Les lasers à fibres à modes bloqués font partie des rares systèmes qui permettent de réaliser une variété de fonctions optiques élaborées, au moyen de peu de composants optiques. La gestion de la dispersion apporte à ce type de lasers une variété de comportements, qui est si riche que la cartographie complète et l’analyse détaillée des états stables deviennent difficilement réalisable lorsqu’on utilise les outils conventionnels basés sur les équations de propagation du champ intra-cavité. Dans cette thèse nous montrons que l’adjonction de la technique des coordonnées collectives aux outils théoriques conventionnels, permet de résoudre au moins en partie le problème de la complexité et l’extrême diversité des états stables des cavités gérées en dispersion. En particulier, nous proposons l’ACCD (approche des coordonnées collectives dynamiques), comme un outil théorique permettant de réaliser des gains de performance substantiels dans des opérations de recherche et caractérisation des états stables du laser. D’autre part, le recours à l’approche des cordonnées collectives nous permet de mettre en évidence des effets majeurs induits par certains phénomènes qui étaient jusqu’à présent largement sous-estimés. Notamment, nous mettons en évidence des modifications majeures desdomaines respectifs des différents états stables du laser, qui surviennent lorsqu’on change la bande passant de la fitre. D’autre part, en considérant une cavité où la largeur spectrale du champ lumineux (3.12 THz) est d’un ordre de grandeur plus petite que la largeur de la bande du gain Raman, nous mettons en lumière des effets remarquables de la diffusion Raman sur les phénomènes d’hystérésis. / Mode-locked fiber laser are among the few systems that allow to achieve a variety of elaborate optical functions, by means of few optical components. The use of dispersion management brings to this type of lasers a variety of behaviors, which is so rich that the complete mapping and detailed analysis of the stable states becomes impractical when conventional tools based on the intra-cavity field propagation equations, are used. In this thesis we show that the addition of the technique ofcollective coordinates to the conventional theoretical tools, allows to solve at least in part the problem of complexity and diversity of the stable states of the cavity. In particular, we propose the DCCA (dynamical collective coordinate approach), as a theoretical tool to achieve substantial performance gains in search and characterization of stable states of the laser. Furthermore, the use of the collective coordinated approach allows us to highlight major effects induced by certain phenomena that were until now largely underestimated. In particular, we highlight major changes in the respective areas ofthe different stable states of the laser, which occur when changing the width of the band-pass filter BPF. Furthermore, considering a cavity where the spectral width of the light field (3.12 THz) is an order of magnitude smaller than the bandwidth of the Raman gain, we highlight remarkable effects of Raman scattering on hysteresis phenomena.

Le sujet de cette thèse se rapporte à la génération d’impulsions ultracourtes dans une cavité laser fibrée à travers l’optimisation automatique de ses paramètres par un algorithme d’évolution. L’intérêt pour cette problématique provient de la difficulté à explorer les dynamiques impulsionnelles de manière systématique dans un large domaine de paramètres expérimentaux. Nous avons montré que l’implémentation d’un algorithme d’évolution sur une cavité laser fibrée de ce type peut être réalisée, en prenant les précautions adéquates pour que cette association soit la plus efficace possible. Nous avons démontré expérimentalement pour la première fois le verrouillage de modes depuis la seule optimisation des contrôleurs de polarisation utilisant une procédure automatique d’auto-apprentissage. Nous avons démontré que la sélection du blocage de modes depuis son spectre radio-fréquence permet de sélectionner le taux de répétition desimpulsions à l’intérieur de la cavité. Ces résultats préliminaires démontrent les potentialités de notre méthode employée dans des situations de dynamique non linéaire ultrarapide de grande complexité, particulièrement sensibles aux paramètres. / This thesis deals with the generation of ultrashort pulses within a fiber laser cavity through the automatic optimization of its parameters by an evolutionary algorithm. The interest of this subject comes from the difficulty to systematically explore dynamics in a large domain of experimental parameters. We have shown that it is possible to implement an evolutionary algorithm on fiber laser cavity with appropriate precautions. We have experimentally demonstrated for the first time the mode locking of a laser cavity only using the optimization of polarization controllers through an automatic and self-learning procedure. We also have demonstrated that selecting the mode locking from it radio-frequency spectrum allow to select the pulses repetition rate within the cavity. These preliminary results show the promising aspect of our method used in situations of non linear ultrafast dynamics with high complexity which are particularly sensitive to parameters.

Les lasers à fibre de haute puissance constituent depuis une dizaine d’année un outil pertinent pour un nombre croissant d’applications. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société Eolite Systems et le laboratoire Xlim (UMR 7252 du CNRS et de l’Université de Limoges), mon projet de thèse a consisté à développer les briques technologiques de futures sources lasers / High-power fiber lasers adress an increasing number of applications since ten years. In the frame of a CIFRE contract between the company Eolite Systems and Xlim (joint laboratory between CNRS and the University of Limoges), the goal of this PhD project was to develop the technological blocs to achieve all-fibre high-power lasers emiting out of the conventional spectral band covered by existing lasers.Modal instabilities in large mode area (LMA) fibers are currently the main limitation of the fiber lasers power scaling. We have experimentally demonstrated the relevance of inner cladding aperiodic structures to efficiently delocalize higher order modes outside the gain region. A systematic study of passive fibers based on such structures has shown the single propagation of the fundamental mode over a wide wavelength range from 1 to 2 µm for dimension of core up to 85 µm. This effective mode delocalization even extends up to a core dimension of 140 µm at a 2 µm wavelength.The combination of high power picosecond fiber laser with an average power of 22.7 W and a hydrogen-filled inhibited coupling Kagome fiber allowed us to generate two Raman combs over five frequency octaves from 321 nm to 12.5 µm. These two combs are controlled by the laser pump polarization and generated an average power of 10.1 W displayed over 70 laser lines for circular pump polarization and 8.6 W over 30 lines for linear polarization. Some laser lines within these combs have been generated for the first time from high-power fiber source in the mid-infrared range. We have also demonstrated the generation of high-power line by optimizing the first vibrational Stokes at 1.8 µm with an average power of 9.3 W and a quantum efficiency of the frequency conversion stage close to 80%.

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%.

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. / This thesis presents a study of the nonlinear dissipative dynamics of localized of self organized structures in passively mode-locked fiber laser through nonlinear polarization evolution. We reveal the existence of a gradual transition from the quasi-cw to mode locked dynamics in the multi-pulsing regime. We emphasize on the intermediate state, where various new dynamics are observed. We study collective behaviors of dissipative solitons in the presence of a continuous background. One of the complex and attractive dynamics presented is the "soliton rain", which composed of three field components : continuous modes of background, drifting of solitons and condensed phase solitons. This dynamic appears when the energy flows through the three components. The relative motion of the drifting solitons and the temporal asymmetry present the major characteristics that distinguish this dynamic. Other types of self-organizations of solitons were observed and studied as the "release of the solitons from the condensed phase" and the "chirped trains with condensed soliton phase". We were also interested in the single pulse propagation. For the first time, an important dynamics of spectral breathing was predicted in a dispersion-managed cavity. We showed that pulse compression dynamics in the passive anomalous fiber can be accompanied by a significant enhancement of the spectral width and that the width of the pulse can exceed the amplifier bandwidth. We studied, the extraction and the optimization of the signal laser according to the parameters of the cavity and we presented the characteristics of a cavity delivering ultra short pulses with a spectral width exceeding the amplifier bandwidth by a factor of 2.4. The dynamics presented in this thesis show the complexity and variety of the dissipative dispersion-managed dynamics in fiber laser mode locked through nonlinear polarization evolution.

Le nettoyage des surfaces métalliques est nécessaire dans différents domaines de l'industrie moderne. L'industrie nucléaire cherche de nouvelles méthodes de décontamination des surfaces oxydées, et les installations thermonucléaires nécessitent le nettoyage des composants face au plasma pour enlever la couche déposée contenant tritium. L'ablation laser est proposée comme une méthode efficace et sûre pour le nettoyage des surfaces métalliques et leur décontamination. Le facteur important influençant le chauffage et l'ablation laser est la distribution en profondeur de l’intensité laser. Le modèle de propagation de la lumière dans une couche diffusant sur un substrat métallique est développé et appliqué pour analyser les caractéristiques de distribution de lumière. Pour simuler les surfaces contaminées, l'inox AISI 304L a été oxydé par laser et chauffé dans un four. La contamination radioactive de la couche d'oxyde a été simulée par l'introduction d’europium et / ou de sodium. Un facteur de décontamination de plus de 300 a été démontré avec le régime de nettoyage optimal trouvé. Une diminution de la résistance à la corrosion a aussi été montrée après un nettoyage laser. Les seuils d'ablation des surfaces ITER-like (représentatives d’ITER) ont été mesurés. Une vitesse de nettoyage de 0,07 m2/W∙h a été trouvée. Pour les surfaces miroir, les seuils de dommages étaient déterminés pour éviter les dommages lors du nettoyage au laser. La possibilité de restaurer la réflectivité après le dépôt d’une couche mince de carbone a été démontrée. Les perspectives de développement ultérieur de nettoyage laser sont discutées. / Metal surface cleaning is highly required in different fields of modern industry. Nuclear industry seeks for new methods for oxidized surface decontamination, and thermonuclear installations require the cleaning of plasma facing components from tritium-containing deposited layer. The laser ablation is proposed as an effective and safe method for metal surface cleaning and decontamination. The important factor influencing the laser heating and ablation is the in-depth distribution of laser radiation. The model of light propagation in a scattering layer on a metal substrate is developed and applied to analyse the features of light distribution. To simulate the contaminated surfaces, the stainless steel AISI 304L was oxidized by laser and in a furnace. Radioactive contamination of the oxide layer was simulated by introducing europium and/or sodium. The decontamination factor of more than 300 was demonstrated with found optimal cleaning regime. The decreasing of the corrosion resistance was found after laser cleaning. The ablation thresholds of ITER-like surfaces were measured. The cleaning productivity of 0.07 m2/hour∙W was found. For mirror surfaces, the damage thresholds were determined to avoid damage during laser cleaning. The possibility to restore reflectivity after thin carbon layer deposition was demonstrated. The perspectives of further development of laser cleaning are discussed.