Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’une source laser TW, de cadence élevée, stabilisée en phase, et délivrant des impulsions de quelques cycles optiques pour explorer la physique attoseconde. De telles impulsions contiennent seulement quelques oscillations de l’onde porteuse (durée de 5 fs à une longueur d’onde centrale de 800 nm) et ne sont pas directement disponibles à la sortie d’une source laser femtoseconde classique. Une technique de post-compression efficace pour obtenir de telles impulsions consiste à élargir le spectre des impulsions laser par automodulation de phase dans une fibre creuse remplie de gaz, puis à compenser la phase spectrale introduite avec des miroirs chirpés. Cette technique convient à des impulsions dont l’énergie est inférieure au millijoule. Au-delà, la transmission et la stabilité du compresseur chutent fortement à cause d'effets non linéaires tels que l'autofocalisation et l'ionisation. Pour comprimer des impulsions énergétiques et dont la phase de l’enveloppe est stabilisée par rapport à la porteuse (stabilisation de la CEP), il est possible de diviser l'impulsion initiale en plusieurs répliques d'énergie moindre et de réduire ainsi l'intensité crête en entrée de fibre. Le spectre de chaque réplique est alors élargi indépendamment. Dans le cadre de cette thèse, la combinaison cohérente passive d'impulsions de quelques cycles optiques issues d'une fibre creuse remplie de gaz est démontrée pour la première fois. L'utilisation de lames biréfringentes (calcite) dont l’orientation est soigneusement déterminée permet de générer et combiner des répliques avec une efficacité élevée. Ainsi, dans le cas d’une division en deux répliques, des impulsions stabilisées en phase (CEP), de durée 6 fs et d'énergie 0.6 mJ ont été générées de manière fiable et reproductible. L’étude détaillée de cette technique, aussi bien théorique qu’expérimentale, a permis de mettre en évidence les conditions requises pour générer des impulsions de quelques cycles optiques et présentant un bon contraste temporel. Plus précisément, la phase spectrale relative entre les répliques peut être mesurée à l'aide d'une méthode interférométrique permettant de quantifier les déphasages résiduels dus à la lame qui recombine les répliques, ainsi que ceux induits lors de la propagation dans la fibre par d'éventuels effets de modulation de phase croisée ou d'ionisation. Les effets qui affectent le processus de combinaison des répliques, tels que les modifications des états de polarisation des répliques ou bien les interactions non linéaires entre les répliques, sont analysés en détail. Une méthode est proposée pour minimiser ces effets, même dans le cas plus critique de la division et combinaison d'impulsions à quatre répliques. / The framework of this thesis is the design and development of a TW-class, high-repetition rate, CEP-stabilized, few-cycle laser system devoted to attosecond physics. Few-cycle pulses includes only a few oscillations of the carrier wave (duration about 5 fs for 800nm central wavelength) and are not directly available at the output of typical femtosecond sources. One of the most popular techniques used for producing such pulses with high spatial quality is nonlinear spectral broadening in a gas-filled hollow-core fiber followed by temporal compression with chirped mirrors. However, as the input pulse energy approaches the milliJoule level, both the transmission and stability of hollow fiber compressors rapidly drop with the onset of self-focusing and ionization. A way of overcoming this limitation is to divide the input pulse into several lower energy replicas that can be subsequently recombined after independent spectral broadening in the fiber. In this thesis, the passive coherent combining of millijoule energy laser pulses down to few-cycle duration in a gas-filled hollow fiber is demonstrated for the first time. High combining efficiency is achieved by using carefully oriented calcite plates for temporal pulse division and recombination. Carrier-envelope phase (CEP)- stable, 6-fs, 800-nm pulses with more than 0.6 mJ energy were routinely generated in the case of twofold division and recombination. A detailed theoretical and experimental analysis of this temporal multiplexing technique is proposed to explain the conditions required for producing few-cycle pulses with high fidelity. In particular, an interferometric method for measuring the relative spectral phase between two replicas is demonstrated. This gives a measure of the phase mismatch in the combining plate, as well as that induced by eventual cross-phase modulation or ionization during propagation in the fiber. The effects degrading the combining process, as polarization change or nonlinear interactions between pulse replicas are analyzed in details. A method is proposed to overcome these limitations, even in the critical case of fourfold pulse division and combination.

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The objective of this dissertation is to generate high power ultrashort optical pulses from an all-semiconductor mode-locked laser system. The limitations of semiconductor optical amplifier in high energy, ultrashort pulse amplification are reviewed. A method to overcome the fundamental limit of small stored energy inside semiconductor optical amplifier called "eXtreme Chirped Pulse Amplification (X-CPA)" is proposed and studied theoretically and experimentally. The key benefits of the concept of X-CPA are addressed. Based on theoretical and experimental study, an all-semiconductor mode-locked X-CPA system consisting of a mode-locked master oscillator, an optical pulse pre-stretcher, a semiconductor optical amplifier (SOA) pulse picker, an extreme pulse stretcher/compressor, cascaded optical amplifiers, and a bulk grating compressor is successfully demonstrated and generates >kW record peak power. A potential candidate for generating high average power from an X-CPA system, novel grating coupled surface emitting semiconductor laser (GCSEL) devices, are studied experimentally. The first demonstration of mode-locking with GCSELs and associated amplification characteristics of grating coupled surface emitting SOAs will be presented. In an effort to go beyond the record setting results of the X-CPA system, a passive optical cavity amplification technique in conjunction with the X-CPA system is constructed, and studied experimentally and theoretically.

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Intensivement étudié depuis son apparition en 1960, le laser est un outil qui a su trouver sa place au-delà du monde académique : ses performances uniques l'ont rendu indispensable dans nombres d'applications de la vie courante. Les particularités les plus attractives du rayonnement laser sont la directivité de son émission, et le caractère quasi-monochromatique de son rayonnement.La première permet de propager un faisceau laser sur des longues distances, et également de concentrer la lumière sur des cibles aux dimensions extrêmement réduites : on parle de cohérence spatiale de l'émission laser. Cette seule propriété trouve de nombreuses applications : les lecteurs de codes-barres, imprimantes laser, pointeurs lasers en sont des exemples très rependus.La seconde permet d'accorder la bande spectrale étroite de l’émission laser aux bandes d'absorption de certains matériaux, ce qui permet de déposer localement de l’énergie de manière contrôlée. Par ailleurs elle confère au rayonnement laser des propriétés de cohérence temporelle uniques, qui peuvent être exploitées notamment en interférométrie, ouvrant la voie à de très nombreuses applications dans le domaine de la mesure, pour la caractérisation de surfaces optiques, dans les capteurs de position à effet Sagnac, en spectrométrie, pour ne pas citer quelques exemples. / ...

Les plus brefs flashs de lumière qui puissent être produits en laboratoire actuellement ont des durées de quelques dizaines d’attosecondes (1 as = 10-18 s), et ne peuvent être créés que dans le domaine extrême-ultraviolet (XUV). Le développement de composants optiques capables de contrôler et de mettre en forme ce rayonnement attoseconde est crucial pour permettre à ces impulsions de se généraliser. Cette thèse porte donc sur l’étude et la réalisation de tels composants.Les impulsions attosecondes ont la particularité de comporter une dérivée de fréquence intrinsèque au processus utilisé pour leur génération. Cela a pour effet d’augmenter leur durée. Nous avons donc développé des miroirs multicouches capables d’induire une dérive de fréquence opposée sur les impulsions s’y réfléchissant, permettant ainsi de les compresser. En caractérisant les impulsions attosecondes réfléchies par ces miroirs, nous avons pour la première fois observé une telle compression des impulsions attosecondes. Nous avons également développé des miroirs multicouches théoriquement capables de compresser des impulsions sous la barre symbolique des 50 as, soit en dessous du record actuel de durée d’une impulsion lumineuse.La mesure de ces impulsions requiert leur focalisation dans un spectromètre. Or les miroirs focalisants généralement utilisés peuvent très rapidement introduire des aberrations géométriques. A l’aide de simulations numériques et d’une étude analytique, nous avons montré que ces aberrations pouvaient très fortement déformer la structure spatio-temporelle des impulsions attosecondes, provoquant une augmentation de leur durée. Enfin, nous avons montré que ces effets n’étaient pas pris en compte par les techniques actuelles de caractérisation d’impulsions attosecondes, cela pouvant amener à mesurer une impulsion attoseconde plus courte qu’elle ne l’est en réalité. / The shortest flashes of light ever produced so far have durations of a few tens of attoseconds (1 as = 10-18 s), and can only be generated in the extreme ultraviolet spectral range (XUV). Developing optical components able to control and shape such attosecond radiation is crucial to generalize the use of these light pulses. This is the topic of this work.Attosecond pulses happen to be chirped due to the physical process used to generate them. This phenomenon leads to an increase in their duration. Consequently, we developed inversely chirped multilayer mirrors, allowing one to compress the pulses during their reflection off the mirrors. By measuring these reflected pulses, we observed for the first time such a compression of attosecond pulses. Moreover, we developed another set of multilayer mirrors theoretically able to compress pulses below 50 as. That is below the current pulse duration record.Furthermore, the measurement of these pulses requires that they be focussed into a spectrometer. However, typically used focusing mirrors can add geometric aberrations. By the use of numerical simulations and thanks to an analytic study, we showed that these aberrations could strongly distort the spatio-temporal structure of the pulses, and increase their duration. Moreover, we showed that this phenomenon was not taken into account by current attosecond pulse characterization techniques. This could lead to determining the pulse duration to be shorter than it actually is.

Divers radars sont développés pour des besoins d’aide à la conduite automobile de sécurité mais aussi de confort. Ils ont pour but de détecter la présence d’obstacles routiers afin d’éviter d’éventuelles collisions. La demande actuelle en termes de capteurs radars pour l’automobile connaît une croissance importante et les technologies employées doivent garantir de bonnes performances dans un environnement dégradé par les signaux interférents des autres utilisateurs. Dans cette thèse, nous nous intéressons au développement d’un système radar performant en tout lieu et en particulier dans un contexte multi-utilisateurs. A ce propos, nous proposons de nouvelles formes d’ondes qui se basent sur la combinaison des codes fréquentiels de Costas et d’autres techniques de compression d’impulsion en exploitant les signaux de Costas modifiés. La conception adoptée permet, grâce à la diversité introduite, de synthétiser un nombre important de formes d’ondes. Nous avons, ensuite, exploité deux approches d’estimation des paramètres des cibles. La première, plutôt classique, se base sur le traitement Doppler dans un train d’impulsions cohérent. La deuxième, récente dans le domaine automobile, se base sur la technique dite de « Compressed Sensing ». Une adaptation de ces algorithmes pour les signaux proposés a été discutée dans des environnements bruités et multi-cibles. L’ensemble de ces travaux contribue à explorer de nouvelles formes d’ondes, autres que celles utilisées dans les radars actuels et à proposer un traitement innovant en réception, adapté aux radars en général et à l’automobile en particulier. / Several driver assistance radars are developed for security and comfort requirements. Their goal is among others to detect the presence of obstacles for collision avoidance. The current demand in terms of automotive radar sensors experience a significant growth and the technologies being employed must ensure good performances especially in an environment degraded by interfering signals of other users. In this thesis, we are interested in developing a radar system which is effective in all situations especially in a multi-user context. For this purpose, we propose novel radar waveforms based on the combination of frequency hopping Costas codes and other pulse compression techniques, using modified Costas signals. The design approach allows to synthesize a significant number of waveforms, thanks to the high diversity introduced. Afterwards, we have exploited two estimation of target parameters approaches. The first one, quite classic, is based on Doppler processing in a coherent pulse train. The second one, recent in the automotive field , is based on the Compressed sensing techniques. An adaptation of these algorithms to proposed signals is discussed in noisy and multi-target environments. All these works contribute in one hand to explore novel radar waveforms, complement to those currently used in automotive radars and in another hand to propose an innovative processing at the receiver level, suited to radar applications in general and automotive ones in particular.

This work is dedicated to a comprehensive experimental study on the interaction of femtosecond laser pulses with the nonlinear optical medium lithium niobate. The nonlinear optical response in the nanosecond regime was already studied extensively with a variety of techniques, whereas femtosecond pulses were mainly used in transient absorption or transient grating experiments. Naturally, the temporal resolution of these measurements depends on the pulse duration, however, dynamics during the pulse excitation were barely investigated. The motivation of this work is to widen the limits of femtosecond spectroscopy, not only to temporally resolve faster nonlinear optical processes, but further to show a sensitivity to other coupling mechanisms between the pulses and the material. Especially, the role of transient, dynamic holographic gratings is investigated with a careful determination of the pulse duration, bandwidth and frequency chirp. A basis of this work is established in the first part by studying the material response via light-induced absorption before focusing on the main topic, the pulse interaction with elementary (holographic) gratings, both self-induced and static, in the second part. By this detailed study, several features of femtosecond laser pulses, holographic gratings and the ultrafast material response can be revealed: (i) grating recording is feasible even with pulses of different frequencies, provided that their pulse duration is sufficiently short, (ii) grating based pulse coupling causes a pronounced energy transfer even in a common pump-probe setup for transient absorption measurements with (non-)degenerated frequencies, (iii) beyond expectation, oscillations in the phonon frequency range become apparent in different measurements. The presented results point towards appropriate future experiments to obtain a more consistent, microscopic model for the ultrafast response of the crystal, involving the interplay between photo-generated polarons, self-induced gratings, and phonons.

The thesis deals with research of pulse compression of the acoustic signal in terms of applications in civil engineering. Based on the study and analysis of these methods, automated measuring equipment for non-destructive testing with pseudorandom sequence of maximum length and automated signal analysis, have been designed and implemented. In a single test cycle are obtained three parameters that characterize the linear and nonlinear behavior of the sample. A nonlinear parameter, Time of Flight of ultrasonic wave in the sample is further in the work compared with the conventional pulse measuring, and spectral analysis is compared with the method impact-echo. Functionality and optimization of the testing method was performed on a total of three sets of test pieces made of various building materials. The experiments proved simple result interpretation, and high sensitivity to structural damage associated with temperature loading. The results were correlated with conventional nondestructive methods and by destructive testing was measured change in compressive strength and flexural strength. This work also includes continual measurement of fundamental frequency influenced by moisture on a mortar sample. Use of pulse compression signal is in the civil engineering quite unusual. Only in recent years this topic is discussed in scientific articles with increasing frequency. Great potential lies in the association of three test methods into a single. Beneficial is high test speed and measurement reproducibility, but also theoretical possibility of testing massive test elements.