L'objectif de cette thèse est, dans un premier temps, d'étudier la génération d'ultraviolets dans les fibres microstructurées par mélange à quatre ondes d'une pompe à 532 nm, en particulier en fonction des fluctuations des propriétés de dispersion dues au procédé de fabrication et en explorant différents régimes de pompage; puis, dans un second temps, le développement d'une méthode versatile de caractérisation du contenu modal. Nous utiliserons le calcul différentiel stochastique pour représenter l'espérance du gain obtenu par mélange à quatre ondes en fonction des fluctuations. Ensuite, de nouveaux schémas de pompages sont étudiés pour générer des UV avec une grand qualité de faisceau. Dans le cadre de l'étude des perturbations du procédé de fabrication, nous avons confirmé que l'invariance de l'accord de phase en fonction des fluctuations d'échelle permet d'obtenir un gain maximum en ces points, et ce même si les fréquences générées sont situées très loin de la pompe.En ce qui concerne la génération d'UV proprement dite, nous avons isolé un schéma de pompage qui consiste à distribuer la pompe sur deux modes d'une fibre microstructurée et d'exploiter l'accord de phase obtenu pour la dispersion de pompe moyenne entre les deux modes. Ce processus permet, comme nous l'avons confirmé expérimentalement, de générer des UV dans le mode fondamental. Enfin, le développement d'une méthode d'analyse statistique multivariée de l'interférence entre les modes a permis de séparer tous les battements inter-modaux et de reconstruire les enveloppes de champ et la distribution modale de puissance, et ce, sans faire appel à aucune des hypothèses propres aux méthodes existantes. / The main objective of this thesis is, firstly, to study the generation of ultraviolet light in photonic crystal fibers through four-wave mixing of a 532 nm pump, in particular in the presence of dispersion fluctuations due to the fabrication process and by exploring different pumping schemes; secondly, the aim was to develop a versatile analysis method of the modal content of multimode fibers.We used stochastic calculus to model the expected gain value of four-wave mixing as a function of the fluctuations of the fiber drawing process. Furthermore, alternative pumping schemes were studied to aim at producing high-quality UV beams.While studying the impact of stochastic fluctuations of the fiber drawing process, we confirmed that phase-matching points showing an invariance with respect to scale fluctuations should indeed provide maximum gain at that point, even for very large frequency detunings with respect to the pump. Concerning the generation of UV light with very high beam quality, we have isolated a pumping scheme in which the pump is split across two spatial modes of a photonic crystal fiber and take advantage of the phase-matching condition of the averaged pump dispersion of the two pump modes. We have shown experimentally that this process can produce ultraviolet light in the fundamental mode. Finally, the elaboration of an advanced multivariate statistical analysis method applied to inter-modal interference allowed one to separate, in a semi-automatic fashion, all the interferences and reconstruct the mode envelopes and modal power distribution without any of the hypotheses required by other methods.

Dans les microcavités de semiconducteurs, un régime de couplage fort peut être obtenu entre le mode Fabry-Pérot de la cavité et l'exciton confiné dans le puits quantique. Il se traduit par l'apparition de nouveaux états propres, les polaritons de microcavité, états mixtes exciton-photon, dont la dispersion et la densité d'états sont très différentes de celles d'un exciton nu. Il en résulte une profonde modification des non-linéarités et des propriétés optiques du système. Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique cohérente et non-linéaire des polaritons de microcavité au moyen d'expériences de mélange à quatre ondes. Par leur composante excitonique, les polaritons peuvent interagir par interaction coulombienne, mais sont aussi sensibles au remplissage de l'espace des phases (blocage de Pauli). Dans un premier temps nous déterminons la contribution de ces non-linéarités intrinsèques à la réponse cohérente du système en analysant nos mesures grâce à la résolution numérique des équations de Maxwell-Bloch. Dans un deuxième temps, afin d'étudier l'influence de la dispersion sur la dynamique des polaritons, nous avons effectué une expérience de mélange à quatre ondes résolue en angle. Nous mettons en évidence une inhibition de la perte de cohérence en centre de zone de Brillouin. Ces résultats sont en très bon accord avec un modèle d'élargissement collisionnel gouverné par la diffusion polariton-polariton, qui reste faible tant que le réservoir excitonique n'est pas accessible. D'autre part, en régime d'oscillation paramétrique, dans lequel la diffusion polariton-polariton peut être stimulée par l'occupation de l'état final, nous étudions la dynamique des polaritons de pompe. Nous trouvons alors une forte perte de cohérence sous excitation à « l'angle magique ».

Cette thèse porte sur l'étude d'un effet laser produit dans une couche mince polymère dopé avec un colorant. La résonance de l'émission stimulée est créée par une modulation longitudinale temporaire du gain induit dans le milieu actif. Cet effet de contre réaction répartie (distributed feedback (DFB) en anglais) possède des propriétés intéressantes quant à la sélectivité spectrale et à la durée temporelle de l'émission générée. En effet, le réseau de Bragg permet d'induire une amplification réciproque des ondes contrapropagatives résonantes. De plus la cavité existe uniquement pendant un intervalle de temps de l'ordre de la durée d'excitation.<br />A partir des études théoriques et expérimentales effectuées sur les lasers à gain distribué semi-conducteurs, la théorie des modes couplés est appliquée aux paramètres internes caractéristiques du matériau utilisé. Expérimentalement, le laser DFB est obtenu au moyen du dispositif interférométrique de Lloyd. Il permet de vérifier l'effet de seuil du laser et l'intervalle d'accordabilité dans la courbe de gain par variation de l'interfrange. L'origine du couplage du réseau de Bragg avec le champ laser émis est analysée selon la structure modale du laser. Par ailleurs, l'importance des propriétés de guide d'onde sur les modes transverses est traitée indépendamment des notions de couplage. Une configuration de couche déterminée a permis d'observer différents modes laser accordables. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations dans le cadre de la théorie linéaire de la propagation guidée permet de confirmer le caractère transverse de cette émission. Enfin, l'étude du comportement temporel du réseau induit en régime de contre réaction répartie est effectuée à partir d'une technique de mélange à quatre ondes dégénérées en fréquence. Elle a permis de fixer statistiquement le maximum du délai séparant l'excitation de l'émission du laser.

Ce travail porte sur l'étude et la réalisation d'une cellule d'allumage laser pour turbomoteurs. Une étude bibliographique nous a permis d'identifier les caractéristiques nécessaires : des impulsions nanosecondes d'au moins 10mJ. La spécificité de l'application impose de nombreuses contraintes qui ont influencé le choix d'une architecture avec deux étages amplificateurs : un amplificateur fibré suivi d'un amplificateur à base de fibre cristalline. Nous avons développé un code permettant de simuler l'amplification d'une impulsion nanoseconde dans ces milieux et ainsi déterminé les caractéristiques techniquesoptimales de chaque étage amplificateur. Ces résultats ont permis la réalisation d'une chaîne d'allumage et sa caractérisation. Une étude particulière del'amplificateur fibré a permis de maîtriser l'apparition d'effets non-linéaires limitants. Finalement, nous démontrons le potentiel de notre solution laserpar plusieurs campagnes d'allumage sur différents bancs moteurs.

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une cellule d’allumage laser pour turbomoteurs. Une étude bibliographique nous a permis d’identifier les caractéristiques nécessaires : des impulsions nanosecondes d’au moins 10mJ. La spécificité de l’application impose de nombreuses contraintes qui ont influencé le choix d’une architecture avec deux étages amplificateurs : un amplificateur fibré suivi d’un amplificateur à base de fibre cristalline. Nous avons développé un code permettant de simuler l’amplification d’une impulsion nanoseconde dans ces milieux et ainsi déterminé les caractéristiques techniquesoptimales de chaque étage amplificateur. Ces résultats ont permis la réalisation d’une chaîne d’allumage et sa caractérisation. Une étude particulière del’amplificateur fibré a permis de maîtriser l’apparition d’effets non-linéaires limitants. Finalement, nous démontrons le potentiel de notre solution laserpar plusieurs campagnes d’allumage sur différents bancs moteurs. / This work deals with the design and the construction of a laser ignitionsystem for turbine engines. A review of the dedicated literature allowed us toidentify the required characteristics : nanosecond pulses with at least 10 mJ ofenergy. Our specific application imposes numerous constraints which directlyinfluenced our choice of two amplifier stages : a fiber amplifier followed by acrystalline-fiber based amplifier. We developped a simulation describing theamplification of nanosecond pulses through these two medias and thus de-termined the optimal technical characteristics of each amplifier stage. Theseresults lead to the realization of an laser ignition system that we completelycharacterised. A specific study of the fiber amplifier allowed us to understandand control the appearance of non-linear limiting phenomena. Eventually, wedemonstrate the capabilities of our solution by several laser-ignition field stu-dies.

L'objet de cette thèse est l'étude de plusieurs applications des processus de mélange à quatre ondes induits dans les vapeurs atomiques. Dans la première partie, les notions de base de l'optique non-linéaire dans les milieux de Kerr sont rappelés. Dans la seconde partie, nous étudions les propriétés des oscillateurs à mélange à quatre ondes en anneau dont le milieu amplificateur est constitué d'une vapeur de sodium soumise à deux ondes pompes ne circulant pas dans la cavité. Les applications de ces oscillateurs comme senseur de rotation et comme générateur de faisceaux jumeaux sont démontrées, les principes de ces deux notions étant rappelées dans leur grande ligne. Dans la troisième partie, nous présentons plusieurs résultats sur le mélange à quatre ondes lorsque les ondes incidentes ont des polarisations linéaires orthogonales. Cette géométrie nous a permis d'observer un processus de mélange à deux ondes, et de réaliser un miroir à contraste de phase et un miroir auto-pompé. Les résultats obtenus expérimentalement dans les vapeurs de rubidium et de sodium sont en accord avec un modèle théorique basé sur les équations du pompage optique, ce modèle permettant d'interpréter sous forme d'activité optique les fortes non-linéarités observées.

Les liaisons opto-hyperfréquences sont appelées à jouer un rôle important dans les futurs systèmes micro-ondes. Elles permettent par exemple de transporter des signaux radars ou des oscillateurs locaux sur porteuse optique sur de longues distances. Elles permettent également de réaliser un certain nombre de fonctions comme des déphasages, l’introduction de retards vrais sur de larges bandes passantes, le filtrage reconfigurable des signaux, ou même des fonctions plus complexes comme de l’analyse spectrale ou de la corrélation de signaux hyperfréquences. Comme tous les systèmes opto-hyper, elles souffrent de pertes dues soit à la conversion opto-hyper, soit tout simplement à la propagation. Les amplificateurs classiques, par exemple à fibre dopée erbium, à semi-conducteur, ou à effet Raman dans les fibres, ne permettent pas de compenser ces pertes sans dégrader le rapport signal sur bruit. L’objectif de la thèse est l’étude et la réalisation expérimentale d’un amplificateur optique sensible à la phase basé sur des fibres hautement non linéaires (HNLF) pour amplifier des signaux analogiques sans ajouter du bruit. La majeure partie de ce travail de thèse a été consacrée à la mise en œuvre d’une expérience qui porte sur l’amplification sensible à la phase avec une seule pompe. Notre étude a également porté sur l’étude des performances de cet amplificateur en termes de linéarité et de bruit. La linéarité de l’amplificateur a été testée en comparant les produits d’intermodulation d’ordre 3 (IMD3) lorsque le PSA est activé et le PSA est désactivé. Nous avons montré à partir de ces mesures que l’introduction de l’amplificateur sensible à la phase dans la liaison n’a pas dégradé la dynamique libre de parasite (SFDR). De plus, nous avons étudié les performances de notre amplificateur sensible à la phase en termes de bruit en effectuant des mesures de son facteur de bruit (NF). En effet, nous avons mesuré un facteur de bruit de -2.07 dB dans le cas où l’on ne détecte que le signal, tandis qu’un facteur de bruit de 0.2 dB est obtenu lors de la détection de l’ensemble « signal et idler ». / Microwave photonic links are expected to play an important role in future RF systems. Based on low loss optical fibers, analog photonic links (APLs) have become the heart of the emerging field of microwave photonics, in which various functionalities are explored such as the generation and distribution of radar signals and local oscillators, phase shifting, reconfigurable true time delays, or even more complex functions such as spectrum analysis or correlation of RF signals. Unavoidably, microwave photonics systems undergo losses due either to microwave-to-optical conversion or to propagation. Classical amplifiers based on erbium doped fibers, semiconductor amplification, or Raman scattering in fibers, do not allow to compensate for these losses without degrading the signal-to-noise ratio. The aim of this thesis is to address this issue and to theoretically study and experimentally an optical phase-sensitive amplifier based on highly nonlinear fiber (HNLF) in order to amplify an analog signals without adding noise. We experimentally investigate the linearity of a phase sensitive amplifier based on nonlinear optical fiber in the context of microwave photonics. The linearity of the PSA amplifier is assessed by performing third order intermodulation distortion products (IMD3) measurements using two RF tones. The results show that the PSA is, in the explored domain, perfectly linear for the RF modulation, leading to amplification without any increase of distortion, thus proving the compatibility with future microwave photonics applications. In addition, we study the performance of our PSA in terms of noise by taking measurements of the noise figure (NF). Indeed, we measure a noise factor of -2.07 dB in the case where when we detect only the signal, while a 0.2 dB noise factor is obtained when both "signal and idler" are detected.

La capacité et les performances des systèmes à fibres optiques et photoniques dépendent fortement du bruit et des non-linéarités des amplificateurs optiques. Dans ce contexte, les amplificateurs paramétriques à fibre optique (PS-FOPA), reposant sur le mélange à quatre ondes dans les fibres optiques, surpassent les amplificateurs conventionnels insensibles à la phase. En effet, leur sensibilité à la phase peut être exploitée pour l'amplification sans bruit et al compensation de la distortion non-linéaire. En conjonction avec leur large spectre de gain et d'autres fonctionnalités telles que la conversion de longueur d'onde, ils sont considérés comme des candidats prometteurs pour la prochaine génération d'amplificateurs optiques pour les communications et le traitement de signal tout optiques.Le PS-FOPA est classiquement décrit par les équations d'ondes couplées, dérivées de l'équation de Schrödinger non-linéaire qui ne contiennent que trois ou quatre ondes en interaction. Cependant, dans un cas plus général, l'apparition de fréquences supplementaires d’ordre plus élevé affectera inévitablement la sensibilité en phase.L’objectif de cette thèse est d'étudier de manière approfondie les propriétés non-linéaires, en termes de gain et de sensibilité en phase d'un PS-FOPA dégénéré à double pompe pour différentes configurations. Une analyse numérique plus précise est obtenue en utilisant le modèle à 7 ondes qui incorpore les ondes supplémentaires issues de processus de mélange à quatre ondes d’ordre élevé. Ce modèle permet de donner une interprétation physique plus précise des interactions multi-ondes en fonction des conditions d'accord de phase, révélant les relations sous-jacentes entre la dispersion et la sensibilité de phase. De plus, la capacité de régénération simultanée de phase et d'amplitude d'un PS-FOPA basique est évaluée pour l'optimisation globale. Il permet d'exploiter pleinement la capacité potentielle d'un PS-FOPA de base agissant comme un bloc de construction fondamental des futures fonctionnalités tout optiques. L’approche basée sur ce modèle permet une optimisation orientée vers l’application et revêt une importance particulière pour la conception et l'optimisation de tels PS-FOPAs dans divers scénarios. / The capability and performance of the widely deployed fiber-optic and photonic systems strongly depend on the noise and nonlinearities of the optical amplifiers. In this context, phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers (PS-FOPAs), relying on four-wave mixing in optical fibers, outperforms conventional phase-insensitive amplifier thanks to the unique phase-sensitivity that can be exploited for noiseless amplification and mitigation of the nonlinear impairment. In conjunction with the vast gain spectrum and other functionality such as wavelength conversion, they have been regarded as a promising candidate for the next generation optical amplifiers towards all-optical communication and processing.The PS-FOPA is conventionally described by the fundamental coupled wave equations derived from the nonlinear Schrödinger equation that contains only three or four interacting waves. However, for a more general case, the emergence of high-order waves will inevitably affect the phase-sensitivity. The objective of this thesis aims at the thorough investigation of the nonlinear properties in terms of the gain properties and the phase sensitivities with respect to different configurations of a dual-pump signal-idler degenerate PS-FOPA. The more accurate numerical analysis is obtained by using the 7-wave model that incorporates the first order high-order waves stemming from the high-order four-wave mixing processing. This model permits to assess a more precise physical interpretation of the multi-wave interactions based on phase matching conditions, revealing the underlying relations between the dispersion and the phase-sensitivity. Moreover, the simultaneous phase and amplitude regenerative capability of a basic PS-FOPA is evaluated for the overall optimization. It allows fully exploiting the potential ability of a basic PS-FOPA acting as a fundamental building block of the future all-optical functionalities. The analysis approach based on this model permits application-oriented optimization and is of particular guiding significance for design and optimization of PS-FOPA in various scenarios.

La microscopie par diffusion Raman Coh´erente Anti-Stokes (CARS) est une<br />m´ethode r´ecente d'imagerie dont le contraste provient de l'excitation r´eso-<br />nante s´elective de vibrations mol´eculaires intrins`eques d'une liaison ou d'un<br />ensemble de liaisons chimiques. Cette technique pr´esente l'avantage de s'af-<br />franchir de tout marqueur fluorescent qui peut ˆetre toxique pour un orga-<br />nisme biologique vivant. Elle permet aussi d'avoir une tr`es grande sensibilit´e<br />et une forte r´esolution spatiale, comparable `a celle de la microscopie confo-<br />cale. Le travail de cette th`ese concerne la r´ealisation d'un microscope CARS,<br />et sa mise en application `a diff´erents domaine de l'imagerie bio-m´edicale. Des<br />´etudes ont ´et´e men´ees d´emontrant les potentialit´es de cet outil, ainsi que sa<br />caract´erisation dans le domaine spatiale et spectral.

One of the greatest challenges in nonlinear optics microscopy is the search for new contrast mechanisms. This is one of the reasons of the increasing interest in polarimetric nonlinear optics in the last couple of decades. In this work we have explored the potential of four-wave mixing in probing vibrational and structural symmetries in molecular media. In particular, we have been concerned with coherent Raman scattering (CRS), either at resonance or not. We have developed a theoretical model allowing to determine the structures of the susceptibility tensors from symmetry considerations, involving both the spatial structure of the medium and the vibration of specific molecular modes. Experimental results on isotropic sample, crystals and biomolecular assemblies were successfully achieved. Polarimetric measurements at resonance provide information on the symmetry of the addressed vibrational modes and on departure from Kleinman symmetry conditions. Nonresonant polarimetric measurements are able to reveal departure from isotropy in cubic crystals and the symmetry order and orientation of molecular distribution in biomolecular assemblies, such as collagen fibers. In particular, we have shown that higher-order molecular symmetries can only be probed by high-order nonlinear optical processes. Finally, this work has demonstrated the great potential of polarimetric four-wave mixing as a powerful contrast mechanism, providing structural selectivity in microscopy imaging. When it is further associated with a resonant process (such as CRS), it provides also chemical selectivity, allowing a complete description of the sample, involving both structural and vibrational symmetries.