Les sources lasers à impulsions ultracourtes de forte puissance dans la région spectrale du proche à moyen infrarouge sont très demandées pour la physique des champs forts dans les atomes, les molécules et la matière condensée. D’après le modèle en trois étapes [1], l’énergie coupée des harmoniques élevées générées varie comme I×λ2. Cela favorise les longueurs d’onde plus longues pour générer des photons XUV plus énergétiques, et potentiellement des impulsions attosecondes plus courtes. Malheureusement, l’extension de l’énergie des photons se fait au prix d’une diminution de l’efficacité en λ−5,5 [2]. La disponibilité d’un système laser à haute cadence est un atout majeur pour palier aux problèmes d’efficacité et produire des flux de photons élevés. Même s’il existe quelques matériaux de gain laser adaptés à la génération d’impulsions femtoseconde intense dans la région spectrale infrarouge intermédiaire, l’amélioration globale du taux de répétition, de la durée et de la puissance des impulsions sont encore des défis [3, 4]. Ainsi, les systèmes paramétriques basés sur un mélange non linéaire à trois ondes sont une alternative intéressante pour générer les impulsions ultracourtes requises pour ce type d’expériences. Actuellement, les systèmes paramétriques à haute puissance dans l’infrarouge moyen ne peuvent pas atteindre les intensités requises pour générer des harmoniques dans le gaz. Cependant, ces sources sont des moteurs intéressants pour la génération d’harmonique (HHG) dans les solides, qui nécessitent des intensités sur cible plus faibles. Par ailleurs, les systèmes à haute énergie, mais à taux de répétition plus bas, sont capables de générer des impulsions suffisamment énergétiques pour les expériences HHG dans le gaz. Cependant, l’efficacité globale de ces sources est encore faible. En fonction de l’énergie harmonique requise, le rayonnement peut être généré efficacement par des lasers NIR post-comprimés.Cette thèse décrit le développement des sources MWIR et leurs applications en physique des champs forts. Nous avons choisi d’étudier des sources paramétriques pilotées par un laser à pompe CPA de puissance moyenne élevée et par un système laser à grande énergie Yb: CaF2. Les impulsions MWIR générées sont ensuite utilisées pour sonder l’interaction du matériau laser à travers HHG dans les solides et les gaz. / Ultrashort pulse light sources in the near- to mid-wavelength infrared spectral region are in high demand for strong field physics in atoms, molecules and condensed matter. According to the three step model [1], the energy cut off of generated high harmonics scales as I×λ2, which favors longer driving wavelengths in order to generate more energetic XUV photons, and potentially shorter attosecond, soft X-ray pulses. Unfortunately, photon energy extensionis at the cost of an efficiency drop scaling as λ−5.5 [2]. The availability of a high-repetitionrate laser system is paramount to mitigate the efficiency issues and still produce high photon fluxes. Even though there are only a few laser gain media suitable for intense femtosecond pulse generation in the mid-IR spectral region, the overall scalability of the pulse repetition rate, the duration and power are still a challenge [3, 4]. Thus, parametric systems based on a nonlinear three wave-mixing, are an attractive alternative to generate the required ultrashort pulses for those experiments. Currently high power middle infrared parametric systems can’t reach the required intensities to reliably drive high harmonic generation (HHG) in gas. However, these sources are attractive drivers for HHG in solids, which requires lower intensities on the target. On the other hand, high energy, but lower repetition rate systems arecapable of generating energetic pulses for HHG experiments in gas. However, the overall efficiency of those drivers is still low. Depending on the required harmonics energy, the XUV could be efficiently generated by post-compressed NIR lasers.This thesis describes the development of MWIR sources and their applications in strong field physics. We have chosen to investigate parametric sources driven by high average power fiber CPA pump laser and by high energy Yb:CaF2 bulk laser system. The generated MWIR few cycle pulses are then used to probe laser material interaction through HHG in solids and gas.

Ce travail concerne l'étude de matériaux monocristallins à basses énergies de phonons, dopés par des ions de terres rares pour la réalisation de lasers solides pompés par diodes et émettant dans l'infrarouge moyen. Pour cela des cristaux purs et dopés (Er3+ou Pr3+) de KPb2Cl5 et Tl3PbX5 (X=Cl, Br) ont été élaborés par la méthode de Bridgman-Stockbarger. Ces matrices non hygroscopiques et à fusion congruente présentent des transitions de phase lors du refroidissement qui ne limitent cependant en rien l'élaboration de cristaux de taille centimétrique. L'étude spectroscopique des matériaux dopés par l'ion Er3+a été effectuée à haute comme à basse température. Il a ainsi été possible de mettre en évidence que ces systèmes présentent des temps de vie de fluorescence et des sections efficaces de gain favorables à une émission laser autour de 4,5 µm. Il a été également démontré que les processus d'up-conversion " par absorption dans les états excités des ions Er3+ à la longueur d'onde de pompage optique comme les processus de transferts d'énergies entre les ions n'entraînent pas de pertes optiques significatives pour le système laser. Les paramètres ainsi obtenus ont alors été utilisés pour construire un modèle et simuler le fonctionnement de ce système laser en présence d'un pompage par diodes à 800 nm. L'étude spectroscopique de l'ion Pr3+ dans différents matériaux a enfin permis de mettre en évidence des sections efficaces d'émission élevées associées à des temps de vie importants favorables cette fois à une émission laser autour de 5µm.

Ce travail de thèse s'intéresse à la compréhension de la forte mobilité du proton dans l'eau. L'eau est fondamentale pour la vie et est le milieu essentiel pour les processus chimiques et biologiques. La richesse de l'interdisciplinarité des sciences permet d'en étudier les propriétés au niveau moléculaire qui la rendent unique. La technique privilégiée pour cette étude est la spectroscopie vibrationnelle résolue en temps à l'échelle femtoseconde. Plusieurs expériences sont réalisées pour caractériser la dynamique de l'eau à cette échelle de temps. La visualisation de la rotation des molécules d'eau obtenue par des mesures d'anisotropie est présentée. Cette expérience est réalisée dans l'eau isotopique HDO/D2O pour des raisons de convenance expérimentale et théorique. Cependant ce n'est pas l'eau. L'eau pure H2O est étudiée à partir des modes de libration permettant de s'affranchir d'effets thermiques gênants. Un transfert résonnant énergétique intermoléculaire est alors observé. Enfin la forme localisée du proton dans les molécules d'eau (appelée forme Eigen) est mise en évidence expérimentalement. Cette molécule est impliquée dans l'explication de la mobilité anormale du proton dans l'eau appelé mécanisme de Grotthuss.

Cette thèse se découpe en deux volets complémentaires, orientés sur la formation planétaire dans les disques autour d'étoiles jeunes. Dans une première partie je présente les résultats obtenus avec des données spectroscopiques du satellite Spitzer. Ces spectres (5-35 µm) montrent un grand nombre de raies en émission, attribuées à des poussière silicatées, amorphes ou cristallines. Sur un large échantillon, j'ai mené deux analyses statistiques complémentaires sur la minéralogie des grains de poussière. Je montre tout d'abord que les silicates cristallins sont très présents dans les disques proto-planétaires, et je mets en évidence un paradoxe de cristallinité sur la distribution radiale de ces cristallins, avec moins de cristaux dans les régions internes (lieu de leur formation préférentiel) que dans les régions externes. Des processus d'amorphisation peuvent être responsables de cet écart. Par la suite, j'ai montré qu'un applatissement des distributions en taille de grain a lieu dans les disques (ce qui était souvent interprété comme un grossissement de grains). Cela peut s'expliquer soit par un changement d'équilibre entre les processus de fragmentation et de coagulation, soit par une évacuation des petits grains par la pression de radiation ou les vents stellaires. Dans une seconde partie, je présente les résultats d'observations pionières, par la méthode d'interférométrie dans le proche infrarouge, avec l'instrument AMBER, pour deux étoiles TTauri. Ces observations ont permis de confirmer deux modèles existants dans la litérature : i) la présence d'un sillon dans un disque en transition, avec un disque interne proche de l'étoile, ii) l'importance de la lumière diffusée dans l'interprétation de données interférométriques. Ces travaux permettent de mieux connaître les régions de formation planétaire.

La compréhension des réactions biochimiques qui se déroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace.<br />Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.<br /><br />Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm. <br /><br />Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.

La compréhension des réactions biochimiques qui se d'eroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace. Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée. Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm−1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique HOT SPIDER, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 μm. Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la presence d'une anharmonicité électrique importante.

La spectroscopie par transformation de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes tire parti d'un interféromètre sans partie mobile. Il mesure les interférences entre deux peignes de fréquences, sources lasers à large bande spectrale constituée de raies fines et équidistantes. Il améliore significativement le temps de mesure et la limite de résolution spectrale des spectromètres de Fourier. Néanmoins, les conditions sur la stabilité à court terme des peignes ne peuvent pas être remplies par les techniques d'asservissement classique. Jusqu'à présent, aucun spectre de qualité n'a pu être mesuré avec un très faible temps d'acquisition. Cette thèse présente le développement d'une méthode de correction en temps réel capable de compenser les fluctuations résiduelles des peignes et de restituer des spectres sans artefacts. La méthode, analogique, ne nécessite aucun asservissement ou traitement informatique a posteriori. Ses performances sont démontrées dans le proche infrarouge (1,5 µm) et le visible (520 nm), à l'aide d'oscillateurs femtosecondes fibrés. Des spectres moléculaires couvrant 12 THz sont mesurés en 500 µs à limite de résolution Doppler. Ils sont en excellent accord avec les données de la littérature. Pour la première fois, le plein potentiel de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences est démontré. Le domaine de l'infrarouge moyen est la région de prédilection de la spectroscopie moléculaire car la plupart des molécules y présentent des absorptions fortes et caractéristiques. Étendre la spectroscopie par peignes de fréquences à cette région est donc l'objectif suivant à atteindre. Dans cette optique, un peigne émettant autour de 3 µm est caractérisé. Il est basé sur la conversion non-linéaire par différence de fréquences d'un oscillateur à erbium élargi spectralement par une fibre fortement non-linéaire.

Les travaux réalisés dans ce manuscrit portent sur la fabrication de fibres optiques microstructurées (FOMs) à cœur suspendu en verre de chalcogénures pour la génération de supercontinum (SC) dans l'infrarouge, jusqu'à 6 μm. Dans ce contexte, la composition As2S3 a été sélectionnée pour la fabrication des FOMs destinées aux caractérisations des effets optiques non linéaires. La synthèse sous vide nous a permis de réaliser une fibre As2S3 ayant de très faibles pertes (1-2 dB/m) à 2.9 µm. Nous avons fabriqué des FOMs à cœurs suspendus ayant des diamètres de cœur variant de 1.5 μm à 3,5 μm autorisant la gestion de la dispersion chromatique et le décalage de la longueur d'onde du zéro dispersion vers 2.0-2.5µm. Pour optimiser la génération de SC, nous avons utilisé des sources laser pulsées femtosecondes pour pomper les fibres en régime de dispersion anormale. En parallèle aux mesures expérimentales, nous avons effectué des modélisations numériques basées sur la résolution de l'équation de Schrödinger non linéaire généralisée. Dans le cadre de ce travail, nous avons démontré un SC expérimental étendu sur plus de 2.0 µm dans une FOM As2S3. Cependant, nous avons identifié un phénomène de vieillissement. Grâce à une procédure de protection préventive, nous avons élargi avec succès la bande passante du SC jusqu'à 3.5 µm. Le vieillissement du matériau semble être un facteur limitant qui empêche l’extension du SC dans le domaine IR. C’est donc dans ce contexte que des études portant sur le vieillissement des matériaux ont été réalisées. Au cours de ces travaux on a pu mettre en évidence le vieillissement de l’As2S3 et son impact sur les propriétés chimiques et optiques des FOMs qui en sont issues.Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons réussi à fabriquer de nouvelles fibres chalcogénures à base de Ge-S-Se, répondant au recommandations européenne (REACH). / The work reported in this thesis deals with the fabrication of suspended core chalcogenide microstructured optical fibers (MOFs) for supercontinuum generation (SCG) beyond 6 μm. In this context, As2S3-based suspended-core MOFs were fabricated under vacuum, and loss threshold of 1-2 dB/m at 2.9µm were systematically registered. In addition, MOFs were designed with core diameter ranging from 1.5 to 3.5µm, allowing therefore to control the MOF's dispersive properties and to shift corresponding zero dispersion wavelength to 2.0-2.5 µm range. SCG experiments were performed by pumping the fabricated MOFs in their anomalous dispersion regime by means of tunable femtosecond laser source. Simultaneously, numerical simulations were carried out in order to elucidate the non-linear dynamics and their limitations. As part of this work, we have registered a broad SC extended over 2.0 µm on As2S3 MOF. However, we have identified a phenomenon of glass-fiber aging upon exposure to atmospheric conditions. Through a preventive protection procedure based on storage of MOF under dry atmosphere, we have successfully expanded the bandwidth of the SC up to 3.5 µm.The aging phenomenon appears to be a limiting factor which prevents the extension of the SC in the IR region. It is in this context that extensive studies of aging of materials have been conducted. In this work, we were proved the aging process of As2S3 glass system and resulting impact on both chemical and optical properties.In a second part of this work, we succeeded to manufacture new arsenic-free chalcogenide fibers based on Ge-S-Se, responding to European recommendations (REACH).

La spectroscopie par transformation de Fourier par peignes de fréquences femtosecondes tire parti d’un interféromètre sans partie mobile. Il mesure les interférences entre deux peignes de fréquences, sources lasers à large bande spectrale constituée de raies fines et équidistantes. Il améliore significativement le temps de mesure et la limite de résolution spectrale des spectromètres de Fourier. Néanmoins, les conditions sur la stabilité à court terme des peignes ne peuvent pas être remplies par les techniques d’asservissement classique. Jusqu’à présent, aucun spectre de qualité n’a pu être mesuré avec un très faible temps d’acquisition. Cette thèse présente le développement d’une méthode de correction en temps réel capable de compenser les fluctuations résiduelles des peignes et de restituer des spectres sans artefacts. La méthode, analogique, ne nécessite aucun asservissement ou traitement informatique a posteriori. Ses performances sont démontrées dans le proche infrarouge (1,5 µm) et le visible (520 nm), à l’aide d’oscillateurs femtosecondes fibrés. Des spectres moléculaires couvrant 12 THz sont mesurés en 500 µs à limite de résolution Doppler. Ils sont en excellent accord avec les données de la littérature. Pour la première fois, le plein potentiel de la spectroscopie de Fourier par peignes de fréquences est démontré. Le domaine de l’infrarouge moyen est la région de prédilection de la spectroscopie moléculaire car la plupart des molécules y présentent des absorptions fortes et caractéristiques. Étendre la spectroscopie par peignes de fréquences à cette région est donc l’objectif suivant à atteindre. Dans cette optique, un peigne émettant autour de 3 µm est caractérisé. Il est basé sur la conversion non-linéaire par différence de fréquences d’un oscillateur à erbium élargi spectralement par une fibre fortement non-linéaire. / Dual-comb Fourier-transform spectroscopy takes advantage of an interferometer without moving parts. Interferences pattern between two femtosecond frequency combs, broadband laser sources whose spectra consist of evenly-spaced narrow lines, is measured. The measurement time and the spectral resolution are significantly improved compared to traditional Fourier spectrometers. However, the required short-term stability of the combs cannot be achieved by classic locking methods. Until now, no high-quality spectra could be recorded within a very short acquisition time. This thesis reports on the development of a real-time correction method able to compensate for the combs’ residual fluctuations and to restore non-distorted spectra. This analog technique does not require any locking system or a posteriori calculation. Its performance is demonstrated in the near-infrared (1.5 µm) and in the visible (520 nm) with fiber-based femtosecond lasers. Doppler-limited molecular spectra spanning 12 THz are measured within 500 µs. They are in excellent agreement with databases. For the first time, the full potential of dual-comb spectroscopy is demonstrated. The mid-infrared region is an attractive spectral range for molecular spectroscopy due to the molecules’ strong and characteristic absorptions. Therefore, extending dual-comb spectroscopy to this region is the next goal to achieve. Toward this goal, a comb emitting around 3 µm is characterized. It is based on the non-linear difference frequency generation from an erbium oscillator spectrally broadened with a highly non-linear fiber.

La spectroscopie non-linéaire femtoseconde cohérente multidimensionnelle est une technique optique analogue à la résonance magnétique nucléaire multidimensionnelle. Ce travail présente la première démonstration de spectroscopie bidimensionnelle visible (800 nm)- infrarouge (10µm) par transformée de Fourier. Cette technique permet de cartographier l'émission infrarouge d'un échantillon suivant deux dimensions spectrales : l'une dans l'infrarouge moyen, l'autre dans le domaine visible des transitions électroniques. La carte obtenue permet de corréler des spectres infrarouges et des spectres Raman vibrationnels au niveau microscopique et au plus bas ordre de non-linéarité. Cette technique est particulièrement adaptée à l'étude de molécules ou de nanostructures semiconductrices. Notre implémentation de spectroscopie bidimensionnelle visible-infrarouge a conduit à la mesure de la réponse non-linéaire du deuxième ordre pour un processus de différence de fréquences dans un cristal à l'accord de phase. Une telle mesure de la réponse effective du deuxième ordre Xi(2)(−omega2,omega3) d'un émetteur non-centrosymétrique a été effectuée par la mesure cohérente du champ infrarouge (15-40 THz) émis suite à l'excitation de l'échantillon noncentrosymétrique par une séquence de deux impulsions visibles (340-400 THz) de 16 fs parfaitement verrouillées en phase. Par ailleurs, la mesure de la dépendance spectrale complète de la réponse non-linéaire d'un échantillon plus complexe à puits quantiques asymétriques nous a permis d'observer la construction d'une règle de somme quantique sur les états de valence. Le verrouillage de phase des impulsions excitatrices a été également mis à profit pour réaliser la mise en forme indirecte d'impulsions infrarouges sur une bande spectrale inédite. Cette démonstration a été obtenue par redressement optique du battement entre deux impulsions visibles à dérive de fréquence décalées temporellement. Les développements expérimentaux détaillés dans ce travail (montage portatif Chideuportatif', contrôle tout numérique des délais et verrouillages de phase, détection auto-référencée, cales piézoélectriques longue course substituées au moteur pas-à-pas) sont cruciaux pour nos expériences où les transformées de Fourier imposent un très bon contrôle des axes temporels. Ces développements sont applicables à toutes les expériences de spectroscopie multidimensionnelle par transformée de Fourier et à de nombreuses expériences de spectroscopie optique utilisant des séquences d'impulsions pour l'excitation d'un échantillon ou la détection du champ signal.