The main objective of the thesis is to understand the parameters that contribute in limiting the pulse energy and spectral bandwidth of the mode-locked femtosecond fiber lasers. I have focused on studying the impact of the parameters of the saturable absorber and the bandwidth of the lumped spectral filter on the temporal and spectral profiles of the pulse. Therefore, I developed two models that can help us to optimize the pulse characteristics such as the pulse energy, spectral bandwidth and de-chirped pulse width. I also introduce two techniques that result in increasing the pulse peak power and spectral bandwidth. The nonlinear transmission coefficient of the saturable absorber is one of the main limitations to achieving high-energy pulses. Throughout my research, I have used two types of saturable absorbers. The first is a lumped semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) and the second is based on the nonlinear polarization rotation (NPR) that is considered an artificial saturable absorber with distributed effect. The first model introduced in this thesis is an analytical model, which provides closed form relations for the pulse characteristics of all-normal dispersion fiber laser. It shows how the spectral bandwidth of the lumped filter inserted inside the cavity affects the pulse characteristics. Also, it illustrates the influence of the saturable absorber parameters on the pulse characteristics. I show that increasing the small signal saturable absorber loss and decreasing the saturation power leads to the increase in pulse energy and spectral bandwidth. Numerical simulation and experimental results are in agreement with the results of the analytical models. The second model, which is called the semi-vector model, is applicable to all-normal dispersion mode-locked fiber laser with high output coupling ratio. Nonlinear polarization rotation is employed for mode-locking. The model shows the relationship between the location of the overdriving point of the saturable absorber and the output pulse energy. The results of this model are in agreement with those of the full-vector model, but with a much reduced simulation time. In addition, the experimental results show the accuracy of the proposed model. In this thesis, I mitigate the peak power limitation, caused by the accumulated nonlinear phase shift, by replacing the short high-doped Yb3+ fiber with a long low-doped one. This results in an increase of the peak power by a factor that depends on the ratio between the gain coefficient of the high- and low-doped Yb3+ fiber. The length of the nonlinear section is kept unchanged by reducing the length of the single mode fiber after the long low-doped Yb3+ fiber. Numerical simulation and experimental results validate the idea. The location of narrow bandwidth lumped spectral filter, in an active Similariton laser, has proved to have a distinct effect on the pulse energy, spectral bandwidth and de-chirped pulse width and peak power. The proximity of the spectral filter to the input of the Yb3+-doped fiber leads to increasing the pulse spectral bandwidth and peak power of the de-chirped pulse as well as shortening the de-chirped pulse, but at the expense of reducing the pulse energy.

Ce mémoire de thèse présente une approche semi-analytique des différentes solutions solitons spatio-temporelles de l'équation cubique quintique de Ginzburg-Landau complexe étendue à (3+1)D (GL3D).La méthode semi-analytique choisie est celle des coordonnées collectives qui permet d'approcher le champ exact, dont l'expression analytique est inconnue, par une fonction d'essai, qui comporte un nombre limité de paramètres physiques.En appliquant cette procédure à l'équation GL3D, nous obtenons un système d'équations variationnelles qui gouverne l'évolution des paramètres de la balle de lumière. Nous montrons que cette approche des coordonnées collectives est incomparablement plus rapide que la procédure de résolution directe de l'équation GL3D. cette rapidité permet d'obtenir, en un temps record, une cartographie générale des comportements dynamiques des balles de lumière. Cette cartographie révèle une riche variété d'états dynamiques faite de balles de lumière stationnaires, oscillantes et rotatives.Finalement, les résultats de cette thèse prédisent l'existence de plusieurs familles de balles de lumière, et précisent les domaines respectifs de leurs paramètres physiques. Cette prédiction constitue un pas en avant dans les efforts entrepris ces dernières années en vue d'une démonstration expérimentale de ce type d'impulsions. / This thesis presents a semi-analytical approach for the search of (3+1)D spatio-temporal soliton solutions of the complex cubic-quintic Ginzburg-Landau equation (GL3D).We use a semi-analytical method called collective coordinate approach, to obtain an approximate profile of the unknown pulse field. This ansatz function is chosen to be a function of a finite number of parameters describing the light pulse.By applying this collective corrdinate procedure to the GL3D equation, we obtain a system of variational equations which give the evolution of the light bullet parameters as a function of the propagation distance. We show that the collective coordinate approach is uncomparably faster than the direct numerical simulation of the propagation equation. This permits us to obtain, efficiently, a global mapping of the dynamical behavior of light bullets, which unveils a rich variety of dynamical states comprising stationary, pulsating and rotating light bullets.Finally the existence of several types of light bullets is predicted in specific domains of the equation parameters. Altogether, this theoretical and numerical work may be a useful tool next to the efforts undertaken these last years observing light bullets experimentally.

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Nous présentons une étude de la dynamique de la lumière et des mesures des caractéristiques non-linéaires optiques dans le disulfure de carbone.Dans la première partie, nous calculons dans le cadre d’un modèle classique des expressions des susceptibilités non-linéaires jusqu’au cinquième ordre, en tenant compte des corrections de champ local. Nous formulons différentes hypothèses que nous confirmons ou infirmons par la mesure des indices d’absorption et de réfraction non-linéaires. Celles-ci sont obtenues en combinant deux méthodes de caractérisation des non-linéarités au sein d’un système 4fd’imagerie. L’analyse des données expérimentales utilise une méthode nouvellement développée, qui consiste à inverser numériquement, par la méthode de Newton, les solutions analytiques des équations différentielles qui décrivent l’évolution du faisceau.Dans la deuxième partie, nous observons la filamentation d’un faisceau laser à la longueur d’onde de 532 nm et en régime picoseconde. Puis nous procédons à la mesure de l’indice de réfraction non-linéaire effectif du troisième ordre n2,eff en fonction de l’intensité incidente. Par un ajustement de la courbe de saturation de l’effet Kerr,nous développons un nouveau modèle. La résolution numérique de celui-ci reproduit la filamentation observée.La dernière partie est consacrée à l’étude de la dynamique des solitons dissipatifs au sein de milieux à gains et pertes non-linéaires. La résolution numérique de l’équation complexe de Ginzburg-Landau cubique-quintique est réalisée suivant différentes configurations :soliton fondamental, dipôle, quadrupôle,vortex carré et rhombique. / We present a study of light dynamics and measurements of the nonlinear optical characteristics of carbon disulphide. In the first part, we calculate using the classical model, the nonlinear susceptibilities up to the fifth order taking into account local field corrections. We express different assumptions that we confirm or refute by measuring the nonlinear absorption coefficient and the nonlinear refractive index. The measurements are performed by means of two nonlinear characterization methods combined with an imaging 4f system. We analyse the experimental data using a newly developed method which numerically inverts the analytical solutions of the differential equations which describe the evolution of the beam, using Newton’s method. In the second part, we observe light filamentation at wavelength 532 nm, in the picoseconds regime. Then we measure the effective third order nonlinear refractive index n2,eff versus the incident intensity. By fitting the curve of the Kerr effect saturation, we develop a new model. Numerically solving this model, allows us to reproducethe experimentally observed filamentation. The last part is dedicated to the study of dissipative solitons dynamics. The complex Ginzburg-Landau equation with cubic-quintic nonlineraties is numerically solved in various configurations : soliton fundamental dipole, quadrupole, vortex and square rhombic.

Ce travail de thèse concerne le développement d’un laser à fibre générant des impulsions rectangulaires très énergétiques et accordables à l’échelle du temps et des impulsions géantes à haute énergie. En premier temps,nous avons développé un modèle numérique pour étudier la génération des impulsions rectangulaires dans un laser à fibre en forme de huit à double amplificateur.L’objectif est de montrer l’impact de l’effet non linéaire induit par la fibre micro structurée sur le contrôle de la durée d’impulsion rectangulaire générée par le laser. Un ensemble de paramètres laser nous a permis ainsi de générer des impulsions rectangulaires à haute énergie dans le régime de la résonance du soliton dissipatif (DSR). En plus, plusieurs expériences ont été mises en place pour optimiser la génération de l’impulsion DSR en termes d’énergie et de durée.Toujours sur le plan expérimental, des impulsions géantes à haute énergie à partir du laser à fibre verrouillé en phase couplé à un retard optique ont été obtenues. Cela nous a permis de générer une large plage de durée d’impulsion à l'échelle de μs à taux de répétition faible dans des cavités utilisant des absorbants saturables artificiels. / This work deals with the development of a fiber laser generating high energy and width tunable square pulses and high-energy giant pulses. First, we have developed a numerical model to study the generation of rectangular pulses in a double amplifier fiber laser. The objective is to study the impact of the non-linear effect induced by the microstructured optical fiber on the control of the square pulse duration. A set of laser parameters allowed us to generate high energy square pulses in the dissipative soliton resonance (DSR) regime. In addition, several experiments have been set up to optimize the generation of the DSR pulse in terms of energy and duration. Experimentally, high energy giant pulses from a passively mode-locked fiber ring laser coupled to a long external cavity are obtained. This allowed us to generate a wide range of pulse duration of μs at a low repetition rate in cavities using artificial saturable absorbers.

Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis. / Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we highlight remarkable effects of Raman scattering on hysteresis phenomena.

Le sujet de cette thèse se rapporte à la génération d’impulsions ultracourtes dans une cavité laser fibrée à travers l’optimisation automatique de ses paramètres par un algorithme d’évolution. L’intérêt pour cette problématique provient de la difficulté à explorer les dynamiques impulsionnelles de manière systématique dans un large domaine de paramètres expérimentaux. Nous avons montré que l’implémentation d’un algorithme d’évolution sur une cavité laser fibrée de ce type peut être réalisée, en prenant les précautions adéquates pour que cette association soit la plus efficace possible. Nous avons démontré expérimentalement pour la première fois le verrouillage de modes depuis la seule optimisation des contrôleurs de polarisation utilisant une procédure automatique d’auto-apprentissage. Nous avons démontré que la sélection du blocage de modes depuis son spectre radio-fréquence permet de sélectionner le taux de répétition desimpulsions à l’intérieur de la cavité. Ces résultats préliminaires démontrent les potentialités de notre méthode employée dans des situations de dynamique non linéaire ultrarapide de grande complexité, particulièrement sensibles aux paramètres. / This thesis deals with the generation of ultrashort pulses within a fiber laser cavity through the automatic optimization of its parameters by an evolutionary algorithm. The interest of this subject comes from the difficulty to systematically explore dynamics in a large domain of experimental parameters. We have shown that it is possible to implement an evolutionary algorithm on fiber laser cavity with appropriate precautions. We have experimentally demonstrated for the first time the mode locking of a laser cavity only using the optimization of polarization controllers through an automatic and self-learning procedure. We also have demonstrated that selecting the mode locking from it radio-frequency spectrum allow to select the pulses repetition rate within the cavity. These preliminary results show the promising aspect of our method used in situations of non linear ultrafast dynamics with high complexity which are particularly sensitive to parameters.

Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement la génération d'impulsions carrées très énergétiques et accordable à l’échelle nanosecondes et d'impulsions ultracourtes à haute puissance moyenne de sortie dans les lasers à fibre utilisant les nanomatériaux comme absorbant saturable. Tout d'abord, puisque la dynamique des impulsions est dominée par l'interaction de la non linéarité et de la dispersion chromatique cubique de la fibre avec un mécanisme de discrimination d'intensité appelé absorbant saturable, la stabilité d'une distribution harmonique en mode verrouillé est étudiée par injection externe d'une onde continue.Enfin, nous avons utilisés des absorbant saturable à base de nanomatériaux déposés sur des tapers optiques dans les lasers à fibre pour générer des impulsions ultracourtes avec une puissance de sortie moyenne élevée. / In this thesis, we investigate experimentally the generation of high energy nanosecond tunable square pulses and high output power ultrashort pulses in fiber lasers. First, since pulse dynamics are dominated by the interaction of the fiber's cubic Kerr nonlinearity and chromatic dispersion with an intensity-discriminating mechanism referred to as a saturable absorber, the stability of a harmonic mode-locked distribution is studied by external injection of a continuous wave. Finally, we implemented nanomaterial based saturable absorbers in fiber laser configuration to generate ultrashort pulses with high average output power. Different techniques of achieving such components are explicitly detailed: ultrashort pulse generation in ring cavities where graphene and topological insulators are deposited on optical tapers to form a saturable absorber.

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