Les sources laser émettant autour de 976 nm ont des applications dans le domaine des télécommunications optiques, pour le pompage des amplificateurs à fibres dopées par des ions erbium, ou pour la réalisation d'une source à 488 nm après une étape de conversion non linéaire. Les sources monomodes transverses avaient au début de ma thèse des puissances limitées à 1 W. De plus fortes puissances étaient demandées. Nous avons choisi de proposer des sources basées sur les matériaux dopés par des ions ytterbium, qui présentent une importante section efficace d'émission autour de 976 nm. Mais l'absorption à 976 nm est très forte, liée au caractère trois niveaux de la transition, nécessitant un pompage à 915 nm intense pour obtenir la transparence à 976 nm. Deux solutions ont été testées.<br />Les fibres monomodes dopées par des ions ytterbium nous ont permis de développer des sources, dont un laser de spectre fin très efficace, qui a servi à réaliser une source à 488 nm grâce à un guide d'onde non linéaire en niobate de lithium polarisé périodiquement. Nous avons aussi étudié l'amplification d'une diode laser impulsionnelle à 976 nm dans ces fibres, et le doublement de la fréquence de cette source. Pour dimensionner les fibres utilisées, nous avons simulé la propagation des faisceaux dans ces fibres. <br />Les cristaux de Yb:KY(WO4)2 constituent une alternative aux fibres. Ils ont montré un fort gain à 981 nm avec un pompage par un laser à saphir dopé au titane à 931 nm. Les sources réalisées ont été simulées. L'intensité des diodes laser à 931 nm actuelles est limitée, interdisant le pompage par diode de ces cristaux.

La mise en évidence d'une conductivité métallique à l'interface entre deux oxydes isolants, le SrTiO3 et le LaAlO3, a ouvert un champ nouveau pour l'électronique tout oxyde (A. Ohtomo & H. Y. Hwang, Nature 427, 2004). Au-delà du fort potentiel applicatif de cette découverte, par exemple pour l'électronique de faible puissance, de nombreuses questions restent posées sur les propriétés de ces interfaces et les différents moyens de les contrôler. L'apparition de la conductivité à l'interface LaAlO3 / SrTiO3 est attribuée à la survenue d'une reconstruction électronique au-dessus d'une épaisseur critique de 4 cellules unités (u.c.) de LaAlO3, visant à compenser la discontinuité de charge à cette interface entre matériaux polaire (LaAlO3) et non polaire (SrTiO3). En plus de cet effet, qui requiert une interface d'excellente qualité, divers paramètres sont susceptibles d'affecter les propriétés de cette interface et un effort de recherche très important porte sur le contrôle et l'amélioration de ces propriétés par des moyens tels que le changement de la nature du substrat, l'application d'un champ de contraintes ou l'introduction de légères modifications chimiques dans la couche ou à l'interface. Ce travail de thèse participe à cet effort en explorant les propriétés de transport et la structure fine des interfaces LaAlO3 / SrTiO3 dopées avec des atomes de métaux de transition. Il est centré sur la fabrication et l'étude d'interfaces LaAlO3 / SrTiO3 dopées avec des atomes d'iridium ou de cobalt. La croissance de nanostructures de haute qualité, typiquement LaAlO3 (5 u.c.) / SrTiO3 dopé (1 u.c.) / SrTiO3 (substrat), a été effectuée dans un bâti de dépôt laser pulsé (PLD) équipé d'un RHEED in situ. L'effet des dopants Ir ou Co sur les propriétés de transport et sur la structure électronique et atomique de l'interface LaAlO3 / SrTiO3 a été analysé en fonction du niveau de dopage grâce à une combinaison de différentes méthodes expérimentales et de calculs DFT. En particulier, des investigations par des techniques avancées comme la diffraction de photoélectrons sur synchrotron (XPD) et la microscopie électronique de résolution atomique en mode STEM-HAADF ont été mises en œuvre pour sonder la structure locale à l'interface et quantifier le niveau de déformation dans la couche LaAlO3. La structure électronique a été étudiée par spectroscopie de perte d'énergie électronique dans un STEM. Les résultats montrent qu'il est possible d'induire des changements dans les propriétés des interfaces LaAlO3 / SrTiO3 en dopant la surface de SrTiO3 avec un dopant et une concentration appropriés. En particulier, les effets du niveau de dopage sur la déformation élastique et les distorsions locales dans les couches LaAlO3 et ses conséquences sur les propriétés mesurées sont décrits. / The demonstration in 2004 of a metallic conductivity at the interface between two insulating oxides, SrTiO3 and LaAlO3, opened a new field for all-oxide electronics (A. Ohtomo & H. Y. Hwang, Nature 427, 2004). Beyond the important applicative potential of this discovery for multifunctional and low power electronics, many questions remain about the properties of such interfaces and the different ways to control them. The occurrence of a conductive behaviour of the LaAlO3 / SrTiO3 interface is attributed to the advent of an electronic reconstruction above a critical thickness of 4 unit cells (u.c.) of LaAlO3, in order to compensate the charge discontinuity at the interface between a polar (LaAlO3) and a non-polar (SrTiO3) materials. In addition to this effect, which implies an interface of excellent quality, various parameters are likely to affect the properties of this interface, and a major research effort aims to control and improve these properties by ways such as the change in the nature of the substrate, the application of a stress field or the introduction of slight chemical modifications in the layer or at the interface. This thesis participates to this effort by exploring the transport and structural behaviour of LaAlO3 / SrTiO3 interfaces doped with transition metal atoms. It focuses on the fabrication and study of LaAlO3 / SrTiO3 interfaces doped with iridium or cobalt atoms. High quality nanostructures, typically LaAlO3 (5 u.c.) / doped-SrTiO3 (1 u.c.) / SrTiO3 (substrate), were grown by pulsed laser deposition (PLD) equipped with in-situ RHEED. The effect of Ir or Co dopants on both the transport properties and the electronic and atomic structure of the LaAlO3 / SrTiO3 interface was analysed as a function of the doping level thanks to a combination of different experimental methods and DFT calculations. In particular, advanced investigations by hard X-ray photoelectron diffraction on a synchrotron facility and by atomically resolved high angle annular dark field- scanning transmission electron microscopy (HAADF-STEM) were implemented to probe the local structure at the interface and quantify the level of strain in the LaAlO3. The electronic structure was investigated by electron energy loss spectroscopy in a STEM. Our results show that it is possible to induce changes in the properties of the LaAlO3 / SrTiO3 interfaces by doping the SrTiO3 surface with suitable dopant and concentration. In particular, effects of the doping level on the elastic deformation and the local distortions in the LaAlO3 layers and its consequences on the measured properties are described.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude de résonateurs cyclique (à symétrie de révolution) dans lesquels existent des modes confinés de très haute surtension, appelés « modes de galerie ». Dans ces modes, la lumières est guidée dans le diélectrique constituant le résonateur le long d'un cercle équatorial par une succession de réflexion totales internes à l'interface diélectrique/air et les résonances correspondent à une condition de retour en phase. Les résonances sont très fines ce qui permet d'envisager des applications aussi biens passives (filtrage, insertion/extraction) qu'active (laser faible seuil, fonction non-linéaire).<br />Ce manuscrit de thèse est constitué de deux parties distinctes :<br />La première partie, qui concerne les fonctions passives à base de micro-résonateur planaire, présente différents outils (numérique et analytique) qui permettent de modéliser le comportement de ces structures et démontre la complémentarité de ces outils.<br />La deuxième partie concerne les lasers micro-sphériques (dopés Erbium) et plus précisément le problème de l'interaction entre les modes d'une micro-sphère et un miroir métallique.

L’hydroxyapatite est l'un des matériaux les plus fréquemment utilisés pour le traitement des maladies des tissus durs. Le zinc est impliqué dans chaque étape du métabolisme du tissu osseux et une carence en zinc peut déterminer l'apparition de l'ostéoporose. Le dopage de l'hydroxyapatite par des ions de zinc peut créer un meilleur matériau, avec des propriétés physico-chimiques supérieures. L'objectif de cette thèse est de créer de nouveaux matériaux biocéramiques avec des propriétés spécifiques qui pourraient permettre le développement de nouvelles applications dans le domaine médical. Une attention particulière a été portée à la caractérisation des propriétés biologiques et physico-chimiques. Dans cette thèse, une nouvelle méthode non destructive de caractérisation de nanoparticules de céramique a été développée. La thèse se compose de six chapitres. Les deux premiers décrivent les biomatériaux et les techniques de caractérisation physico-chimique et ultrasonore utilisées, les trois chapitres suivants présentent des résultats expérimentaux originaux et le dernier chapitre des conclusions générales. La nouveauté de cette étude réside dans la caractérisation de matériaux biocéramiques à base d'hydroxyapatite pour de possibles applications biomédicales. Une nouvelle méthode non destructive de caractérisation par ultrasons est présentée. Ces résultats pourraient contribuer à développer une technique rapide et efficace pour la caractérisation de matériaux céramiques, qui pourrait être utilisée dans le futur en complément des techniques communément utilisées dans le domaine médical, notamment dans le domaine orthopédique. / Hydroxyapatite is one of the most commonly used material used for treating hard tissue diseases. Zinc is involved in each stage of bone tissue metabolism and a lack of it may determine the onset of osteoporosis. Doping hydroxyapatite with Zn ions may cause an improvement of the hydroxyapatite properties, thus resulting a better material, with enhanced physico-chemical properties. Devices based on collagen and hydroxyapatite inhibit the development of bacterial pathogens, reducing the risk of post-surgical infections. The goal of this thesis was to create new bioceramic materials with specific properties which could allow development of new applications in the medical field. Special attention was paid to the characterization of the physico-chemical and biological properties. In this thesis are reported for the first time non-destructive, ultrasonic spectroscopy studies performed on ceramic solutions. The thesis consists of six chapters, the first two comprised of general aspects, the following three chapters present original experimental results and the last chapter presents general conclusions. The novelty of this study lies in the method of synthesis and characterization of bioceramic materials based on hydroxyapatite for possible biomedical applications. Furthermore, a new non-destructive method of characterization techniques based on ultrasounds is presented. The results presented in this study could create a premises of developing a rapid and effective technique for characterization of ceramic materials, which could be used in the future as a complementary technique widely used on different materials used in the medical field, especially in the orthopedic field.

Le développement de sources multi-longueurs d'onde et accordables en longueur d'onde offre l'opportunité de faciliter le déploiement de systèmes de télécommunications par fibres optiques multiplexés en longueur d'onde et d'implanter une reconfiguration des réseaux au niveau optique. Dans ce contexte, le travail proposé étudie un laser à fibre en anneau incluant un amplificateur à fibre dopée erbium, comme milieu à gain, et un filtre de Lyot intégré sur niobate de lithium et accordable par voie électro-optique. Lorsque la commande du filtre est continue, on démontre, expérimentalement et numériquement, que la longueur d'onde d'émission de la source optique peut varier sur 18,8 nm avec des fluctuations de puissance inférieures à 3,6 dB. Par ailleurs, nous observons que la commutation de longueur d'onde est limitée par la réponse du milieu à gain. De plus, nous vérifions que l'emploi intra-cavité d'un modulateur en niobate de lithium permet de créer d'impulsions par mode déclenché ou synchronisation de modes et ne constitue qu'une nouvelle fonctionnalité intégrable sur la puce du filtre. Finalement, nous analysons le comportement du laser lorsque la commande du filtre varie. On parvient ainsi à générer des trains d'impulsions dont chacune possède sa propre longueur d'onde en appliquant des signaux "en escaliers" ou triangulaires de fréquence inférieure à quelques kilohertz. A plus haute fréquence, la modulation de la transmission du filtre par des signaux sinusoïdaux permet de créer des impulsions par un nouveau type de synchronisation de modes.

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.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la faisabilité d'un capteur d'ondes acoustiques à base de laser à fibre. Cet hydrophone doit permettre la détection de faibles fluctuations de pression hydrostatique rencontrées à des grandes profondeurs marines. Sous l'influence d'une perturbation acoustique le laser est étiré; ce qui change le pas du réseau de Bragg et ainsi sa fréquence d'émission. L'information est donc codée dans la fréquence de la lumière émise. Le bruit de fréquence intrinsèque du laser doit alors être le plus bas possible d'où l'importance de pouvoir le mesurer dans la bande de fréquence [DC-20kHz]. Ainsi, nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle. La sensibilité d'un laser à fibre à la pression acoustique est insuffisante. Il est primordial de concevoir un amplificateur mécanique qui permettra d'augmenter le rapport signal sur bruit du capteur. / This thesis focuses on the study of the feasibility of an acoustic wave sensor based on fiber laser. This hydrophone should allow the detection of low hydrostatic pressure fluctuations encountered in deep marine. Under the influence of an acoustic disturbance is stretched the laser; thereby changing the pitch of the Bragg grating and thus its transmission frequency. The information is coded in the frequency of the emitted light. The intrinsic frequency noise of the laser must be as low as possible so it is important to be able to measure in the frequency band of $[DC-20KHz]$. Thus we conduct a thorough study of the physical properties of the laser emission in terms of temporal coherence.The sensitivity of a fiber laser acoustic pressure is insufficient. It is essential to design a mechanical amplifier for to increase the signal to noise ratio of the sensor.

Ce travail de thèse a eu pour but de développer des nouvelles sources lasers, oscillateurs et ampli?cateurs, construites autour des ?bres dopées aux ions ytterbium. Ces systèmes lasers génèrent des fortes puissances moyennes. L’oscillateur réalisé délivre des impulsions courtes (<10 ns) avec des énergies de l’ordre du milliJoule. Le système fonctionne à des cadences variables (10-100 kHz) avec un faisceau polarisé, monomode dont la largeur spectrale est inférieure à 0.1 nm. A?n d’avoir de plus fortes puissances crêtes et des impulsions courtes, deux types d’ampli?- cateurs ont été étudiés. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sont en accord avec le modèle numérique développé. Le premier système ampli?e un microlaser émettant à 1064 nm dans une ?bre dopée ytterbium. Des puissances crêtes supérieures à 500 kW ont été obtenues avec des impulsions de l’ordre de la nanoseconde et une cadence comprise entre 1 kHz et 30 kHz. Le second ampli?cateur est construit autour d’un oscillateur à ?bre dopée ytterbium déclenché injecté dans une deuxième ?bre qui constitue l’ampli?cateur. L’originalité de ce système réside dans le cou- plage de deux cavités. Nous avons alors en sortie deux faisceaux cohérents, polarisés, monomode, indépendamment ajustables en énergie. En?n, nous avons utilisé les sources lasers développées, qui présentent des caractéristiques spec- trales, modales, énergétiques adéquats pour effectuer la conversion de fréquence. Des ef?cacités de l’ordre de 64 % et 38 % ont été atteintes respectivement en doublage et en triplage. Les faisceaux en sortie de ces systèmes possèdent des remarquables caractéristiques spatiales et temporelles. / This work presents the development of oscillators and ampli?ers build around new ytterbium rod type ?ber. These ?ber systems generate high average power generation. The oscillator makes it possible to deliver well linearly polarized, almost TEM 00 mode, and millijoule-level nanosecond pulses at a tunable repetition rate (10-100 kHz). The spectral bandwidth was shown to be less than 0.1 nm. To achieve higher peak power and shorter pulses, two types of ampli?ers have been developed and characterized. The experimental results we obtain, do well agree with the numerical simulations we developped. The ?rst system ampli?es in a rod type ?ber the nanosecond pulses yielded by a microlaser working at 1064 nm wavelength injected . Its provides pulses with a high peak power system (500 kW). Its repetition rate was tuned from 1 kHz to 30 kHz. The second ampli?er was built using a Q-switched ytterbium doped ?ber oscillator injected in a second ?ber which acts as ampli?er. In this original system the two cavities are coupled. It delivers two nanosecond pulses that are coherent, polarized, almost TEM00 single mode beams and that can have independently tunable pulse energies. We have shown that these oscillators and ampli?ers can be easily doubled and tripled in fre- quency. Very high ef?ciency of about 64 % and 38 % have been achieved respectively at 2? and 3?. These outputs have been to have remarquable spatial and temporal characteristics.

L'apparition des dernières applications de l'internet à haut débit engendre une augmentation importante des échanges d'informations à travers le monde. Pour éviter une saturation inexorable du réseau de télécommunications, les liaisons par fibre optique avec multiplexage en longueur d'onde (DWDM) se généralisent pour permettre la transmission de données avec un débit actuel maximum de 1Tbit/s. L'aiguillage en longueur d'onde des signaux entre les différentes boucles de ce type de réseau est réalisé à l'aide de Multiplexeurs Insertion- Extraction (MIE). Ce mémoire est consacré à l'étude et à la réalisation de deux MIE réalisés par photoinscription de réseaux de Bragg (=filtres sélectifs en longueur d'onde photoinscrits par un champ d'interférence de lumière laser UV) dans des guides optiques à coeur dopé en germanium. Le premier MIE étudié lors de cette thèse est réalisé sur la base d'un coupleur directif en optique intégrée SiO2/Si dans la zone de couplage duquel deux réseaux de Bragg ont été photoinscrits. Le travail a consisté à améliorer à la fois la fabrication des guides optiques (diminution de leur biréfringence) ainsi que leur photoinscription (meilleure apodisation de la réponse spectrale du spectre réfléchi). La conception et la réalisation de premiers prototypes permettant l'extraction de canaux espacés de 200 GHz ont alors pu être effectuées. La deuxième étude se concentre, quant à elle, sur l'optimisation d'un MIE plus mature basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder à réseaux de Bragg réalisé en fibre bicoeur. L'influence néfaste du déphasage engendré par les réseaux de Bragg sur la réponse spectrale de l'interféromètre a été discutée et minimisée. La reconstruction de la dispersion chromatique de ces réseaux via la réponse spectrale de l'interféromètre a aussi été étudiée. Des composants industrialisables pour réseaux d'espacements intercanaux de 100 GHz et 50 GHz ont alors pu être réalisés.

Aujourd'hui la détection des COV et autres polluants anthropiques à l'état de trace est un enjeu de plus en plus important pour la surveillance de la qualité de l'air. La spectroscopie infrarouge, permettant de sonder des régions spectrales riches en absorption moléculaire, est une technique appropriée pour une mesure in-situ de la pollution atmosphérique. Ce travail de thèse a ainsi consisté à développer des instruments lasers de mesure multi-polluants de terrain. Un premier projet a consisté à profiter de la disponibilité des lasers des télécommunications émettant dans l'IR proche. Cet instrument a été réalisé sur la base d'une diode laser à cavité étendue (1500 - 1640 nm), couplée à une cellule à réflexions multiples (100 m). La sensibilité de détection a été optimisée en employant une détection balancée et une procédure de moyenne de spectres. La compacité et la sensibilité (< 10-7 cm-1Hz-1/2) obtenues ont permis la quantification de composés, en laboratoire ou in-situ, tels que CO2, CO, C2H2, CH4 et également la détermination du rapport isotopique 13CO2/12CO2 résultant de la combustion de bois. Le deuxième projet a consisté à mélanger deux lasers du proche IR (lasers à fibre dopée) dans un cristal non linéaire (PPLN) afin de produire un rayonnement laser par génération de différence de fréquences dans l'IR moyen (3,15 - 3,43 µm), là où les bandes d'absorption des molécules visées, sont les plus intenses. Les premières études avec cette source montrent la possibilité de détection de l'éthylène (C2H4) et du benzène (C6H6). Les développements, caractérisations et applications de ces instruments, aussi bien dans l'IR proche que moyen, sont détaillés et montrent les avantages de sonder les 2 gammes spectrales.