Les travaux de cette thèse s'efforcent d'apporter une solution au problème persistant de grande pauvreté des lasers à fibre à modes bloqués, en termes de fonctionnalités et de flexibilité. La thèse propose une cavité laser fibrée ayant comme spécificité d'être multifonctionnelle. La cavité est dotée de composants accordables, qui apportent la flexibilité nécessaire pour réaliser des fonctions allant de la génération d’impulsions aux profils complexes (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc) jusqu’à la sculpture des profils d’impulsion, en passant par la régulation des puissances crête, et la régénération de profils d’intensités sévèrement dégradés. La cavité laser que nous proposons a comme spécificité d'être pilotée par un composant clé, qui est un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM : Nonlinear Optical Loop Mirror) multifonction. Nous avons conçu ce NOLM en apportant des modifications structurelles dans l'architecture usuelle de ce dispositif, et en lui adjoignant : une fibre compensatrice de dispersion, un filtre passe bande à bande passante accordable, et un amplificateur (précédé d'un filtre égaliseur de gain, selon le besoin). Le NOLM ainsi conçu est doté de deux paramètres manuellement accordables, à savoir: la bande passante du filtre passe bande et la puissance de pompage de l'amplificateur. Ces deux paramètres permettent de régler sa fonction de transfert, et à accroître ainsi ses fonctionnalités et sa flexibilité. Ainsi, en plus de son rôle comme élément déclencheur du blocage de modes, ce NOLM réalise des fonctions optiques essentielles telles que la régénération des profils d'intensité fortement dégradés par des phénomènes de propagation ; ce qui contribue au renforcement de la stabilité du laser. Nous démontrons également la possibilité de réguler la puissance crête des impulsions, en la verrouillant à une valeur prédéfinie. Nous montrons enfin que le laser multifonction offre la possibilité de réaliser la sculpture des profils d'impulsion, c'est-à-dire, de générer des impulsions dotées d'une puissance crête et une largeur temporelle fixés à l'avance via un réglage approprié des paramètres de contrôle du NOLM.Les applications visées par ce laser multifonction, concernent toutes les activités qui requièrent des sources d'impulsions finement accordables, tant au niveau de puissance crête des impulsions que de leur largeur temporelle. Ces activités, nombreuses dans le domaine Télécom, incluent les opérations de remise en forme des porteuses d'information, les opérations de compression ou étirement de profil d'impulsion, les diagnostics de composants optiques et contrôles non destructifs des lignes de transmission par réflectométrie. / The work of this thesis strives to provide a solution to the persistent problem of poverty of mode-locked fiber lasers, in terms of functionality and flexibility. The thesis proposes a fiber-laser cavity having the specificity of being multifunctional. The cavity is equipped with tunable components, which provide the flexibility to realize functions ranging from the generation of pulses with complex profiles (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc.) up to the carving of pulse profiles, passing through the regulation of peak powers, and the regeneration of severely degraded intensity profiles. The laser cavity that we propose has the specificity of being controlled by a key component, which is a multifunctional nonlinear optical loop mirror (NOLM). We have designed this NOLM by making structural modifications in the usual architecture of this device, and by adding to it: a dispersion compensating fiber, a bandpass filter with tunable bandwidth, and an amplifier (preceded by a gain flattening filter, as needed) with tunable gain. These two parameters make it possible to adjust its transfer function, and thus to increase its functionalities and its flexibility. Thus, in addition to its role as a trigger for mode locking, this NOLM performs essential optical functions such as the regeneration of strongly degraded intensity profiles; which contributes to strengthening the stability of the laser.We also show the possibility of regulating the pulse peak power by locking it around a predefined value. Finally, we show that the multifunction laser offers the possibility to carve pulse profiles, that is, to generate pulses endowed with a peak power and a temporal width set in advance through an appropriate adjustment of the NOLM control parameters. The applications targeted by this multifunction laser are those requiring pulses with finely tunable peak power and temporal width. These activities, include the pulse reshaping in Telecoms, operations of compression or stretching of pulse profiles, optical component diagnostics, and non-destructive control of transmission lines

Cette thèse de doctorat porte sur l'investigation théorique et sur la réalisation de lasers à fibre optique dopée à l'erbiumutilisant un décaleur de fréquence dans la boucle de contre réaction pour obtenir une émission multi-longueurs d'onde.L'étude concerne, en particulier, trois régimes d'émission : modes déclenchés passif, modes bloqués actif et continu. Nostravaux de recherche démontrent que la physique de ces régimes est rendue singulière par l'utilisation du décaleur defréquence dans la cavité.Ces travaux de doctorat ont permis de réaliser une source délivrant 17 longueurs d'onde couvrant toute la bande C etémettant en régime continu. En utilisant une méthode novatrice d'écriture de réseaux de Bragg, nous avons été capablesd'obtenir une platitude du spectre de sortie meilleure que 3 dB. Cette source a été alors mise à contribution pour la mesurede la dispersion chromatique d'un lien de fibre optique permettant ainsi d'obtenir une méthode de mesure rapide, précise etrépétable.Une autre contribution importante de cette thèse de doctorat concerne la proposition, la réalisation et l'investigation théoriqued'une source fortement multi-longueur utilisant l'erbium comme milieu de gain et émettant en régime de modes bloqués actif.L'utilisation du décaleur de fréquence et d'un modulateur électro-optique nous a permis d'obtenir une source laser émettantsuivant 25 longueurs d'onde en régime de modes bloqués actif simultanément. Le taux de répétition du train d'impulsiondélivré par chacune de ces longueurs d'onde était égal à 10 GHz et l'obtention d'un produit Δν.Δτ proche de la limitethéorique dénote la bonne qualité des impulsions.Enfin une investigation numérique de ce type de laser a permis de mettre en lumière un nouveau type de régime d'émissionen modes déclenchés. Nous démontrerons que ce régime impulsionnel est dû à une redistribution de l'énergie au sein duspectre et non à une modulation de l'amplitude des pertes de la cavité.

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.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation.

La diffusion Brillouin est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. Dans une fibre optique, la diffusion Brillouin stimulée (DBS) se manifeste, à partir d'une certaine intensité lumineuse incidente (Pompe), par la génération d'une onde Stokes rétrodiffusée dont la fréquence est décalée de celle de la Pompe d'une valeur directement proportionnelle à la vitesse de propagation des ondes acoustiques. Le décalage Brillouin présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l'onde acoustique. Cette propriété permet d'étudier la composition des fibres et confère à la DBS la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de DBS s'accompagne aussi d'un gain pour l'onde Stokes rétrodiffusée, puisque presque toute la puissance de l'onde Pompe y est transférée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d'amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin (LFB). Dépendamment du taux d'amortissement de l'onde acoustique et du taux de pertes de la cavité, le LFB peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Lorsque la Pompe ne fait qu'un tour dans la cavité Brillouin, le LFB étudié présente un bruit de fréquence 10 000 fois plus faible que celui du laser de Pompe tout en gardant un bruit d'intensité similaire. Lorsque la Pompe est résonante, il est possible d'obtenir un LFB à multiples ondes Stokes en cascadant l'effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. Limités par nos bancs de mesures, nous avons mesuré un bruit de fréquence 1 000 fois plus faible que celui de la Pompe et un bruit d'intensité plus de 100 fois plus faible. / Brillouin scattering is the inelastic scattering of light by the acoustic waves of a medium. In an optical fiber, stimulated Brillouin scattering occurs, from a certain incident light intensity (pump), for generating a backscattered "Stokes" wave, whose frequency is shifted from that of the pump by a value directly proportional to the acoustic wave propagation velocity in the fiber. The Brillouin shift has a high sensitivity to all effects that can change the speed of the acoustic wave. This property makes it possible to study the composition of the fibers and gives to the SBS the potential for the production of optical fiber sensors. The SBS process is also accompanied by a gain for the backscattered Stokes wave since almost all the power of the Pump wave is transferred there. It can, therefore, be used for the production of optical fiber amplifiers and lasers. As part of this thesis work, we experimentally studied static and dynamic properties of the Brillouin fiber lasers (BFLs). Depending on the damping rate of the acoustic wave and the loss rate of the cavity, the BFL can be very coherent and less noisy, thus promoting its use in multiple fields such as defense, metrology, and telecommunications. When the Pump makes only one turn in the Brillouin cavity, the studied BFL has a frequency noise 10,000 times lower than that of the Pump laser while keeping a similar intensity noise. When the Pump is resonant, it is possible to obtain a BFL with multiple Stokes waves by cascading the Brillouin non-linear effect in the optical fiber. Restricted by our measurement benches, we measured a frequency noise 1000 times lower than that of the Pump and an intensity noise more than 100 times lower.

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.

Les lasers ultra-rapides fibrés sont aujourd’hui incontournables dans de nombreuses applications industrielles et scientifiques du fait de leur stabilité, de leur compacité et des hautes puissances disponibles. Les performances actuelles, rendues accessibles par le développement de fibres à larges aires modales et le concept d’amplification à dérive de fréquence, sont toutefois complexes à mettre oeuvre et limitées par l’utilisation de composants massifs pour les étapes de compression et d’étirement des impulsions. Ces travaux de thèse, à la fois expérimentaux et numériques, avaient pour objectif d’explorer des régimes dynamiques originaux basés sur l’utilisation de fibres actives spécifiques combinant large aire modale et propriétés dispersives adéquates pour la génération d’impulsions ultra-courtes de haute énergie. Les études numériques ont ainsi permis de montrer que des régimes impulsionnels à haute dispersion normale pouvaient être atteints en exploitant les phénomènes de résonnance et de couplage de modes dans des fibres de Bragg ou à profil en W. L’étude de l’influence des paramètres de la cavité laser sur le mécanisme de verrouillage de modes a permis d’identifier des configurations attractives pour la montée en puissance. La mise en oeuvre expérimentale de ces concepts a notamment permis le développement d’une source laser à soliton dissipatif produisant des impulsions énergétiques (38 nJ, 700 fs après compression) à des longueurs d’ondes autour de 1560 nm, record pour ce type d’oscillateur. La réalisation expérimentale de sources ultra-rapides basées sur des fibres actives spécifiques combinées au phénomène de couplage de mode ont permis d’identifier les potentialités et limitations de ces architectures originales à fortes dispersions totales pour la montée en énergie. / Ultrafast fiber lasers represent today a ubiquitous technology in various industrial and research applications thanks to their inherent advantages such as compactness, stability and high power. The best performances to date, mostly relying on large mode area fibers and chirped pulse amplification, however require complex experimental developments and are limited by the use of bulk components for pulse stretching and compression. The experimental and numerical work presented in this PhD thesis aimed at exploring original dynamical regimes based on specific active fibers combining large mode area and high dispersions for the generation of high-energy ultra-short pulses. The numerical studies then showed that pulsed regimes with high normal dispersions could be reached by exploiting resonance and mode-coupling phenomena in Bragg or W-type fibers. Studying the influence of the cavity parameters on mode-locking mechanisms allowed to target attractive configurations for energy scaling. The experimental implementation of this concept allowed the development of a dissipative soliton source delivering record high-energy chirped pulses (38 nJ, 700 fs after compression) at 1560 nm. The realization of ultrafast sources based on specific active fibers combined to mode-coupling phenomena then brought the possibility to identify the potentiality and limitations of these particular architectures with high dispersions for energy scaling.

Un laser à fibre de puissance dans une configuration à gestion de dispersion a été réalisé. Le laser est à verrouillage de modes passif par Rotation Non-Linéaire de la Polarisation (RNLP). La disponibilité de fortes puissances de pompage nous a permis de générer une grande diversité de régimes à impulsions multiples. Ces régimes multi-impulsionnels sont caractérisés par des dynamiques riches et variées : multi-stabilité et phénomène d'hystérésis ; évolution analogue à une transition de phase de la matière ; génération d'un gaz, d'un liquide, d'un colloïde et d'un cristal de solitons . . . etc. Les expériences ont été réalisées avec un laser à fibre à double gaine dopée à l'erbium. La dispersion totale de la cavité est ajustée par un tronçon de fibre à dispersion décalée. Le laser fonctionne soit en régime à impulsion étirée (dispersion totale normale) soit en régime solitonique (dispersion totale anormale). Sur le plan théorique et pour mieux comprendre le fonctionnement et les dynamiques inhérentes à notre système, deux modèles ont été développés. Nous donnons une analyse théorique détaillée de la génération d'un réseau de solitons liés ("cristal" de solitons). Cette structuration spontanée est décrite théoriquement au moyen d'une approche multi-échelles de la dynamique du gain : l'évolution d'un petit excès de gain est responsable de la stabilisation d'un train périodique d'impulsions, alors que l'évolution lente de la valeur moyenne du gain explique la longueur finie de ce train de solitons, qui n'est à cette échelle que quasi-périodique. Cette analyse permet de calculer le nombre d'impulsions formant le train à partir des paramètres physiques du laser.

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.

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.