This thesis focuses on the propagation of charged particle beams in plasmas, and is divided into two main parts. In the second chapter, a novel theoretical model for underdense electron beam propagation during the nonlinear stage of the resistive Weibel instability (WI) is presented and is used to calculate the stopping time of the beam. The model and supporting simulation results lead to the conclusion that the WI initially enhances beam deceleration but then reduces it when compared to a filamentation-suppressed beam (without WI), so that the overall stopping time of the beam is essentially unaffected by the instability. Using the theoretical model, a criterion is derived that determines when deceleration is no longer enhanced by the instability. We also demonstrate that exotic plasma return current distributions can be obtained within and outside of beam filaments that sharply contrast those observed in collisionless systems. For example, the plasma return current is reversed in selected areas. In the next chapter, a new method for initiating the modulation instability (MI) of a proton beam in a proton driver plasma wakefield accelerator using a short laser pulse preceding the beam is presented. A diffracting laser pulse is used to produce a plasma wave that provides a seeding modulation of the proton bunch with the period equal to that of the plasma wave. Using the envelope description of the proton beam, this method of seeding the MI is analytically compared with the earlier suggested seeding technique that involves an abrupt truncation of the proton bunch. The full kinetic simulation of a realistic proton bunch is used to validate the analytic results. It is further used to demonstrate that a plasma density ramp placed in the early stages of the laser-seeded MI leads to its stabilization, resulting in sustained accelerating electric fields (of order several hundred MV/m) over long propagation distances (100-1000 m). The final chapter describes a harmonic expansion formalism that attempts to explain the post-linear stage of the MI. The formalism is developed first, and then several crippling problems with it are identified. / text

Thesis consists of introduction, followed by five main chapters and conclusions. Introduction is devoted to the explanation of filamentation process. The mechanisms responsible for filament generation and evolution are explained first and various models of the filamentation are presented as well. The second chapter is devoted to the study on supercontinuum spectrum dependence on the initial pulse diameter. The chapter 4 is devoted to the study of the filamentation in scattering medium, and covers the performed experiment, explanation of new developed numerical scheme, and finally comparison of the numerical and experimental results. The chapter 5 describes the multifilamentation with elliptical beam. The role of the four wave mixing to the filaments periodicity is briefly explained. The periodicity dependence on the wave of intensity as well the evolution of multifilamentation is shown. Three dimensional study of the modulation instability during multifilamentation process is also presented in chapter 5. The last chapter 6 is devoted to the origin of the rogue wave statistics in supercontinuum generation, and comparison of the numeric results with experimental. At the end (chapter 7) the main conclusions of the current work are presented. / Disertaciją sudaro įvadas, penki pagrindiniai skyriai ir išvados. Įvade aiškinamas sudėtingas šviesos gijų formavimosi procesas. Paaiškinami fizikiniai reiškiniai, lemiantys šviesos gijų generacijos bei evoliucijos ypatybes, supažindinama su įvairiais šviesos gijų susidarymo ir sklidimo modeliais. Antrajame skyriuje nagrinėjama pradinio pluošto diametro įtaka superkontinuumo spektrui. Trečias skyrius, skirtas šviesos gijų generacijos sklaidančioje terpėje tyrimui, apima atlikto eksperimento bei sukurtos naujos skaitmeninio modeliavimo schemos pristatymą, ir, galiausiai, skaitmeninio modeliavimo ir eksperimentinių rezultatų palyginimą. Ketvirtame skyriuje nagrinėjama daugelio gijų generacija elipsiniais pluoštais. Trumpai paaiškinta kaskadinio keturbangio maišymo įtaka šviesos gijų periodiškumui. Ištirta šviesos gijų periodo priklausomybė nuo bangos intensyvumo, ir atskleista daugelio gijų generacijos dinamika. Moduliacinio nestabilumo analizė ir jos įtaka taip pat pateikiama ketvirtame skyriuje. Penktajame skyriuje nagrinėjama ekstremalių įvykių tūrinėje Kerro terpėje atsiradimas. Palyginami plataus spektro generacijos kompiuterinio modeliavimo ir eksperimento metu surinkti statistiniai duomenys. Pabaigoje pateikti pagrindiniai darbo rezultatai ir išvados.

Disertaciją sudaro įvadas, penki pagrindiniai skyriai ir išvados. Įvade aiškinamas sudėtingas šviesos gijų formavimosi procesas. Paaiškinami fizikiniai reiškiniai, lemiantys šviesos gijų generacijos bei evoliucijos ypatybes, supažindinama su įvairiais šviesos gijų susidarymo ir sklidimo modeliais. Antrajame skyriuje nagrinėjama pradinio pluošto diametro įtaka superkontinuumo spektrui. Trečias skyrius, skirtas šviesos gijų generacijos sklaidančioje terpėje tyrimui, apima atlikto eksperimento bei sukurtos naujos skaitmeninio modeliavimo schemos pristatymą, ir, galiausiai, skaitmeninio modeliavimo ir eksperimentinių rezultatų palyginimą. Ketvirtame skyriuje nagrinėjama daugelio gijų generacija elipsiniais pluoštais. Trumpai paaiškinta kaskadinio keturbangio maišymo įtaka šviesos gijų periodiškumui. Ištirta šviesos gijų periodo priklausomybė nuo bangos intensyvumo, ir atskleista daugelio gijų generacijos dinamika. Moduliacinio nestabilumo analizė ir jos įtaka taip pat pateikiama ketvirtame skyriuje. Penktajame skyriuje nagrinėjama ekstremalių įvykių tūrinėje Kerro terpėje atsiradimas. Palyginami plataus spektro generacijos kompiuterinio modeliavimo ir eksperimento metu surinkti statistiniai duomenys. Pabaigoje pateikti pagrindiniai darbo rezultatai ir išvados. / Thesis consists of introduction, followed by five main chapters and conclusions. Introduction is devoted to the explanation of filamentation process. The mechanisms responsible for filament generation and evolution are explained first and various models of the filamentation are presented as well. The second chapter is devoted to the study on supercontinuum spectrum dependence on the initial pulse diameter. The chapter 4 is devoted to the study of the filamentation in scattering medium, and covers the performed experiment, explanation of new developed numerical scheme, and finally comparison of the numerical and experimental results. The chapter 5 describes the multifilamentation with elliptical beam. The role of the four wave mixing to the filaments periodicity is briefly explained. The periodicity dependence on the wave of intensity as well the evolution of multifilamentation is shown. Three dimensional study of the modulation instability during multifilamentation process is also presented in chapter 5. The last chapter 6 is devoted to the origin of the rogue wave statistics in supercontinuum generation, and comparison of the numeric results with experimental. At the end (chapter 7) the main conclusions of the current work are presented.

This work derives a nonlinear optical spatio-temporal instability. It is a perturbative analysis that begins from Maxwell’s equations and its constituent relations to derive a vectorial nonlinear wave equation. In fact, it is a new theoretical method that has been developed that builds on previous aspects of nonlinear optics in a more general way. The perturbation in the wave equation derived is coupled with its complex conjugate which has been taken for granted so far. Once decoupled it gives rise to a second-order equation and thus a true instability regime because the wavevector can become complex. The solution obtained for the perturbation that co-propagates with the driving laser is a generalization to modulation and filamentation instability, extending beyond the nonlinear Schrodinger and nonlinear transverse diffusion equations[1][2]. As a result of this new mechanism, new phenomena can be explored. For example, the Kerr Nonlinear Instability can lead to exponential growth, and hence amplification. This can occur even at wavelengths that are typically hard to operate at, such as into far infrared wave- lengths. This provides a mechanism for obtaining amplification in the far infrared from a small seed pulse without the need for population inversion. The analysis provides the basic framework that can be extended to many different avenues. This will be the subject of future work, as outlined in the conclusion of this thesis.

Ce manuscrit de thèse présente l’étude d’instabilités non-linéaires et la génération d’ondes scélérates complexes liées à la propagation de la lumière dans des fibres optiques standards des télécommunications optiques. Un rappel est tout d’abord présenté sur les phénomènes physiques linéaires et non-linéaires impliqués et qui peuvent présenter une analogie directe avec le domaine de l’hydrodynamique. Les différentes formes d’ondes scélérates liées au processus d’instabilité de modulation, aussi appelées « breathers », sont alors présentées, elles sont obtenues par la résolution de l’équation de Schrödinger non-linéaire. À partir de ces solutions exactes, divers systèmes expérimentaux sont alors conçus par simulation numérique à partir de deux méthodes d’excitation d’ondes scélérates. La première est une génération exacte à partir des solutions analytiques en effectuant une mise en forme spectrale en intensité et en phase d’un peigne de fréquence optique. La seconde méthode est basée sur des conditions initiales approchées avec des ondes continues modulées sinusoïdalement. Les mesures expérimentales réalisées avec ces deux méthodes démontrent parfaitement la génération d’ondes scélérates complexes (solutions d’ordre supérieur du système) issues de la superposition non-linéaire ou collisions de « breathers » de premier ordre. Enfin, nous avons également étudié un système non-linéaire équivalent au modèle de Manakov, qui fait intervenir la propagation de deux ondes distinctes avec des polarisations orthogonales dans une fibre optique. L’analyse de stabilité et des simulations numériques de ce système multi-variable mettent en évidence un nouveau régime d’instabilité de modulation vectorielle ainsi que de nouvelles solutions d’ondes scélérates noires et couplées en polarisation. Un nouveau système expérimental mis en place a permis de confirmer ces prédictions théoriques avec un excellent accord quantitatif. / This manuscript presents the generation of complex rogue waves related to nonlinear instabilities occurring through the propagation of light in standard optical fibers. Linear and nonlinear physical phenomena involved are first listed, in particular some of them by analogy with the field of hydrodynamics. The different forms of rogue waves induced by the modulation instability process are then presented. They are also known as "breathers", and they are obtained by solving the nonlinear Schrödinger equation. From these exact solutions, various experimental systems were designed by means of numerical simulations based on two rogue-wave excitation methods. The first one is an exact generation of mathematical solutions based on the spectral shaping of an optical frequency comb. The second method uses approximate initial conditions with a simple sinusoidal modulation of continuous waves. For both cases, experimental measurements demonstrate the generation of complex rogue waves (i.e., higher-order solutions of the system) arising from the nonlinear superposition or collision of first-order breathers. Finally, we also studied a nonlinear fiber system equivalent to the Manakov model, which involves the propagation of two distinct waves with orthogonal polarizations. The stability analysis and numerical simulations of this multi-component system highlight a novel regime of vector modulation instability and the existence of coupled dark rogue-wave solutions. A new experimental system setup was conceived and theoretical predictions are confirmed with an excellent quantitative agreement.

Ces travaux de thèse présentent l’étude des différentes classes d’effets linéaires et non-linéaires en optiquequi génèrent des événements extrêmes dont les propriétés sont analogues à celles des « vagues scélérates » destructrices qui apparaissent à la surface des océans. La thèse commence avec un bref aperçu de l’analogie physique entre la localisation d’onde dans les systèmes hydrodynamique et les systèmes optique, pour lesquels nous décrivons les mécanismes de génération de vagues scélérates linéaire et non-linéaire. Nous présentons ensuite quelques résultats numérique et expérimentaux de la génération de vagues scélérates dans un système optique linéaire dans le cas d’une propagation spatiale d’un champ optique qui présenteune phase aléatoire, où nous interprétons les résultats obtenus en terme de caustiques optiques localisées.Nous considérons ensuite les vagues scélérates obtenues dans des systèmes non-linéaires qui présentent une instabilité de modulation décrite par l’équation de Schrödinger non-linéaire (ESNL). Nous présentons une étude numérique détaillée comparant les caractéristiques spatio-temporelles des structures localisées obtenues dans les simulation numérique avec les différentes solutions analytiques obtenues à partir de l’ESNL.Deux études expérimentales d’instabilités de modulation sont ensuite effectuées. Dans la première, nous présentons des résultats expérimentaux qui étudient les propriétés d’instabilité de modulation en utilisant un système d’agrandissement temporel par lentille temporelle; dans la deuxième, nous rapportons des résultats expérimentaux sur les propriétés des instabilités de modulation dans le domaine fréquentiel en utilisant une technique de mesure spectrale en temps-réel. Cette dernière étude examine l’effet sur la bande spectrale et surla stabilité d’un faible champ perturbateur. Tous les résultats expérimentaux sont comparés avec la simulation d’ESNL et abordés en termes des propriétés qualitatives d’instabilité de modulation. Dans toutes ces études,différentes propriétés statistiques sont analysées en rapport avec l’apparition des vagues scélérates. / This thesis describes the study of several different classes of linear and nonlinear effects in optics that generatelarge amplitude extreme events with properties analogous to the destructive “rogue waves” on the surface of theocean. The thesis begins with a brief overview of the analogous physics of wave localisation in hydrodynamicand optical systems, where we describe linear and nonlinear rogue wave generating mechanisms in bothcases. We then present numerical and experimental results for rogue wave generation in a linear opticalsystem consisting of free space propagation of a spatial optical field with random phase. Computed statisticsbetween experiment and modelling are in good agreement, and we interpret the results obtained in termsof the properties of localised optical caustics. We then consider rogue waves in the nonlinear system ofmodulation instability described by the Nonlinear Schrodinger Equation (NLSE), and a detailed numericalstudy is presented comparing the spatio-temporal characteristics of localised structures seen from numericalsimulations with different known analytic solutions to the NLSE. Two experimental studies of modulationinstability are then reported. In the first, we present experimental results studying the properties of modulationinstability using a time-lens magnifier system; in the second, we report experimental results studying thefrequency-domain properties of modulation instability using real-time spectral measurements. The latter studyexamines the effect of a weak seed field on spectral bandwidth and stability. All experimental results arecompared with the NLSE simulations and discussed in terms of the qualitative properties of modulationinstability, in order to gain new insights into the complex dynamics associated with nonlinear pulse propagation.In all of these studies, different statistical properties are analised in relation to the emergence of rogue waves.

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Ces travaux de thèse rapportent l’étude des instabilités non-linéaires et des évènements extrêmesse développant lors de la propagation guidée d’un champ électromagnétique au sein de fibresoptiques. Après un succinct rappel des divers processus linéaires et non-linéaires menant à lagénération de super continuum optique, nous montrons que le spectre de celui-ci peut présenterde larges fluctuations, incluant la formation d’événements extrêmes, dont les propriétés statistiqueset l’analogie avec les vagues scélérates hydrodynamiques sont abordées en détail. Nous présentonsune preuve de principe de l’application de ces fluctuations spectrales à la génération de nombres etde marches aléatoires et identifions le phénomène d’instabilité de modulation, ayant lieu lors de laphase initiale d’expansion spectrale du super continuum, comme principale contribution à la formationd’événements extrêmes. Ce mécanisme est étudié numériquement et analytiquement, en considérantune catégorie de solutions exactes de l’équation de Schrödinger non-linéaire présentant descaractéristiques de localisations singulières. Les résultats obtenus sont vérifiés expérimentalement,notamment grâce à un système de caractérisation spectrale en temps réel et à l’utilisation conjointede métriques statistiques innovantes (ex : cartographie de corrélations spectrales). L’excellent accordentre simulations et expériences a permis de valider les prédictions théoriques et d’accéder àune meilleure compréhension des dynamiques complexes inhérentes à la propagation non-linéaired’impulsions optiques. / This thesis reports the study of nonlinear instabilities and extreme events occurring during the guidedpropagation of an electromagnetic field into optical fibers. After a short overview of the various linearand nonlinear processes leading to optical supercontinuum generation, we show that its spectrumcan exhibit large fluctuations, including the formation of extreme events, whose statistical propertiesas well as hydrodynamic rogue waves analogy are studied in detail. We provide a proof of principle ofusing these spectral fluctuations for random number and random walk generation and identify modulationinstability, associated with the onset phase of supercontinuum spectral broadening, as themain phenomenon leading to extreme event formation. This mechanism is studied both numericallyand analytically, considering a class of exact solutions of nonlinear Schrödinger equation which exhibitsingular localization characteristics. The results are experimentally verified, especially througha real-time spectral characterization system along with the use of innovative statistical metrics (e.g.spectral correlation maps). The excellent agreement between simulations and experiments allowedus to validate the theoretical predictions and get further insight into the complex dynamics associatedto nonlinear optical pulse propagation.