Les méthodes de combinaison cohérente sont rapidement apparues comme très prometteuses dans la course à la puissance des sources lasers. Cela s’explique par le fait que la puissance autour de l’axe de propagation évolue selon une loi quadratique avec le nombre de faisceaux combinés. Mes premiers travaux ont porté sur la montée en puissance de pompage dans les systèmes de mise en phase passive par auto-organisation. Pour la première fois, nous avons mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement, qu’au-delà du seuil laser, le filtrage spectral intracavité dû à la structure interférométrique du système laser, est un des principaux facteurs limitant l’obtention de qualités de phasage élevées. L’augmentation du nombre d’émetteurs accentue la dégradation de l’efficacité de combinaison avec la montée en puissance, montrant l’incapacité de ce type de méthode à combiner efficacement un grand nombre d’émetteurs lasers de forte puissance. Par la suite, mes travaux ont porté sur l’étude d’une méthode innovante de phasage actif, mise au point à XLIM. Le principe de cette méthode associe un filtrage optique de type contraste de phase, à un algorithme d’optimisation réduisant les écarts de phases entre émetteurs. Les calculs et expériences ont mis en évidence la très faible sensibilité de la méthode au nombre d’émetteurs mis en jeu. Les démonstrations de combinaison cohérente de 7 à 37 émetteurs fibrés délivrant jusqu’à 5W chacun ont été faites. Ce dernier résultat constitue aujourd’hui un record en termes de nombre d’émetteurs combinés de manière active. L’efficacité de combinaison en champ lointain a été estimée à une valeur élevée de 94%, correspondant à une erreur de phase résiduelle d’environ λ/25. Le faible nombre d’itérations d’algorithme nécessaires pour converger a permis de corriger les fluctuations de phase sur une bande d’environ 1kHz. / Coherent laser beam combining techniques rapidly appeared highly promising in the field of ultra-high power laser sources. Indeed, the combined intensity around the propagation axis follows a quadratic law with the number of combined emitters. The first part of my work has been focused on passive phasing techniques, based on self-organization properties of coupled lasers. We have shown, both numerically and experimentally, that the intracavity filtering function due to the interferometric nature of the set-up, is an intrinsic reason for combining efficiency decrease far above laser threshold. The decrease goes steeper when the number of combined laser increases, making that kind of system inappropriate for coherently combining a large number of lasers delivering high power. The second part of my work consisted in studying an innovative active phasing method that associates a phase-contrast like filter with an optimization algorithm reducing phase errors between emitters. Both simulations and experiments showed the weak sensitivity of this method to the number of combined emitters. We demonstrated the phasing of 7 to 37 fiber lasers, delivering up to 5W each. To the best of our knowledge, this last result is the highest number of fiber lasers combined with an active phasing method. The combining efficiency has been estimated around 94%, corresponding to a residual phase error of λ/25. The weak number of algorithm iterations needed to reach the in-phase regime offered a bandwidth of approximately 1kHz.

Processing of Si in the semiconductor and solar cell industry has been dominated by the Diode Pumped Solid State (DPSS) Ultraviolet (UV) laser. Recent advances in laser source technology have produced fibre lasers with Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) architectures that offer high repetition rates, high operational efficiencies, and pulse modulation controls exceeding those of typical Q-switched DPSS lasers. The aim of this research is to investigate 1 μm fibre laser machining of Si with a view to identifying the influential laser parameters for optimum processing of high quality, high efficiency micro drilling and surface texturing applications. A secondary aim is to develop a greater understanding of the laser material interactions and material removal mechanism when using fast rise-time nanosecond laser pulse envelopes. The IR fibre laser was able to perform percussion drilling and single pulse machining on the polished Si over a range of intensities up to 1.22 GW/cm2. With the optimum parameters, the micro-sized holes generated by the IR laser have a well defined edge, no heavy recast and no cracks. With a pulse shape of fast rise time (<7.5 ns for a 10-90% rise in signal), a high front peak power zone (approaching 14 kW) and an energetic long tail (40-180 ns), the absorption coefficient of Si at IR wavelength increased dramatically with time and temperature due to the fact that the liquid Si has a metal like absorption behavior. As a result, Si was quickly melted and the rest of pulse energy was able to remove the liquid Si effectively. The machining process left a limited amount of resolidified melt droplets and vapor condensates, which could be washed off ultrasonically. The drilling process was energy efficient when melt expulsion dominated the machining mechanism (0.08-0.2 mJ pulse energy depending on the pulse durations). The low energy pulse (~0.2 mJ) can achieve similar depth as the high energy pulse (~0.7 mJ), so high repetition rates of 100 kHz can be used to instead of 25 kHz, resulted in high processing speed. In addition, by comparing the single pulse machining with the state of the art UV laser, the IR fibre laser machined deeper features and better surface finish in the pulse energy region of >0.07 mJ. With the pulse shaping capability, the material properties can be varied and the wavelength factor can be minimized. The results suggest that applications like microvia drilling can now be carried out with the more flexible and low cost IR fibre laser. The increased repetition rates of fibre laser can increase production speed to satisfy the needs of drilling ~10 thousands holes per second, required by the modern semiconductor and solar cell production. The shortened optical penetration length of 1 μm wavelength laser on Si with increasing temperature and sufficient thermal diffusion length resulted from the asymmetrical fibre laser pulse and the dynamic properties of Si produced a thick liquid layer. A one-dimensional heat conduction model based on the surface heating source predicted that this superheated liquid layer was able to stay above 4706 K (0.905 times the thermal critical temperature 5200 K of Si) for longer than 70 ns to induce explosive boiling. This proposed material removal mechanism was also confirmed by the shadowgraph images, showing particulates ejection lasting up to ten microseconds after the laser pulse. The estimated hole depth based on the explosive boiling alone were different from the measured ones at varying peak power densities (<1.22 GW/cm2) but fixed pulse duration (200 ns), since Si was removed by a mixture of mechanisms. With varying pulse durations (40-200 ns) but fixed peak power density (~0.63 GW/cm2), the estimated depth based on the explosive boiling was in close agreement with the measured ones (6% difference on average). The SEM images at this power density showed a micron- /submicron-sized debris field, which was also observed with the explosive boiling in the past. Although the improved quality of Si machining was demonstrated with the 1 μm MOPA based fibre laser, the setup of this system was only applicable to surface texturing, blind holes and through holes of less than 100 μm in depth. Further research is required to demonstrate the capability of more energetic pulse with higher peak power and large pulse duration range to explore more machining options.

Alors que la science attoseconde connaît un développement fulgurant, le besoin de nouvelles sources laser adaptées à la génération d'impulsions attosecondes uniques est apparu. Grâce à ses propriétés d'accordabilité en fréquence et d'amplification de spectres ultra-larges à même de supporter des durées d'impulsions ultracourtes, conjuguées à la possibilité de stabiliser passivement la phase sous l'enveloppe (CEP) du champ électrique associé à l'impulsion laser, l'amplification paramétrique (OPA) s'est imposée comme un des outils incontournables pour la réalisation de telles sources.De plus, un intérêt croissant se manifeste pour la montée en cadence des sources d'harmoniques d'ordre élevé (HHG), en tirant parti des avancées des laser à fibre. Récemment fut démontrée la génération d'impulsions ultracourtes à très haute cadence, stabilisées en phase, dans la partie visible du spectre. Décaler la bande d'amplification vers l'infrarouge présenterait des avantages certains du point de vue de la génération d'harmoniques. En effet, travailler avec une source laser infrarouge permet d'étendre le spectre d'harmoniques et donc de réduire la durée des impulsions attosecondes générées. Jusqu'à présent, l'amplification paramétrique large bande dans l'infrarouge à haute cadence était rendue impossible par la difficulté à générer un signal à ces longueurs d'onde directement à partir d'un laser à fibre.Les travaux exposés ici décrivent la réalisation de nouvelles sources paramétriques, spécifiquement conçues en fonction des exigences de la génération d'impulsions attosecondes uniques, aussi bien en régime de forte énergie qu'à des cadences élevées.Nous présentons tout d'abord le développement d'un OPA avec stabilisation passive de la CEP, capable d'amplifier un spectre d'une largeur de 700 nm centré à 1,75 µm et délivrant une énergie de 450 µJ à la cadence de 10 Hz. Puis, nous détaillons une architecture originale d'amplification paramétrique à haute cadence pompé par un laser à fibre, qui nous a permis de générer des impulsions stabilisées en phase d'une durée inférieure à trois cycles optiques à la longueur d'onde centrale de 2,2 µm, avec une énergie de 5 µJ à la cadence de 100 kHz.Enfin, nous explorons la possibilité d'accroître la puissance de sortie des OPA infrarouges large bande à des niveaux de plusieurs dizaines de watts, grâce à la technique de combinaison paramétrique de plusieurs faisceaux de pompe fibrés. / While attosecond science reaches new frontiers in physics, the need for innovative primary sources suited for the generation of single attosecond (as) pulses emerges. Featuring high tunability, ultra-broadband amplification bandwidth and the ability of passively stabilizing the random Carrier-Envelope Phase (CEP) of any pump laser, Optical Parametric Amplification (OPA) has proven to be one of the most effective tools to meet the stringent requirements of High-Order Harmonics (HHG) driving sources.Moreover, there is a growing interest for higher repetition rate HHG sources, pumped by Ytterbium-doped fiber lasers. High-repetition rate, CEP-stable, few cycle pulses have been successfully generated by OPAs operating in the visible part of the spectrum. Shifting the amplified bandwidth towards longer wavelengths would be clearly profitable. In fact, the shorter harmonic wavelength cut-off will allow significantly extending the harmonics spectrum and consequently shorten as pulse durations. Until know, generation of CEP-stable, few-cycle pulses in the infrared at ultra-high repetition rates was impossible due to the issue of generating a broadband infrared seed directly from a fiber laser. This thesis describes the implementation of new supercontinuum-seeded parametric sources, specifically designed for isolated attosecond pulses generation with high energy or high repetition rate.The development of a CEP-stable three-stages OPA source is reported, amplifying a 700 nm broad spectrum at a central wavelength of 1,75 µm with an energy of 450 µJ at a 10 Hz repetition rate. Then, a new architecture based on a two-stage cascaded OPA pumped by a home-made fiber laser is presented, which allowed us to generate CEP-stable 3-cycles pulses at the central wavelength of 2,2 µm, with an energy of 5 µJ at 100 kHz. Finally, we discuss the possibility of increasing the output power of parametric amplifiers to several tens of watts with broadband parametric combination of several fiber-pump beams.

La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l’utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d’onde d’environ 1 µm. L’influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l’échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l’effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l’optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l’échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l’hétérogénéité de la distribution de l’énergie du laser. Cette distribution de l’énergie peut être améliorée grâce à l’optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s’est produite pendant le processus de fabrication. / Selective laser melting is a rapid manufacturing process coming from the rapid prototyping technology, which is widely used in the automotive, aeronautical, medical industry etc. According to the principle of rapid manufacturing, the piece is manufactured layer by layer through the laser sintering or melting the fine powder. Currently, the main powder materials used are metal or polymer materials. The low melting point of these materials facilitates the melting process. However, duo to the high melting point, strong strength at high temperature and low thermal conductivity the application of ceramic materials is limited in the technology of selective laser melting. In this study, selective laser melting of the ceramic yttria stabilized zirconia by a 1μm wavelength fiber laser was explored. The influence of different laser powers and different scanning velocities on the microstructure and the deformation were analyzed, then the micro-hardness and relative density were measured. In particular, the effect of different preheat temperatures on microstructure was investigated. At the same time, the crystal structure and phase transformation during the fabrication were analyzed. Experimental results show that YSZ powder can be completely melted by the near IR fiber laser. With the optimization of the manufacturing parameters, the relative density of sample could reach 91 %. The forming of cracks and pores in the manufactured parts is rarely avoid due to the heterogeneity of distribution of energy. The energy distribution could be improved by optimizing the parameters and the crack lengths can be controlled by preheating the powder bed. In particular, the high temperature (1500 ℃, 2000 ℃ and 2500 ℃) lead the continuous vertical crack becomes messy and short. The transformation of monoclinic and cubic crystal to tetragonal crystal can be observed during the fabrication.

La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l'industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l'utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d'onde d'environ 1 µm. L'influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l'échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l'effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu'il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l'optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l'échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l'hétérogénéité de la distribution de l'énergie du laser. Cette distribution de l'énergie peut être améliorée grâce à l'optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s'est produite pendant le processus de fabrication.

Le perçage est un procédé de fabrication répandu dans le milieu industriel. Le secteur aéronautique a recours à ce procédé pour usiner de nombreuses pièces. Les chambres de combustions en sont un exemple. Exposées à des cycles thermiques sévères, elles sont percées d’une multitude de trous de refroidissement. Chez Safran Helicopter Engines, motoriste spécialisé dans la conception de turbines à gaz pour hélicoptères, ce perçage est réalisé à l’aide d’un procédé d’usinage unique : le perçage par percussion laser à la volée. Ce procédé phare leur permet de réaliser des milliers de trous inclinés dans des tôles en matériaux réfractaires. Safran Helicopter Engines cherche à maintenir son avance dans la production de turbines en s’appuyant sur les innovations constantes du procédé de perçage. Ce travail de thèse s’est articule autour du développement d’un nouveau procédé de perçage laser. De manière à définir un procédé fiable et efficace, plusieurs stratégies de perçage sont étudiées via les possibilités offertes par un laser à fibre milliseconde de haute puissance. Les résultats obtenus laissent entrevoir des perspectives intéressantes en termes d’augmentation de cadence de production à qualité d’usinage équivalente. L’amélioration des performances a été démontrée expérimentalement sur un banc d’essais représentatif des machines de production. Des trous de 400 μm de diamètre incliné à 60o ont pu être réalisés avec un cycle de perçage raccourci au minimum d’un facteur 2. Cette thèse présente également des éléments de compréhension des phénomènes de formation d’un trou. Pour cela, une modélisation des processus thermo hydrodynamiques impliqués dans le procédé de perçage laser a été développée. Ce modèle basé sur une approche par éléments finis repose sur l’étude thermique au cours de l’interaction entre le faisceau laser et la matière. Une partie du modèle inclut les phénomènes de propagation du faisceau dans la cavité en cours de formation afin de traduire de manière plus réaliste le dépôt d’énergie. / Drilling is a well-known manufacturing process. The aeronautic industry uses this process to machine a lot of elements. Among them, we can mention turbine blades, fuel injectors, combustion chambers. The latter are exposed to serious thermal stresses. To limit their impacts, combustion chambers are drilled with multiples cooling holes. At Safran Helicopter Engines, engines manufacturer specialized in engines design for helicopters, drilling is performed with a unique machining process : on the fly laser percussion drilling. This flagship process allows drilling thousands of tilted holes on refractory materials. Safran Helicopter Engines seeks to preserve its leading position in turbo engines manufacturing by looking for steady innovative drilling process. This thesis is structured around the development of a new laser drilling process. To define a reliable and efficient process, several drilling strategies were studied through the possibilities offered by a high-power millisecond fiber laser. The presented results allow catching a glimpse of the possibilities of production improvement. The performance enhancement was established through experimentation with a test bench. Holes of 400 μm diameter with an angle of 60o were drilled with a reduced processing time thanks to this new drilling process. In this thesis, we also propose a theoretical approach describing the hole formation. A mathematical model, accounting for all the physical process taking place during the drilling process is introduced. This model is based on finite elements method and considers the laser beam propagation within the drilled holes by solving Maxwell equations

De nombreux efforts sont actuellement portés sur le développement de sources laser à fibre optique, qui ont des applications dans une variété de domaines scientifiques et industriels. Les propriétés intrinsèques de la fibre dopée sont favorables à l'obtention de fortes puissances moyennes, grâce à une excellente capacité de dissipation thermique. Cependant, le confinement de la lumière dans le coeur de la fibre et les grandes longueurs d'interaction sont à l'origine d'effets non linéaires, comme la diffusion Brillouin stimulée dans le cas d'une source de faible largeur spectrale. L'objectif de ce travail de thèse est de développer une source laser fibrée de forte énergie alliant bonne qualité spatiale et finesse spectrale, dans le but de répondre à un besoin de LIDAR à détection cohérente. L'approche suivie consiste à séparer l'obtention de l'énergie de celle de la qualité de faisceau. Avec une chaîne amplificatrice dont le dernier étage est une fibre multimode co-dopée Erbium-Ytterbium, des impulsions laser à la longueur d'onde de 1,5 μm avec une énergie supérieure à 1 mJ ont été obtenues. Le très large coeur de la fibre évite l'apparition de l'effet Brillouin, mais le profil transverse du faisceau est fortement multimode. Pour retrouver une bonne qualité de faisceau, un étage de remise en forme du profil est mis en place, mettant à profit la propriété de nettoyage de faisceau par effet Brillouin dans une fibre multimode àgradient d'indice. Par ailleurs, un schéma original d'amplification Brillouin est proposé et validé expérimentalement, permettant de conserver la largeur spectrale de la source.

Un nombre croissant d’applications telles que le micro-usinage ou le diagnostique de composants électroniques nécessitent de fortes puissances moyennes dans différentes gammes de longueurs d’onde (infra-rouge à 1030 nm, vert à 515 nm ou ultra-violet à 343 nm). Ces fortes puissances moyennes lasers ne sont généralement atteignables qu’à l’aide d’architecture laser de type MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). C’est dans cette optique que la société Eolite Systems veut développer ses propres oscillateurs car elle maitrise déjà l’amplification à l’aide de fibres de type barreau à large aire modale. Le développement d’oscillateurs picosecondes de fortes puissances moyennes est ainsi une brique essentielle dans la chaîne d’amplification globale. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre Eolite Systems et le Laboratoire Onde et Matière d’Aquitaine de l’Universitéde Bordeaux 1, nous avons développé différents laser dont la puissance moyenne est supérieure à 10W, à une cadence de 74 MHz. La durée des impulsions générées s’étend de 20 ps à 130 fs. Le fonctionnement de ces différents lasers repose sur l’utilisation de la rotation non-linéaire de polarisation dans la fibre optique qui, dans le régime de fonctionnement à dispersion normale, permet d’atteindre le verrouillage en phase des modes et ainsi la génération d’impulsions d’énergie de l’ordre de 150nJ. Nous avons développé un code de simulation numérique afin de rendre compte de la dynamique des impulsions dans la cavité. Les résultats obtenus à l’aide de ce code sont en bon accord avec ceux obtenus lors des différentes expériences. / A growing number of applications such as micro-machining of electronical components need high average power in a various range of wavelengths (infrared at 1030 nm, green at 515 nm and ultravioletat 343 nm). These high average power lasers are generally design using a MOPA (MasterOscillator Power Amplifier) scheme. Following this idea, Eolite systems wants to develop its own oscillators since it already masters the different difficulties when trying to reach high average power,especially by using rod-type fibers with a large mode area. The development of high power picosecondfiber oscillators is a essential piece in the global amplification scheme. In the frame of a CIFRE contract between Eolite Systems and the Laboratoire Onde et Matière d’Aquitaine of the Universitéde Bordeaux 1 we have developed different laser oscillators with an average power of more than10 W at a repetition rate of 74 MHz. The pulse duration generated is ranging from 20 ps down to130 fs. The pulsed regime was initiated using non-linear polarization evolution in the fiber and in anormal dispersion laser cavity. This lead to the generation of pulse energies in the range of 150 nJ for the different architectures. We also developed a numerical code in ordre to fully understand the influence of the different elements in the laser cavity. The results are in good agreement with those obtained with the experimental setup.

RésuméLa diffraction et la diffusion de rayons X sont utilisées dans de nombreux domaines de la physique, de la médecine et de la technologie. Des faisceaux de haute brillance sont néanmoins requis pour améliorer les performances de ces techniques. L’utilisation de la diffusion Compton d’un laser sur un faisceau d’électrons présente un grand intérêt pour la production de rayons X. Ce processus permet l’emploi d’un anneau de stockage d’électrons compacts et d’un résonateur optique pour accroître la puissance laser. Avec un tel système, un taux de collision laser-électron supérieur au méga Hertz est envisageable permettant d’atteindre un flux de rayons X de l’ordre de 10¹³ photons/s. Dans le premier chapitre, je décris les motivations pour le développement d’une source de rayons X basée sur la diffusion Compton et utilisant un résonateur optique. Je détermine aussi les performances que l’on peut attendre de ce type de sources ainsi que l’état de l’art actuel dans ce domaine. Dans le deuxième chapitre, je décris le comportement et les propriétés des résonateurs optiques en régime impulsionnel. J’introduis la notion de phase CEP (‘carrier envelope phase’) et je montre la nécessité de contrôler à la fois la fréquence de répétition de l’oscillateur laser et cette phase CEP. Le chapitre 3 est consacré aux oscillateurs fibrés à blocage de mode. Je montre les performances du laser que j’ai construit en utilisant le phénomène de rotation de polarisation non-linéaire.La méthode d’asservissement laser-résonateur optique ‘tilt locking’ est introduite au chapitre 4. Je décris tout d’abord les études de simulations et le montage expérimental qui ont permis de tester la méthode en régime impulsionnel. Je donne ensuite les résultats expérimentaux qui démontrent la faisabilité de la méthode ‘tilt locking’ en régime impulsionnel. J’effectue aussi une comparaison expérimentale des performances de la méthode ‘tilt locking’ avec la méthode classique ‘Pound-Drever-Hall’. Je termine le chapitre en indiquant une difficulté expérimentale de la méthode pour générer plusieurs signaux d’erreurs.Je décris la conception du système optique de la machine Compton TTX de l’université Tsinghua dans le chapitre 5. Les performances attendues pour cette machine sont des flux de rayons X compris entre 10¹º et 10¹³ photons/s. / X-ray diffraction and scattering, X-ray spectroscopy, and X-ray crystallography are widely used in the life sciences, material science, and medical diagnosis. High-quality and high-brightness X-rays are a strong requirement to improve applications. Inverse Compton scattering (ICS) X-ray source has attracted great interests worldwide lately. To significantly enhance the average X-ray photon flux, a compact electron storage-ring combined with a high finesse optical enhancement cavity (OEC) can be utilized. In such a system, the collision rate between the electron beam and the laser pulse is greatly increased to the MHz range, enabling a photon flux up to 10¹³ph/s.In the first chapter, I describe the motivation behind the development of OEC based on ICS X-ray source. The characteristics of this kind of X-ray source are summarized, compared to those of the conventional low-repetition-rate Terawatt laser system based on ICS X-ray source. The latest progress and research status of OEC based on ICS X-ray source are presented. Pulsed-laser injected high-finesse OEC stacking theory and properties are discussed in Chapter 2. Not only does the OEC based on ICS X-ray source require the laser pulse repetition rate to be matched to the free spectral range (FSR) of the cavity, where both also have to match the electron storage-ring circulation frequency. In addition, we have to match the phase shift of the laser repetition rate to the phase offset introduced by the dispersion of the cavity mirrors, since our cavity finesse design value is quite high. The stacking theory is analyzed in the frequency domain. Cavity properties, including cavity mirror dispersion, finesse, and FSR, are discussed in detail. A laser frequency comb and OEC coupling is analyzed also. The laser source development is presented in Chapter 3. We constructed a mode-locked fiber laser based on nonlinear polarization rotation. The locking model, locking techniques, and the theory, simulations and experimental tests of tilt locking (TL) in the pulsed laser injected high-finesse OEC are discussed in Chapter 4. We succeeded in locking a pulsed laser to a high-finesse cavity with the TL technique. The experimental results show that the TL and the Pound–Drever–Hall techniques have the same performance: stable locking, high sensitivity, and the same power coupling rate for picosecond laser pulse case, while the test results for full spectrum TL locking show that it is uneasy to align the split-photodiode to the beam waist.Based on the above experimental study and tests, we design the OEC system for Tsinghua University X-ray project in Chapter 5. The expected X-ray flux is 10¹º to 10¹³ ph/s. We detail every subsystem requirement.

Les effets non-linéaires dépendant essentiellement de l’intensité du champ électrique de l’onde et du guide, sont indispensables à la génération des régimes impulsionnels dans les lasers à fibre dopée. L’effet Kerr, qui se manifeste quel que soit l’énergie de propagation et de pompage, va engendrer le phénomène de l’auto modulation de phase (SPM) qui se traduira par un élargissement spectral. La SPM peut se voir aussi dans l’interaction entre les deux ondes qui se propagent le long des axes lents et rapides du guide (XPM). Dans un guide uniforme passif, cette auto modulation de phase en se conjuguant avec la dispersion chromatique du guide peut conduire à l’impulsion soliton, mais ce cadre doit être largement dépassé pour aborder la mise en forme d’impulsions dans un système dissipatif, tel qu’une cavité laser. Ce cadre élargi est celui du soliton dissipatif. Dans ce travail, nous avons passé en revue la fibre optique dopée en tant que milieu actif. Nous avons présenté le principe physique du blocage de modes, en introduisant l’absorbant saturable virtuel reposant sur l’évolution non linéaire de la polarisation (ENLP). Dans la partie expérimentale, on s’est penché plus particulièrement sur de nouvelles dynamiques à haute cadence (multi-GHz) d’un laser à fibre dopée, à modes bloqués. Avant de présenter et positionner notre travail, on s’est intéressé dans un premier temps à ce qui a été publié sur la génération des trains d’impulsions ultracourtes à haute cadence. Nous avons étudié chaque configuration, allant de la génération de régime harmonique à haute cadence par le blocage de modes habituel jusqu’aux techniques utilisant l’instabilité de modulation avec un filtrage interférométrique (µcavité, F.P, SFBG). En évaluant les opportunités de réalisation de chacune, nous avons été attirés par la configuration de Mao, publiée dans Sci. Reports, toute fibrée, qui sera le premier volet de notre contribution expérimentale. Effectivement, dans un premier temps nous avons repris les travaux de Mao et al. où le MZI est pris en série dans la cavité fondamentale. Dans le souci d’apporter plus de stabilité, nous avons proposé une autre configuration où le MZI est pris dans une boucle de recirculation qui permettra plus de filtrage des modes cavité en phase. Cette stabilité du régime impulsionnel, à haute cadence, a été observée en temps réel. / Non-linear effects, which depend essentially on the intensity of the electric field of the wave and the guide, are essential for the generation of pulse regimes in doped fiber lasers. The Kerr effect, which occurs regardless of the propagation and pumping energy, will generate the phenomenon of phase auto modulation (SPM), which will result in a spectral expansion. The SPM can also be seen in the interaction between the two waves that propagate along the slow and fast axes of the guide (XPM). In a passive uniform guide, this self-phase modulation in combination with the chromatic dispersion of the guide can lead to the soliton pulse, but this framework must be largely overcome to address pulse shaping in a dissipative system, such as a laser cavity. This extended framework is that of the dissipative soliton. In this work, we reviewed doped optical fiber as an active medium. We presented the physical principle of mode blocking, introducing the virtual saturable absorber based on the non-linear evolution of polarization (ENLP). In the experimental part, we focused more particularly on new high rate dynamics (multi-GHz) of a doped fiber laser with blocked modes. Before presenting and positioning our work, we first focused on what was published on the generation of ultra-short high speed pulse trains. We studied each configuration, ranging from the generation of high-rate harmonic regime by blocking the usual modes to techniques using modulation instability with interferometric filtering (µcavity, F.P, SFBG). In assessing the opportunities for each, we were attracted by the configuration of Mao, published in Sci. Reports, all fiber, which will be the first part of our experimental contribution. Indeed, initially we resumed the work of Mao et al. where the MZI is taken in series in the fundamental cavity. In order to provide more stability, we have proposed another configuration where the MZI is caught in a recirculation loop that will allow more filtering of the cavity modes in phase. This stability of the impulse regime, at high repetition rate, was observed in real time.