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.

Nous abordons, dans cette thèse, les méthodes de combinaison de systèmesde transcription de la parole à Large Vocabulaire. Notre étude se concentre surl’attelage de systèmes de transcription hétérogènes dans l’objectif d’améliorerla qualité de la transcription à latence contrainte. Les systèmes statistiquessont affectés par les nombreuses variabilités qui caractérisent le signal dela parole. Un seul système n’est généralement pas capable de modéliserl’ensemble de ces variabilités. La combinaison de différents systèmes detranscription repose sur l’idée d’exploiter les points forts de chacun pourobtenir une transcription finale améliorée. Les méthodes de combinaisonproposées dans la littérature sont majoritairement appliquées a posteriori,dans une architecture de transcription multi-passes. Cela nécessite un tempsde latence considérable induit par le temps d’attente requis avant l’applicationde la combinaison.Récemment, une méthode de combinaison intégrée a été proposée. Cetteméthode est basée sur le paradigme de décodage guidé (DDA :Driven DecodingAlgorithm) qui permet de combiner différents systèmes durant le décodage. Laméthode consiste à intégrer des informations en provenance de plusieurs systèmes dits auxiliaires dans le processus de décodage d’un système dit primaire.Notre contribution dans le cadre de cette thèse porte sur un double aspect : d’une part, nous proposons une étude sur la robustesse de la combinaison par décodage guidé. Nous proposons ensuite, une amélioration efficacement généralisable basée sur le décodage guidé par sac de n-grammes,appelé BONG. D’autre part, nous proposons un cadre permettant l’attelagede plusieurs systèmes mono-passe pour la construction collaborative, à latenceréduite, de la sortie de l’hypothèse de reconnaissance finale. Nous présentonsdifférents modèles théoriques de l’architecture d’attelage et nous exposons unexemple d’implémentation en utilisant une architecture client/serveur distribuée. Après la définition de l’architecture de collaboration, nous nous focalisons sur les méthodes de combinaison adaptées à la transcription automatiqueà latence réduite. Nous proposons une adaptation de la combinaison BONGpermettant la collaboration, à latence réduite, de plusieurs systèmes mono-passe fonctionnant en parallèle. Nous présentons également, une adaptationde la combinaison ROVER applicable durant le processus de décodage via unprocessus d’alignement local suivi par un processus de vote basé sur la fréquence d’apparition des mots. Les deux méthodes de combinaison proposéespermettent la réduction de la latence de la combinaison de plusieurs systèmesmono-passe avec un gain significatif du WER. / This thesis presents work in the area of Large Vocabulary ContinuousSpeech Recognition (LVCSR) system combination. The thesis focuses onmethods for harnessing heterogeneous systems in order to increase theefficiency of speech recognizer with reduced latency.Automatic Speech Recognition (ASR) is affected by many variabilitiespresent in the speech signal, therefore single ASR systems are usually unableto deal with all these variabilities. Considering these limitations, combinationmethods are proposed as alternative strategies to improve recognitionaccuracy using multiple recognizers developed at different research siteswith different recognition strategies. System combination techniques areusually used within multi-passes ASR architecture. Outputs of two or moreASR systems are combined to estimate the most likely hypothesis amongconflicting word pairs or differing hypotheses for the same part of utterance.The contribution of this thesis is twofold. First, we study and analyze theintegrated driven decoding combination method which consists in guidingthe search algorithm of a primary ASR system by the one-best hypothesesof auxiliary systems. Thus we propose some improvements in order to makethe driven decoding more efficient and generalizable. The proposed methodis called BONG and consists in using Bag Of N-Gram auxiliary hypothesisfor the driven decoding.Second, we propose a new framework for low latency paralyzed single-passspeech recognizer harnessing. We study various theoretical harnessingmodels and we present an example of harnessing implementation basedon client/server distributed architecture. Afterwards, we suggest differentcombination methods adapted to the presented harnessing architecture:first we extend the BONG combination method for low latency paralyzedsingle-pass speech recognizer systems collaboration. Then we propose, anadaptation of the ROVER combination method to be performed during thedecoding process using a local vote procedure followed by voting based onword frequencies.

Dans cette thèse, nous avons étudié le problème de cache codée en construisant la connexion entre le problème de cache codée avec placement non-codé et codage d'index, et en tirant parti des résultats de codage d'index pour caractériser les limites fondamentales du problème de cache codée. Nous avons principalement analysé le problème de cache codée dans le modèle de diffusion à liaison partagée et dans les réseaux combinés. Dans la première partie de cette thèse, pour les réseaux de diffusion de liens partagés, nous avons considéré la contrainte que le contenu placé dans les caches est non-codé. Lorsque le contenu du cache est non-codé et que les demandes de l'utilisateur sont révélées, le problème de cache peut être lié à un problème de codage d'index. Nous avons dérivé des limites fondamentales pour le problème de cache en utilisant des outils pour le problème de codage d'index. Nous avons dérivé un nouveau schéma réalisable de codage d'index en base d'un codage de source distribué. Cette borne interne est strictement meilleure que la borne interne du codage composite largement utilisée. Pour le problème de cache centralisée, une borne externe sous la contrainte de placement de cache non-codé est proposée en base de une borne externe “acyclic” de codage d’index. Il est prouvé que cette borne externe est atteinte par le schéma cMAN lorsque le nombre de fichiers n'est pas inférieur au nombre d'utilisateurs, et par le nouveau schéma proposé pour le codage d’index, sinon. Pour le problème de cache décentralisée, cette thèse propose une borne externe sous la contrainte que chaque utilisateur stocke des bits uniformément et indépendamment au hasard. Cette borne externe est atteinte par le schéma dMAN lorsque le nombre de fichiers n'est pas inférieur au nombre d'utilisateurs, et par notre codage d'index proposé autrement. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons considéré le problème de cache dans les réseaux de relais, où le serveur communique avec les utilisateurs aidés par le cache via certains relais intermédiaires. En raison de la dureté de l'analyse sur les réseaux généraux, nous avons principalement considéré un réseau de relais symétrique bien connu, `réseaux de combinaison’, y compris H relais et binom {H} {r} utilisateurs où chaque utilisateur est connecté à un r-sous-ensemble de relais différent. Nous avons cherché à minimiser la charge de liaison maximale pour les cas les plus défavorables. Nous avons dérivé des bornes externes et internes dans cette thèse. Pour la borne externes, la méthode directe est que chaque fois que nous considérons une coupure de x relais et que la charge totale transmise à ces x relais peut être limitée à l'extérieur par la borne externes du modèle de lien partagé, y compris binom {x} {r} utilisateurs. Nous avons utilisé cette stratégie pour étendre les bornes externes du modèle de lien partagé et la borne externe “acyclic” aux réseaux de combinaison. Dans cette thèse, nous avons également resserré la borne externe “acyclic” dans les réseaux de combinaison en exploitant davantage la topologie du réseau et l'entropie conjointe des diverses variables aléatoires. Pour les schémas réalisables, il existe deux approches, la séparation et la non-séparation. De plus, nous avons étendu nos résultats à des modèles plus généraux, tels que des réseaux combinés où tous les relais et utilisateurs sont équipés par cache, et des systèmes de cache dans des réseaux relais plus généraux. Les résultats d'optimisation ont été donnés sous certaines contraintes et les évaluations numériques ont montré que nos schémas proposés surpassent l'état de l'art. / In this thesis, we investigated the coded caching problem by building the connection between coded caching with uncoded placement and index coding, and leveraging the index coding results to characterize the fundamental limits of coded caching problem. We mainly analysed the caching problem in shared-link broadcast model and in combination networks. In the first part of this thesis, for cache-aided shared-link broadcast networks, we considered the constraint that content is placed uncoded within the caches. When the cache contents are uncoded and the user demands are revealed, the caching problem can be connected to an index coding problem. We derived fundamental limits for the caching problem by using tools for the index coding problem. A novel index coding achievable scheme was first derived based on distributed source coding. This inner bound was proved to be strictly better than the widely used “composite (index) coding” inner bound by leveraging the ignored correlation among composites and the non-unique decoding. For the centralized caching problem, an outer bound under the constraint of uncoded cache placement is proposed based on the “acyclic index coding outer bound”. This outer bound is proved to be achieved by the cMAN scheme when the number of files is not less than the number of users, and by the proposed novel index coding achievable scheme otherwise. For the decentralized caching problem, this thesis proposes an outer bound under the constraint that each user stores bits uniformly and independently at random. This outer bound is achieved by dMAN when the number of files is not less than the number of users, and by our proposed novel index coding inner bound otherwise. In the second part of this thesis, we considered the centralized caching problem in two-hop relay networks, where the server communicates with cache-aided users through some intermediate relays. Because of the hardness of analysis on the general networks, we mainly considered a well-known symmetric relay networks, combination networks, including H relays and binom{H}{r} users where each user is connected to a different r-subset of relays. We aimed to minimize the max link-load for the worst cases. We derived outer and inner bounds in this thesis. For the outer bound, the straightforward way is that each time we consider a cut of x relays and the total load transmitted to these x relays could be outer bounded by the outer bound for the shared-link model including binom{x}{r} users. We used this strategy to extend the outer bounds for the shared-link model and the acyclic index coding outer bound to combination networks. In this thesis, we also tightened the extended acyclic index coding outer bound in combination networks by further leveraging the network topology and joint entropy of the various random variables. For the achievable schemes, there are two approaches, separation and non-separation. In the separation approach, we use cMAN cache placement and multicast message generation independent of the network topology. We then deliver cMAN multicast messages based on the network topology. In the non-separation approach, we design the placement and/or the multicast messages on the network topology. We proposed four delivery schemes on separation approach. On non-separation approach, firstly for any uncoded cache placement, we proposed a delivery scheme by generating multicast messages on network topology. Moreover, we also extended our results to more general models, such as combination networks with cache-aided relays and users, and caching systems in more general relay networks. Optimality results were given under some constraints and numerical evaluations showed that our proposed schemes outperform the state-of-the-art.

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.

Allier de fortes puissances moyennes et crêtes donne accès à un champ applicatif très large pour un système laser ultrarapide. Une technique qui s’est avérée capable de satisfaire ces exigences est la combinaison cohérente de faisceaux (CBC). Elle permet de séparer spatialement les faisceaux avant l’amplification pour les recombiner ensuite d’une manière cohérente en un unique faisceau. Afin d’obtenir une recombinaison efficace, les propriétés spatiales et spectrales de tous les faisceaux doivent être parfaitement en accord.Pour des applications comme l’accélération de particules, le recours à plusieurs milliers de fibres doit être envisagé. Il est donc nécessaire d’étudier des architectures CBC fortement évolutives en termes de canaux amplificateurs.Le projet XCAN vise à une première démonstration d’un tel système en réalisant la combinaison cohérente de 61 fibres amplificatrices. Afin d’étudier les défis scientifiques et techniques d’une telle architecture, une version de taille réduite comprenant sept fibres a été mise en place.La conception et la réalisation de ce prototype sont le sujet de cette thèse.Dans un premier temps, des simulations ont été effectués afin d’estimer les désaccords tolérables entre les propriétés spatiales et spectrales des différents faisceaux.Basé sur ce travail de modélisation, un système laser de combinaison cohérente de sept fibres a été ensuite assemblé et caractérisé. Les résultats obtenus sont très prometteurs et montrent que notre architecture est bien adaptée pour accueillir les 61 fibres du démonstrateur final XCAN. / Future applications of high power ultrafast laser systems require simultaneously high average and peak powers. A technique which has proved to be capable of meeting these demands is coherent beam combining (CBC).In this technique, the beam is spatially split prior to amplification, and coherently recombined in one single beam afterwards. In order to achieve an efficient recombination, the spatial and spectral properties of all beams need to be perfectly matched.For applications such as particle acceleration, the coherent combining of several thousands of fibers needs to be considered. It is thus necessary to investigate highly scalable CBC architectures.The XCAN project aims at a first demonstration of such a scalable setup by coherently combining 61 fiber amplifiers. In order to study the scientific and technical challenges of such a system, a downscaled version consisting of seven fibers has been implemented.The design and characterization of this prototype is the subject of this thesis.As a starting point, numerical simulations have been performed in order to estimate the maximum tolerable mismatches between the spatial and spectral properties of the beams.Based on this modeling work, a seven fiber CBC system has been assembled and characterized. The obtained results are very promising and imply that our setup is well suited for the accommodation of all 61 fibers of the final XCAN demonstrator.

Les lasers à fibre optique délivrant des impulsions femtoseconde sont aujourd'hui utilisés dans de nombreuses applications scientifiques ou industrielles. Pour étendre l'éventail de ces applications, l'augmentation des performances en termes de durée, énergie par impulsion, et puissance moyenne délivrée par ces sources a fait l'objet de nombreux développements. Ce travail a pour objectif d'utiliser l'idée de combinaison cohérente d'impulsions femtoseconde dans le but de poursuivre l'amélioration des caractéristiques des amplificateurs à fibre ultrabrefs selon deux axes.La première partie est consacrée à la montée en énergie en utilisant des architectures de combinaison cohérente passives, c'est à dire ne nécessitant pas de boucle de contrôle de la phase optique entre les impulsions à combiner. Ces systèmes exploitent à la fois le domaine spatial, (combinaison de faisceaux) et le domaine temporel (combinaison de répliques de l'impulsion initiale décalées dans le temps). Nous démontrons que ces techniques permettent effectivement la montée en énergie, et étudions les limites de leur utilisation liées aux non-linéarités optiques et à la saturation du gain des amplificateurs. Nous proposons également des perspectives pour outrepasser ces limites.La deuxième partie du manuscrit est dédiée à la réduction de la durée des impulsion émises par ces sources à fibre. Nous utilisons dans un premier temps la combinaison cohérente active de deux impulsions femtoseconde amplifiées ayant des contenus spectraux différents et décalés. Ainsi, une impulsion plus courte que chacune des impulsions individuelles est synthétisée. Une autre approche consistant à sculpter le contenu spectral de l'impulsion à amplifier afin de compenser le profil de gain de l'amplificateur est également étudiée. Enfin, nous appliquons les architectures de combinaison cohérente passive étudiées dans la première partie à des systèmes de compression temporelle non-linéaire afin d'outrepasser leurs limites en énergie. / Optical fiber-based ultrafast laser sources are nowadays used in numerous scientific and industrial applications. To extend further the number of possible applications, it is essential to improve their performances in terms of pulsewidth, energy per pulse, and average power. Extensive research work has been performed over the last years on this area. The work described in this manuscript is a contribution to these research efforts, and aims at improving ultrafast fiber laser sources by using coherent combination of several femtosecond pulses.The first part is devoted to energy scaling by using passive coherent combining architectures, that do not require a feedback control loop of the relative optical phase between pulses to be combined. This idea is used both in the space (combining beams) and time (combining replicas of the pulse at different delays) domains. We demonstrate that these techniques allow energy scaling and study their limitations related to optical nonlinearities and gain saturation in the amplifiers. We also propose ways to circumvent these limitations.In the second part, we study various ways of decreasing the output pulsewidth of fiber-amplified femtosecond sources. First, we implement an active coherent combining system that performs combination of two amplified femtosecond pulses with different, shifted spectral content. This allows the synthesis of a pulse that is shorter than any of the individual pulses to be combined. Another studied approach consists in tailoring the spectrum of input pulses to precompensate the spectral gain shape of the amplifier. Finally, by using passive combining architectures described in the first part, we demonstrate energy scaling of temporal nonlinear compression setups.

La capacité des sources laser à concentrer une quantité d’énergie énorme intéresse beaucoup le secteur industriel pour l’usinage et la structuration de la matière. Il faut pour cela rassembler une forte puissance optique sur une surface infime: on parle alors de luminance. La combinaison cohérente permet de répondre à la problématique de l’augmentation de la luminance d’un système laser. Dans le cadre du projet européen BRIDLE, ces travaux sont focalisés sur la combinaison cohérente de lasers à semi-conducteur. Ce type de combinaison nécessite un accord de phase stable entre les différents émetteurs. Plusieurs techniques permettent cette mise en phase; nous étudions en particulier les techniques d’amplification en parallèle ainsi que l’utilisation d’une cavité externe commune. L’originalité se situe dans le développement d’une architecture nouvelle, pensée pour optimiser l’extraction de puissance. La technique consiste à utiliser une cavité étendue commune aux émetteurs à combiner pour leur mise en phase, placée sur leur face arrière. Tout en fournissant un fort retour optique arrière nécessaire à la mise en phase, l’extraction de puissance est maximisée sur la face avant où les faisceaux sont par la suite combinés extracavité. Ce document démontre la bonne adéquation de cette architecture avec les meilleures diodes laser en termes de luminance : les émetteurs à section évasée. L’étude est étendue à une barrette de diodes par l’utilisation d’éléments diffractifs optique permettant la séparation et la combinaison des faisceaux. / Scaling up the brightness of laser diodes is a major research objective in the laser community. The coherent beam of several emitters is the most efficient technique to increase the brightness by constructive interference. An efficient combination can only be achieved in an arrangement that forces the required phase relation between the emitters. Different approaches are investigated: either active phase-locking of amplifiers seeded by a single-frequency laser split into N beams and amplified in parallel, or passive selforganization of emitters in a common laser cavity. We investigate a new coherent combining architecture using a common extended cavity on the back side of diode lasers for phase locking. As a result, the efficiency of the phase-locked laser cavity is increased as compared to standard front-side configurations. Moreover, such an extended cavity placed on the rear-side provides the strong optical feedback required for phase-locked operation. This configuration is demonstrated with high-brightness tapered devices, highlighting the capability of such setup for high power operation. This architecture is then extended to diode laser arrays by the use of diffractive optical elements.