Ce mémoire de thèse présente une approche semi-analytique des différentes solutions solitons spatio-temporelles de l'équation cubique quintique de Ginzburg-Landau complexe étendue à (3+1)D (GL3D).La méthode semi-analytique choisie est celle des coordonnées collectives qui permet d'approcher le champ exact, dont l'expression analytique est inconnue, par une fonction d'essai, qui comporte un nombre limité de paramètres physiques.En appliquant cette procédure à l'équation GL3D, nous obtenons un système d'équations variationnelles qui gouverne l'évolution des paramètres de la balle de lumière. Nous montrons que cette approche des coordonnées collectives est incomparablement plus rapide que la procédure de résolution directe de l'équation GL3D. cette rapidité permet d'obtenir, en un temps record, une cartographie générale des comportements dynamiques des balles de lumière. Cette cartographie révèle une riche variété d'états dynamiques faite de balles de lumière stationnaires, oscillantes et rotatives.Finalement, les résultats de cette thèse prédisent l'existence de plusieurs familles de balles de lumière, et précisent les domaines respectifs de leurs paramètres physiques. Cette prédiction constitue un pas en avant dans les efforts entrepris ces dernières années en vue d'une démonstration expérimentale de ce type d'impulsions.

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.

Ce mémoire de thèse présente une approche semi-analytique des différentes solutions solitons spatio-temporelles de l'équation cubique quintique de Ginzburg-Landau complexe étendue à (3+1)D (GL3D).La méthode semi-analytique choisie est celle des coordonnées collectives qui permet d'approcher le champ exact, dont l'expression analytique est inconnue, par une fonction d'essai, qui comporte un nombre limité de paramètres physiques.En appliquant cette procédure à l'équation GL3D, nous obtenons un système d'équations variationnelles qui gouverne l'évolution des paramètres de la balle de lumière. Nous montrons que cette approche des coordonnées collectives est incomparablement plus rapide que la procédure de résolution directe de l'équation GL3D. cette rapidité permet d'obtenir, en un temps record, une cartographie générale des comportements dynamiques des balles de lumière. Cette cartographie révèle une riche variété d'états dynamiques faite de balles de lumière stationnaires, oscillantes et rotatives.Finalement, les résultats de cette thèse prédisent l'existence de plusieurs familles de balles de lumière, et précisent les domaines respectifs de leurs paramètres physiques. Cette prédiction constitue un pas en avant dans les efforts entrepris ces dernières années en vue d'une démonstration expérimentale de ce type d'impulsions. / This thesis presents a semi-analytical approach for the search of (3+1)D spatio-temporal soliton solutions of the complex cubic-quintic Ginzburg-Landau equation (GL3D).We use a semi-analytical method called collective coordinate approach, to obtain an approximate profile of the unknown pulse field. This ansatz function is chosen to be a function of a finite number of parameters describing the light pulse.By applying this collective corrdinate procedure to the GL3D equation, we obtain a system of variational equations which give the evolution of the light bullet parameters as a function of the propagation distance. We show that the collective coordinate approach is uncomparably faster than the direct numerical simulation of the propagation equation. This permits us to obtain, efficiently, a global mapping of the dynamical behavior of light bullets, which unveils a rich variety of dynamical states comprising stationary, pulsating and rotating light bullets.Finally the existence of several types of light bullets is predicted in specific domains of the equation parameters. Altogether, this theoretical and numerical work may be a useful tool next to the efforts undertaken these last years observing light bullets experimentally.

Nous présentons une étude de la dynamique de la lumière et des mesures des caractéristiques non-linéaires optiques dans le disulfure de carbone.Dans la première partie, nous calculons dans le cadre d’un modèle classique des expressions des susceptibilités non-linéaires jusqu’au cinquième ordre, en tenant compte des corrections de champ local. Nous formulons différentes hypothèses que nous confirmons ou infirmons par la mesure des indices d’absorption et de réfraction non-linéaires. Celles-ci sont obtenues en combinant deux méthodes de caractérisation des non-linéarités au sein d’un système 4fd’imagerie. L’analyse des données expérimentales utilise une méthode nouvellement développée, qui consiste à inverser numériquement, par la méthode de Newton, les solutions analytiques des équations différentielles qui décrivent l’évolution du faisceau.Dans la deuxième partie, nous observons la filamentation d’un faisceau laser à la longueur d’onde de 532 nm et en régime picoseconde. Puis nous procédons à la mesure de l’indice de réfraction non-linéaire effectif du troisième ordre n2,eff en fonction de l’intensité incidente. Par un ajustement de la courbe de saturation de l’effet Kerr,nous développons un nouveau modèle. La résolution numérique de celui-ci reproduit la filamentation observée.La dernière partie est consacrée à l’étude de la dynamique des solitons dissipatifs au sein de milieux à gains et pertes non-linéaires. La résolution numérique de l’équation complexe de Ginzburg-Landau cubique-quintique est réalisée suivant différentes configurations :soliton fondamental, dipôle, quadrupôle,vortex carré et rhombique. / We present a study of light dynamics and measurements of the nonlinear optical characteristics of carbon disulphide. In the first part, we calculate using the classical model, the nonlinear susceptibilities up to the fifth order taking into account local field corrections. We express different assumptions that we confirm or refute by measuring the nonlinear absorption coefficient and the nonlinear refractive index. The measurements are performed by means of two nonlinear characterization methods combined with an imaging 4f system. We analyse the experimental data using a newly developed method which numerically inverts the analytical solutions of the differential equations which describe the evolution of the beam, using Newton’s method. In the second part, we observe light filamentation at wavelength 532 nm, in the picoseconds regime. Then we measure the effective third order nonlinear refractive index n2,eff versus the incident intensity. By fitting the curve of the Kerr effect saturation, we develop a new model. Numerically solving this model, allows us to reproducethe experimentally observed filamentation. The last part is dedicated to the study of dissipative solitons dynamics. The complex Ginzburg-Landau equation with cubic-quintic nonlineraties is numerically solved in various configurations : soliton fundamental dipole, quadrupole, vortex and square rhombic.

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.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.

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.

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.