Ce travail de thèse consiste en l'étude détaillée des conséquences matérielles et ondulatoires de l'application d'un faisceau laser sur l'orientation d'un film de cristal liquide nématique dans un cadre bien particulier, dénommé la réorientation optique "topologique". Cela correspond en pratique à une situation où la lumière donne naissance à un défaut d'orientation pour le champ de directeur, dont la nature dépend des caractéristiques du champ lumineux excitateur (polarisation, phase, intensité). Après avoir introduit la notion de réorientation optique topologique, identifié et discuté les conditions expérimentales permettant son apparition, le rôle de l'état de polarisation est étudié. Le cas d'un faisceau singulier, structuré en phase ou en polarisation, est ensuite traité. Enfin, la mise en évidence de nouveaux effets nonlinéaires, statique et dynamique, est démontrée. / This thesis deals with a detailed study of the material an optical waves aspects of the lightinducedreorientation of a nematic liquid crystal film in a particular framework, called the optical“topological” reorientation. In practice, it corresponds to a situation where a laser beaminduces an orientational topological defect for the director field, whose nature depends on thecharacteristics of the excitation light field (polarization, phase, intensity). First, the concept oftopological optical reorientation is introduced and the experimental conditions for its appearanceare discussed and experimentally verified. Then, the role of the polarization state of a Gaussianlight beam excitation is investigated, followed with the more complex situation of singular lightbeams with structured phase or polarization. Finally, we report on self-induced nonlinear opticalmanifestations of the topological reorientation, which include the experimental identificationand discussion of novel singular phenomena such as nonlinear spin-orbit interaction of light andself-induced vortex beam precession.

Les solitons de cavité (SC) sont des structures spatiales localisées que l'on peut générer dans une cavité optique non-linéaire. Ces structures se présentent sous la forme de pics lumineux de sur-intensité, "posées" sur un fond de lumière homogène. Depuis leur découverte, de nombreuses démonstrations de principe ont été réalisées, mettant en évidence leurs utilisations pour le traitement tout optique de l'information. Néanmoins, l'implémentation de dispositifs capables de générer des solitons de cavité dans le réseau télécom reste à l'heure actuelle improbable. Une simplification mais surtout une miniaturisation, qui passe par l'invention de nouveaux dispositifs, est un objectif majeur de la recherche sur les SC. L'objectif de cette thèse est de montrer qu'un système simple, miniaturisable, appelé Laser à solitons de cavité, permet d'obtenir ce type de structures spatiales localisées. Ce dispositif est obtenu en couplant mutuellement deux lasers de large section transverse. L'un des lasers joue le rôle d'un amplificateur alors que le second sert d'absorbant saturable fournissant le mécanisme de bistabilité. Les structures spatiales localisées obtenues sont indépendamment contrôlables à l'aide d'un faisceau dit d'écriture. La différence fondamentale entre les SCs obtenus avec un laser à SC et les SCs obtenus auparavant est due à la symétrie de phase du système laser. Cette symétrie de phase nous permet de générer des structures composites dont la phase entre les différents constituants n'est pas identique. Nous avons également observé des structures localisées circulaires possédant un défaut de phase en leur centre. Bien que prédit théoriquement, ce type de structure, appelé vortex optique localisé, n'avait jusqu'alors jamais été observé expérimentalement.

Nous présentons différents aspects de la propagation d'impulsions laser ultra-courtes<br /> dans les milieux transparents. Tout d'abord, après avoir établi les équations de propagation<br /> à partir des équations de Maxwell, nous rappelons les principaux phénomènes physiques auxquels<br /> sont soumises les impulsions ultra-courtes et de forte puissance se propageant dans un milieu transparent.<br /> Celles-ci subissent de l'auto-focalisation causée par la réponse Kerr du milieu. Cette auto-focalisation<br /> est stoppée par la création d'un plasma produit par l'ionisation photonique des molécules du milieu.<br /> La propagation de l'onde laser génère aussi un supercontinuum par auto-modulation de phase. Enfin,<br /> on rappelle les principaux résultats concernant la filamentation simple ou multiple de l'onde provenant<br /> des inhomogénéités du faisceau et qui a lieu lorsque la puissance initiale du laser est supérieure<br /> au seuil d'auto-focalisation. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à l'influence de<br /> non-linéarités optiques d'ordre élevé sur la propagation de l'onde et sur la figure de<br /> filamentation créée. Dans une troisième partie, afin de contrôler la filamentation multiple, <br />nous analysons la propagation de faisceaux particuliers: les impulsions optiques femtosecondes avec gradient<br /> fort et les vortex. Nous justifions les propriétés de robustesse de ces derniers type d'objets<br /> optiques. Enfin, nous examinons la filamentation multiple d'impulsions ultra-courtes à travers une<br /> chambre à brouillard, et dans les cellules d'éthanol dopées à la coumarine, pour différentes<br /> configurations du faisceau.

Ce travail de thèse consiste en l'étude détaillée des conséquences matérielles et ondulatoires de l'application d'un faisceau laser sur l'orientation d'un film de cristal liquide nématique dans un cadre bien particulier, dénommé la réorientation optique "topologique". Cela correspond en pratique à une situation où la lumière donne naissance à un défaut d'orientation pour le champ de directeur, dont la nature dépend des caractéristiques du champ lumineux excitateur (polarisation, phase, intensité). Après avoir introduit la notion de réorientation optique topologique, identifié et discuté les conditions expérimentales permettant son apparition, le rôle de l'état de polarisation est étudié. Le cas d'un faisceau singulier, structuré en phase ou en polarisation, est ensuite traité. Enfin, la mise en évidence de nouveaux effets nonlinéaires, statique et dynamique, est démontrée.

Dans les systèmes parcourus par un flux d'énergie ou de matière, des phénomènes d'auto-organisation sont possibles. Le système quitte son état d'équilibre thermodynamique, ses composants s'organisent en " structures dissipatives ", aussi appelées des " patterns ". En optique, on observe de tels " patterns " dans les dimensions transverses des faisceaux laser lors de leur propagation dans certains matériaux nonlinéaires.Nous étudions ici les patterns observés dans un système photoréfractif à simple rétroaction optique. Le faisceau incident et le faisceau réfléchi par le miroir interfèrent dans le cristal photoréfractif et modifient ses propriétés électro-optiques. Cette modification influence en retour la propagation des faisceaux. Si le faisceau incident est suffisamment intense, le système dépasse le seuil dit d' " instabilité de modulation " : l'observation du faisceau retour montre que l'intensité lumineuse s'est auto-organisée en structures géométriques remarquables, en patterns.Deux axes de recherche sont approfondis. Premièrement, nous étudions l'influence d'un moment angulaire orbital du faisceau incident (appelé alors un faisceau " vortex ") sur le pattern. Cette propriété du faisceau influe sur le phénomène d'auto-organisation et sur la dynamique des structures transverses obtenues. Un modèle numérique du mélange d'onde donne des résultats cohérents avec l'expérience. Deuxièmement, nous étudions le régime très fortement non linéaire, c'est-à-dire dans le cas d'un pompage gaussien classique mais très intense. Nous montrons par une analyse statistique que l'état turbulent observé loin du seuil est parcouru par des événements intenses, des ondes scélérates.

Aujourd'hui les outils permettant de moduler la phase d'une onde lumineuse sont nombreux etpour certains disponibles commercialement, seulement ces éléments ne fonctionnentgénéralement que pour une seule longueur d'onde de travail simultanément. Nous développonsplusieurs approches expérimentales pour la mise en forme de la phase de faisceaux à largebande spectrales. Après un état de l'art sur les principales techniques, nous focalisons notreétude sur la mise en forme de vortex optiques large-bande par l'intermédiaire d'élémentspermettant de moduler la phase géométrique, dont nous abordons quatre approches. Lapremière est basée sur la réflexion de Fresnel anisotrope sur les dioptres mettant en jeu aumoins un matériau biréfringent uniaxe, un choix optimal de leurs indices de réfraction et de leursdispersions permet de réfléchir un faisceau dont la phase dépend de l'orientation de l'axe optiquedes milieux. Dans la seconde, également réflective, nous exploitons le phénomène de réflexionde Bragg circulaire qui se produit au sein des cristaux liquides cholestériques, dont la particularitéest de réfléchir efficacement toute une bande spectrale avec acquisition d'une phase de naturegéométrique. Nous appliquons cette propriété en particulier pour la conception d'élémentsinhomogènes pour la mise en forme, à une bonne approximation, de modes de Laguerre-Gauss.Les deux dernières approches sont basées sur la mise en forme de vortex optiques par desmilieux biréfringents inhomogènes en transmission, en particulier les défauts se formantspontanément dans les films de cristaux liquides nématiques à anisotropie diélectrique négative.L'une consiste à mettre deux éléments en série permettant de traiter successivement différentescomposantes spectrales. L'autre consiste à paralléliser ce procédé en séparant le faisceau initialen différents canaux spectraux, adressés sur des défauts topologiques localisés en réseau etindividuellement contrôlables électriquement. Cette dernière solution peut être vue comme unmodulateur spatial de lumière dont les pixels sont inhomogènes et nous a amené à proposer desapplications potentielles en imagerie optique super-résolue et pour la mise en forme spatiotemporelled'impulsions ultracourtes. / Today, several beam shaping tools are available, some of them commercially, but most of themare designed for only one working wavelength. This thesis aims to develop several experimentalapproaches for broadband topological beam shaping of light. After the presentation of the state ofthe art, our work focuses on vortex shaping of polychromatic beam exploiting the spin-orbitinteraction of light. Concretely, we report the development of four techniques to modulate the socalledgeometric phase of polychromatic light fields. First, we describe anisotropic reflection frominterfaces that involves at least one uniaxial crystal. We identify a refractive index matchingcriterion enabling highly pure broadband phase control. Then we discuss the use of circularBragg reflection phenomenon inherent to the optics of cholesteric liquid crystals. This propertyallows the selective reflection of circularly polarized light over a bandgap while the reflected fieldacquires a geometric phase. These properties are exploited to design, fabricate and characterizestructured mirrors reflecting Laguerre-Gauss optical modes to a good approximation. The last twosolutions consist of vortex beam shaping using inhomogeneous anisotropic planar opticalelements, namely, topological defects that spontaneously appear in homeotropic nematic liquidcrystal films characterized by negative dielectric anisotropy. The first option is based on using twodefects in series while the other is based of parallel processing using an array of independentlycontrolled topological defects, each of them being dedicated to process distinct spectralchannels. The latter approach can be viewed as a spatial light modulator whose pixels areinhomogeneous and potential applications are proposed in the field of super-resolution opticalimaging and spatio-temporal beam shaping of ultrashort pulses.

Dans les systèmes parcourus par un flux d’énergie ou de matière, des phénomènes d’auto-organisation sont possibles. Le système quitte son état d’équilibre thermodynamique, ses composants s’organisent en « structures dissipatives », aussi appelées des « patterns ». En optique, on observe de tels « patterns » dans les dimensions transverses des faisceaux laser lors de leur propagation dans certains matériaux nonlinéaires.Nous étudions ici les patterns observés dans un système photoréfractif à simple rétroaction optique. Le faisceau incident et le faisceau réfléchi par le miroir interfèrent dans le cristal photoréfractif et modifient ses propriétés électro-optiques. Cette modification influence en retour la propagation des faisceaux. Si le faisceau incident est suffisamment intense, le système dépasse le seuil dit d’ « instabilité de modulation » : l’observation du faisceau retour montre que l’intensité lumineuse s’est auto-organisée en structures géométriques remarquables, en patterns.Deux axes de recherche sont approfondis. Premièrement, nous étudions l’influence d’un moment angulaire orbital du faisceau incident (appelé alors un faisceau « vortex ») sur le pattern. Cette propriété du faisceau influe sur le phénomène d’auto-organisation et sur la dynamique des structures transverses obtenues. Un modèle numérique du mélange d’onde donne des résultats cohérents avec l’expérience. Deuxièmement, nous étudions le régime très fortement non linéaire, c’est-à-dire dans le cas d’un pompage gaussien classique mais très intense. Nous montrons par une analyse statistique que l’état turbulent observé loin du seuil est parcouru par des événements intenses, des ondes scélérates. / In systems through which flows of energy or matter propagate, it is possible to observe self-organization phenomena. The system can leave its thermodynamical equilibrium state. Its components self-organize themselves in « dissipative structures », also called « patterns ». In optics, we observe such patterns in the transverse dimensions of laser beams during their propagation in certain nonlinear materials.This thesis aims to study the patterns observed in a photorefractive single feedback system. The forward beam and the beam reflected by the mirror interfere in the photorefractive crystal and modify its electro-optical properties. This modification influences in return the propagation of the beams. If the incident beam is sufficiently powerful, the system reaches the « modulation instability » threshold : the observation of the backward beam reveals that the intensity has self-organized in patterns.Particularly, we deal in depth with two axes of research. Firstly, we study the influence of an orbital angular momentum of the input beam (therefore called a « vortex » beam) on the pattern formation process. This property influences the self-organization phenomenon and the dynamics of the transverse structures. Moreover the results provided by a numerical model of the wave mixing process are in a good accordance with the experimental observations. Secondly, we study the highly nonlinear regime obtained with a classical gaussian pump but very powerful. We show by a statistical analysis that the turbulent state far from the instability threshold contains some extreme events, also called « rogue waves ».

Le moment orbital angulaire (OAM) de la lumière est une grandeur quantifiée associée à la phase d’un vortex optique et est actuellement une des variables explorées pour les technologies quantiques.Dans ce contexte, cette thèse étudie expérimentalement la conversion de vortex optiques par une vapeur de rubidium, via la transition Raman stimulée à deux photons 5S₁/₂ − 5D₅/₂. Quand les atomes sont soumis à deux lasers respectivement à 780 nm et 776 nm, ils génèrent des rayonnements cohérents, infrarouge à 5,23 μm et bleu à 420 nm. On examine le rayonnement bleu lorsque l’un des lasers ou les deux sont des vortex, en particulier des modes de Laguerre-Gauss. Dans une première partie nous montrons que si l’OAM est porté par le laser à 776 nm, alors le rayonnement bleu émis porte un OAM qui respecte l’accord de phase azimutale et de phase de Gouy. Nous montrons aussi que la conversion est efficace sur une grande plage d’OAM allant de -50 à +50, que l’efficacité est gouvernée par le produit des intensités des lasers incidents et que le rayonnement bleu se comporte comme un mode de Laguerre-Gauss pur. Dans une deuxième partie nous montrons qu’il est possible de convertir une superposition de vortex ou une paire de vortex coaxiaux et que l’OAM du rayonnement bleu émis obéit à la règle de somme des OAM incidents. Pour les cas étudiés, nous proposons un modèle de mélange à quatre ondes qui établit les règles de sélection du processus de conversion d’OAM. Ce travail ouvre la voie vers la conversion d’OAM utilisant des transitions vers des niveaux atomiques plus élevés. / The orbital angular momentum of light (OAM) is a quantized quantity arising from the azimuthal phase carried by optical vortices and is well-known for quantum technology applications. Its set of values is theoretically infinite.In this context this thesis experimentally study the conversion of optical vortices in a rubidium vapor through the 5S₁/₂ − 5D₅/₂ stimulated Raman transition. When the atoms are illuminated with laser beams at 780 nm and 776 nm they generate two coherent light beams at 5,23 μm and 420 nm. We investigate the blue light when one laser or both are optical vortices, in particular Laguerre-Gaussian modes. In a first part we show that if the laser at 776 nm carries an OAM the blue light is an optical vortex with an OAM which respects azimutal and Gouy phase matchings. We further show that the conversion is efficient on a large set of OAM from -50 to +50, that the efficiency is governed by the product of the input laser intensities and that the blue light behaves like a pure Laguerre-Gaussian mode. In a second part we demonstrate the conversion of a vortex superposition or a pair of coaxial vortices and that the OAM of the emitted light obeys the conservation rule of total OAM. For each studied case we propose a four wave mixing model establishing selection rules for the conversion process. This work opens possibilities towards OAM conversion using higher atomic levels.

Dans ce travail nous avons résolu deux problèmes principaux de la mise en forme topologique de faisceau paraxial pour les composants plans : la modalité et le polychromatisme.Nous les résolvons en introduisant de nouveaux concepts d’éléments optiques à interaction spin orbite,à savoir la “q-plate modale” et la “q-plate Bragg-Berry”. D’un côté, la q-plate modale convertit un faisceau gaussien incident en un faisceau de Laguerre-Gauss pour un indice radial et un indice d’azimut donnés, ce qui par conséquent dépasse les capacités des q-plates conventionnelles qui ne modifient que le degré de liberté azimutal, c.à.d. le moment orbital angulaire de la lumière. À des fins expérimentales, deux approches ont été développées : une basée sur des lames de verres nanostructurées artificiellement, l’autre sur des défauts topologiques de cristaux liquides auto-organisés naturellement. D’un autre côté, la q-plate Bragg-Berry consiste en une fine couche inhomogène de cristaux liquides chiraux (cholestériques) devant un miroir, ce qui fournit une mise en forme de faisceau spin-orbite pleinement efficace sur une large bande spectrale du faisceau incident, contrairement au q-plates conventionnelles qui ne sont fabriqués que pour une longueur d’onde donnée. Par ailleurs, nous obtenons une mise en forme de faisceau spin-orbite ultra-large bande en induisant une modulation de la structure supramoléculaire torsadée des cristaux liquides cholestériques selon la direction de propagation de la lumière. Nous montrons également que la présence du miroir derrière permet un puissant contrôle spatio-temporel des propriétés vectorielles de la polarisation du champ lumineux générées par la q-plate Bragg-Berry. / It is well-known that paraxial coherent electromagnetic fields can be completelycharacterized in terms of their radial and azimuthal spatial degrees of freedom in the transverse planethat add to the polarization degree of freedom and wavelength. In this work we address two mainissues of paraxial beam shaping that are the modality and the polychromaticity in the context of flatopticsthat we address by introducing novel concepts of spin-orbit optical elements. Namely, the‘modal q-plate’ and the ‘Bragg-Berry q-plate’. On the one hand, modal q-plate converts an incidentfundamental Gaussian beam into a Laguerre-Gaussian beam of given radial and azimuthal indices,hence going beyond the capabilities of conventional q-plates that only control the azimuthal degreeof freedom, i.e. the orbital angular momentum content of light. Towards experimental realization ofmodal q-plates, two approaches are developed: one based on artificially nanostructured glasses andanother based on naturally self-organized liquid crystal topological defects. On the other hand,Bragg-Berry q-plate consist of mirror-backed inhomogeneous thin film of chiral liquid crystal(cholesteric) that provides fully efficient spin-orbit beam shaping over broad spectral range of theincident beam, in contrast to the conventional q-plates that are designed for single wavelength.Furthermore, ultra-broadband spin-orbit beam shaping is achieved by inducing an extra modulationof the supramolecular twisted structure of the cholesteric liquid crystal along the propagationdirection. We also show that the presence of a back-mirror allows a powerful spatio-temporal controlof the polarization vectorial properties of the light fields generated by Bragg-Berry q-plate.