Distributed fibre optic sensing (DFOS) is essential for structural health monitoring (SHM) of strain changes induced during the lifetime of a structure. Among different DFOS systems, the Brillouin Optical Time Domain Reflectometry (BOTDR) takes the advantages of obtaining full frequency spectrum to provide strain and temperature information along the optic fibre. The key parameters of distributed fibre optic sensors, spatial and frequency resolution, are strongly linked with the time-frequency (T-F) localisation in the system in three parts: pulse, hardware design and optical fibre. T-F localization is fundamentally important for the communication system, whereas in this study the importance of the T-F localisation to the spatial and frequency resolution, repeatability and the measurement speed are introduced in BOTDR. In this dissertation, the development of DFOS is first introduced, including both traditional methods and new developed designs. The literature review shows the signal to noise ratio (SNR) of BOTDR can be improved by investigating its T-F localisation. In the hardware design, in order to improve the T-F localisation in hardware architecture, a Short-Time Fourier Transform-Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry (STFT-BOTDR), which implements STFT over the full frequency spectrum to measure the distributed temperature and strain along the optic fibre, is applied so that the conventional frequency sweeping method can be replaced for high resolution and fast speed measurement, providing new research advances in dynamic distributed sensing. The STFT based BOTDR has better T-F localisation, which in turn provides an opportunity for off-line post signal processing that is more adaptable for fast speed measurements. The spatial and frequency resolution of dynamic BOTDR sensing is limited by the Signal to Noise Ratio (SNR) and the T-F localization of the input pulse shape. The T-F localized input pulse shape can enhance the SNR and the spatial and frequency resolution in STFT-BOTDR. In this study, simulation and experiments of T-F localized different pulses shapes are conducted to examine the limitation of the system resolution. The result indicates that a rectangular pulse should be selected to optimize the spatial resolution and a Lorentzian pulse could be chosen to optimize the frequency resolution, while a Gaussian shape pulse can be used in general applications for its balanced performance in both spatial and frequency resolution. Meanwhile, T-F localization is used for pulse T-F localisation optimisation. A set of Kaiser-Bessel functions is used to simulate different pulse shapes and to compare their parameters in terms of T-F localisation and their Brillouin scattering spectrum. A method using an iterative filtering algorithm to achieve the optimised pulse in terms of T-F localisation is introduced to converge the Effective-pulse Width (TEW) in the time-domain and Effective-pulse Linewidth (FEL) in the frequency domain to identify the fundamental limitations. The optimised pulse can be fitted with a 7th order Gaussian (super-Gaussian) shape and it offers the best experimental performance compared to a Rectangular pulse. The sensitivity of a sensor to strain or temperature variations due to distributed Brillouin scattering is closely related to the power distribution on the Brillouin scattering spectrum which is related to the property of the optic fibre. The performance of a highly nonlinear fibre that can generate a higher Brillouin scattering signal is compared to that of a standard single mode fibre. The results show that much higher SNR of the Brillouin scattering spectrum and smaller frequency uncertainties in the sensing measurement can be achieved by using a highly nonlinear fibre for comparable launched powers. With a measurement speed of 4 Hz, the frequency uncertainty can be 0.43 MHz, corresponding to 10 με in strain or 0.43°C in temperature uncertainty for the tested highly nonlinear fibre. In contrast, for a standard single mode fibre, the value would increase to about 1.02 MHz (25 με or 1.02°C), demonstrating the advantage of the tested highly nonlinear fibre for distributed strain/temperature sensing. Results show that, by using a small effective area highly nonlinear fibre, the strain or temperature resolution can be improved because it generates stronger Brillouin scattering signal with high SNR and high Q factor spectrum, both of which determine the optimal averaging time in a single measurement. In general, the STFT-BOTDR can achieve 1 m spatial resolution, 10 με frequency resolution on a 10 km fibre with measurement speed at about 2.5 kHz.

Dans le cadre des études sur l'endommagement laser liées au projet Mégajoule, nous analysons le couplage entre l'auto-focalisation induite par effet Kerr et la rétrodiffusion Brillouin stimulée pour des impulsions de durée nanoseconde se propageant dans des échantillons de silice. L'influence de la puissance d'entrée, des modulations de phase ou d'amplitude ainsi que la forme spatiale du faisceau sur la dynamique de filamentation est discutée. Nous montrons qu'une modulation d'amplitude appropriée divisant l'impulsion incidente en train d'impulsions de l'ordre de la dizaine de picosecondes supprime l'effet Brillouin pour toute puissance incidente mais réduit notablement la puissance laser disponible. A l'inverse, des impulsions modulées en phase avec une largeur spectrale comparable peuvent subir de la filamentation multiple et une auto-focalisation à distance plus courte causées par des instabilités modulationnelles. Nous démontrons cependant l'existence d'une largeur spectrale critique à partir de laquelle la rétrodiffusion peut être radicalement inhibée par une modulation de phase, même pour des fortes puissances. Cette observation reste valide pour des faisceaux de forme carrée avec des profils spatiaux plus larges, qui s'auto-focalisent beaucoup plus rapidement et se brisent en filaments multiples sur de courtes distances. L'inclusion de la génération de plasma pour limiter la croissance des ondes pompe et Stokes est finalement abordée.

Depuis quelques années, nous assistons à une augmentation soutenue de la demande en puissance des sources optiques. L'introduction des fibres à double gaine dopées Er3+/Yb3+ dans la conception des lasers et des amplificateurs a permis l'obtention de puissances très élevées, impossibles à imaginer quelques années auparavant. L'évolution de cette technologie, conçue en principe pour des systèmes télécom, permet d'envisager de nombreuses applications dans d'autres secteurs tels que le médical, la découpe laser, le marquage, le lidar, le perçage, le soudage, ou le traitement de surface, entre autres. Du fait des fortes puissances mises en jeu dans de tels composants, l'apparition des effets non linéaires devient incontournable. Les effets non linéaires sont à l'origine d'interférences ou de distorsions qui dégradent considérablement les signaux. La compréhension de ces effets devient donc indispensable dans l'optique de trouver des règles d'ingénierie aidant à les minimiser lors de la conception de nouveaux composants. Ce mémoire présente une contribution, à la fois théorique et expérimentale, à l'étude des effets non linéaires dans les lasers et amplificateurs de puissance à fibre double gaine dopée Er3+/Yb3+, portant plus particulièrement sur l'automodulation de phase et la diffusion Brillouin stimulée. L'automodulation de phase a été traitée dans le cas des impulsions d'une durée inférieure à 4 ps. Après une mise en évidence expérimentale, un outil de simulation a été créé à l'aide de l'équation de Schrödinger non linéaire avec gain. Afin d'obtenir des impulsions de puissance supérieure à celle imposée par l'automodulation de phase, un système d'amplification d'impulsions utilisant l'architecture CPA ('Chirped Pulse Amplification') a été mis en place, permettant l'obtention d'impulsions de 450 fs avec une puissance crête supérieure à 35 kW. Dans le cas des impulsions larges -d'une durée supérieure à 10 ns-, la puissance maximum de sortie est limitée par un autre effet: la diffusion Brillouin stimulée. Cet effet a également été mis en évidence de façon expérimentale, puis modélisé à l'aide d'un système de cinq équations couplées. Comme dans le cas de l'automodulation de phase, un outil de simulation a aussi été créé. D'autres effets, tels que la diffusion Raman stimulée ou l'amplification paramétrique ont également été étudiés de façon expérimentale.

Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font parti de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apporté par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 μm en utilisant des fibres à cristal photonique.

Le but du travail est l'investigation de la propagation dans les milieux mobiles des ondes conjuguées en phase paramétriquement et la démonstration de leurs applications possibles à la vélocimétrie des écoulements liquides. Une investigation des effets non-linéaires qui accompagnent la propagation et l'interaction des ondes conjuguées en phase est réalisée avec par exemple la génération des harmoniques supérieures et la diffusion Brillouin. La possibilité d'application de ces effets pour l'amélioration de la précision des systèmes conventionnels acoustiques de vélocimétrie des écoulements est considérée. Il est montré que le principe de synchronisation des phases des harmoniques supérieures générées successivement par l'onde conjuguée en milieu hétérogène reste valide pour les milieux mobiles, ce qui permet d'augmenter la sensibilité de mesure proportionnellement à l'ordre de l'harmonique utilisée. Il est également montré que le décalage de phase de la composante Stokes de fréquence différentielle générée dans le milieu mobile pendant la diffusion Brillouin de l'onde conjuguée par celle de référence correspond à celui de l'onde conjuguée en phase. Les effets de génération des harmoniques supérieures et de la composante Stokes de fréquence différentielle peuvent être utilisés conjointement pour l'amélioration de la sensibilité et de la précision des mesures de vitesse de l'écoulement. Les applications possibles de l'effet de conjugaison de phase paramétrique à la vélocimétrie des écoulements sont présentées. Une méthode de mesure simultanée des concentrations relatives de mélange et de la vitesse des écoulements en temps réel est élaborée.

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles pour comprendre la physique des sources lasers à fibres de grande luminance spectrale. En les utilisant, des sources laser impulsionnelles à fibres dopées Erbium-Ytterbium ont été réalisées pour les applications lidar à détection cohérente.<br />La dynamique des sources impulsionnelles générant des impulsions nanosecondes à microsecondes a été analysée dans la première partie de cette étude. L'influence des réflexions parasites aux faibles taux de répétition (quelques kilohertz) a notamment été mise en évidence. Les effets thermiques dans les lasers Erbium-Ytterbium à forte puissance de pompe ont également été étudiés. Lorsque l'intensité transportée devient suffisamment importante, l'effet non-linéaire<br />dominant, la Diffusion Brillouin Stimulée (DBS) limite la puissance extractible des amplificateurs.<br />Nous avons donc développé dans un deuxième temps un modèle original qui rend compte de la dynamique de la DBS dans les amplificateurs dopés. Le caractère guidé des ondes acoustiques qui interviennent a été pris en compte. Un modèle satisfaisant des modes longitudinaux acoustiques a été introduit. Afin d'élever le seuil de la DBS, des fibres amplificatrices faiblement multimodes peuvent être utilisées. Un compromis entre qualité spatiale et puissance crête transportable doit alors être<br />trouvé. Grâce à nos modèles, nous avons conçu une source impulsionnelle multi-étages qui a permis<br />d'atteindre 650 µJ pour des impulsions de l'ordre de la microseconde avec une qualité de faisceau caractérisée par un M2~2.

La présence simultanée de plusieurs plasmas le long de la trajectoire d'un faisceau laser énergétique est susceptible de modifier de manière importante le comportement des instabilités paramétriques par rapport au cas où un seul plasma est présent. Afin d'identifier les différents effets pouvant intervenir dans ce type de situation, un système de cible double dont l'écartement est ajustable a été développé, la première cible étant une mousse de faible densité et la seconde une feuille de plastique. Une partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation de l'interaction dans les mousses seules, cette dernière étant encore peu connue à l'heure actuelle pour de si faibles densités. Dans le cas d'interaction en présence de deux plasmas, nous analysons successivement trois effets : celui du mélange hydrodynamique des deux plasmas, celui de l'incohérence induite par plasma et enfin celui du couplage électromagnétique entre les deux plasmas. Pour la première fois, il a été mis en évidence que l'incohérence induite par plasma sur un faisceau conduisait à la réduction de la rétrodiffusion Brillouin dans un plasma séparé. En revanche, cette incohérence ne parvient plus à compenser les effets hydrodynamiques se produisant par collision des plasmas lorsque ceux-ci sont suffisamment proches. Le couplage électromagnétique entre les plasmas affecte plus particulièrement la rétrodiffusion Raman, lorsque la rétrodiffusion du plasma de feuille traverse le plasma de mousse. Outre une réamplification du signal rétrodiffusé qui est un phénomène recherché dans l'amplification d'impulsions laser en milieu plasma, nous avons observé le développement de l'instabilité Raman dans une zone de plasma dominée par l'amortissement Landau ce qui est la signature d'effets cinétiques importants.

La circulation de matière et la signature sismique des zones de subduction sont fortement dépendantes despropriétés élastiques de deux grands types de minéraux hydratés : les serpentines (antigorite, lizardite etchrysotile) provenant de l'hydratation des minéraux du manteau et le glaucophane, minéral marqueur des schistesbleus et éclogites, faciès métamorphiques caractéristiques des zones de subduction. La détection de ces phasesest parfois difficile. Il est nécessaire de connaître leurs propriétés élastiques afin de mieux comprendre lesimages sismiques acquises. L'objectif de cette thèse est de mesurer et de calculer les propriétés élastiques deminéraux hydratés par la spectroscopie Brillouin (dans le cas de l'antigorite et du glaucophane) et par les calculsab initio (pour la lizardite). Caractériser au mieux ces propriétés permet de les relier à la sismicité dans les zonesde subduction et notamment aux zones de faibles vitesses détectées par diverses méthodes sismiques. Nosmesures ont été réalisées à l'ambiante pour l'antigorite et le glaucophane et à haute pression pour l'antigorite encellule à enclumes de diamants. Les mesures élastiques ont ensuite été couplées à des mesures d'orientationspréférentielles par Electron Back-Scattered Diffraction. Ceci a permis de quantifier l'anisotropie élevée(AVP=37% et AVS=50%) dans la roche totale ainsi que les vitesses sismiques faibles des ondes P et S. Nousavons pu ainsi relier le décalage des ondes S aux retards observés par sismique dans la zone de subduction deRyukyu (Japon). Les observations sismiques montrent que la serpentine est présente dans les zones où lasismicité est faible et apparaît non seulement comme un minéral essentiel des zones de subduction mais en pluscomme un "lubrifiant" permettant aux couches de glisser les unes sur les autres sans engendrer de séismes. Pourle glaucophane, les schistes bleus présentent une anisotropie plus élevée que les éclogites à glaucophane maisces roches sont toutefois difficiles à détecter avec la profondeur, du fait de leurs vitesses élevées comparables àcelles du manteau environnant. Nos calculs par méthode ab initio portent sur un analogue de l'antigorite, lalizardite pour laquelle nous avons établi les constantes élastiques à diverses pressions et en présence de fer ounon. Nous avons mis en évidence une anomalie élastique vers 5 GPa pour la lizardite et 7 GPa pour l'antigorite,que nous avons confirmée ensuite par des mesures de spectroscopies Brillouin et Raman à haute pression.

Le développement récent des fibres à large cœur quasi-monomodes a permis une montée en puissance rapide des lasers à fibre. En effet, l'utilisation d'un gros cœur permet de limiter les effets non linéaires indésirables et d'augmenter les seuils de dommage. Afin de poursuivre la montée en puissance, nous avons exploré une voie originale utilisant des fibres amplificatrices dopée Ytterbium à très large cœur, donc multimodes, suivies d'interactions non linéaires de remise en forme. Deux concepts ont été étudiés pour la restitution d'un faisceau limité par la diffraction :<br />- le premier réalise la remise en forme par effet photoréfractif dans un cristal de Rh:BaTiO3. Un schéma original a été proposé et validé expérimentalement. Ce convertisseur de mode transforme tout faisceau laser cohérent, dépolarisé et aberrant en un faisceau polarisé et limité par la diffraction,<br />- le second est issu d'une étude théorique et expérimentale détaillée de la rétrodiffusion Brillouin stimulée (SBS) dans des fibres multimodes. S'il est bien connu que des effets de conjugaison de phase ou de nettoyage de faisceau peuvent être observés par SBS dans les fibres multimodes, leurs conditions d'observation le sont moins. Cette étude permet de définir les conditions dans lesquelles les effets de conjugaison de phase (fibre à saut d'indice courte) ou de nettoyage de faisceau (fibres à gradient d'indice) sont attendus. Le schéma original proposé et validé expérimentalement est une cavité Brillouin auto-alignée contenant une fibre multimode à gradient d'indice. La remise en forme est effectuée par réflexion efficace du faisceau multimode vers le mode fondamental de la fibre à gradient d'indice.

doctoral thesis, Ph.D, University of California, Berkeley, Berkeley, CA. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--55855" Gedik, Nuh. USDOE Director. Office of Science. Office of Basic Energy Sciences 05/20/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.