L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'interférométrie par rétro-injection optique (IRO) pour la mesure de vitesse en dynamique des matériaux. La dynamique des matériaux est l'étude du comportement des matériaux soumis à des chocs (chocs laser, chocs plan,compression isentropique, projectiles, etc.). Dans ces conditions, nous cherchons à mesurer des vitesses pouvant aller jusqu'à 10 km/s. La technique IRO est couramment utilisée comme capteur embarqué pour mesurer de faibles vitesses dans divers domaines. Cependant, très peu d'études ont été réalisées sur les limites hautes vitesses de ce type de capteur. La rétro-injection optique provoque des effets non linéaires dans la cavité laser : elle perturbe la puissance d'émission optique. Suivant le taux de rétro-injection optique, le laser peut présenter un comportement chaotique et il n'est alors plus possible de récupérer l'information de la vitesse et/ou du déplacement de la cible à partir des signaux. Nous avons pour cela développé des modèles mathématiques et réalisé un grand nombre de simulations numériques afin d'évaluer les performances et les limitations de ce système. Nous avons notamment étudié l'influence de la réflectivité de la cible, de la longueur et de la fréquence de la modulation de la cavité externe. / The purpose of this thesis is to study the feasibility of optical feedback interferometry (OFI) for measuring velocities for dynamical material's behaviour studies. Dynamical material's behaviour studies permit to analyse the shocked material when subjects to shocks (laser shocks, isentropic compression, projectiles, etc.). In these conditions, we seek to measure velocities up to 10 km/s. The OFI technique is regularly used as an embedded system to measure slow velocities in various fields. However, very few studies have been performed for determining velocities measurement limits for this system. As a matter of fact, the optical feedback induces nonlinear effects into the laser's cavity : it disrupts the laser's emitted optical power. Depending on the optical feedback strength, the laser can show chaotic behaviour, then it is no longer possible to get the information for the target's velocity or displacement regarding the signal. In this study, we have been developing mathematical models and performing a wide range of numerical simulations to study the performances and the limits of the OFI technique. We have been also studying the influence of the targets reflectivity, the length and the modulation frequency of the external cavity.

L'interférométrie à rétro-injection optique, également connu sous le nom de Self-Mixing, permet de concevoir des capteurs qui sont compacts, auto-alignés et sans contact. Dans ce phénomène, une partie du faisceau laser de retour réfléchi par la cible rentre dans la cavité active de laser et fait varier ses propriétés spectrales. La diode laser agit alors comme une source de lumière, un microinterféromètre ainsi qu'un détecteur de lumière. Dans cette thèse, un capteur de déplacement, basé sur la rétro-injection optique, a été optimisé de sorte que des mesures précises peuvent être obtenues en temps réel. Le capteur est robuste à la disparition des franges de self-mixing pour des vibrations harmoniques. Il est également capable de s'adapter à un changement dans le régime de feedback optique et peut donc extraire le déplacement dans les cas les plus répandus expérimentalement, à savoir un feedback faible puis modéré. L'utilisation de l'optique adaptative, sous la forme d'une lentille liquide, a également été démontrée pour ce capteur, ce qui nous a permis de maintenir le capteur dans un régime de feedback favorable. L'influence du speckle a également été réduite de telle sorte que le capteur mesure jusqu'à la gamme centimétrique pour des cibles non- oopératives. Une nouvelle technique est également présentée, elle permet de rendre le capteur insensible aux vibrations mécaniques parasites qui fausseraient la mesure pour des conditions industrielles. / Optical Feedback Interferometry, also known as Self-Mixing, results in compact, selfaligned and contact-less sensors. In this phenomenon, a portion of the laser beam is back reflected from the target and enters the active laser cavity to vary its spectral properties. The laser diode then simultaneously acts as a light source, a micro- nterferometer as well as a light detector. In this thesis, a self-mixing displacement sensor has been optimised so that precise measurement can be obtained in real-time. The sensor is robust to the disappearance of self-mixing fringes for harmonic vibrations. It is also able to auto-adapt itself to a change in the optical feedback regime and so can extract displacement from the weak as well as moderate feedback regime signals. The use of adaptive optics, in the form of a liquid lens, has also been demonstrated for this sensor, which has allowed us to maintain the sensor in a fringe-loss less regime. The influence of speckle has also been reduced so that the sensor can now measure up to the centimetric range for non-cooperative targets. A novel technique has also been presented that makes the sensor insensitive to parasitic mechanical vibrations that would falsify the measurement under industrial conditions.

Nous explorons les dynamiques de synchronisation des lasers solides fonctionnant sur deux états propres de polarisation. Ce type de laser présente l'intérêt de pouvoir générer des fréquences de battement très stables dans une gamme de fréquence du Hz au THz. Cette thèse en tire parti pour étudier plusieurs mécanismes d'accrochage de fréquence dans ces lasers. Tout d'abord, nous construisons un laser bipolarisation doté d'un miroir à réflectance saturable (SESAM). Cela lui permet de fonctionner dans un régime pulsé où tous les modes longitudinaux oscillent en phase, et ce sur les deux états propres du laser. On démontre également que les états de polarisation d'impulsions successives forment des séquences dont nous détaillons les caractéristiques. Un phénomène particulier est observé dans ce laser : si la fréquence de battement est choisie égale à la moitié de l'intervalle spectral libre du laser, les deux peignes de fréquences associés aux deux états propres se synchronisent. Dans un second temps, nous soumettons un laser bi-fréquence à une réinjection optique décalée en fréquence. De cette manière, nous sommes capable de transférer, sur la fréquence de battement du laser, la stabilité d'un synthétiseur radio-fréquence, utilisé comme référence. Ce résultat est obtenu tant en régime continu que pulsé. Enfin, conjointement à la réinjection décalée en fréquence, nous utilisons les oscillations de relaxation d'un laser de classe B pour induire un régime où la fréquence de battement est synchronisée sur une référence externe, mais pas sa phase. Incidemment, des dynamiques particulières d'intensités sont observées en sortie du laser.

L'interaction entre un faisceau laser émis avec une partie de la lumière réfléchi depuis une cible qui rentre dans la cavité active du laser, est à l'origine du phénomène de rétro-injection optique ou self-mixing. L'utilisation de ces franges interférométriques non conventionnelles, semble attractive du au faible nombre des composant optiques et son caractère auto-aligné. Dans cette thèse nous approchons leur développement en tant qu'implémentation embarqué rentable pour la mesure du déplacement. A cette fin, nous avons exploré des méthodes du traitement du signal pour la détection des franges et la reconstruction du mouvement de la cible, en évitant l'usage de composant externes. Premièrement, nous avons identifié quelques incompatibilités dans des algorithmes précédentes établis dans notre centre de recherche, puis nous avons avancé des solutions. Fondé sur la théorie d'interpolation, an algorithme simplifié mais démontré convenable en temps-réel à été proposé pour la reconstruction du déplacement. En s'appuyant sur l'élaboration d'un signal analytique, il à été proposé une version amélioré pour le calcul de phase. Celle-ci nous à permit de fournir un algorithme pour la détection de franges, robuste aux variations d'amplitude, sans tenir compte du régime de rétro-injection, impliquant une convenable utilisation pour une variété d'applications. / The interaction between an emitted laser beam and a small portion of backscattered light from a pointed target that re-enters the laser's cavity, is at the origin of optical feedback phenomenon or self-mixing. Exploiting these unconventional interferometric fringes for non-contact sensors is attractive due to its minimal optical part-count and self-aligned nature. In this thesis we approach its development as a cost-eective embedded implementation for displacement measurement. To this end we explored signal processing methods for fringe detection and target's movement reconstruction, avoiding the usage of external components. We first identified some incompatibilities in prior algorithms from our research center, and then proposed further solutions. Based on interpolation theory, a simplified but proved real-time algorithm resulted for displacement reconstruction. Relying on analytical signal elaboration, an improved approach for phase calculation allowed us to provide a fringe detection algorithm robust to amplitude variations, disregarding the feedback regime and thus, allowing a seemly usage over an increased variety of applications.

L'interaction entre un faisceau laser émis avec une partie de la lumière réfléchi depuis une cible qui rentre dans la cavité active du laser, est à l'origine du phénomène de rétro-injection optique ou self-mixing. L'utilisation de ces franges interférométriques non conventionnelles, semble attractive du au faible nombre des composant optiques et son caractère auto-aligné. Dans cette thèse nous approchons leur développement en tant qu'implémentation embarqué rentable pour la mesure du déplacement. A cette fin, nous avons exploré des méthodes du traitement du signal pour la détection des franges et la reconstruction du mouvement de la cible, en évitant l'usage de composant externes. Premièrement, nous avons identifié quelques incompatibilités dans des algorithmes précédentes établis dans notre centre de recherche, puis nous avons avancé des solutions. Fondé sur la théorie d'interpolation, an algorithme simplifié mais démontré convenable en temps-réel à été proposé pour la reconstruction du déplacement. En s'appuyant sur l'élaboration d'un signal analytique, il à été proposé une version amélioré pour le calcul de phase. Celle-ci nous à permit de fournir un algorithme pour la détection de franges, robuste aux variations d'amplitude, sans tenir compte du régime de rétro-injection, impliquant une convenable utilisation pour une variété d'applications.