Cette thèse porte sur les mélanges d’onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l’interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée« évanescente », nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d’interaction. Les conditions d’adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu’à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l’éthanol dans le champ évanescent d’une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire. / The present PhD thesis explored nonlinear wave mixing with the strong evanescent field of nanofibers. The focus has been on the effect of stimulated Raman scattering which is activated by the interaction between such a strong evanescent field and the nonlinear liquid surrounding the nanofiber. In order to observe the stimulated Raman scattering, we investigated the nonlinear modeling to determine the needed characteristics of the nanofibers. The modal Raman gain was calculated to determine the optimal radius of nanofibers for each possible liquid. Considering the critical power and the damage threshold of our nanofibers, we found the minimum required interaction length. The condition of adiabacity of the tapers was also described. These specifications of nanofibers guide us towards the design of a proper pulling system. Several pulling systems and techniques are investigated for the fabrication of our specific nanofibers. We now are able to fabricate low loss uniform nanofibers of up to 10 cm long, a diameter down to 200 nm, with two identical low loss tapers by using our own designed translation stage pulling platform and implemented with the “variable heat brush” technique. With the achieved nanofibers, the Raman effect induced in the evanescent field was observed in both pure (ethanol) and binary mixture (toluene in ethanol) liquids. These first measurements are in good agreement with our simulation even without any fitting parameters in the modeling.

Cette thèse porte sur les mélanges d'onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l'interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée" évanescente ", nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d'interaction. Les conditions d'adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu'à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l'éthanol dans le champ évanescent d'une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire.

Cette thèse a pour thème le processus physique de ralentissement de la lumière induit par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres optiques biréfringentes. Notre première étude porte sur la lumière lente induite par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres fortement biréfringentes. Contrairement au processus scalaire, nous montrons théoriquement que le processus vectoriel offre la possibilité de créer des bandes de gain paramétrique étroites et éloignées de la pompe, permettant de générer des retards optiques très importants, un ordre de grandeur supérieurs à ceux obtenus en amplification paramétrique scalaire. Des résultats analytiques et issus de simulations numériques dans le cas de dispersion normale ainsi que dans le cas de dispersion anormale sont présentés. Ensuite, nous discutons des principales limitations au retard optique (élargissement de l’impulsion pompe notamment) et nous étudions l’influence positive de l’effet Raman sur le retard optique. Notre seconde étude est consacrée à la lumière lente induite par amplification paramétrique dans les fibres faiblement biréfringentes. Nous traitons l’ensemble des configurations possibles d’instabilité de polarisation selon l’état initial de polarisation de l’impulsion pompe et du régime de dispersion. Nous démontrons clairement que la configuration correspondant à une impulsion pompe polarisée suivant l’axe lent de la fibre et une impulsion signal polarisée suivant l’axe rapide en régime de dispersion normale donne des retards optiques les plus important / This thesis aims to the physical process of slow light induced by vector parametric amplification in highly and weakly birefringent optical fibers. Our first study concerns slow light induced by parametric amplification in highly birefringent fibers. Unlike the scalar process, we theoretically demonstrate that large optical delays can be in principle generated in birefringent fibers, one order of magnitude higher than for the scalar case. Both analytical and numerical results in the case of anomalous dispersion are presented. We further discuss the main limitations for slow light optical delays (signal pulse broadening, pump pulse depletion). The influence of the Raman gain is also studied both analytically and numerically. The second study focuses on slow light induced by parametric amplification in weakly birefringent fibers. We consider all possible configurations of polarization modulation instability, depending on the polarization axis of the pump pulse and on the dispersion regime, and we derive the slow-light optical delays. We clearly demonstrate that the configuration corresponding to a pump pulse polarized in the slow axis of the fiber and a signal pulse polarized on the fast axis, in the normal dispersion regime, gives the largest optical delays.

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.

La peau est un organe qui enveloppe le corps, elle est une barrière naturelle importante et efficace contre différents envahisseurs. Pour le traitement des maladies dermatologiques ainsi que dans l'industrie cosmétique, les applications topiques sur la peau sont largement utilisées. Ainsi beaucoup d'efforts ont été investis dans la recherche sur la peau visant à comprendre l'absorption moléculaire et les mécanismes rendant efficace la pénétration. Cependant, il reste difficile d'obtenir une visualisation 3D de haute résolution combinée à une information chimique- ment spécifique et quantitative dans la recherche sur la peau. La spectroscopie et la microscopie non-linéaire, incluant la fluorescence excitée à 2-photon (TPEF), la diffusion Raman spontanée, la diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) et la diffusion Raman stimulée (SRS), sont introduits dans ce travail pour l'identification sans ambiguïté de la morphologique de la peau et la détection de molécules appliquées de façon topique. Plusieurs méthodes quantitatives basées sur la spectroscopie et la microscopie non-linéaire sont proposées pour l'analyse chimique en3D sur la peau artificielle, ex vivo et in vivo sur la peau humaine. De plus, afin de s'adapter aux applications cliniques à venir, un design endoscopique est étudié pour permettre l'imagerie non-linéaires dans les endoscopes flexibles. / Skin is an organ that envelops the entire body, acts as a pivotal, efficient natural barrier to- wards various invaders. For the treatment of major dermatological diseases and in the cosmetic industry, topical applications on skin are widely used, thus many efforts in skin research have been aimed at understanding detailed molecular absorption and efficient penetration mechanisms. However, it remains difficult to obtain high-resolution visualization in 3D together with chemical selectivity and quantification in skin research. Nonlinear spectroscopy and microscopy, including two-photon excited fluorescence (TPEF), spontaneous Raman scattering, coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and stimulated Raman scattering (SRS), are introduced in this work for unambiguous skin morphological identification and topical applied molecules detection. Sev- eral quantitative methods based on nonlinear spectroscopy and microscopy are designed for 3D chemical analysis in reconstructed skin, ex vivo and in vivo on human skin. Furthermore, to adapt to forthcoming clinical applications, an endoscopic design is investigated to bring nonlin- ear imaging in flexible endoscopes.

De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l’accélération d’ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et présente une étude de l’interaction d’une impulsion laser d’intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l’onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l’onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l’énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l’accélération d’ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l’absorption de l’énergie laser par le plasma et qu’il est, en outre, très efficace puisqu’il permet de transférer près de 70 % de l’énergie de l’impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l’impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l’accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l’énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d’optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l’instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l’instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l’impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l’aide d’une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l’énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l’instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l’énergie laser mais elles n’en conservent qu’une partie sous forme d’énergie électromagnétique piégée. Le reste de l’énergie permet l’expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l’accélération de particules. / The laser-accelerated ions draw an increasing interest due to their potential applications and to their unique properties. This manuscript presents a study of the interaction between a relativistic intense laser pulse and a low density plasma. In this regime, the plasma is transparent to the laser pulse and electrons oscillate with relativistic velocities in the field of the incident wave. These conditions make the transfer of the laser pulse energy to the plasma efficient, and therefore are interesting for the ion acceleration. This regime generates also electromagnetic and acoustic solitons whose formation mechanisms and properties need to be better understood. We carry out a detailed analysis of Particle-In-Cell simulations (performed with the code OCEAN) of interaction of an intense laser pulse with a low density plasma.We show that the stimulated Raman scattering (SRS) is the main mechanism responsible for the absorption of laser energy in plasma. This process is very efficient : it leads to the transfer of 70 % of the laser pulse energy to electrons. This instability occurs in plasmas with a density larger than the quarter critical one due to the decrease of the electron plasma frequency and develops in a very short time scale. It leads to an homogeneous electron heating all along the distance of propagation of the laser pulse through the plasma. The ions are efficiently accelerated at the plasma edges and can get nearly 30%of the initial laser energy. This study is accompanied by a simple analytical model which is able to predict and so optimize the laser backscattering fraction due to the development of the SRS instability. We also present a sequence of stages which lead to the formation of electromagnetic cavities. This analysis highlights the role of the modulationnal or Benjamin-Feir instability in the front of the laser pulse, which is split in a train of electromagnetic solitons. Our detailed study shows that these solitons excite plasmas waves in their wake, lose energy and are finally trapped in the plasma. They lead to the formation of density depressions (cavities) which may trap the electromagnetic fields produced in the plasma (by the SRS instability, for example). These structures may survive for a long time thanks to an equilibrium of the trapped field radiation pressure and the electronic kinetic pressure at their borders. These cavities absorb an significant part of the laser energy but only a part of it is trapped inside. The remaining part is invested in the cavity expansion, generation of acoustic solitons and acceleration of charged particles.

La première partie du manuscrit est consacrée au fonctionnement de sources à diode laser en montage de type cavité étendue et qui intègre un filtre holographique. Ce filtre intra-cavité est dynamique est constitué de l'association d'un matériau photoréfractif et d'un réflecteur. Nous montrons que ce filtre est équivalent à un filtre Fabry-Perot dont l'un des miroirs est constitué par un réseau de Bragg photoréfractif enregistré par la structure de modes du laser. Ses caractéristiques sont décrites en détail. Une brève analyse de stabilité d'un laser auto-organisable illustre le processus de sélection entre les modes, induit par le filtre Fabry-Perot photoréfractif. Nous avons alors étudié des fonctionnements de sources à diode laser montée en cavité étendue utilisant comme réflecteur distant un filtre Fabry-Perot photoréfractif. Dans le cas des diodes laser qualifiées de limitée par diffraction, où l'émission laser est supportée par un seul mode transverse, cette configuration originale force l'oscillation de la source sur un seul mode longitudinal et ce, sur une large plage de courant d'injection. Ce comportement a été démontré pour des longueurs d'onde de fonctionnement allant de 630 à 1550 nm et des puissances de sortie variant de quelques dizaines de milliWatt au Watt. Enfin, nous avons démontré qu'un tel filtre dynamique utilisé avec des diodes laser à ruban large, supportant plusieurs modes transverse, introduit également des pertes sélectives sur la structure transverse des modes. L'application dans ce dernier cas est l'amélioration de la brillance de sources à diode laser de puissance. Enfin, nous présentons le fonctionnement original d'une source à diode laser accordable dont la longueur d'onde de fonctionnement est fixée par l'injection optique temporaire d'un faisceau issu d'un laser maître. Cette source présente la particularité de disposer dans sa cavité d'un milieu holographique dynamique de type photoréfractif qui lui permet, après arrêt de l'injection, de conserver un fonctionnement à la longueur d'onde préalablement imposée par le laser maître. En utilisant un laser maître accordable en longueur d'onde, nous avons réalisé l'adressage optique d'une telle source suivant un peigne de longueurs d'onde quasi périodique. La seconde partie du manuscrit traite des études sur le renforcement des interactions nonlinéaires dans des milieux micro-structurés en semi-conducteurs. La première étape a nécessité le développement complet d'une source OPO accordable en longueur d'onde et délivrant des impulsions picosecondes. Nous rapportons la première démonstration expérimentale et quantitative sur le lien entre la propagation d'une impulsion en régime de lumière lente et l'exaltation des nonlinéarités. Nous avons en particulier étudié les phénomènes d'absorption à deux photons (TPA) et d'auto-modulation de phase induits par les effets Kerr optique et de réfraction par les porteurs libres (FCR) générés par TPA. Par un ajustement de nos courbes expérimentales, sans paramètre ajustable (en s'appuyant sur la valeur de la vitesse de groupe mesurée en régime de propagation linéaire), nous avons démontré de manière quantitative l'effet de l'exaltation des nonlinéarités par l'effet du ralentissement de la lumière. Parallèlement, nous avons initié une étude consacrée à la diffusion Raman stimulée dans des nano-structures semi-conductrices. Nous avons démontré, dans des nanoguides de silicium sur isolant, une saturation du facteur d'amplification Raman par l'élargissement spectral des impulsions pompe par des effets d'automodulation de phase nonlinéaire. Enfin, nous présentons nos résultats expérimentaux sur le fonctionnement d'une microcavité doublement résonnante en régime de diffusion Raman stimulée.

Depuis leur avènement, les fibres à cristal photonique à cœur creux ont prouvé leur capacité à convertir des fréquences avec une haute efficacité, notamment en jouant sur le phénomène de diffusion Raman stimulée. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société GLOphotonics et l’institut de recherche Xlim, ce projet de thèse a consisté à développer ces fibres afin d’améliorer leurs performances optiques pour cibler deux voies d’applications: une industrielle pour proposer un laser compact multi-ligne dans le visible et dans l’UV et une seconde plus fondamentale pour réaliser un synthétiseur d’onde optique. L’amélioration de ces performances repose sur l’exacerbation de l’inhibition du couplage entre le mode du coeur d’air et les modes de silice de la gaine. Pour cela deux types de micro-structures ont été explorées à savoir une maille Kagomé et une maille tubulaire. Plusieurs fibres ont été alors fabriquées démontrant des performances records sur toute une gamme de longueurs d’onde (8,5 dB/km à 1 µm, 7,7 dB/km à 750 nm, 13,8 dB/ km à 549 nm, et autour de 70 dB/km à 355 nm). Concernant la fonctionnalisation de ces fibres, des micro-capsules photoniques ont été conçues et réalisées permettant à la fois de palier au problème de la perméabilité de la silice au gaz (stabilité de la conversion dépassant 12 mois) et de démontrer une conversion de 26 lignes dans le visible. Un produit industriel nommé CombLas a alors été produit puis appliqué à une étude de cytométrie en flux pour étudier l’influence du taux de répétition du laser de pompe. Ce produit a également été étendu à la gamme spectrale de l’UV avec la génération de 24 lignes entre 225-400 nm. Enfin, des travaux plus fondamentaux ont été réalisés consistant à développer un synthétiseur d’onde optique à base de génération Raman dans ces fibres creuses. Une nouvelle dynamique a été observée démontrant le piégeage de molécules d’hydrogène par un réseau optique auto-assemblé de puits de potentiel ultra-profonds et nanométriques. Cela permis de générer un régime Lamb-Dicke de la diffusion Raman stimulée. Des signatures sub-Doppler usuellement vues dans les atomes froids ont été mesurées avec des largeurs de bandes plus étroites de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport à ce qui est prédit dans la littérature. Finalement, cette largeur de bande a été optimisée d’un ordre de grandeur en jouant sur la longueur de la fibre et la pression de l’hydrogène. / Since their advent, hollow-core photonic crystal fibers have proved to be highly efficient for frequency conversion, especially via by playing with stimulated Raman scattering. Within the frame work of a CIFRE contract between the firm GLOphotonics and the Xlim research institute, this thesis project has consisted in developing these fibers to enhance their optical performances, in order to target two different field of applications: an industrial one to offer a a compact multi-line laser in the visible and UV and a second more fundamental one to realize a optical wave synthesizer. The amelioration of these performances relies on the exacerbation of the inhibition of the coupling between the air core mode and the silica cladding modes. Two types of micro-structures have been explored, a Kagomé and a tubular lattice. Several fibers have been fabricated demonstrating record performances on all a wavelength range (8.5 dB/km at 1 µm, 7.7 dB/km at 750 nm, 13.8 dB/km at 549 nm, and around 70 dB/km at 355 nm). Concerning the functionalization of the fibers, photonic micro-cells have been designed and realized enabling to overcome the problem the permeability of silica to gas (conversion stability over 12 months) and demonstrate a conversion to 26 lines in the visible. An industrial product coined CombLas has been made and used for flow cytometry in order to study the influence of the repetition rate of the pump laser. This product has also been extended to the UV range with 24 lines generated between 225-400 nm. Also, more fundamental research has been realized consisting in developing an optical wave synthesizer based on Raman generation in hollow core fibres where a new dynamic has been observed demonstrating the trapping of hydrogen molecules by an auto-assembled optical lattice of ultra-deep and nano-metric potential wells. This configuration has enabled to generate a Lamb-Dicke regime of stimulated Raman scattering. Sub-Doppler signatures usually found in cold atoms have been measured with linewidths narrower than 5 orders of magnitude than what is predicted in the literature. Finally, this linewidth has been optmised of an order of magnitude by plaing on the length of the fiber and the pressure of hydrogen.