Souvent considéré néfaste dans le domaine de la télécommunication car il limite la puissance d'un système de transmission optique, l'effet Brillouin peut être utilisé pour la réalisation de lasers. Un laser à fibre Brillouin peut potentiellement être très cohérent et très peu bruité ; ce qui incite son utilisation dans plusieurs domaines incluant la défense, la métrologie et les télécommunications. L'objectif de cette thèse, qui s'insert dans le cadre du projet ATOS (Antenne acoustique en technologie Tout Optique pour la Surveillance), est d'obtenir un laser Brillouin à la fois compact et avec un seuil laser relativement bas. Pour respecter ces deux conditions, il est nécessaire de disposer d'une fibre avec un très fort coefficient de gain Brillouin gB et ayant une très petite aire effective de manière à concentrer la puissance optique dans le cœur de la fibre. Nous avons ainsi choisi d'utiliser une fibre faite à partir de verres en chalcogénure, qui ont un gB de deux ordres de grandeurs supérieures au gB d'une fibre monomode silice classique avec une microstructure dans le coeur. Ces travaux de recherche contribuent donc, d'une part, à démontrer qu'il est expérimentalement possible de réaliser des lasers Brillouin compacts, bas seuils et exhibant des caractéristiques remarquables en termes de bruit et de cohérence avec des fibres microstructurées en verre de chalcogénure et, d'autre part, à étudier la potentialité de ces cavités lasers dans le cadre du projet ATOS tout en proposant d'autres applications possibles pour la métrologie, l'instrumentation et les télécommunications. / Although stimulated Brillouin scattering (SBS) in optical fiber is a penalizing nonlinear effect in optical communication systems, it is possible to make good use of SBS in other applications such as in Brillouin fiber lasers (BFLs). A BFL can potentially have a very narrow linewidth and very low relative intensity noise (RIN) and frequency noise, making them excellent coherent laser sources that can be used in telecommunications, defense and metrology. The goal of this research work, which is in the framework of ATOS (Antenne acoustique en technologie Tout Optique pour la Surveillance, All Optical Acoustic Antenna for Security) project, is to obtain a compact Brillouin laser with a very low threshold power. In order to match these two conditions, it is essential to use a fiber with a very high Brillouin gain coefficient gB and with a small effective mode area to ensure a stronger light confinement in the fiber core. For this research work, we have combined both alternatives by using a microstructured optical fiber made of chalcogenide glass. These materials are known to have very high gB, which can be two orders of magnitudes higher than in the case of a standard silica fiber. In this work, we have, first of all, experimentally demonstrated that it is possible to obtain a compact, low threshold and low noise Brillouin laser using microstructured chalcogenide fibers. Then, we have studied the feasibility of using this laser cavity in the framework of the ATOS project while proposing alternative applications for metrology and telecommunications.

Ce mémoire présente les travaux effectués sur le développement d'une source optique servant à des applications d'imagerie biomédicale en général et de diffusion Raman cohérente en particulier. En effet la diffusion de ces dernières est freinée par le verrou technologique que constitue la nécessité de deux impulsions synchronisées et décalées en longueur d’onde. La praticité et les possibilités de conversions de fréquences offertes par l’optique non-linéaire fibrée sont ainsi utilisées pour adresser ce verrou technologique. Tout d’abord, une source simplement réglable en longueur d’onde est générée par l’effet d’auto-décalage en fréquence optique d'un soliton par effet Raman. Une étude des principaux paramètres de fibre aboutit à des décalages de 320 à plus de 500 nm, permettant une imagerie des résonances d’intérêt (≈ 1000-4000 cm-1). Deux applications de ce décalage sont présentées. Ensuite, l’autre impulsion voit sa largeur spectrale réduite de 70 à 10 cm-1 par compression spectrale, qui consiste en un "regroupement non-linéaire de fréquences sans pertes", afin de bénéficier de la résolution spectrale nécessaire. Enfin, la source développée est validée par l’acquisition de spectres CARS de différents échantillons de référence, pour différentes résonances (850 à 1750 cm-1). Une extension de la source à d'autres types d'imagerie est proposée, ainsi qu'une architecture de source quasiment entièrement fibrée exploitant les principes développés au cours de cette thèse / This manuscript presents the work done concerning the development of a light source used for biomedical imaging and more particularly for coherent Raman scattering imaging. In fact an efficient broadcasting of these ones is hampered by the need of two synchronized and wavelength shifted pulses. As so, the handiness and frequency conversion capabilities of nonlinear fiber optics are used to circumvent this technological lock. First of all, an easy wavelength tunable source is set by the use of the self-shifting in optical frequency of a soliton. A study of the main fiber parameters lead to shifts of 320 to more than 500 nm which allows interesting molecular resonances imaging (≈ 1000-4000 cm-1). Two applications of this shift are also reported. Then, the second pulse sees its spectral width reduced from 70 to 10 cm-1 by spectral compression, which consists in a "loss-less frequency regrouping", in order to obtain a proper spectral resolution. Finally, the developed source is validated by acquiring CARS spectra of different reference solvents and for different resonances (850 to 1750 cm-1). An evolution of this source to allow other imaging techniques is proposed, as well as a quasi-all-fibered source exploiting the principles addressed during this thesis work

Ce travail de thèse concerne le développement d’un laser à fibre générant des impulsions rectangulaires très énergétiques et accordables à l’échelle du temps et des impulsions géantes à haute énergie. En premier temps,nous avons développé un modèle numérique pour étudier la génération des impulsions rectangulaires dans un laser à fibre en forme de huit à double amplificateur.L’objectif est de montrer l’impact de l’effet non linéaire induit par la fibre micro structurée sur le contrôle de la durée d’impulsion rectangulaire générée par le laser. Un ensemble de paramètres laser nous a permis ainsi de générer des impulsions rectangulaires à haute énergie dans le régime de la résonance du soliton dissipatif (DSR). En plus, plusieurs expériences ont été mises en place pour optimiser la génération de l’impulsion DSR en termes d’énergie et de durée.Toujours sur le plan expérimental, des impulsions géantes à haute énergie à partir du laser à fibre verrouillé en phase couplé à un retard optique ont été obtenues. Cela nous a permis de générer une large plage de durée d’impulsion à l'échelle de μs à taux de répétition faible dans des cavités utilisant des absorbants saturables artificiels. / This work deals with the development of a fiber laser generating high energy and width tunable square pulses and high-energy giant pulses. First, we have developed a numerical model to study the generation of rectangular pulses in a double amplifier fiber laser. The objective is to study the impact of the non-linear effect induced by the microstructured optical fiber on the control of the square pulse duration. A set of laser parameters allowed us to generate high energy square pulses in the dissipative soliton resonance (DSR) regime. In addition, several experiments have been set up to optimize the generation of the DSR pulse in terms of energy and duration. Experimentally, high energy giant pulses from a passively mode-locked fiber ring laser coupled to a long external cavity are obtained. This allowed us to generate a wide range of pulse duration of μs at a low repetition rate in cavities using artificial saturable absorbers.

At the Dawn of the 21st century, the field of specialty optical fibers experienced a scientific revolution with the introduction of the stack-and-draw technique, a multi-steps and advanced fiber fabrication method, which enabled the creation of well-controlled micro-structured designs. Since then, an extremely wide variety of finely tuned fiber structures have been demonstrated including novel materials and novel designs. As the complexity of the fiber design increased, highly-controlled fabrication processes became critical. To determine the ability of a novel fiber design to deliver light with properties tailored according to a specific application, several mode analysis techniques were reported, addressing the recurring needs for in-depth fiber characterization. The first part of this dissertation details a novel experiment that was demonstrated to achieve modal decomposition with extended capabilities, reaching beyond the limits set by the existing mode analysis techniques. As a result, individual transverse modes carrying between ~0.01% and ~30% of the total light were resolved with unmatched accuracy. Furthermore, this approach was employed to decompose the light guided in Large-Mode Area (LMA) fiber, Photonic Crystal Fiber (PCF) and Leakage Channel Fiber (LCF). The single-mode performances were evaluated and compared. As a result, the suitability of each specialty fiber design to be implemented for power-scaling applications of fiber laser systems was experimentally determined. The second part of this dissertation is dedicated to novel specialty fiber laser systems. First, challenges related to the monolithic integration of novel and complex specialty fiber designs in all-fiber systems were addressed. The poor design and size compatibility between specialty fibers and conventional fiber-based components limits their monolithic integration due to high coupling loss and unstable performances. Here, novel all-fiber Mode-Field Adapter (MFA) devices made of selected segments of Graded Index Multimode Fiber (GIMF) were implemented to mitigate the coupling losses between a LMA PCF and a conventional Single-Mode Fiber (SMF), presenting an initial 18-fold mode-field area mismatch. It was experimentally demonstrated that the overall transmission in the mode-matched fiber chain was increased by more than 11 dB (the MFA was a 250 ?m piece of 50 ?m core diameter GIMF). This approach was further employed to assemble monolithic fiber laser cavities combining an active LMA PCF and fiber Bragg gratings (FBG) in conventional SMF. It was demonstrated that intra-cavity mode-matching results in an efficient (60%) and narrow-linewidth (200 pm) laser emission at the FBG wavelength. In the last section of this dissertation, monolithic Multi-Core Fiber (MCF) laser cavities were reported for the first time. Compared to existing MCF lasers, renown for high-brightness beam delivery after selection of the in-phase supermode, the present new generation of 7-coupled-cores Yb-doped fiber laser uses the gain from several supermodes simultaneously. In order to uncover mode competition mechanisms during amplification and the complex dynamics of multi-supermode lasing, novel diagnostic approaches were demonstrated. After characterizing the laser behavior, the first observations of self-mode-locking in linear MCF laser cavities were discovered.