser filament in air is systematically investigated, including the emitted fluorescence signal, the diameter of the filament core and the spectrum of the filament. It is found that a filament could be regarded as a self-guided column with two ionizing sections: one with efficient ionization followed by the other weakly ionized. The diameter of the filament core stays almost constant, and continuous self-frequency down shift in the spectrum is observed as a function of the filament length, which is due to molecular Raman response. It is also demonstrated that the high intensity within the core of an air-filament induced an instantaneous strong birefringence thanks to electronic cross phase modulation and a delayed strong birefringence due to rotational Raman response, the latter leading to the generation of an ultrafast gaseous polarization separator that is free from damage threshold and spectral bandwidth limitation. Moreover, it is experimentally observed that terahertz emission from either a one-color air-filament or a two-color air-filament is elliptically polarized due to symmetry-breaking of air in the filament zone. Finally, we investigated the polarization of the terahertz radiation from a DC-biased filament. It is demonstrated that a new terahertz source, apart from the terahertz emission from a one-color filament without DC-bias, is generated by applying a DC bias to a one-color filament. The linear polarization of this terahertz source is parallel to the DC field.

Les caméras à balayage de fente sont les instruments de détection directe de la lumière les plus précis en termes de résolution temporelle. Ces instruments sont capables de capturer des évènements de l’ordre de la picoseconde à un taux de répétition d’une centaine de mégahertz. Cependant, les performances de la caméra sont limitées par de nombreux phénomènes propres au fonctionnement de cette dernière mais aussi au système l’implémentant. Plusieurs effets dégradant la résolution temporelle sont étudiés. Le premier axe exploré concerne la synchronisation de la caméra avec l’évènement lumineux capturé. Cette investigation débouche sur le développement d’un discriminateur à fraction constante permettant de déclencher la caméra avec un jitter inférieur à 200 fs RMS. Une autre étude présente l’impact qu’ont le bruit d’amplitude et le bruit de phase des lasers usuellement utilisés avec la caméra sur sa synchronisation. Enfin une analyse des phénomènes intrinsèques à la photocathode de la caméra permet d’évaluer la variation du temps de transit des électrons dans celle-ci. / Streak cameras are the direct light detection instruments that are the best in terms of temporal resolution. Those instruments can capture picosecond light events at a hundred megahertz repetition rate. However their characteristics are limited by various phenomena specific to the camera and the implementing system. Several effects that affect the temporal resolution are studied. The first examined line deals with the synchronization of the camera with the studied light event. This inquiry led to the design of a constant fraction discriminator allowing a sub 200 fs RMS jitter triggering. Another study shows the impact of the usually used laser amplitude noise and phase noise on the system’s synchronization. Finally, an analysis of the camera’s photocathode intrinsic phenomena allows estimating the transit time variation of the electrons within the vacuum tube.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG), qui dans le domaine temporel se traduit par l'émission d'un train d'impulsion VUV attoseconde (1as =10-18s), a connu un grand intérêt scientifique depuis une dizaine d'années. Cette source constitue en effet un bon candidat pour la mise en oeuvre d'expériences pompe sonde visant à observer la dynamique électronique au coeur même des atomes et des molécules. <br />Au CELIA, nous avons implémenté une technique de post-compression qui nous a permi de comprimer nos impulsions laser IR de 40 fs à 9 fs (1fs=10-15s). Ces impulsions sont ensuite utilisée pour confiner la HHG. Étant donné que le processus de HHG est efficace uniquement si les impulsions IR génératrices sont polarisées linéairement, nous avons créé une porte dans le profil temporel de nos impulsions sub-10fs où la polarisation est linéaire pendant une durée inferieure à la durée de l'impulsion IR génératrice. Ceci nous permet de confiner la HHG en dessous d'un demi-cycle optique IR. Cette technique de porte d'ellipticité, complètement caractérisée dans cette thèse, nous a permis de confiner la HHG jusqu'à l'émission d'une à deux impulsions attosecondes. Afin de caractériser le profil temporel du train d'impulsions attosecondes, nous avons également implémenté un interféromètre à deux couleurs qui nous a permit de mesurer la phase harmonique et de reconstruire nos trains d'impulsions attosecondes.

Les peignes de fréquences optiques auto-référencés constituent aujourd'hui l'outils de choix en temps-fréquences pour mesurer avec des très hautes stabilités et exactitudes des fréquences optiques. Au delà de cette activité de mesure proprement dite, ils trouvent également des applications novatrices variées à très hautes performances, tel que par exemple la génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase et le transfert de pureté spectrale entre différentes fréquences optiques. Ce manuscrit décrit différents travaux autour de ces outils versatiles que j'ai réalisé au NIST (Boulder, Colorado, USA) et au LNE-SYRTE (Partis, France) entre 2004 et 2014

Dans ce travail nous présentons nos travaux réalisés sur le contrôle de la générationd’harmoniques d’ordres élevés dans les gaz. Dans un premiers temps nous montronscomment, en générant les harmoniques hors du foyer du faisceau IR, il est possiblede contrôler la phase spatiale des harmoniques dans le milieu générateur permettantd’obtenir un front d’onde divergent, collimaté ou convergent. Par cette méthode nousmontrons qu’il est possible de focaliser les harmoniques à des distances pouvant atteindresix longueur de Rayleigh après le point focal du faisceau IR. Nous avons ensuiteétudié des faisceaux harmoniques XUV présentant des distributions spatio-spectralesen champ lointain structurées. Dans cette étude nous observons l’influence d’un irisde diamètre variable positionné avant la focalisation de l’IR. Dans un troisième tempsnous étudions des méthodes de contrôle du spectre harmonique. Tout d’abord nousavons contrôlé finement la longueur d’onde centrale des harmoniques par modificationdu contenu spectral de l’IR en superposant deux impulsions IR retardées. Puis nousavons utilisé les effets collectifs de la génération d’harmoniques afin de favoriser uneharmonique spécifique ou un groupe d’harmoniques en champ lointain. Enfin, nousprésentons une méthode de caractérisation de la durée d’impulsions attosecondes dansle domaine temporel. Cette méthode, appelée ionisation par paliers, utilise l’ionisationcomme sonde pour mesurer des durée d’impulsions pouvant atteindre la centained’attoseconde. / We present our work on the control of high order harmonic generation in gases.We first show how, by generating the harmonics outside the focus of the IR beam,it is possible to control the spatial phase of the harmonics in the generating mediumallowing to obtain a divergent, collimated or convergent wavefront. With this methodwe show that it is possible to focus the harmonics up to six Rayleigh length after thefocal point of the IR beam. Then we study XUV harmonic beams presenting structuredspacio-spectral distributions in the far field. In this study, we observe the influence ofthe diameter of an iris positioned before the focusing of the IR. In a third step we studymethods for controlling the harmonic spectrum. First, we finely control the harmonicscentral wavelength by modifiying the spectral content of the IR by adding two delayedIR pulses. Then we used the collective effects of the high order harmonic generationin order to foster a specific harmonic or a group of harmonics in the far field. Finally,we present a method for characterizing the duration of attosecond pulses in the timedomain. This method, called ionization ladder, uses ionization as a probe to measurepulse duration of up to hundreds of attosecond.

Les réseaux de Bragg à fibre optique photoinscrits (FBGs) constituent des composants clés dans la plupart des systèmes optiques contemporains utilisant de la fibre optique comme milieu actif ou passif. La méthode traditionnelle pour fabriquer ce type de composant consiste à utiliser l'interférence de deux faisceaux ultraviolets pour photoinscrire dans le coeur de la fibre optique, photosensible à cette lumière, un patron permanent de modulation de l'indice de réfraction. Ce dernier engendre, de par sa périodicité, une réflexion plus ou moins importante de la lumière qui se propage dans la fibre optique, suivant un spectre généralement très étroit. Or cette technique couramment utilisée n'est principalement valable que pour les fibres optiques à base de silice dopée au germanium qui présentent une importante photosensibilité à l'ultraviolet, soit à une longueur d'onde voisine de 242nm, due à la présence d'un défaut résonnant propre à la liaison germanium-oxygène. Cette technique de fabrication de FBGs est donc dépendante des matériaux constituant la fibre optique. Or depuis quelques années, une nouvelle méthode d'inscription de FBGs a été proposée, laquelle est basée sur l'utilisation d'impulsions femtosecondes à la longueur d'onde de 800nm. Cette méthode, basée sur l'absorption multiphotonique, permet l'inscription de FBGs ayant des propriétés uniques voire distinctes par rapport à ceux inscrits par la méthode traditionnelle, principalement de par son applicabilité à une vaste gamme de matériaux ainsi qu'à une stabilité thermique accrue des FBGs inscrits. Le présent ouvrage fera donc en premier lieu état de l'avancement scientifique relié au domaine de l'inscription de réseaux de Bragg à fibre optique par l'interaction d'impulsions ultrabrèves. Par la suite, une nouvelle approche basée sur la filamentation d'impulsions brèves en régime femtoseconde est proposée et démontrée expérimentalement. Cette approche a permis l'inscription de FBGs d'ordre fondamental dans des fibres optiques à base de verre de silice et de verre fluoré. Les travaux présentés sont essentiellement réunis dans 5 publications scientifiques, soumises ou publiées dans des journaux d'impact, qui font état d'avancements significatifs dans le domaine des réseaux de Bragg à fibre optique photoinscrits par laser femtoseconde ainsi que leurs applications aux lasers à fibre optique.

Cette maîtrise a été financée à l'aide une bourse en milieu pratique «BMP innovation» dans le cadre d'un partenariat entreprise-université. La société Opsens a développé un capteur de pression de type interférométrique à fibre optique pour le monitorage de la pression dans le fond de puits de pétrole. Ce capteur (OPP-W GEN I) a déjà fait ses preuves dans des environnements corrosifs à des températures et pressions allant jusqu'à 300°C et 5000kPa. La société désire produire une nouvelle version du produit (OPP-W GEN II) avec une plage d'utilisation plus grande (300°C, 35000kPa). Toutefois, la technique de liaison (soudure) actuelle entre la membrane et la base du capteur ne permet pas une plage de pression aussi grande. Le but du projet de maîtrise est de développer une nouvelle soudure répondant aux exigences de la deuxième version du produit. La recherche se divise en trois différentes méthodes. Le brasage dur avec aluminium a d'abord été expérimenté. Il s'agit de chauffer sous vide un métal entre deux surfaces jusqu'à liquéfaction et de refroidir doucement par la suite. L'oxydation de l'aluminium a ensuite été testée par différentes façons. L'objectif était de produire une stoechiométrie semblable à celle du saphir (AI₂O₃). La deuxième méthode utilise un laser continu Nd-YAG au lieu du four pour chauffer le métal. L'énergie du faisceau focalisé permet de liquéfier très localement le milieu absorbant. En opérant ainsi, on espérait créer des zones de stress et une structure de l'aluminium plus encline à la diffusion de l'oxygène. Toutefois, les résultats montrent que cette technique ne facilite aucunement l'oxydation. La dernière méthode expérimentée utilise un laser femtoseconde. La microsoudure par ce type de laser se démarque des autres techniques de soudure sur plusieurs points. D'abord, elle ne nécessite aucun matériau d'apport. Les effets non linéaires des impulsions ultra-brèves créent la chaleur nécessaire à la soudure. De plus, la zone thermiquement affectée est très réduite (de l'ordre du micromètre).