Ce travail est consacré 'a l'étude des propriétés optiques non linéaires de PPLN:5%MgO et CdSiP2, la motivation étant le développement de sources paramétriques optiques dans les seconde et troisième bandes de transmission de l'atmosphère. Ces deux cristaux ont été polis sous forme de sphère pour réaliser des mesures de génération de second harmonique et de génération par différence de fréquences dans toutes les directions en gardant une incidence normale. Les expériences sur sphère de PPLN:5%MgO ont d'abord permis de valider la théorie du quasi-accord de phase angulaire (QAPA), une configuration générale correspondant 'a une propagation des ondes selon une direction quelconque par rapport au vecteur réseau. Nous avons expérimentalement confirmé que le QAPA permet l'existence d'un domaine spectral plus 'étendu et de plus grande acceptance spectrale que l'accord de phase par bir'efringence. Toutes ces mesures ont aussi permis d'affiner les équations de Sellmeier de PPLN:5%MgO. Les propriétés non linéaires exhaustives de CdSiP2, un nouveau cristal non linéaire, ont été mesurées sur toute sa fenêtre de transparence. La possibilité de générer des longueurs d'onde au-delà de 8 μm par différence de fréquences impliquant une onde 'a 1.064 μm a été confirmée. Les mesures des directions d'accord de phase de génération de second harmonique de différence de fréquences ont permis d'affiner les équations de Sellmeier. Enfin, le seuil de dommage optique de CdSiP2 a été mesuré et comparé 'a AgGaS2, qui est son principal concurrent pour la génération dans l'infrarouge au-delà de 8 μm. Tous les résultats obtenus constituent une solide base pour les prochaines études consacrées 'a la conception de dispositifs paramétriques optiques pour l'infrarouge. Mots clés : génération paramétrique infrarouge, quasi-accord de phase angulaire, optique non linéaire.

La première partie de ce travail présente quelques éléments théoriques de l'optique non linéaire en rapport avec les oscillateurs paramétriques optiques en régime nanoseconde. Après un court rappel historique sur l'optique non linéaire, nous donnons les équations de propagation de trois ondes couplées en milieu non linéaire, nous exposons le principe de l'accord de phase par biréfringence et celui du quasi-accord de phase, puis nous donnons des solutions analytiques aux équations de propagation dans le cas des ondes planes. Nous présentons ensuite les différents processus paramétriques du deuxième ordre permettant d'exploiter les propriétés des cristaux non linéaires. La deuxième partie présente le contexte de l'étude menée dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique et la société CILAS. Après un état de l'art sur les expériences publiées concernant la génération d'ondes entre 2 mM et 5 mM, nous présentons les deux configurations que nous étudions par la suite. Dans la troisième partie nous développons les expériences menées sur la première configuration n'utilisant que des cristaux en accord de phase par biréfringence fonctionnant à proximité de la dégénérescence. Son principe réside en la mise en série d'un OPO à base de KTP et d'un OPO à base de ZGP. Pour le premier OPC nous démontrons l'efficacité de l'utilisation de plusieurs cristaux de KTP montés en compensation de double réfraction. Le rendement énergétique de 1 mM vers l'onde complémentaire atteint 29 %. Nous utilisons cet OPO en tant que source de pompage pour un OPO à base de ZGP, ce qui nous permet d'atteindre un rendement énergétique de 1 mM vers la bande 3-5 mM de 12 %. La quatrième partie concerne les expériences menées sur la seconde configuration, constituée de deux OPO mis en parallèle à base de cristaux en quasi-accord de phase. Nous évaluons successivement les performances d'OPO à base de PPKTP, PPLN puis PPRTA, à basse et à haute cadence.

Le développement de sources moyen infrarouge compactes et accordables dans les gammes de transmission de l’atmosphère présente un intérêt majeur dans les secteurs de la défense et de la sécurité. Les sources paramétriques à quasi-accord de phase en configuration guidée sont prometteuses pour gagner en compacité puisque l’on réduit la puissance de pompe nécessaire par rapport aux sources « massives ». Le premier axe de la thèse consiste à étudier des guides d’onde en arséniure de gallium périodiquement orientés (OP-GaAs) adaptés à un pompage par laser fibré et à des puissances relativement élevées. Le second vise à étudier de façon novatrice la possibilité d’intégrer dans un composant monolithique une diode laser en matériaux antimoniures avec un convertisseur de fréquence en antimoniure de gallium (GaSb). L’enjeu dans les deux cas est de réduire au maximum les pertes à la propagation dans ces guides d’onde pour exploiter pleinement leurs propriétés non-linéaires.Ce travail de thèse a permis de modéliser des structures de guides d’onde ambitieuses pour réduire les pertes, de développer les briques technologiques nécessaires à la fabrication de guides d’onde OP-semi-conducteur faibles pertes et de faire de premières caractérisations de ces composants dans le moyen-infrarouge. Les performances de guides d’onde GaAs ruban enterrés ou non ont pu être comparées, donnant une réduction des pertes d’un facteur trois avec des rubans enterrés. Plusieurs générations de guides d’onde GaSb ont vu le jour, et montrent des performances à l’état de l’art des structures en GaAs. En conséquence, diverses solutions ont été explorées pour intégrer une diode laser en matériaux antimoniures avec le guide d’onde convertisseur de fréquence. / The development of compact and tunable mid-infrared laser sources in the atmospheric transmission windows presents a major interest for several security and defense applications. Quasi-phase-matched parametric sources in guided wave configuration are promising solutions to enhance compactness, because of the reduction in pump power requirements with respect to bulk devices.The first axis of this thesis consists in studying orientation-patterned gallium arsenide (OP-GaAs) waveguides, adapted to fiber laser pumping and to relatively high pump power. The second axis is devoted to the original idea of integrating an antimonide based laser diode with a gallium antimonide (GaSb) frequency converter in a monolithic component. The goal in both cases is to minimize propagation losses in those waveguides to exploit the whole potential of their non-linear properties.This work led to model ambitious low-loss waveguides structures, to develop the technological fabrication steps necessary for OP-semiconductor waveguides manufacturing, and to characterize these components in the mid-infrared. The first buried ridge GaAs waveguide structure has been compared to the ridge one, giving a reduction of a factor three in the propagation losses. Several generations of GaSb waveguides have come forward, with constant losses improvement and reach GaAs state-of-the-art performances. Lastly, multiple solutions have been explored in order to integrate an antimonide-based laser diode with the frequency converter waveguide.

Les applications de spectroscopie, en particulier l’analyse de gaz à effet de serre, de composés organiques volatils ou autres polluants atmosphériques motivent le développement d’instrumentations spécifiques. L’étude présentée ici vise à proposer de nouvelles sources aptes à caractériser la composition d’un milieu gazeux, liquide ou solide. Les raies d’absorption optique de la plupart des gaz à détecter sont particulièrement fortes dans l’infrarouge moyen (en particulier entre 3 et 5 µm). Pour adresser cette plage spectrale, l’optique non linéaire propose de nombreuses solutions. Les sources rapportées ici sont des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) dont la spécificité repose sur l’utilisation de cristaux non linéaires à quasi-accord de phase apériodique. Ces cristaux présentent de larges bandes de gain intrinsèques. Les travaux présentés permettent une étude du comportement de telles sources, absentes de la littérature en régime d’impulsions picosecondes. Des caractéristiques propres à l’utilisation des cristaux apériodiques sont rapportées. Un outil permettant une observation spectrale dynamique en régime picoseconde est proposé puis utilisé pour l’étude du démarrage de nos OPO. Ces sources large bande sont ensuite associées à des filtres spectraux rapides placés dans la cavité. Deux types de filtres sont utilisés. D’abord l’association d’un réseau de diffraction en configuration Littrow avec un déflecteur rapide. Ensuite l’insertion dans la cavité d’un réseau de Bragg en volume chirpé, placé sur une platine de translation, pour tirer profit de la condition de pompage synchrone. Ces deux solutions nous permettent d'obtenir des dispositifs largement et rapidement accordables en longueur d'onde. L’utilisation de telles sources pour des applications de détection de gaz est démontrée. / Spectroscopy applications related to greenhouse gases or other atmospheric pollutants, involve the development of a large range of specific tools. The aim of the work presented here is to develop new devices to characterize the composition of gas, liquid, or solid media. Most of the species to be detected show particularly strong optical absorption lines in the mid-infrared region (in particular around 3 to 5 µm). To address this specific spectral range, nonlinear optics provide a wide range of solutions. The sources reported here are optical parametric oscillators (OPO) based on aperiodically poled nonlinear crystals. Such crystals offer broad gain bandwidths. The work presented here contains a study of those sources, not reported so far in the literature for picosecond regime. Behaviors that are specific to the use of aperiodic crystals are reported. A useful tool allowing dynamical spectral studies is proposed, and implemented to investigate buildup regime of the picosecond OPO. Those sources are then associated with rapid spectral filters inserted in the cavity. Two different approaches are developed. The first is based on the association of a diffraction grating in Littrow configuration with a deflecting device. The second takes advantage of the synchronous pumping scheme, with an intracavity chirped volume Bragg grating mounted on a translation stage. Fast and wide wavelength tuning is demonstrated with those devices. Gas detection applications are also demonstrated.

L’optique non linéaire qui convertit la gamme de fréquences des sources lasers vers l’ultraviolet, le visible, l’infrarouge ou le térahertz par exemple, joue un rôle crucial pour la médicine, l’industrie, les applications militaires, la recherche etc. L’accord de phase par biréfringence (BPM) ou le quasi-accord de phase (QPM) à partir de processus non linéaires quadratiques, peuvent être utilisés pour la conversion de fréquence dans le domaine de transparence de cristaux non linéaires. Dans ce travail de thèse, un cristal uniaxe de La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN) a été élaboré en utilisant une méthode de Czochralski, puis il a été étudié pour le BPM. Nous avons aussi validé la théorie du QPM angulaire (AQPM), qui correspond à la généralisation du QPM à n’importe quel angle par rapport au vecteur du réseau. Pour cela, nous avons étudié un cristal biaxe de Rb: KTiOPO4 à domaines ferroélectriques alternés périodiquement (PPRKTP) usiné en forme de sphère. Tous ces résultats constituent une base fiable for les études avenir consacrées à la conception de dispositifs pour la conversion de fréquence. / Nonlinear optics converting the frequency range of laser sources to ultraviolet, visible, infrared or terahertz ranges for example, plays a crucial role in medicine, industry, military applications, research and so on. Birefringence phase-matching (BPM) or quasi-phase-matching (QPM) from quadratic nonlinear processes, can be used for frequency conversion in the transparency range of nonlinear crystals. In this PhD work, a La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN) uniaxial crystal was grown using a Czochralski method and then studied for BPM. We also validated the theory of angular-QPM (AQPM), corresponding to a generalization of QPM achieved at any angle with respect to the grating vector. For that purpose, we studied a periodically-poled large-aperture Rb:KTiOPO4 (PPRKTP) biaxial crystal cut a sphere. All the results provide a reliable basis for further studies devoted to the design of frequency conversion devices.

Cette thèse présente de nouvelles approches en optique cristalline : l'étude angulaire de l'absorption et de l'émission d'ions fluorescents dans un cristal monoclinique ; la caractérisation de l'auto-doublage de fréquence ; le développement de la théorie du quasi-accord de phase angulaire. Avec un cristal sphérique de YCOB :Nd, les premières mesures des indicatrices d'absorption et d'émission des ions Nd3+ ont été réalisées : les directions propres d'absorption et d'émission diffèrent entre elles, ainsi que des axes principaux du repère optique. Des développements théoriques ont permis de décrire ces observations. Ces résultats montrent l'impossibilité d'optimiser simultanément l'absorption et l'émission pour de tels milieux, ainsi que la nécessité des études sur sphère. Une extension de la méthodologie sur cristaux sphériques à la mesure simultanée des propriétés laser et optiques non linéaires des milieux auto-convertisseurs est visée. L'étude théorique d'une cavité contenant un milieu laser auto-doubleur de géométrie sphérique a été menée, et la réalisation est en cours. Une généralisation du quasi-accord de phase a été menée pour toute direction de propagation dans les milieux périodiquement alternés. Une analyse basée sur la théorie des groupes a été menée pour définir les symétries et topologies des solutions de ces interactions. Les potentialités du quasi-accord de phase angulaire, illustrées sur PPLN :MgO, ont montré un accès à une plage spectrale et parfois à des tolérances spectrales plus grandes qu'en quasi-accord de phase classique. Ainsi, ce travail a contribué à développer des outils théoriques, méthodologiques et métrologiques en optique cristalline.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.