De nombreuses applications militaires ou civiles, telles que la spectroscopie dans les bandes de transmission de l’atmosphère (bandes 3-5µm et 8-12µm), nécessitent de disposer de sources émettant dans le moyen infrarouge (IR). Les travaux de cette thèse portent sur la génération de rayonnement dans la bande 3-5µm par amplification paramétrique (mélange à quatre ondes) dans les fibres optiques en verres fluorés et en verres de chalcogénures. La première partie de ce travail a été consacrée à l’étude théorique et à la modélisation des conditions d’accord de phase et du gain paramétrique dans des fibres à saut d’indice monomodes en verres fluorés ZBLAN et verres de chalcogénures As2S3 et As2Se3. La nature des résultats obtenus nous a conduit à étudier théoriquement le potentiel de l’accord de phase multimode dans les fibres en verres de chalcogénures. La deuxième partie de ce travail a porté sur la modélisation de l’amplification paramétrique dans des fibres en verres de chalcogénures microstructurées à géométrie hexagonale. Pour ce faire, un modèle simplifié de la propagation dans les fibres microstructurées hexagonales a été développé : le modèle de l’indice effectif de gaine (EIM). Il a ensuite été comparé à une méthode de résolution aux éléments finis. Grâce à cette comparaison, nous avons pu améliorer la précision du modèle EIM en déterminant la valeur de plusieurs paramètres empiriques. Ce modèle nous a alors permis de prédire l’efficacité du processus d’amplification paramétrique dans les fibres microstructurées. L’ensemble de ces études théoriques a permis d’identifier les fibres les plus adaptées à la conversion de fréquence vers la bande 3-5µm. Enfin, nous avons réalisé un banc de mesure de la dispersion chromatique des fibres, ainsi que le dimensionnement d’un convertisseur de fréquence utilisant les fibres identifiées dans l’étude théorique. / Various civil or military applications, such as spectroscopy in the atmospheric transparency windows (3 – 5 µm and 8 – 12 µm ranges), require the use of mid-infrared emitting laser sources.The work presented in this thesis is about light generation in the 3 – 5 µm range by parametric amplification (four-wave mixing) in fluoride and chalcogenide fibers. The first part of the study is devoted to modelizations of phase-matching condition and parametric gain in monomode step-index ZBLAN fluoride fibers as well as As2S3 and As2Se3 chalcogenide fibers. The results obtained in this modelization led to the theoretical study of multimode phase-matching conditions in chalcogenide fibers.The second part of the study presents the modelization of parametric amplification in hexagonal microstructured chalcogenide fibers. A simplified model, called the effective index method (EIM), has been developed and compared to the finite element method. Thanks to this comparison, the accuracy of the EIM model was improved through the determination of several empirical parameters. Using the improved EIM model, we have been able to predict the parametric amplification efficiency in microstructured fibers. Thus, all those theoretical studies allowed us to identify the most adapted fibers for frequency conversion in the 3 – 5 µm range. Eventually, we realized an experimental bench to measure the chromatic dispersion of optical fibers, and we suggested an experimental architecture using the fibers we had indentified in the theoretical study.

De nombreuses applications militaires ou civiles, telles que la spectroscopie dans les bandes de transmission de l'atmosphère (bandes 3-5µm et 8-12µm), nécessitent de disposer de sources émettant dans le moyen infrarouge (IR). Les travaux de cette thèse portent sur la génération de rayonnement dans la bande 3-5µm par amplification paramétrique (mélange à quatre ondes) dans les fibres optiques en verres fluorés et en verres de chalcogénures. La première partie de ce travail a été consacrée à l'étude théorique et à la modélisation des conditions d'accord de phase et du gain paramétrique dans des fibres à saut d'indice monomodes en verres fluorés ZBLAN et verres de chalcogénures As2S3 et As2Se3. La nature des résultats obtenus nous a conduit à étudier théoriquement le potentiel de l'accord de phase multimode dans les fibres en verres de chalcogénures. La deuxième partie de ce travail a porté sur la modélisation de l'amplification paramétrique dans des fibres en verres de chalcogénures microstructurées à géométrie hexagonale. Pour ce faire, un modèle simplifié de la propagation dans les fibres microstructurées hexagonales a été développé : le modèle de l'indice effectif de gaine (EIM). Il a ensuite été comparé à une méthode de résolution aux éléments finis. Grâce à cette comparaison, nous avons pu améliorer la précision du modèle EIM en déterminant la valeur de plusieurs paramètres empiriques. Ce modèle nous a alors permis de prédire l'efficacité du processus d'amplification paramétrique dans les fibres microstructurées. L'ensemble de ces études théoriques a permis d'identifier les fibres les plus adaptées à la conversion de fréquence vers la bande 3-5µm. Enfin, nous avons réalisé un banc de mesure de la dispersion chromatique des fibres, ainsi que le dimensionnement d'un convertisseur de fréquence utilisant les fibres identifiées dans l'étude théorique.

L'intérêt des verres de chalcogénures est concentré sur deux points : leur transparence dans l'infrarouge et leurs fortes propriétés non linéaires. Les fibres microstructurées (MOF) permettent de guider un signal monomode et/ou d'exacerber les effets non linéaires. L'association de la géométrie microstructurée aux verres de chalcogénures permet d'obtenir des fibres monomodes et/ou des effets non linéaires importants dans l'infrarouge. Les applications potentielles des MOF sont variées. Si on exploite les propriétés de guidage passif, elles peuvent être utilisées pour la fabrication de lasers fibrés, pour la spectrométrie ou encore pour l'interférométrie. Quand on exploite le guidage actif, les applications concernent la régénération de signal, la génération de sources large bande, la tomographie et la métrologie militaires. Le développement d'une méthode de fabrication par moulage des MOF en verres de chalcogénures est expliqué dans cette thèse. Cette méthode permet d'obtenir les pertes optiques les plus basses dans des MOF de chalcogénures. De nombreuses MOF sont fabriquées en As-Se, en Te-As-Se. Des MOF de différentes géométries sont synthétisées afin de couvrir toutes les applications visées. Les MOF sont ensuite testées pour la génération d'automodulation de phase et de diffusion Raman. En outre, une composition fortement non linéaire et qui possède des propriétés physiques favorables au moulage est déterminée par le biais d'un plan d'expérience.

La recherche en optique non linéaire s'est graduellement développée durant ces trois dernières décennies avec, en particulier, la découverte d'une multitude de phénomènes non linéaires dans les fibres optiques soumises à de fortes excitations lumineuses. Ce champ de recherche s'est récemment amplifié suite à l'avènement de nouvelles fibres optiques qui présentent un arrangement périodique de plusieurs centaines de canaux d'air parallèles le long de la fibre. Ces fibres, dénommées « fibre à cristal photonique » ont permis de convertir un faisceau laser monochromatique en un continuum de lumière blanche sur plus de 2 octaves en fréquence (c.-à-d., un laser arc en ciel allant de l'ultraviolet à l'infrarouge). De part leur propriété de brillance unique, ces nouvelles sources laser révolutionnent actuellement les applications en métrologie, en rendant possible des mesures absolues de fréquences optiques avec une précision sans précédent, mais aussi en optique biomédicale et en microscopie. Le cadre général dans lequel s'insère ce travail de thèse est celui de l'étude des phénomènes non linéaires et la génération de supercontinuum (SC) dans les fibres optiques hautement non linéaires et microstructurées. Dans un premier temps, nous démontrons analytiquement, et par le biais de validations numériques et expérimentales, que le phénomène d'instabilité modulationnelle présente une brisure de symétrie spectrale au voisinage de la longueur d'onde de dispersion nulle, due principalement à l'émission d'ondes dispersives induite par la fission de solitons instables. Puis nous décrivons une nouvelle méthode de mesure des coefficients de dispersion d'une fibre optique, jusqu'à l'ordre quatre, à partir de l'étude de ces deux processus. Nous étudions également des processus multiples de mélanges à quatre ondes à partir d'une onde pompe incohérente. Puis à partir de l'étude de ces phénomènes, nous développons une source SC entièrement fibrée, dont le spectre s'étend sur plus de 1000 nm autour de 1.5 μm, à l'aide d'une fibre optique hautement non linéaire et d'un laser à impulsions nanosecondes. Enfin, nous étudierons expérimentalement la génération de SC dans une fibre microstructurée présentant deux zéros de dispersion, en utilisant respectivement une excitation à une puis deux pompes. Nous montrons en particulier la génération de bandes doubles d'instabilité modulationnelle au voisinage du second zéro de dispersion, en accord avec nos prédictions analytiques, ainsi qu'une cascade Raman anti-Stokes, puis la génération de SC de 1400 nm à 1700 nm. Enfin, nous réalisons un double pompage de la fibre optique par doublage de la fréquence du laser nanoseconde, afin d'accroître la bande du SC vers le domaine visible de 550 nm a 1950 nm.

La recherche en optique non linéaire s'est graduellement développée durant ces trois dernières décennies avec, en particulier, la découverte d'une multitude de phénomènes non linéaires dans les fibres optiques soumises à de fortes excitations lumineuses. Ce champ de recherche s'est récemment amplifié suite à l'avènement de nouvelles fibres optiques qui présentent un arrangement périodique de plusieurs centaines de canaux d'air parallèles le long de la fibre. Ces fibres, dénommées « fibre à cristal photonique » ont permis de convertir un faisceau laser monochromatique en un continuum de lumière blanche sur plus de 2 octaves en fréquence (c.-à-d., un laser arc en ciel allant de l'ultraviolet à l'infrarouge). De part leur propriété de brillance unique, ces nouvelles sources laser révolutionnent actuellement les applications en métrologie, en rendant possible des mesures absolues de fréquences optiques avec une précision sans précédent, mais aussi en optique biomédicale et en microscopie. Le cadre général dans lequel s'insère ce travail de thèse est celui de l'étude des phénomènes non linéaires et la génération de supercontinuum (SC) dans les fibres optiques hautement non linéaires et microstructurées. Dans un premier temps, nous démontrons analytiquement, et par le biais de validations numériques et expérimentales, que le phénomène d'instabilité modulationnelle présente une brisure de symétrie spectrale au voisinage de la longueur d'onde de dispersion nulle, due principalement à l'émission d'ondes dispersives induite par la fission de solitons instables. Puis nous décrivons une nouvelle méthode de mesure des coefficients de dispersion d'une fibre optique, jusqu'à l'ordre quatre, à partir de l'étude de ces deux processus. Nous étudions également des processus multiples de mélanges à quatre ondes à partir d'une onde pompe incohérente. Puis à partir de l'étude de ces phénomènes, nous développons une source SC entièrement fibrée, dont le spectre s'étend sur plus de 1000 nm autour de 1.5 μm, à l'aide d'une fibre optique hautement non linéaire et d'un laser à impulsions nanosecondes. Enfin, nous étudierons expérimentalement la génération de SC dans une fibre microstructurée présentant deux zéros de dispersion, en utilisant respectivement une excitation à une puis deux pompes. Nous montrons en particulier la génération de bandes doubles d'instabilité modulationnelle au voisinage du second zéro de dispersion, en accord avec nos prédictions analytiques, ainsi qu'une cascade Raman anti-Stokes, puis la génération de SC de 1400 nm à 1700 nm. Enfin, nous réalisons un double pompage de la fibre optique par doublage de la fréquence du laser nanoseconde, afin d'accroître la bande du SC vers le domaine visible de 550 nm a 1950 nm.

Le captage et stockage du CO2 est une solution prometteuse dans la lutte contre le réchauffement climatique mais cette technique, pour être fiable, nécessite la mise au point de méthodes de détection et d'analyse des puits. Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit, concernent le développement de fibres optiques et de guides d'ondes infrarouges dédiés à la surveillance des puits de stockage du CO2. Des films minces, issus des systèmes Ge-Sb-S et Ge-Sb-Se, ont été préparés par pulvérisation cathodique et ablation laser. Leurs propriétés ont été comparées pour trouver la composition la plus adaptée à un micro-capteur. Les couches sulfures déposées par pulvérisation cathodique ont été choisies pour graver des guides canalisés de type ruban et à jonction Y. Différents profils de fibres optiques tels que des fibres monoindices, effilées ou encore microstructurées, ont été réalisées en verres séléniures. Un important travail de purification a permis d'atteindre une atténuation de 0,2dB/m à 4,2µm. Un seuil de détection d'environ 0,5% vol. a alors été obtenu par absorption du signal infrarouge entre deux fibres monoindices. Cette technique a alors été adaptée pour une campagne de mesures sur un site présentant des sources naturelles en CO2.

L'utilisation de matériaux originaux, à forts indices de réfraction linéaires et non-linéaires et à faibles énergies de phonon, tels que les verres de sulfures, permet d'envisager des applications comme l'amplification large bande (1,3-1,5 µm), la régénération et la commutation tout-optique en télécommunication. Les travaux de recherche présentés ici concernent l'étude de fibres optiques et verres de chalcogénures transmettant dans l'infrarouge. La fenêtre optique des verres appartenant au système de référence GeGaS a été élargie dans le domaine du visible par addition de chlorures de métaux et d'alcalino-terreux. Les caractérisations physico-chimiques en termes de propriétés thermiques, optiques, de durabilité chimique et l'étude de l'organisation structurale des compositions mettent en lumière l'impact de l'insertion d'halogènes dans les verres de sulfures. Les verres de sulfures du système Ge-Ga-Sb-S présentent une potentialité pour l'amplification optique entre 1,3 et 1,47 µm par dopage terre-rare. La loi du gap, établissant la probabilité de relaxation multiphonon à l'écart d'énergie entre un niveau excité et un niveau immédiatement inférieur, a été démontrée dans les verres de sulfures du système GeGaSbS. L'étude des propriétés spectroscopiques de Yb3+ dans différentes matrices sulfures et halogéno-sulfures a permis d'établir le diagramme d'énergie de l'ytterbium dans chacune de ces matrices et de choisir celle la plus adaptée aux études de refroidissement optique. Les verres du système GeGaSbS ont fait l'objet d'études de mise en forme. Une fibre monomode, d'ouverture numérique 0,44 et de diamètre de mode 2 µm a été obtenue et caractérisée à la longueur d'onde de 1,55 µm. La fluorescence infrarouge du dysprosium et du thulium sur des fibres multimode a été étudiée. La bonne aptitude de ces verres au fibrage a conduit à la réalisation de fibres microstructurées, de types bande interdite photonique et à trous. La caractérisation optique de ces fibres a révélé le caractère quasi-monomode d'une des fibres à trous à la longueur d'onde de 1,55 µm.

L'émergence des amplificateurs à fibre et l'inévitable accroissement du débit ont drastiquement augmenté la complexité des systèmes de transmission optiques, imposant une évolution des composants photoniques. Des techniques de caractérisation fiables et précises sont alors indispensables pour mener une analyse appropriée des caractéristiques et des performances desdits composants. La réflectométrie à faible cohérence sensible à la phase est une technique bien adaptée à la détection, localisation et quantification des discontinuités d'indice dans les composants optiques et photoniques. Dans le cadre de cette thèse, elle a été appliquée à l'analyse de différents composants photoniques innovants, tels que les réseaux de Bragg à fibre, les fibres optiques spéciales et les lasers à semi-conducteurs soumis à une injection optique. Les résultats obtenus situent cette technique comme un véritable outil d'investigation qui s'avère très performant pour l'assistance et l'aide à la conception des nouvelles générations de composants photoniques.

Intensivement étudié depuis son apparition en 1960, le laser est un outil qui a su trouver sa place au-delà du monde académique : ses performances uniques l'ont rendu indispensable dans nombres d'applications de la vie courante. Les particularités les plus attractives du rayonnement laser sont la directivité de son émission, et le caractère quasi-monochromatique de son rayonnement.La première permet de propager un faisceau laser sur des longues distances, et également de concentrer la lumière sur des cibles aux dimensions extrêmement réduites : on parle de cohérence spatiale de l'émission laser. Cette seule propriété trouve de nombreuses applications : les lecteurs de codes-barres, imprimantes laser, pointeurs lasers en sont des exemples très rependus.La seconde permet d'accorder la bande spectrale étroite de l’émission laser aux bandes d'absorption de certains matériaux, ce qui permet de déposer localement de l’énergie de manière contrôlée. Par ailleurs elle confère au rayonnement laser des propriétés de cohérence temporelle uniques, qui peuvent être exploitées notamment en interférométrie, ouvrant la voie à de très nombreuses applications dans le domaine de la mesure, pour la caractérisation de surfaces optiques, dans les capteurs de position à effet Sagnac, en spectrométrie, pour ne pas citer quelques exemples. / ...

Ce travail concerne le développement d’une fibre optique à structure originale permettant la montée en puissance moyenne et crête dans les systèmes lasers à 2μm. La gestion des effets thermiques est devenue aujourd’hui un enjeu primordial notamment pour essayer de repousser le seuil d’apparition des instabilités modales transverses. Le principe mis en avant ici est basé sur la rupture de symétrie de la gaine microstructurée de la fibre afin d’améliorer la délocalisation des modes d’ordre supérieur vers l’extérieur du milieu à gain. Ainsi une propagation quasi-monomode est obtenue dans une fibre apériodique passive avec un coeur de 140μm à 2μm. Un travail de modélisation a été mené de manière à proposer d’autres structures basées sur une modulation contrôlée de l’indice de réfraction dans le milieu à gain afin de repousser encore plus le seuil du régime multimode. En outre, la fabrication de la première fibre dopée thulium à large aire modale (Dcoeur = 18μm) par la méthode REPUSIL a montré une efficacité de 50%. Ensuite, la fabrication de la première fibre rigide complètement apériodique à gaine réduite dopée thulium a été réalisée. Une fibre avec un coeur de 29μm et un diamètre extérieur de 769μm et une longueur de 86cm a été caractérisée en configuration laser et a permis d’obtenir une émission laser à 2μm de 3,8W (puissance limitée par la puissance de la diode de pompe disponible) avec un rendement de 20% et une qualité de faisceau quasi-monomode. De plus, une fibre passive complètement apériodique à polarisation unique avec un coeur de 140μm a également été réalisée et a permis d’obtenir un ratio d’extinction de polarisation de 16,5dB à 2μm. / This work deals with the development of an original leaky structure of optical fiber aiming at generating a high power laser radiation at 2μm in CW and pulsed regimes. The management of thermal effects in high power/energy regime became a major issue, in particular to push further the transverse modal instabilities threshold. Our approach consists in breaking the symmetry of the microstructured fiber cladding for to improve the delocalization of the high order modes outside of the gain medium. Thus, an effective single-mode propagation at a 2μm operating wavelength was first demonstrated into a passive aperiodic fibers whose the core diameter reaches up to 140 μm. After implementing some Stress Applying Parts over our aperiodic design, a PER of 16.5dB was achieved at 2μm using a single polarization passive FA-LPF with a core of 140 μm. Thence, a numerical study on the tailoring the active core refractive index has been carried out so as to fend off the threshold of multimodedness. Additionally, the first LMA Tm-doped fiber (Dcoeur = 18μm) fabricated by the REPUSIL method and showing an efficiency of 50% is demonstrated. Thereafter, the fabrication of the first rod-type Tm-doped FA-LPF with reduced cladding is shown. A 29 μm core FA-LPF was characterized in laser configuration, leading to an effective single-mode emission of 3.8W of average power at 2μm strictly restricted by the available pump power and an efficiency of 20%.