La thématique de recherche de cette thèse est l'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA). Il s'agit d'une technique prometteuse pour l'amélioration de la qualité des impulsions laser ultra courtes et intenses, qui vise à remplacer les pré-amplificateurs traditionnels des lasers à base de Saphir dopé au Titane, car elle possède de nombreux avantages vis-à-vis de ceux-ci, parmi lesquels l'absence de rétrécissement spectral par le gain. Depuis quelques années, la technique OPCPA est utilisée dans de nombreux laboratoires français et étrangers, dans des chaînes laser de puissance élevée ou pour la génération d'impulsions ultra-courtes. Lors de cette thèse, les intérêts et les limites expérimentales de cette technique ont été étudiés afin de l'utiliser en tant qu'injecteur pour une chaîne laser de haute intensité. L'amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence est un phénomène d'optique non linéaire du deuxième ordre qui combine les technologies d'amplification paramétrique et d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence. Une source de pompe optique intense et une source signal faible interagissent dans un cristal non linéaire, permettant ainsi l'amplification du signal et s'accompagnant de la génération d'une nouvelle onde dite " complémentaire ". Deux configurations permettant un accord de phase large bande correspondant à des impulsions très courtes ont été étudiés. La première configuration d'amplification paramétrique qui fut développée est non dégénérée et non colinéaire. Les faisceaux signal et pompe sont générés par deux sources laser indépendantes et la synchronisation temporelle entre faisceaux est externe. La deuxième configuration est quasi-dégénérée et quasi-colinéaire. Les faisceaux proviennent d'une même source laser et sont ainsi synchronisés de façon naturelle. La seconde géométrie d'interaction s'est avérée être la plus prometteuse pour les études souhaitées. Son développement fut poursuivi en réalisant un schéma d'amplification hybride dans lequel un amplificateur paramétrique est combiné à un amplificateur à multiples passages traditionnel. Le signal ainsi amplifié est alors re-comprimé temporellement par un ensemble de quatre prismes associés à un filtre acousto-optique à dispersion programmable. La qualité spatiale ainsi que celle du front d'onde de l'impulsion incidente sont conservées pendant l'amplification. Une énergie de 300 µJ et un gain supérieur à 105 ont été obtenus sans réduction de la largeur spectrale des impulsions incidentes. La durée des impulsions obtenue après re-compression temporelle fut de 35 fs. La mise en évidence des verrous technologiques par la réalisation expérimentale d'une telle source va ainsi permettre d'améliorer le dispositif dont les résultats prometteurs démontrent tout l'intérêt d'utiliser ce type de système pour l'amplification d'impulsions laser ultra-courtes.

La chaîne laser Apollon 10PW est un projet de grande envergure visant à fournir des impulsions de 10 PW et atteindre des intensités sur cibles de 10^22 W/cm^2. Dans l’état de l'art actuel, les lasers à dérive de fréquence (CPA) de haute intensité à base de cristaux titane saphir (Ti:Sa), sont limités à des puissances de crête de 1,3 PW pour des impulsions de 30-fs, en raison du rétrécissement spectral par gain dans les amplificateurs. Pour accéder au régime multipetawatt, le rétrécissement de gain doit être évité. Pour cela une technique alternative d’amplification appelée amplification paramétrique optique d'impulsions à dérive de fréquence (OPCPA) est utilisée. Elle offre la possibilité d’amplifier sur des très larges bandes spectrales de gain et d’accéder à des durées d'impulsion aussi courtes que 10 fs. Le laser Appolon 10 PW exploite une technologie hybride d’OPCPA et de Ti:Sa-CPA pour atteindre in fine des impulsions de 15 fs avec une énergie de 150 J. L’OPCPA est réalisé essentiellement sur les étages d'amplification de basse énergie et de très fort gain (ou le rétrécissement par le gain se fait le plus ressentir), ceci pour obtenir des impulsions de 100 mJ, 10 fs. Deux étages OPCPA sont préus ; le premier en régime picoseconde, le second en régime nanoseconde, et subséquemment on utilisera le Ti:Sa pour l'amplification de très haute énergie pour atteindre le régime multi-Joule.Les travaux de cette thèse porte sur le pilote OPCPA du laser Apollon-10 PW et se concentre sur le développement d’une source d’impulsions ultra-courtes avec un contraste élevé. Pour atteindre l’objectif final de 15 fs, 150 J, le pilote doit permettre l’obtention d’impulsions dont le spectre supporte des durées de 10 fs, ceci avec un contraste temporel d'au moins 10^10. Dans cette thèse nous nous intéressons à la mise en œuvre des premiers étages du pilote. Ce travail concerne les étages de compression, de nettoyage d’impulsions et d’amplification OPCPA en régime picoseconde. Ainsi, en partant d'une source commerciale Ti:Sa délivrant des impulsions de 25-fs avec un contraste de 10^8, nous réalisons tout d’abord un élargissement spectral par auto-modulation de phase et une amélioration du contraste par génération de polarisation croisée (XPW). Ensuite, nous nous intéressons aux différents étireurs ps possibles incluant un filtre dispersif programmable (dazzler) en vue d’injecter l’OPCPA picoseconde de manière optimale. La solution directe utilisant un bloc de verre BK7 a été retenue et son association avec un compresseur compact pour le diagnostique de la compressibilité a été étudiée. Enfin, l’amplificateur OPCPA ps a été mis en œuvre dans des configurations à simple et double étages. / The Apollon-10 PW laser chain is a large-scale project aimed at delivering 10 PW pulses to reach intensities of 10^22 W/cm^2. State of the art, high intensity lasers based solely on chirped pulse amplification (CPA) and titanium sapphire (Ti:Sa) crystals are limited to peak powers reaching 1.3 PW with 30-fs pulses as a result of gain narrowing in the amplifiers. To access the multipetawatt regime, gain narrowing can be suppressed with an alternative amplification technique called optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA), offering a broader gain bandwidth and pulse durations as short as 10 fs. The Apollon-10 PW laser will exploit a hybrid OPCPA-Ti:Sa-CPA strategy to attain 10-PW pulses with 150 J and 15 fs. It will have two high-gain, low-energy amplification stages (10 fs ,100 mJ range) based on OPCPA in the picosecond and nanosecond timescale and afterwards, and will use Ti:Sa for power amplification to the 100-Joule level.Work in this thesis involves the progression of the development on the Apollon-10 PW front end and is focused on the development of a high contrast, ultrashort seed source supporting 10-fs pulses, stretching these pulses prior to OPCPA and the implementation of the picosecond OPCPA stage with a target of achieving 10-mJ pulses and maintaining its bandwidth. To achieve the final goal of 15-fs, 150-J pulses, the seed source must have a bandwidth supporting 10-fs and a temporal contrast of at least 10^10. Thus from an initial commercial Ti:Sa source delivering 25-fs pulses with a contrast of 10^8, spectral broadening via self-phase modulation and contrast enhancement with cross polarized (XPW) generation was performed. Subsequently, the seed pulses were stretched to a few picoseconds to match the pump for picosecond OPCPA. Strecher designs using an acousto-optic programmable dispersive filter (dazzler) for phase control in this purpose are studied. A compact and straightforward compressor using BK7 glass is used and an associated compressor for pulse monitoring was also studied. Lastly, the picosecond OPCPA stage was implemented in single and dual stage configurations.

Cette thèse présente des applications de l'optique non linéaire à la génération de fréquence et à la caractérisation temporelle de phénomènes de phase non linéaire. Elle comporte :<br /><br />- la réalisation d'un amplificateur paramétrique optique femtoseconde permettant de disposer de longueurs d'onde dans l'infrarouge proche.<br /><br />- un système expérimental de mesure de phase permettant de mesurer l'évolution temporelle de phases non linéaires.<br /><br />- des mesures de fréquences de phonons optique dans des cristaux pérovskites. La détermination théorique et expérimentale du vecteur d'onde associé au phonon a permis de séparer deux processus expérimentaux différents. <br /><br />- la mesure de la dynamique temporelle du déphasage induit par une cascade de non linéarités du second ordre lors de la génération de fréquence somme. Les résultats ont montré que le déphasage n'est pas assimilable à un phénomène instantané et que le décalage temporel de fréquence associé est non linéaire.

Cette thèse porte sur une application des propriétés de porte optique temporelle de l'amplification paramétrique à l'imagerie de temps de vie de fluorescence. Nous proposons une méthode qui permet d'associer à chaque pixel d'une image un temps de déclin sans scanner l'échantillon. L'objectif étant de résoudre sur la même image différents temps de vie dans une gamme allant de la nano à la picoseconde. Dans un premier temps, nous avons montré qu'il était possible de détecter des images de fluorescence de faible niveau amplifiées, avec un bon rapport signal à bruit malgré la présence de bruit dans les images liée à l'amplification du bruit quantique (SPDC). Nous avons également montré que ce bruit permettait d'obtenir une cartographie de la luminance d'une source incohérente directement exprimée en nombre de photons par mode spatio-temporel. La deuxième partie de ces travaux visait l'application à l'imagerie de temps de vie de fluorescence. Nous utilisons ici l'interaction paramétrique en régime impulsionnel pour échantillonner un signal de fluorescence dans le temps. La fonction de porte optique temporelle est dans ce cas assurée par la détection de l'onde idler seule qui est, d'un point de vue temporel, la réplique de la partie du signal synchrone avec la pompe. La résolution temporelle est alors fixée par la durée de l'impulsion pompe (jusqu'à 1 ps). Des images d'échantillons liquides ou solides (fluorophores et PMMA) sont obtenues avec des temps de vie de quelques dizaines de picosecondes. De plus, nous avons montré qu'il était possible de détecter de très faibles variations (de quelques ps) du temps de déclin d'un même fluorophore suivant son environnement chimique.

Dans le cadre d'études menées autour du programme PETAL, nous avons développé de nouvelles architectures pour la pré-amplification d'impulsions par amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA). Dans ce travail, nous considérons l'OPCPA comme un moyen de contrôle et de mise en forme des impulsions. Nous suggérons trois architectures lasers qui aspirent chacune à répondre à des défauts de la technique OPCPA ou des chaînes dédiées à la FCI. Ainsi, nous pallions un possible défaut de recouvrement temporel entre les impulsions pompe et signal, lequel induit une mauvaise extraction d'énergie lors du processus paramétrique. Dans ce cadre, nous avons démontré qu'une cavité régénérative OPCPA, résonnante sur l'onde complémentaire, permet d'optimiser l'amplification. Au-delà ce système permet de produire un train de répliques amplifiées de l'onde signal. Notre second montage vise à pré-compenser le rétrécissement spectral par le gain en façonnant les impulsions signal au niveau de l'étage OPCPA dans les domaines spatial et spectral. Nous avons démontré que ceci pouvait être réalisé en mettant en forme temporellement et spatialement le faisceau pompe. Enfin, nous proposons un OPCPA basé sur l'adressage spatial et l'amplification uniforme des composantes spectrales dans un cristal à polarisation périodique de type éventail.

Ce mémoire présente une étude expérimentale des fluctuations spatiales d'origine quantique de l'intensité dans des images en amplification paramétrique optique (OPA). Dans un premier temps nous avons caractérisé la réponse d'une caméra CCD lors de la mesure du bruit de photons dans le plan transverse de l'image. Pour cela, nous avons montré la pleine aptitude des capteurs silicium pour le domaine visible (527 nm) et leur mauvaise réponse dans le proche IR (1055 nm). Puis nous avons calibré le capteur sur toute sa dynamique afin d'éliminer l'inhomogénéité de réponse des pixels et ainsi mesurer le bruit de photons dans des images faibles ou intenses. D'autre part, nous avons étudié les aspects quantiques des OPA. L'amplification à l'aide d'un cristal de BBO de type I d'images (527 nm) dominées par le bruit quantique à l'aide d'une pompe UV (264nm) s'est imposée comme le meilleur compromis expérimental. Nous avons mis au point un montage et un protocole de mesure permettant la comparaison entre l'amplification sensible à la phase (PSA) et l'amplification insensible à la phase (PIA). Dans le cas d'une PIA, nous avons mis en évidence la dégradation du rapport signal à bruit. Pour la configuration PSA, nous avons réalisé la première amplification paramétrique d'images sans bruit spatial. Pour ces deux cas, les valeurs expérimentales sont en accord avec la figure de bruit attendue. De plus, nous avons étudié la distribution des fluctuations spatiales de la fluorescence paramétrique. L'emploi d'impulsions brèves et un fort filtrage des longueurs d'onde ont permis la caractérisation directe de la distribution de Bose-Einstein pure.