Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude expérimentale d'une source laser bifréquence de haute cohérence émettant à 1 µm en vue d'obtenir par photomélange un émetteur THz. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe verticale (VeCSEL), l'objectif étant d'obtenir un fonctionnement laser bifréquence robuste en régime continu, basé sur la coexistence simultanée de deux modes transverses de Laguerre-Gauss. La sélection de seulement deux modes transverses est réalisée grâce à des masques de pertes insérés intracavité dans le plan transverses. Les caractéristiques du laser bifréquence, telles que l'équilibre entre les puissances des deux modes, le caractère monofréquence de chacun des deux modes, l'accordabilité de l'écart de fréquence, la simultanéité de l'émission et la cohérence du battement THz obtenu, sont étudiées. Enfin, la génération THz par photomélange est effectuée grâce au VeCSEL bifréquence et à une photodiode UTC commerciale. / This work focuses on the design, realization and experimental study of highly coherent dual-frequency laser sources emitting at 1 µm for THz radiation generation by photomixing. We are particularly interested in vertical-external-cavity surface-emitting laser (VeCSEL), the aim being to obtain a robust dual-frequency continuous wave operation, based on simultaneous coexistence of two Laguerre-Gaussian transverse modes. We design intracavity transverse selective losses mask to select only the two Laguerre-Gaussian modes. The stable and simultaneous dual-frequency operation, the beat-frequency tunability range and the temporal coherence was specifically studied. We demonstrated THz emission by seeding a uni-travelling-carrier photodiode by an optically-pumped dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting.

L'acoustique picoseconde est un outil adapte a la mesure des proprietes mecaniques des films minces. la generation et la detection de phonons acoustiques de frequences voisines du thz sont effectuees a l'aide d'impulsions laser ultracourtes delivrees par des lasers femtosecondes. a cause de l'isotropie des transducteurs, les ondes acoustiques transverses ne peuvent etre thermo-elastiquement excitees que par conversion de mode d'ondes acoustiques longitudinales. ce travail propose comme alternative l'utilisation d'un reseau optique comme source d'excitation laser inhomogene pour generer et detecter des phonons plans transverses dans des materiaux isotropes. une etude theorique a montre que l'application d'un reseau optique transitoire a l'interface entre des materiaux isotropes induit l'excitation de reseaux acoustiques transverses par conversion de mode d'ondes acoustiques longitudinales en incidence oblique par rapport a l'interface. ces ondes sont inhomogenes car elles ont leur amplitude harmoniquement modulee selon l'interface. nous avons montre que la detection selective et heterodyne de ces ondes de cisaillement n'est possible que dans la configuration ou un reseau pompe 1d et sonde 2d sont associes. cela permet la depolarisation a travers l'interaction acousto-optique, de la sonde incidente par le reseau acoustique transverse. cela a ete realise en mettant le reseau sonde dans le plan perpendiculaire a celui de la pompe. de plus, l'adaptation et la mise en œuvre de methodes optiques de haute sensibilite, en particulier la polarimetrie et l'ellipsometrie nous ont permis d'evaluer et d'optimiser la sensibilite de la detection de ces ondes acoustiques transverses.

La transition sol-gel des gels polymères traduit le passage d'une phase liquide (sol) à une phase solide (gel). Les propriétés statiques de tels gels semblent être correctement décrites par la théorie de percolation ; en revanche, les propriétés viscoélastiques présentent une grande variété de comportements à la transition sol-gel. Pour étudier l'influence de la structure chimique des précurseurs sur les propriétés dynamiques des polymères à la transition sol-gel, nous avons synthétisé deux systèmes polydiméthylsiloxanes (PDMS). Nos premiers résultats tendent à montrer que la structure chimique du réticulant n'influe pas sur les exposants critiques caractérisant la transition sol-gel. Après confrontation de nos résultats à ceux de la littérature, l'interprétation que nous proposons met en évidence deux transitions définissant ainsi trois domaines de comportement. Le mécanisme de percolation des gels PDMS semble être déterminé par le rapport du nombre de segments de Kuhn entre points de branchement sur celui entre enchevêtrements. Dans le but d'étudier le comportement dynamique de tels gels aux hautes fréquences, nous avons développé une méthode de caractérisation ultrasonore. Cette méthode, couplée à une méthode rhéologique classique, a permis la caractérisation sur une large gamme de fréquences d'un matériau viscoélastique étalon, le miel.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais signifie Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses de polarisations variées au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. En régime multimode transverse, les anticorrélations très importantes entre les modes permet d'obtenir, pour les meilleurs échantillons, des faisceaux au bruit d'intensité comprimé (jusqu'à 15 % sous la limite quantique standard). Pour les échantillons qui présentent de l'excès de bruit en régime libre, la technique de l'injection optique permet d'obtenir, dans certains cas, de la compression du bruit d'intensité. Enfin, nous présentons nos résultats sur la structure spatiale du bruit d'intensité dans le plan transverse. Nous rapportons aussi dans ce manuscrit l'étude du bruit d'intensité des minilasers Nd :YVO4. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à basse fréquence. Nous montrons que cet excès de bruit provient d'effets non linéaires dus à l'importance du pic de bruit à la fréquence d'oscillation de relaxation. Expérimentalement, nous mettons en oeuvre deux techniques distinctes pour réduire ces effets : une boucle de rétroaction électrooptique et l'injection optique.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

L'acoustique picoseconde est basée sur une technique pompe-sonde optique nécessitant l'emploi d'un laser pulsé subpicoseconde permettant la génération et la détection d'impulsions acoustiques ultrabrèves. L'onde acoustique picoseconde générée est par nature longitudinale lorsque le transducteur opto-acoustique est isotrope. Ainsi, jusqu'à présent, dans la plupart des cas, seul le mode acoustique longitudinal a pu être employé au diagnostic mécanique de structures submicroniques. La mise en oeuvre d'une source acoustique picoseconde d'ondes transverses ouvrirait la voie à de nouvelles perspectives expérimentales. <br /><br />Dans ce travail de thèse, la génération d'ondes acoustiques transverses picosecondes par le mécanisme de génération thermoélastique est envisagée analytiquement et exploitée expérimentalement à partir de transducteurs opto-acoustiques anisotropes, le cas échéant, des substrats métalliques désorientés. La problématique concerne tant la génération thermoélastique que la détection élasto-optique des ondes acoustiques transverses picosecondes.<br /><br />En premier lieu, la théorie de la génération thermoélastique dans des matériaux anisotropes est présentée afin de caractériser la potentialité de la génération thermoélastique et de concevoir les mécanismes propres à la génération des ondes transverses. Puis la théorie de la détection élasto-optique est exposée afin d'étayer l'opportunité d'utilisation du substrat métallique anisotrope en tant que capteur d'ondes transverses picosecondes. Le rôle bivalent du substrat en tant que transducteur et capteur d'ondes transverses picosecondes est opportun.<br /><br />En second lieu, les expériences picosecondes réalisées avec des substrats monocristallins de zinc désorientés sont présentées et interprétées grâce aux prédictions théoriques. Les expériences attestent de l'efficacité de la génération in situ des ondes acoustiques transverses picosecondes et de la génération par réflexion-conversion de modes des ondes acoustiques longitudinales picosecondes. Les simulations numériques concernant les résultats expérimentaux permettent la mesure des coefficients photo-élastiques du zinc. Enfin, l'extrapolation à des substrats polycristallins métalliques permet de démontrer l'efficacité de la génération thermoélastique à partir de cristallites non texturés (001).

L’acoustique picoseconde est un outil adapte a la mesure des proprietes mecaniques des films minces. la generation et la detection de phonons acoustiques de frequences voisines du thz sont effectuees a l'aide d'impulsions laser ultracourtes delivrees par des lasers femtosecondes. a cause de l’isotropie des transducteurs, les ondes acoustiques transverses ne peuvent etre thermo-elastiquement excitees que par conversion de mode d’ondes acoustiques longitudinales. ce travail propose comme alternative l’utilisation d’un reseau optique comme source d’excitation laser inhomogene pour generer et detecter des phonons plans transverses dans des materiaux isotropes. une etude theorique a montre que l'application d’un reseau optique transitoire a l’interface entre des materiaux isotropes induit l’excitation de reseaux acoustiques transverses par conversion de mode d’ondes acoustiques longitudinales en incidence oblique par rapport a l’interface. ces ondes sont inhomogenes car elles ont leur amplitude harmoniquement modulee selon l’interface. nous avons montre que la detection selective et heterodyne de ces ondes de cisaillement n’est possible que dans la configuration ou un reseau pompe 1d et sonde 2d sont associes. cela permet la depolarisation a travers l’interaction acousto-optique, de la sonde incidente par le reseau acoustique transverse. cela a ete realise en mettant le reseau sonde dans le plan perpendiculaire a celui de la pompe. de plus, l’adaptation et la mise en œuvre de methodes optiques de haute sensibilite, en particulier la polarimetrie et l’ellipsometrie nous ont permis d’evaluer et d’optimiser la sensibilite de la detection de ces ondes acoustiques transverses. / The picosecond acoustic technique which allows studies at picosecond characteristic time scale and nanometer space scale is a powerful tool for the diagnostic of elastic properties of sub-micrometer films. high frequency acoustic phonons (up to 1 thz) are generated and detected by the use of ultra-short femtosecond laser pulses. due to isotropy of most of opto-acoustic transducers, shear acoustic waves can be thermo-elastically excited only by mode conversion of longitudinal acoustic waves.this work suggests using optical gratings as inhomogeneous excitation laser source for the generation of shear acoustic phonons in isotropic media. the processes leading to excitation of inhomogeneous plane bulk compression/dilatation and shear acoustic modes following the creation of a transient laser interference pattern at an interface between an opaque and a transparent elastically isotropic media are analyzed. the developed theory predicts the excitation of shear acoustic grating by mode conversion of longitudinal waves obliquely incident to the interface. it is shown that only the association of 1d pump grating and 2d probe grating can allow selective and heterodyne detection of the excited shear acoustic gratings. in this configuration the incident probe is depolarized through the photo-elastic interaction by the shear acoustic gratings. this is experimentally realized by positioning the 2d probe grating perpendicularly to 1d pump grating plane. furthermore, the implementation and adaptation of high sensitive optical methods, particularly polarimetry and ellipsometry has permitted us to evaluate and to optimize the sensitivity of shear acoustic waves detection.

La transition sol-gel des gels polymères traduit le passage d'une phase liquide (sol) à une phase solide (gel). Les propriétés statiques de tels gels semblent être correctement décrites par la théorie de percolation ; en revanche, les propriétés viscoélastiques présentent une grande variété de comportements à la transition sol-gel. Pour étudier l'influence de la structure chimique des précurseurs sur les propriétés dynamiques des polymères à la transition sol-gel, nous avons synthétisé deux systèmes polydiméthylsiloxanes (PDMS). Nos premiers résultats tendent à montrer que la structure chimique du réticulant n'influe pas sur les exposants critiques caractérisant la transition sol-gel. Après confrontation de nos résultats à ceux de la littérature, l'interprétation que nous proposons met en évidence deux transitions définissant ainsi trois domaines de comportement. Le mécanisme de percolation des gels PDMS semble être déterminé par le rapport du nombre de segments de Kuhn entre points de branchement sur celui entre enchevêtrements. Dans le but d'étudier le comportement dynamique de tels gels aux hautes fréquences, nous avons développé une méthode de caractérisation ultrasonore. Cette méthode, couplée à une méthode rhéologique classique, a permis la caractérisation sur une large gamme de fréquences d'un matériau viscoélastique étalon, le miel.

Nous étudions les propriétés quantiques des images<br /> optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ<br /> électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que<br /> mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche<br /> multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode<br /> de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque<br /> de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire.<br /><br /> Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images<br /> optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du<br /> champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à<br /> deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que<br /> le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de<br /> déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous<br /> appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton<br /> spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même<br /> si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la<br /> diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de<br /> correlations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une<br /> expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré<br /> transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un<br /> grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre<br /> deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes<br /> transverses.

Les variations de l'indice de réfraction d'origine électronique, proportionnelles au nombre d'ions actifs du matériau laser portés dans leur état excité et à la variation de polarisabilité entre le niveau excité et le niveau fondamental, peuvent avoir un impact considérable sur les propriétés spatio-temporelles des résonateurs laser. Il est ainsi nécessaire de disposer de méthodes sensibles afin de les évaluer. Ce travail de thèse est donc centré autour de la métrologie de ces effets dits " de population ", afin d'être en mesure de mieux appréhender le comportement des lasers à solide voire d'être capable d'utiliser ces effets pseudo-nonlinéaires pour diverses applications. La première partie de cette thèse consiste donc à quantifier les effets de population dans des cristaux laser dopés Chrome et Ytterbium à l'aide de la technique Z-scan. Dans cette optique, nous avons donc mis en place en expérience résolue en temps afin de nous affranchir des effets thermiques, phénomène inhérent à tout processus de pompage optique. Nous avons par la suite mis au point une technique originale, appelée Baryscan, permettant de mesurer de très faibles variations d'indice et d'atteindre une sensibilité parmi les plus grande rencontrée à ce jour. Cette technique est basée sur l'utilisation d'un Position Sensitive Detector (PSD) et les propriétés non-linéaires des cristaux sont déduites de l'évolution du barycentre du faisceau laser pompe-sonde. Nous présentons de plus des résultats concernant la focalisant diffractive de faisceaux laser à l'aide d'optiques de phase ainsi que des techniques de mise en forme permettant de forcer une cavité laser à osciller sur le mode transverse souhaité.