Dans cette thèse, nous présentons des avancements récents en Théorie des Champs Doubles (TCD) et Théories des Champs Exceptionnels (TCE). Ces théories ont la particularité d’être des reformulations de supergravité dans lesquelles les symétries de dualité sont explicites avant toute réduction dimensionnelle. Ces reformulations se basent sur la définition d’un espace-temps étendu qui géométrise le groupe de T-dualité en TCD et les groupes exceptionnels de U-dualité en TCE. Tous les champs de cet espace sont soumis à une contrainte de section qui restreint leur dépendance en coordonnées. Il existe plusieurs solutions à la contrainte de section, qui correspondent donc à des théories différentes. Dans ce sens, le formalisme des théories des champs étendues amène à une unification de ces théories. De plus, grâce à un outil spécifique aux théories des champs étendues, l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé, il est possible de réécrire les ansatz compliqué de type Kaluza-Klein en supergravité sous une forme élégante et compacte: un produit matriciel en dimensions supérieures. Ici, nous présentons plusieurs exemples de l’efficacité de l’ansatz de Scherk-Schwarz généralisé. En particulier, nous prouvons deux conjectures concernant les troncations cohérentes: la réduction dite “de Pauli” de la corde bosonique ainsi que la supergravité de type IIB sur AdS5 x S5. La dernière application de cet ansatz concerne la théorie de type IIB généralisée, apparue récemment dans l’étude des système intégrables, et son plongement dans la TCE E6(6). Enfin, nous présentons la complétion supersymétrique de la TCE E8(8) bosonique. / In this thesis, recent developments in Double Field Theory (DFT) and Exceptional Field Theory (EFT) are presented. They are reformulation of supergravity in which duality symmetries are made manifest before dimensional reduction. This is achieved through the definition of an extended spacetime that “geometrises” the T-duality group O(d,d) in DFT and exceptional U-duality groups in EFT. All functions on this extended space are subject to a covariant `section constraint', whose solutions then restrict the coordinates dependency of the fields. There exist different solutions to the section constraint that correspond to different theories. In this sense, different theories are unified within the formalism of extended field theories. Moreover, extended field theories possess a powerful tool to study compactifications: the generalised Scherk-Schwarz ansatz.Here, we present several examples of the effectiveness of the generalised Scherk-Schwarz ansatz. In particular, we proved two conjectures regarding consistent truncations: the so-called Pauli reduction of the bosonic string on group manifolds and type IIB supergravity on AdS5 x S5. Another application is presented on the embedding of generalised type IIB within the E6(6) EFT, which recently appeared in the study of integrable systems.Finally, we present the supersymmetric completion of the bosonic E8(8) EFT.

Les impulsions femtosecondes (fs) sont employées pour réaliser des interactions lumière matière athermiques intéressant aussi bien les mondes industriel, médical que scientifique.Des lasers avec toujours plus de puissance crête (P c ) à des cadences toujours plus élevées sont requis. Les sources à fibre dopée ytterbium ont pour cela un potentiel important. Or, la durée des impulsions amplifiées demeure élevée (~ 300 fs) en raison du rétrécissement du spectre amplifié pour de forts niveaux de gain, limitant la valeur de P c accessible. L’amplification avec division spectrale à travers un réseau d’amplificateurs fibrés et la synthèse d’impulsions fs par recombinaison spectrale cohérente est proposée comme solution. Les composantes spectrales sont amplifiées séparément en parallèle avant d’être réassemblées en un seul faisceau. La gestion des relations de phase entre les rayonnements issus des voies assurent la reconstruction de l’impulsion après amplification. Différentes architectures sont considérées.Après avoir choisi et dimensionné l’une d’entre elles, nous avons réalisé l’amplification et la synthèse d’impulsions de 280 fs à travers 12 guides non couplés d’une fibre multicœur, sans étireur/compresseur. Nous avons mis en évidence le gain en puissance de cette architecture par rapport à un amplificateur monovoie, proportionnel au carré du nombre de voies mises enjeu. La compatibilité de ce montage avec l’amplification d’impulsions large bande (≈ 40 nm)a été prouvée. En perspective, les performances énergétiques accessibles et la transposition du schéma d’amplification aux oscillateurs en vue de produire des impulsions fs large bande à haute énergie sont discutées. / Femtosecond pulses (fs) are used to produce no thermal light matter interactions which areinteresting for industrial, medical, or scientific activities. Lasers producing higher peak powerat a higher repetition rate are required. Ytterbium doped fiber sources are good candidates.However, pulse duration is still high (~ 300 fs) owing to spectral narrowing at high gainlevels. Peak power is also limited. Amplification in an array of amplifiers with spectralsplitting and fs pulse synthesis by coherent spectral combining is proposed as a solution.Spectral components are separately amplified before to coherently recombine the amplifieroutputs in a single beam. Phase management of the radiations from different amplifiers leadsto short pulse synthesis. Different setups are considered. After the choice and the gauging ofone of them, we amplified and synthesized 280 fs pulses through 12 uncoupled cores of amulticore fiber, without stretcher/compressor devices. We demonstrated the powerenhancement of this setup compared to a single amplifier, proportional to the square of thenumber of amplifier used. Compatibility of the setup with broadband amplification (≈ 40 nm)was demonstrated. In prospects, performance scaling in terms of peak power are in a first timedevelopped. The conception of an oscillator based of this amplification scheme to produce fsbroadband and energetic pulses is proposed in a second time.

Les méthodes de combinaison cohérente sont rapidement apparues comme très prometteuses dans la course à la puissance des sources lasers. Cela s’explique par le fait que la puissance autour de l’axe de propagation évolue selon une loi quadratique avec le nombre de faisceaux combinés. Mes premiers travaux ont porté sur la montée en puissance de pompage dans les systèmes de mise en phase passive par auto-organisation. Pour la première fois, nous avons mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement, qu’au-delà du seuil laser, le filtrage spectral intracavité dû à la structure interférométrique du système laser, est un des principaux facteurs limitant l’obtention de qualités de phasage élevées. L’augmentation du nombre d’émetteurs accentue la dégradation de l’efficacité de combinaison avec la montée en puissance, montrant l’incapacité de ce type de méthode à combiner efficacement un grand nombre d’émetteurs lasers de forte puissance. Par la suite, mes travaux ont porté sur l’étude d’une méthode innovante de phasage actif, mise au point à XLIM. Le principe de cette méthode associe un filtrage optique de type contraste de phase, à un algorithme d’optimisation réduisant les écarts de phases entre émetteurs. Les calculs et expériences ont mis en évidence la très faible sensibilité de la méthode au nombre d’émetteurs mis en jeu. Les démonstrations de combinaison cohérente de 7 à 37 émetteurs fibrés délivrant jusqu’à 5W chacun ont été faites. Ce dernier résultat constitue aujourd’hui un record en termes de nombre d’émetteurs combinés de manière active. L’efficacité de combinaison en champ lointain a été estimée à une valeur élevée de 94%, correspondant à une erreur de phase résiduelle d’environ λ/25. Le faible nombre d’itérations d’algorithme nécessaires pour converger a permis de corriger les fluctuations de phase sur une bande d’environ 1kHz. / Coherent laser beam combining techniques rapidly appeared highly promising in the field of ultra-high power laser sources. Indeed, the combined intensity around the propagation axis follows a quadratic law with the number of combined emitters. The first part of my work has been focused on passive phasing techniques, based on self-organization properties of coupled lasers. We have shown, both numerically and experimentally, that the intracavity filtering function due to the interferometric nature of the set-up, is an intrinsic reason for combining efficiency decrease far above laser threshold. The decrease goes steeper when the number of combined laser increases, making that kind of system inappropriate for coherently combining a large number of lasers delivering high power. The second part of my work consisted in studying an innovative active phasing method that associates a phase-contrast like filter with an optimization algorithm reducing phase errors between emitters. Both simulations and experiments showed the weak sensitivity of this method to the number of combined emitters. We demonstrated the phasing of 7 to 37 fiber lasers, delivering up to 5W each. To the best of our knowledge, this last result is the highest number of fiber lasers combined with an active phasing method. The combining efficiency has been estimated around 94%, corresponding to a residual phase error of λ/25. The weak number of algorithm iterations needed to reach the in-phase regime offered a bandwidth of approximately 1kHz.

Avec le développement de la technologie, les mesures des champs de vitesse instationnaire sont disponibles maintenant. Il s'en suit une augmentation de l'intérêt de l'analyse lagrangienne des données. Un outil central pour analyser les écoulements est l'exposant de Lyapunov à temps fini (FTLE). Il permet d’identifier les structures cohérentes lagrangiennes LCS qui apparaissent comme des crêtes du champ de FTLE. Les LCS sont des quasi barrières de transport et séparent le domaine fluide en régions aux propriétés dynamiques différentes. Cependant, la méthodologie de calcul actuelle des FTLE exige l'évaluation numérique d'un grand nombre de trajectoires de particules fluides sur un maillage cartésien ou adaptatif qui est superposé aux champs de vitesses simulées ou mesurées.Dans ce travail de thèse, nous proposons une nouvelle méthode de calcul du champ de l'exposant de Lyapunov à temps fini FTLE. Pour cela, nous utilisons la méthode des moments d'ordre 2 qui permet d'évaluer au cours du temps la dispersion des particules distribuées uniformément dans un domaine circulaire ou elliptique. Nous appelons ce nouveau champ scalaire, champ de M-FTLE. Nous validons cette approche, théoriquement en tout point du domaine fluide en comparant M-FTLE et FTLE et aussi en faisant la comparaison sur des exemples classiques (champ de vitesse linéaire, circulaire ou hyperbolique) et sur un exemple numérique (champ de vitesse du double gyre). Cette méthode est alors appliquée sur des données expérimentales du champ de vitesse du mascaret, obtenues au sein l'institut 'Pprime' par vélocimétrie par image de particules PIV. / With the development of technology, instantaneous flow fields coming from experiments or numerical simulation are available now. It has been followed by a rise of interest for the Lagrangian analysis of such data. One central tool to analyze the flow fields is the Finite Time Lyapunov Exponent (FTLE). It allows to the identify of the Lagrangian Coherent Structures (LCS) which appear as ridges in the FTLE fields. The LCS are quasi transport bareers and separatte the fluid domain into regions which have different dynamic properties. However, the computation methodology currently used in order to obtain the FTLE requires numerical evalution of a large number of fluid particle trajectories on cartesian or adaptive meshes that are superimposed on the original data grid.In this thesis, we propose a new method for calculating the Finite Time Lyapunov Exponent FTLE fields. For this, we use the method of second-order moments which allows to evaluate over time the dispersion of particles uniformly distributed in a circular or elliptical domain. We call this new scalar field, the M-FTLE field. We validate this approach theoretically, at every point of the fluid domain by comparing FTLE and M-FTLE and also by the comparison of the classic examples (linear velocity field, circular and hyperbolic) and a numerical example (velocity field of double gyre). This method is then applied on experimental measurements of tidal bore velocity fields, obtained within the institute 'Pprime' by using a measurement technique called particle image velocimetry (PIV).

L’objectif de ce travail est de modéliser la propagation des ondes cohérentes antiplanes dans une distribution aléatoire et uniforme de fissures fermées ou ouvertes, parallèles ou aléatoirement orientées. Elles contiennent un fluide visqueux où leurs lèvres sont libres de contraintes. Les mécanismes de diffusion multiple entre fissures sont pris en compte. Une première étude porte sur la réponse d’une couche endommagée à faces parallèles, sollicitée à incidence normale. Les champs de déplacement cohérent siégeant dans les trois régions de l’espace sont déterminés. Par suite, la masse volumique et la rigidité effectives de la couche, vue homogène par l’onde cohérente, sont définies. Les cas d’une distribution de fissures à concentration variable et d’une onde de surface (de type Love) en présence d’une couche endommagée sur un substrat sain sont alors traités. Une dernière application concerne les populations de fissures visqueuses à tailles variables présentes dans la croûte terrestre. / Abstract

En accord avec l'équation de propagation des ondes élastiques dans la matière, l'expression de la vitesse du son n'interdit pas à la masse volumique et à la compressibilité effectives du milieu d'être toutes deux négatives. Comment concevoir alors un tel matériau qualifié de métamatériau acoustique ? Qu'elles sont ses principales propriétés ? Cette thèse expérimentale a pour objectif la conception et la caractérisation d'un métamatériau pour les ondes de Lamb (ondes de plaque) de fréquences comprises entre 1MHz et 10MHz.L'approche mise en place repose sur le théorème d'Helmholtz qui permet de voir la propagation d'une onde élastique d'énergie finie comme le résultat d'un processus de couplage entre deux états de vibration de la matière, l'un de cisaillement sans changement de volume (vibration de symétrie dipolaire), l'autre se faisant avec changement de volume sans cisaillement (vibration monopolaire). Ainsi, la modification des paramètres effectifs décrivant la propagation pourrait passer par un contrôle local de ces deux états élémentaires de vibration, au moyen par exemple de résonateurs locaux homogénéisables.Le modèle de matériau choisi dans le cadre de cette thèse est une hétérostructure formée par un wafer de silicium sur lequel sont gravés, en tant que cellules mécaniques élémentaires, des paire de trous et des piliers isolés de silicium. La démarche expérimentale a consisté à étudier la diffusion élastique des ondes de Lamb sur ces deux types de cellules élémentaires à l'aide d'un montage tout optique. La génération des ondes fut assurée par la focalisation le long d'une ligne d'un faisceau laser Nd:YAG picoseconde permettant d'obtenir une source blanche acoustique. La détection fut réalisée à l'aide d'un interféromètre de Michelson doté d'un bras opto-mécanique permettant une cartographie point par point du champ de déformation de l'onde avec une sensibilité d'environ 1pm (pour une largeur de bande de 1MHz) sur une surface de 25x25mm2 avec une résolution spatiale et temporelle d'environ 1microns et 0.2nanosecondes.Cette étude aura permis de mettre en évidence la présence d'une ondelette réémise par la paire de trous ou le pilier autour de leurs fréquences de résonance et de décrire la diffusion cohérente résonante comme le résultat de l'interférence entre l'onde incidente et l'ondelette réémise. Dans le cas de la paire de trous, ces résultats ont permis d'interpréter et de comprendre le domaine de fréquences interdites d'un cristal phononique, ainsi que de décrire la dynamique de formation des modes d'une cavité phononique planaire. Dans le cas du pilier, il fut possible d'envisager la fabrication d'un système possédant les propriétés attendues pour un métamatériau acoustique.Cette thèse s'inscrit dans le projet de recherche de l'équipe Acoustique pour les Nanosciences de l'Institut des Nanosciences de Paris consacré à la structuration artificielle de la matière aux échelles micro et nanométriques pour le contrôle de la propagation des ondes élastiques. Les applications potentielles couvrent des domaines allant de la santé (imagerie haute résolution) à la défense (cape d'invisibilité) en passant par les télécommunications ou encore le bâtiment (isolation phonique).De par son caractère stratégique pour la Défense, ce travail a bénéficié du soutien de la DGA et de l'ANR sous la forme du projet ANR-ASTRID "METACTIF". Il a été effectué en collaboration avec une équipe de l'Université Lille 1, spécialisée dans la simulation numérique. Les échantillons ont été fabriqués dans le cadre d'une collaboration avec la salle blanche MIMENTO de l'Institut Femto-St de Besançon. / According with the elastic wave equation, the expression of the speed allows the motion of waves with an effective density and an effective compressibility both negative. How can we imagine and create a material of this kind, called metamaterial? What would be its properties?This experimental thesis involved to produce and to characterize a metamaterial for elastic Lamb waves (sismic waves) in the frequency range [1MHz-10MHz].On the basis of the Helmholtz theorem, the wave motion of Lamb waves is due to a coupling process between two vibrations states of the matter; one dipolar vibration (pure bending mode) coupling with one monopolar vibration (pure compressional mode). As a result, the modification of the macroscopic parameters governing the wave motion could be realised by the control of these only two vibrations states, thanks to homogeneous local resonators.Isolated silicon pillars and pairs of holes in silicon plate as potentially "good" candidate to fulfill this requirement. Structures were elaborated with deep reactive-ion etching technique (DRIE) using Bosch process in a silicon wafer.We had an experimental approach consisting in measuring the eigenfrequencies of the structures to select the one which allows fulfilling the homogenization criteria at the best and then mapping the scattered field associated to a Lamb wave interacting with the structures while vibrating onto the preselected eigenmode.To conduct this study, we used an all-optical experimental device. Generation of Lamb waves were managed to use an Nd:YAG laser focused along a line on the surface to get a white elastic source. The detection was realized with a power-operated Michelson interferometer, allowing to measure the displacement field with a resolution of around 1pm (on frequencies range of 1MHz).This study had allowed to evidence a scattering process described by the interference between the incident field and a reemitted wave emitted by the resonator. For the pairs of hole structures, these results enabled to understand the description of the bandgap of a phononic crystal in terms of bragg reflexion and to describe the dynamic of formation of phononic cavity modes. Concerning the pillars, these results enabled to make a device, using the Huygens-Fresnel principal, with the properties of a metamaterial.This PhD work follows on from the research projet of the team Acoustique pour les Nanoscience of the Nanosciences Institut of Paris (INSP).This work is jointly supported by the Agence Nationale de la Recherche and Direction Générale de l’Armement under grant ANR METACTIF. The simulations were realised in collaboration with a team at the Université Lille 1. The samples have been elaborated in MIMENTO facilities at Femto-ST institute in Besançon.

Ce mémoire est dédié à l’imagerie par diffraction cohérente. Dans un premier temps, nous présentons la conception et à la mise en oeuvre expérimentale d’un système d’imagerie compact fonctionnant sur ce principe. Il est composé d’unediode UV (λ = 400 nm), d’une caméra CCD, et d’une plate-forme pour placer l’échantillon à observer. Le faisceau cohérent issu de la diode éclaire l’échantillon, et la figure de diffraction est enregistrée par la caméra. La rétro-propagation du champ détecté permet, en principe, de déterminer le profil de l’échantillon. Néanmoins, la phase du champ, perdue lors de la détection, nous contraint à employer desméthodes de « reconstruction de la phase », cette quantité étant nécessaire à l’opération d’inversion. Plusieurs techniques ont été utilisées. L’holographie par Transformée de Fourier, par exemple, est une méthode déterministe qui consiste à utiliser une référence circulaire (ou rectangulaire) gravée à côté de l’échantillon. La phase est encodée dans la figure de diffraction, sous la forme de franges d’interférences issues de l’objet et de la référence. Une simple Transformée de Fourier du signal permet alors de retrouver le profil de l’échantillon. Uneméthode itérative a également été mise en oeuvre, basée sur un jeu de contraintes dans les espaces réel et réciproque. En particulier, l’objet éclairé doit être « isolé », i.e. plus petit que le faisceau incident. Bien que cette méthode soit non-déterministe, nous verrons toutefois qu’elle est plus robuste et permet d’obtenir de meilleures résolutions spatiales qu’en holographie. Cette étude est un point de départ à l’observation d’objets tridimensionnels. Nous présentons une première méthode déterministe, basée sur l’holographie par Transformée de Fourier. Pour ce faire, une « pupille holographique » est utilisée et sert de support à une première reconstruction 2D du champ. Celui-ci est ensuite rétro-propagé vers l’échantillon placé à proximité, afin de réaliser une mise au point entièrement numérique de ce dernier. La contrainte « d’isolation » de l’objet est alors levée par l’utilisation de cette pupille. Avec cette méthode, le champ latéral est toutefoislimité par le diamètre de la pupille. Pour l’observation d’échantillons plus larges, la technique d’holographie « en ligne » a également été exploitée. Elle consiste à éclairer l’objet avec une onde sphérique et à enregistrer les franges d’interférences (ou « hologramme »). Une rétro-propagation est ensuite effectuée pour faire la mise au point sur l’échantillon. Le caractère divergent du faisceau permet de disposer d’un champ latéral de plusieurs millimètres. Le problème de « l’image jumelle », inhérent à cette configuration, est résolu via unalgorithme itératif couplé à la rétro-propagation. Des reconstructions tridimensionnelles ont été effectuées sur divers échantillons, avec cesdeux méthodes — reconstruction pupillaire et holographie en ligne. Pour chacune d’entre elles, des interfaces de reconstruction ont été mises au point et fonctionnent pendant la détection, afin d’observer l’objet en temps réel. Nous disposons alors d’un prototype d’imagerie sans lentille compact et complet. Enfin, nous présentons l’application d’une technique de reconstruction de la phase, appelée LIFT (pour LInearized Focal plane Technique), appliquée à un analyseur de front d’onde Shack-Hartmann. Usuellement, de tels capteurs ont une résolution spatiale limitée par le pas des micro-lentilles : seules les pentes locales (tip/tilt) sont déterminées. Le LIFT consiste à déterminer la phase à l’échelle de chaque micro-lentille, en exploitant le profil du spot correspondant. Des matrices d’interaction sont calculées afin de linéariser la relation entre l’espace réel (micro-lentilles) et l’espace réciproque (matrice CCD), et une boucle itérative permet d’étendre cedomaine de linéarité. Un gain de résolution spatiale de l’ordre de 3, au niveau de chaque micro-lentille, est attendu avec cette technique. / This dissertation is dedicated to coherent diffractive imaging. Firstly, we present the conception and experimental implementation of a compact imaging system, working on this principle. It is made of an UV laser diode (λ = 400 nm), a CCD camera,and a platform to place the sample. The coherent beam coming from the diode illuminates the sample, and the diffraction pattern is recorded by the camera. Back-propagating the detected field should allow, in principle, to derive the sample’s profile. Nevertheless, the field’s phase, lost during the detection, forces us to use “phase retrieval” methods, this quantity being necessary to the inversion process. Several techniques have been used for that purpose. Fourier Transform Holography (FTH), for example, is a deterministic method thatconsists in using a circular reference, closely drilled nearby the sample. The phase is encoded in the diffraction pattern, in the form of interference fringes coming from the object and the reference. Then, a simple inverse Fourier Transform of the signal leads the profile of the sample. An iterative method has also been implemented, based on a set of constraints in the real and reciprocal spaces. In particular, the illuminated object must be “isolated”, i.e. smaller than the incident beam. Although this method is non-deterministic, we will see thatit is more robust and gives better resolutions than the holographic cases. This study is the starting point of three-dimensional imaging. We present a first deterministic method, based on FTH. For this purpose, a “holographic pupil” is used and serves as a support for a first 2D reconstruction of the field. The latter is then back-propagated towards the sample closely placed, in order to realize an entirely numerical focusing on it. The “isolation constraint” is then removed by the use of this pupil. However, with this method, the field of view is limitedby the pupil’s diameter. In order to observe larger samples, the “in-line holography” technique has been exploited as well. It consists in illuminating the object with a spherical wave and recording the interference fringes (or “hologram”). A back-propagation is made after the fact in order to do the focusing on the sample. The divergent nature of the beam allows for reaching several millimeters for the lateral field of view. The “twin image problem”, inherent to this configuration, is solved via an iterative algorithm coupled to the back-propagation process. Three-dimensional reconstructions have been made on varied samples, with these two methods — pupil reconstruction and in-line holography. In both cases, reconstruction interfaces have been implemented and work during the detection, in order to observe the object in real time. We then have a compact and complete lens-less imaging prototype. Finally, we present the application of a phase retrievaltechnique, named LIFT (LInearized Focal plane Technique), applied to a Shack-Hartmann wavefront sensor. Usually, such sensors have a spatial resolution that is limited by the micro-lenses size : only the local slopes, i.e. tip and tilt, are retrieved. The LIFT consists in determining the phase at the scale of each micro-lens, by exploiting the corresponding spot profile. Interaction matrices are calculated in order to linearize the relation between the real space (micro-lenses) and the reciprocal space (CCD chip), and an iterative loop allows for increasing this linearity domain. With this technique, a gain in spatial resolution by a factor 3 is expected.

Des projets futuristes tels que la production d’énergie par fusion nucléaire, ou encore la navigation interstellaire par voiles solaires, requièrent l’utilisation d’une source de lumière de luminance extrême. Dans l’objectif d’augmenter la luminance de sources lasers, mes travaux de thèse ont porté sur la combinaison cohérente de réseaux de lasers. Ils ont conduit au développement d’un nouveau procédé de contrôle compact du front d’onde de synthèse formé par le réseau de faisceaux lasers. Ce procédé permet de sculpter à façon la figure intensimétrique du champ lointain et donc de contrôler la distribution angulaire d’énergie émise par le réseau de faisceaux lasers. Le procédé développé utilise un module convertisseur phase/amplitude intégrant un élément diffuseur. Une méthode de mesure de la matrice de transfert d’un système optique a été développée pour caractériser ce module convertisseur de champ. A tout instant, le front d’onde de synthèse est estimé par une boucle numérique de recouvrement de phase basée sur un algorithme à projections alternées. Ce calcul approché permet d’ajuster progressivement les relations de phases du réseau de faisceaux lasers jusqu’au jeu de phases arbitraire souhaité. Le procédé permet le contrôle d’un front d’onde de synthèse en moins de 10 corrections de phases, quasi-indépendamment du nombre de faisceaux lasers à contrôler. Il est robuste aux défauts environnementaux et indépendant du jeu de phases initiales. J’ai démontré la compacité du système étudié en analysant et contrôlant une pupille de synthèse de 4 cm de côté, constituée de 16 faisceaux, à l’aide d’un module d’analyse mesurant seulement 30 cm. J’ai également montré expérimentalement le contrôle des phases de réseaux de 16 à 100 faisceaux lasers avec des erreurs résiduelles valant respectivement λ/30 et λ/20 rms. Les capacités de cette méthode peuvent être étendues au contrôle des ordres de Zernike supérieurs du front d’onde de synthèse, ou bien plus généralement pour mesurer directement le front d’onde d’un rayonnement cohérent. / Futuristic projects such as nuclear fusion power generation, or interstellar navigation by solar sails, require the use of a light source of extreme brightness. In order to increase the brightness of laser sources, my thesis work focused on the coherent beam combination of laser arrays. They led to the development of a new compact control process for the synthetic wavefront formed by the laser beam array. This process makes it possible to tailor the intensity pattern of the far field and thus control the angular distribution of energy emitted by the laser beam array. The process developed uses a phase/amplitude converter module with an integrated diffuser element. A method of measuring the transfer matrix of an optical system has been developed to characterize this field converter module. At any time, the synthetic wavefront is estimated by a phase recovery loop based on an alternating projections algorithm. This approximate calculation makes it possible to gradually adjust the phase relationships of the laser beam array to the desired arbitrary phase set. The process allows the control of a synthetic wavefront in less than 10 phase corrections, almost independently of the number of laser beams to be controlled. It is resistant to environmental defects and independent of the initial phase set. I demonstrated the compactness of the system studied by analyzing and controlling a 4 cm large synthetic pupil, composed of 16 beams, using an analysis module measuring only 30 cm. I also experimentally showed the control of the network phases of 16 to 100 laser beams with residual errors of λ/30 and λ/20 rms respectively. The capabilities of this method can be extended to control the higher Zernike orders of the synthetic wavefront, or more generally to directly measure the wavefront of coherent radiation.

Les convertisseurs de fréquences optiques utilisant les processus non linéaires d’ordre deux permettent d’étendre la gamme spectrale accessible aux sources lasers. Celle-ci est en effet limitée par les bandes de gain des milieux lasers disponibles. Par ailleurs, la combinaison cohérente par contrôle actif de la phase est une technique efficace permettant la montée en puissance des sources lasers. Elle nécessite toutefois des modulateurs de phase rapides qui ne sont disponibles commercialement qu’aux longueurs d’onde standard.L’objectif de cette thèse est d'appliquer la combinaison cohérente à des convertisseurs de fréquences en utilisant la relation de phase inhérente au processus non linéaire.Cela permet de contrôler la phase de l’onde générée en agissant sur la phase de l’onde de pompe. C’est ce qu’on appelle le contrôle indirect de la phase.Pour cela, une étude théorique a été menée afin de s’assurer de la compatibilité de la technique de combinaison cohérente par marquage en fréquence avec le contrôle indirect de la phase.La démonstration expérimentale a d’abord été effectuée dans le cas le plus simple, la génération de seconde harmonique, qui met en jeu trois ondes dont deux dégénérées.Enfin, on s’est intéressé au cas de la génération de différence de fréquences dans le moyen infrarouge, où trois ondes sont mises en jeu.Dans ces deux cas, la qualité de mise en phase mesurée est excellente. / Laser emission wavelength is limited by the gain bandwidth of available laser media. Optical frequency converters rely on second order nonlinear processes to overcome this limitation, and give access to new wavelengths outside of the emission range of lasers.Besides, coherent beam combining with active phase control is an efficient technique to power scale laser sources. However, it requires fast phase modulators, some commercially available devices, but only at standard laser wavelengths.The objective of this thesis is to perform coherent combining of frequency converters, thanks to the phase-matching condition required for efficient nonlinear processes to take place.This relation allows for indirect phase control, where the converted-wave phase is tuned through direct phase control of the pump wave.A theoretical study has been carried out to confirm that indirect phase control was compatible with frequency-tagging coherent combining.Then, coherent combining through indirect phase control has been demonstrated experimentally in the simplest case of the second harmonic generators, where two of the three waves involved are degenerate.Finally, coherent combining has been experimentally performed in the non-degenerate case of mid-infrared difference frequency generators.In both experimental demonstrations, an excellent beam combination efficiency has been achieved.

Les sources lasers femtosecondes sont utilisées dans grand nombre d’applications (industrielles, médicales, de recherche fondamentale) avec un besoin croissant d’impulsions très énergétiques à haut taux de répétition. Bien que la technologie Ti:Saphir fournisse des impulsions PetaWatt, son taux de répétition s’avère limité. Une alternative est l’utilisation de la technologie fibrée. Cependant, l’énergie extractible d’une seule fibre est intrinsèquement limitée.Une solution prometteuse est alors de réaliser une combinaison de fibres (jusqu’à plus de 10 000 fibres pour l’accélération de particules). La combinaison de fibres par méthode interférométrique (avec un record de 64 fibres combinées en régime continu) a prouvé qu’elle était un excellent candidat pour la combinaison d’un grand nombre de fibres.La collaboration XCAN entre l’Ecole Polytechnique et Thales, vise à réaliser un démonstrateur de combinaison cohérente de 61 fibres amplifiées en régime femtoseconde. Les travaux menés au cours de cette thèse s’inscrivent dans ce projet.Dans un premier temps, afin d’étudier les points durs inhérents au régime femtoseconde tout en s’affranchissant des difficultés liées à l’amplification, la méthode interférométique en régime femtoseconde a été étudiée sur un démonstrateur passif, c’est-à-dire sans amplification, de 19 fibres. Une fois la méthode de mise en phase validée celle-ci a pu être testée avec succès sur le démonstrateur avec amplification du projet XCAN.Nous présentons également les travaux menés afin d’augmenter un paramètre clé des systèmes de combinaison de faisceaux à savoir : l’efficacité de combinaison du système laser. Pour cela, nous avons réalisé une mise en forme de faisceaux issus des fibres de la tête optique. Cette mise en forme, gaussien vers super-gaussien, est réalisée à l’aide de deux réseaux de lames de phase dont nous présenterons le calcul des profils asphériques. Afin de valider expérimentalement nos simulations et après réalisation des lames de phase nous avons pu tester celles-ci sur le démonstrateur passif, démontrant une augmentation de 14 %.Les travaux présentés dans ce manuscrit présentent ainsi les premiers par vers la réalisation d’une nouvelle architecture laser massivement parallèle, capable de délivrer à la fois une haute puissance crête et une haute puissance moyenne. / Femtosecond fiber sources are used in a large number of applications (industrial, medical, fundamental physics) with a growing need in high energy pulses at high repetion rate. Although Ti: Saphirre technology provides energies up to PetaWatt, its repetion rate is low (up to 1 Hz). An alternative is to use an amplified fiber. However, the extractable energy of a single fiber is intrinsically limited.A solution is then to combine several fibers (up to 10 000 fibers for particle acceleration). Coherent beam combining of fibers with an interferometric method (with a record of 64 fibers combined in the cw regime) has proven to be an excellent candidate to combine a large number of fibers.The XCAN project, a collaboration between l'Ecole polytechnique and Thales, aims to realize a demonstrator of 61 fibers coherently combined in the femtosecond regime.The works presented in this thesis are part of this project.In order to study the hard points inherent to the femtosecond regime and to free from the amplification issues, the interferometric method has been implemented on a passive demonstrator, meaning without amplification, of 19 fibers. Once the interferometric method validated, it has been succesfully tested on the amplified XCAN demonstrator.We present also the works done to increase a key parameter of beam combining systems : the combining efficiency. To do this, we have realized a beam shaping of the fiber array output beams. This beam shaping, gaussian to super-gaussian, is done with two arrays of phase plates. The aspherical profiles calculation is described. In order to validate our simulations we have tested the phase plates on the passive demonstrator by getting an increase of 14 %.The works presented in this manuscript are the first steps towards a new massively parallel laser architecture, able to provide both high peak power and high average power.