Tesi sul tema "Impulsions laser nanosecondes"

Cette thèse en deux parties porte sur le développement de sources lasers nano et picosecondes et leurs applications. La première partie présente l'étude, et la réalisation d'une chaîne amplificatrice laser nanoseconde pour l'allumage de turbomoteurs. Après avoir présenté les performances et l'évolution de cette chaîne seront présentes les résultats des campagnes d'essais réalisées sur une chambre de combustion sur un banc d'essai à l'ONERA dans des conditions de basses températures et de basses pressions. La deuxième partie de cette thèse traite du développement d'un oscillateur paramétrique optique (OPO) nécessaire pour accorder en longueur d'onde dans l'infrarouge un laser impulsionnel picoseconde ou femtoseconde à haute cadence et forte puissance moyenne. Après avoir présenté la cavité de l'OPO ainsi que ses performances, nous détaillerons la capacité de cet OPO à générer des impulsions femtoseconde comprimées à partir d'impulsions pompe présentant un étirement temporel
This two-part thesis focuses on the development of nano and picosecond laser sources and their applications. The first part presents the study, and the realization of a nanosecond laser amplifier chain for the ignition of turboshaft engines. After the repport of the performances and the evolution of this amplifier chain will be presented the results of the tests carried out on a combustion chamber on a test bench at ONERA under low temperatures and low pressures conditions. The second part of this thesis deals with the development of an optical parametric oscillator (OPO) in order to tune in the infrared the wavelength of a pulsed picosecond or femtosecond laser at high cadency and high average power. After presenting the OPO cavity and its performance, we will detail the ability of this OPO to generate compressed femtosecond pulses from pump chirped pulses

Les microchip lasers à impulsions sub-nanosecondes peuvent être des alternatives intéressantes aux lasers à impulsions femtosecondes pour le micro-usinage des matériaux transparents par absorption multiphotonique. Ces lasers peuvent facilement atteindre les puissances crêtes nécessaires pour déclencher l'ablation de tous les matériaux, y compris les diamants, céramiques, plastiques, et des verres. En outre, ils sont de faible coût, avec un design compact et robuste. Dans cette thèse, un micro-chip laser Nd:YAG amplifié (532 nm, 300 ps) a été utilisé pour la micro-gravure et le marquage de différents types de matériaux transparents, comme le verre borosilicate D263, le verre BK7 et le thermoplastique SBS. L'analyse des résultats a montré un bon accord avec le modèle d'expulsion de matière suite à la génération d'un plasma provoqué par une absorption laser à deux photons. Une résolution sub-micronique de marquage a été obtenue à l'intérieur d'un verre de borosilicate. Des canaux microfluidiques pour capteurs optiques ont été gravés sur verre BK-7 comprenant des guides d'ondes réalisés par échange d'ionique. Des réseaux denses de micro-canaux ont été fabriqués à la surface de matériaux thermoplastiques avec une zone affectée par les effets thermiques limités à quelques micromètres. En conclusion, ce travail de thèse montre que l'utilisation de ce type de laser permet un micro-usinage de très haute résolution avec des effets thermiques limités
Microchip lasers with sub-nanosecond pulses are attractive alternative to femtosecond lasers for micromachining in transparent materials by multiphoton absorption. These lasers can easily reach pulse peak powers that are needed to trigger ablation in all materials, including diamond, ceramics, plastics, and glasses. In addition, they are low cost with compact and rugged design. In this thesis, a microchip laser (532 nm, 300 ps) has been used for micro-engraving and marking different types of transparent materials such as borosilicate D263, BK7, and SBS thermoplastic. Experimental resultsare rationalized by the model of matter explosion following the plasma generation induced by the laser two-photon absorption. Sub-micron resolution embedded marking is demonstrated inside borosilicate glass. Micro fluidic channels for optical sensors are engraved on BK-7 glass with ion-doped waveguides. Arrays of dense micro channels are fabricated at the surface of thermoplastics with a zone affected by thermal effects limited to the micron range. In summary, this thesis demonstrates that this type of laser can be efficiently used for high-resolution micro-machining transparent materials with minimal thermal effects

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz
This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency

Ces travaux concernent le développement d’un amplificateur à fibre optique souple, microstructurée, double-gaine, dopée ytterbium (Yb), et monomode à large coeur, dans la gamme d’impulsion nanoseconde, multi-kiloHertz et milliJoule, pour l’injection de chaînes lasers de puissance. L’architecture amplificatrice est mise en oeuvre dans une configuration MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) à plusieurs étages. Un modèle numérique de l’amplification sur fibre double-gaine dopée Yb, incluant l’émission spontanée amplifiée, a été développé pour étudier le comportement de ce type d’amplificateur fibré et procéder au dimensionnement du dispositif expérimental. Afin de s’affranchir du processus de saturation par le gain, un algorithme de contre-réaction permettant de déterminer numériquement la forme temporelle optimale a été associé au modèle. Nous avons obtenu des résultats expérimentaux en bon accord avec les simulations numériques, et avec les performances suivantes : une énergie de 0.5 mJ par impulsion à une fréquence de répétition dans la gamme de 1 kHz à 10 kHz, sur des impulsions à spectre étroit centré à la longueur d’onde 1053 nm, à profil temporel super-gaussien d’ordre 20 de durée 10 ns, avec un rapport signal-sur-bruit optique supérieur à 50 dB et un taux de maintien de la polarisation à 20 dB. Le profil spatial en sortie de système est monomode (M²=1.1). Ce dispositif peut également délivrer des énergies jusqu’à 1.5 mJ. Nous avons ensuite mis à profit ces performances pour l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence, et avons obtenu une énergie par impulsion de 0.7 mJ sur une durée de 570 fs, à une fréquence de répétition de 10 kHz
This work concerns the development of a double-clad ytterbium-doped single-mode microstructured flexible fiber-based amplifier, in the nanosecond, multi-kiloHertz and milliJoule regime, for large-scale laser facilities seeding. We have used a multi-stage master oscillator power amplifier fibered architecture. A numerical model of ytterbium-doped double-clad fiber-based amplification, including amplified spontaneous emission, was developed in order to study the behaviour of such amplifier and to correctly design the experimental set-up. This model was completed by a feed-back algorithm to numerically predict the optimal temporal shape to compensate the gain saturation process. We demonstrated experimental results in good agreement with numerical simulations, with the following performances: 0.5 mJ pulse energy, at a frequency repetition from 1 kHz to 10 kHz, with a narrow bandwidth spectrum centred at 1053 nm wavelength, with 10 ns pulse duration on a perfect super-Gaussian temporal profile, an optical signal-to-noise ratio better than 50 dB and a polarization extinction ratio of 20 dB. We checked that the beam quality was diffraction limited, with an M² measurement of 1.1. Moreover, the system can deliver energies up to 1.5 mJ. Then, we took the advantage of such results to amplify chirped pulses. We demonstrated 0.7 mJ pulse energy, with 570 fs duration at 10 kHz repetition frequency

Du fait de leur compacité, leur robustesse et leur faible coût, les microlasers impulsionnels nanosecondes constituent des sources particulièrement attractives pour de nombreux systèmes de détection et d'analyse, en particulier les cytomètres en flux ou les dispositifs pour la spectroscopie CARS (Coherent Raman Anti Stokes Scattering). Cependant, ces applications nécessitent des performances améliorées en ce qui concerne la gigue temporelle et la cadence de répétition accessible. Dans sa première partie, cette thèse propose des solutions originales pour atteindre les performances requises à partir de microlasers passivement déclenchés, grâce à la mise en oeuvre d'une cavité hybride couplée, pompée par une onde modulée en intensité. Une cadence de répétition supérieure à 30 kHz avec une gigue demeurant inférieure à 200 ns est atteinte. Le potentiel de microlasers à fibres déclenchés par modulation du gain pour monter en cadence est aussi évalué, montrant que des impulsions à faible gigue, à une cadence de plus de 2 MHz peuvent être produites. Enfin, la dernière partie est consacrée à la mise au point et à l'exploitation d'un nouveau système de spectroscopie CARS assisté par une excitation électrique haute tension. Ce dispositif, réalisé à partir d'un microlaser amplifié, permet de s'affranchir du bruit de fond non résonnant des mesures et de réaliser une analyse spectroscopique fine de la réponse de différents milieux d'intérêt sous champ continu ou impulsionnel, pouvant conduire à une nouvelle méthode de microdosimétrie de champ. Diverses applications, dont la granulométrie à l'échelle micro ou nanométrique ou l'identification de marqueurs pour la biologie, sont démontrées
Thanks to their compactness, robustness and low cost, pulsed nanosecond microlasers are particularly attractive sources for different detection and analysis systems, particularly flow cytometers or devices for CARS (Coherent Anti Raman Stokes Scattering) spectroscopy. However, these applications require reduced time jitter and increased repetition rate. The first part of this thesis proposes novel solutions to achieve the required performance from passively Q-switched microlasers, which are based on an hybrid coupled-cavity and intensitymodulated pump wave. A repetition rate greater than 30 kHz with jitter remaining lower than 200 ns is reached. Pulsed fiber microlasers operating by gain switching are also studied, showing that pulses with low timing jitter, at a repetition rate of more than 2 MHz can be obtained. The last part is devoted to the development and the implementation of a new system of CARS spectroscopy assisted by a high-voltage electrical stimulation. This device, based on an amplified microlaser, allows to substract the non-resonant background noise in the measurements. Thus, a fine spectroscopic analysis of the response of different environments of interest in continuous or pulsed field can be achieved. It may lead to a new method for field microdosimetry. Various applications, including granulometry at the micro or nanometric scale and the identification of markers for biology, are shown

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée
Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder

Ce manuscrit présente la réalisation d'un dispositif expérimental permettant de produire des condensats de Bose-Einstein de potassium 41. Cette expérience a été construite dans le but d'étudier le modèle du rotateur frappé en présence d'interactions. Le choix du potassium 41 pour cette expérience est motivé par deux raisons. La première est que la longueur de diffusion de cet atome est positive (ce qui permet une condensation aisée) et qu'il possède des résonances de Feshbach accessibles. La seconde est que les longueurs d'ondes de ses transitions de refroidissement peuvent être générées par des sources lasers fibrées puissantes du domaine télécom doublées en fréquence. Cela a pour avantage de pouvoir fabriquer des systèmes lasers stables et robustes pour les étapes de refroidissement laser et de piégeage optique du potassium 41. La particularité de notre système réside dans la génération de fréquence qui a lieu en amont des étapes d'amplification à haute puissance et de doublage en fréquence. Le développement de ces bancs lasers agissant sur les deux transitions de refroidissement D1 et D2 a permis de mener à bien les étapes de refroidissement laser. Grâce à ces bancs lasers, un piège magnéto-optique rassemblant 3x10^(9) atomes a été obtenu. La compression et le refroidissement avec une mélasse grise de ce piège magnéto-optique a permis d'atteindre une température de 16 µK et une densité dans l'espace des phases de 10^(-6). Les étapes de refroidissement évaporatif qui suivent sont réalisées successivement avec un piège quadrupolaire, un piège hybride (piège quadrupolaire + piège optique) et pour terminer un piège optique croisé. Des condensats de 500 000 atomes ont été observés dans ce piège optique croisé. Nous avons aussi identifié des résonances de Feshbach qui permettront le contrôle des interactions. Pour l'étude du rotateur frappé, un système laser pulsé original a été conçu en parallèle. La réalisation de ce système a été faite à partir d'un laser pulsé télécom amplifié à haute puissance doublé en fréquence. Ce système produit des pulses laser proches infrarouge avec des impulsions de 10 ns, une fréquence de répétition comprise entre 100 kHz et 500 kHz et une puissance crête optique allant jusqu'à 350W. Ce banc laser pulsé nous a permis de réaliser les premières expériences du rotateur frappé de cette expérience. Un contrôle des interactions avec les résonances de Feshbach identifiées nous permettra d'étudier par la suite le modèle du rotateur frappé en présence d'interactions
This manuscript presents the realization of an experimental device to produce Bose-Einstein condensates of potassium 41. This experiment was built to study the model of the kicked rotor in the presence of interactions. The choice of potassium 41 for this experiment is motivated by two reasons. The first is that the diffusion length of this atom is positive (allowing easy condensation) and has accessible Feshbach resonances. The second is that the wavelengths of its cooling transitions can be generated by powerful fiber laser sources in the telecom domain doubled in frequency. This has the advantage of being able to manufacture stable and robust laser systems for laser cooling and optical trapping of potassium 41. The particularity of our system lies in the frequency generation that takes place before the high power amplification and frequency doubling stages. The development of these laser benches acting on the two cooling transitions D1 and D2 enabled the laser cooling stages to be completed. Thanks to these laser benches, a magneto-optical trap gathering 3x10^(9) atoms was obtained. Compression and cooling with grey molasses of this magneto-optical trap allowed to reach a temperature of 16 µK and a density in the space of phases of 10^(-6). The following evaporative cooling steps are carried out successively with a quadrupolar trap, a hybrid trap (quadrupolar trap + optical trap) and to finish a crossed optical dipole trap. Condensates of 500,000 atoms were observed in this crossed optical dipole trap. We also identified Feshbach resonances that will allow the control of interactions. For the study of the kicked rotor, an original pulsed laser system was designed in parallel. The realization of this system was made from a high-power amplified telecom pulsed laser doubled in frequency. This system produces near infrared pulses at a repetition frequency between 100 kHz to 500 kHz with peak optical power up to 350W. This pulsed laser bench allowed us to perform the first experiments of the kicked rotor from this experiment. A control of the interactions with the identified Feshbach resonances will allow us to study the model of the kicked rotor in the presence of interactions

Dans le cadre des études sur l'endommagement laser liées au projet Mégajoule, nous analysons le couplage entre l'auto-focalisation induite par effet Kerr et la rétrodiffusion Brillouin stimulée pour des impulsions de durée nanoseconde se propageant dans des échantillons de silice. L'influence de la puissance d'entrée, des modulations de phase ou d'amplitude ainsi que la forme spatiale du faisceau sur la dynamique de filamentation est discutée. Nous montrons qu'une modulation d'amplitude appropriée divisant l'impulsion incidente en train d'impulsions de l'ordre de la dizaine de picosecondes supprime l'effet Brillouin pour toute puissance incidente mais réduit notablement la puissance laser disponible. A l'inverse, des impulsions modulées en phase avec une largeur spectrale comparable peuvent subir de la filamentation multiple et une auto-focalisation à distance plus courte causées par des instabilités modulationnelles. Nous démontrons cependant l'existence d'une largeur spectrale critique à partir de laquelle la rétrodiffusion peut être radicalement inhibée par une modulation de phase, même pour des fortes puissances. Cette observation reste valide pour des faisceaux de forme carrée avec des profils spatiaux plus larges, qui s'auto-focalisent beaucoup plus rapidement et se brisent en filaments multiples sur de courtes distances. L'inclusion de la génération de plasma pour limiter la croissance des ondes pompe et Stokes est finalement abordée.

Nous avons etudie les traitements de surface obtenus en irradiant des metaux avec une impulsion laser de 15 ns. Des echantillons constitues d'une couche metallique de quelques nanometres deposee sur un substrat ont ete irradies. Le principe consiste a porter en fusion la surface pour provoquer la diffusion dans la phase liquide des differents constituants. Le couplage energetique durant l'irradiation a ete etudie en mesurant les fractions d'energie absorbees par l'echantillon sous forme thermique et mecanique. Nous avons etudie l'influence des differents parametres qui interviennent dans le procede: l'epaisseur du depot, le milieu d'irradiation, l'ambiance laser et les proprietes thermiques du substrat et du depot. Enfin, les profils de concentration ont ete compares avec des modeles de diffusion et de transferts thermiques. Ceci nous a permis de montrer que la penetration du depot dans le substrat est compatible avec une diffusion en phase liquide

La génération de supercontinuum consiste en un élargissement spectral extrême d'une source laser généralement pulsée par l'intermédiaire des effets non-linéaires. Une fibre optique est le plus souvent utilisée vu l'excellent confinement qu'offre ce type de milieu. La génération de supercontinuum trouve des applications dans de nombreux domaines que ce soit en spectroscopie, en métrologie, ou même en médecine. Depuis plusieurs années de nombreuses recherches ont été conduites visant à repousser les limites de l'élargissement. Pour pallier à la limite fondamentale que représente les pertes matérielles dans l'infrarouge de la silice, plusieurs se sont tournés vers des verres plus exotiques tels que les verres fluorés £#040;?,?,?£#041; et les verres de chalcogénure £#040;?,?,?£#041;. Le but principal de ce mémoire est d'étudier en profondeur la génération de supercontinuum dans l'infrarouge à partir d'impulsions nanosecondes dans des fibres de verre fluoré. Ce mémoire présente premièrement les concepts théoriques derrière les effets non-linéaires menant à la génération de supercontinuum. Ensuite, on y décrit les méthodes utilisées pour caractériser et les propriétés importantes des fibres optiques utilisées. Finalement, les différents supercontinua générés sont présentés et les mécanismes menant à l'élargissement spectral sont analysés.

Plusieurs annees apres la decouverte des nouveaux materiaux a haute temperature critique, il reste beaucoup d'inconnues sur les etats electroniques responsables de la supraconductivite. L'objectif de cette these etait de determiner experimentalement la force du couplage electron-reseau en observant le retour a l'equilibre apres une perturbation breve. La grandeur mesuree est la resistance transitoire de films, polarises dans un etat dissipatif par un courant continu, et soumis a des impulsions optiques soit de 100 psec, soit de 20 nsec. Montage coaxial et instrumentation etaient capables, apres integration, de resoudre des details de l'ordre de 10 microvolts sur une bande passante approchant le gigahertz. Dans des films granulaires (bisrcacuo ou ybacuo), les joints de grains sont des zones de supraconductivite reduite et sont donc tres sensibles a l'irradiation. Des travaux publies par ailleurs faisaient etat de signaux non bolometriques, c'est-a-dire presents dans des conditions ou r=0, mais exigeant de tres fortes excitations. Notre resolution a permis de limiter la puissance laser a des niveaux beaucoup plus faibles et de respecter le regime lineaire. L'image suivante se degage alors du phenomene: recombinaison ultrarapide des paires brisees par les photons incidents, puis retour des quasi-particules vers des etats faiblement excites, l'energie passant finalement vers le substrat selon le temps d'evasion des phonons. Le dernier processus, qui est sans nouveaute, domine au-dessus de 6 k, mais les resultats font apparaitre une gamme de temperature ou le temps de relaxation a une dependance en cube de la temperature, signature tres nette de l'interaction electron-phonon dans un liquide de fermi classique. Tirant parti du decouplage entre les deux systemes electrons et phonons, une analyse a deux temperatures permet d'obtenir le rapport des chaleurs specifiques (electrons et phonons) avec une assez bonne precision lorsque les deux temps sont comparables. On trouve ainsi c(el) dans un domaine ou les mesures calorimetriques sont extremement controversees. Apres l'expose des methodes et des resultats, on presente: un chapitre bibliographique ou sont detaillees de facon comparative les publications recentes sur ybacuo en reponse a des impulsions optiques; un appendice sur les applications bolometriques des films supraconducteurs

Les nanostructures périodiques induites par faisceau laser ont stimulé de nombreuses recherches en raison de leurs applications dans les domaines des technologies micros et nanométriques, telles que la lithographie, la mise en mémoire des données à haute densité, les systèmes nano et micro-électromécaniques (NEMS/MEMS). La dynamique de leur formation sur la surface des couches minces de cuivre (CMC) déposées sur les substrats de silicium et de verre est étudiée dans ce travail. Cette analyse est réalisée en utilisant deux approches de caractérisation : ex situ pour les analyses Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et en transmission (MET), Microscopie à Force Atomique (AFM) et in situ pour les signaux de Réflectométrie en Temps Réel (RRT). Les processus de changement d’état (fusion, ablation, décollement…) et des modifications de la morphologie de surface à l’échelle nanométrique sont étudies en variant un nombre de paramètres clés, à savoir : le dose énergétique (la fluence et le nombre de tirs laser), l’épaisseur des CMC et la nature de substrat en régime d’interaction picoseconde et nanoseconde. En effet, les nanostructures avec une période spatiale de 266 nm (proche de la longueur d’onde laser (λ)), 130 nm (λ/2) et 60 nm (λ/4) sont obtenues. Ces différentes nanostructures périodiques ont été rassemblées dans des cartographies 2D et corrélés à la dose énergétique (fluence et nombre de tirs). Enfin, une tentative d’interprétation des mécanismes de formation des nanostructures périodiques sur les CMC générées en régime laser picoseconde, établie sur la base de nos données expérimentales, semble pertinente avec la théorie d’auto-organisation, notamment pour des nombres de tirs laser importants
Periodic surface nanostructures induced by laser have attracted particular attention because of their applications in the domain of micro and nanotechnologies such as lithography, high density data storage, nano- and micro-electromechanical systems (NEMS/MEMS). The dynamic of their formation on the surface of copper thin film deposited on silicon and glass substrates was investigated in this present work. Two methods are used in this analysis: ex situ analyses by Scanning and Transmission Electron Microscopy (SEM/TEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and in situ diagnostic by Time Resolved Reflectivity method (TRR). The process of phase change (melting, ablation, thin film removal …) and surface morphology modification at the nanoscale are studied with respect to irradiation dose (the fluence and the number of laser shots), the thickness of thin film and the substrate thermal conductivity in the pico- and nanosecond regime. Namely, nanostructures with a spatial period of 266 nm (close to the irradiation wavelength (λ)), 130 nm (λ/2) and 60 nm (λ/4) were successfully obtained. The global relationship between the laser parameters (i.e. fluence and number of laser shots) and nanostructure formation was established in the form of a 2D map. Lastly, an interpretation of the mechanism of periodic nanostructures formation on copper thin film induced by picosecond laser was established on the basis of our experimental data, seems relevant to the self-organization theory, particularly, in multi-pulses regime

Le phénomène de l'endommagement laser en régime nanoseconde à λ=1064 nm est étudié dans des couches minces de mélanges d'oxydes métalliques (Zr, Nb, Hf, Al, Sc) et de silice déposées par pulvérisation par faisceau d'ions (IBS) ainsi que dans des composants multicouches microstructurés. L'intérêt est focalisé sur la métrologie des seuils d'endommagement et sur la compréhension des mécanismes d'initiation, l'objectif in fine étant le développement de composants à haute tenue au flux. Nous montrons que le seuil d'endommagement nanoseconde des mixtures croit avec la fraction volumique de silice et avec la largeur de bande interdite comme en régime femtoseconde. Or aux échelles nanosecondes l'endommagement s'initie sur des défauts (précurseurs) absorbants de taille nanométrique : la distribution du champ et des pertes électromagnétiques dans l'empilement du fait de ces défauts, puis les effets thermiques photo-induits jouent un rôle majeur. La théorie de Mie ainsi qu'une méthode basée sur les éléments finis (FEM) sont utilisées pour calculer l'absorptivité du défaut et un modèle de diffusion de la chaleur permet le calcul de la distribution de température photo-induite. On montre qu'une température critique Tc dépendante de la largeur de bande interdite permet de décrire l'évolution des seuils. La dépendance de Tc avec le gap est comparable à celle de la température du plasma trouvée dans la littérature. Un modèle statistique permet enfin de calculer la probabilité d'endommagement en fonction de la fluence. Les courbes théoriques et expérimentales sont comparées, ce qui permet d'identifier les précurseurs comme des défauts à très forte absorptivité (type métallique) de taille de 5 à 20 nm.

Afin d'étudier la contribution des non-linéarités à l'endommagement laser ou de prévoir l'évolution d'une impulsion courte, la mesure précise de l'indice de réfraction non-linéaire est importante. Plusieurs bancs de mesure, reposant sur la méthode de Z-scan, sensibles à de faibles indices de réfraction non-linéaire ont été développés afin d'étudier la contribution des différents mécanismes.
Nous avons développé un modèle numérique permettant d'étudier le signal. Nous montrons que le profil spatial du faisceau avait une grande importance sur la mesure. Ensuite la réalisation expérimentale des bancs comprenant tous les moyens de caractérisation nécessaires à une mesure absolue est détaillée.
Enfin, une étude de l'indice de réfraction non-linéaire de la silice est entreprise pour différents régimes temporels. Une grande dépendance avec la durée des impulsions et l'absence d'effets thermiques sont constatées ainsi qu'une contribution non négligeable de l'électrostriction en nanoseconde.

La technique de reconstruction de forme par lumière structurée (ou projection de motifs) permet d’acquérir la topographie d’une surface objet avec une précision et un échantillonnage de points dense, de manière strictement non invasive. Pour ces raisons, elle fait depuis plusieurs années l’objet d’un fort intérêt. Les travaux présentés ici ont pour objectif d’adapter cette technique aux conditions sévères des expériences de physique des chocs : aspect monocoup, grande brièveté des phénomènes, diversité des échelles d’observation (de quelques millimètres au décimètre). Pour répondre à ces exigences, nous proposons de réaliser un dispositif autour d’un système d’imagerie rapide par éclairage laser nanoseconde, présentant des performances éprouvées et bien adaptées. La première partie des travaux s’intéresse à analyser les phénomènes prépondérants pour la qualité des images. Nous montrons quels sont les contributeurs principaux à la dégradation des signaux, et une technique efficace de lissage du speckle par fibrage est présentée. La deuxième partie donne une formulation projective de la reconstruction de forme ; celle-ci est rigoureuse, ne nécessitant pas de travailler dans l’approximation de faible perspective, ou de contraindre la géométrie de l’instrument. Un protocole d’étalonnage étendant la technique DLT (Direct Linear Transformation) aux systèmes à lumière structurée est proposé. Le modèle permet aussi, pour une expérience donnée, de prédire les performances de l’instrument par l’évaluation a priori des incertitudes de reconstruction. Nous montrons comment elles dépendent des paramètres du positionnement des sous-ensembles et de la forme-même de l’objet. Une démarche d’optimisation de la configuration de l’instrument pour une reconstruction donnée est introduite. La profondeur de champ limitant le champ objet minimal observable, la troisième partie propose de l’étendre par codage pupillaire : une démarche de conception originale est exposée. L’optimisation des composants est réalisée par algorithme génétique, sur la base de critères et de métriques définis dans l’espace de Fourier. Afin d’illustrer les performances de cette approche, un masque binaire annulaire a été conçu, réalisé et testé expérimentalement. Il corrige des défauts de mise au point très significatifs (Ψ≥±40 radians) sans impératif de filtrage de l’image. Nous montrons aussi que ce procédé donne accès à des composants tolérant des défauts de mise au point extrêmes (Ψ≈±100 radians , après filtrage). La dernière partie présente une validation expérimentale de l’instrument dans différents régimes, et à différentes échelles. Il a notamment été mis en œuvre sur l’installation LULI2000, où il a permis de mesurer dynamiquement la déformation et la fragmentation d’un matériau à base de carbone (champs millimétriques). Nous présentons également les mesures obtenues sous sollicitation pyrotechnique sur un revêtement de cuivre cylindrique de dimensions décimétriques. L’apparition et la croissance rapide de déformations radiales submillimétriques est mesurée à la surface du revêtement
A Structured Light System (SLS) is an efficient means to measure a surface topography, as it features both high accuracy and dense spatial sampling in a strict non-invasive way. For these reasons, it became in the past years a technique of reference. The aim of the PhD is to bring this technique to the field of shock physics. Experiments involving shocks are indeed very specific: they only allow single-shot acquisition of extremely short phenomena occurring under a large range of spatial extensions (from a few mm to decimeters). In order to address these difficulties, we have envisioned the use of a well-known high-speed technique: pulsed laser illumination. The first part of the work deals with the evaluation of the key-parameters that have to be taken into account if one wants to get sharp acquisitions. The extensive study demonstrates that speckle effect and depth of field limitation are of particular importance. In this part, we provide an effective way to smooth speckle in nanosecond regime, leaving 14% of residual contrast. Second part introduces an original projective formulation for object-points reconstruction. This geometric approach is rigorous; it doesn’t involve any weak-perspective assumptions or geometric constraints (like camera-projector crossing of optical axis in object space). From this formulation, a calibration procedure is derived; we demonstrate that calibrating any structured-light system can be done by extending the Direct Linear Transformation (DLT) photogrammetric approach to SLS. Finally, we demonstrate that reconstruction uncertainties can be derived from the proposed model in an a priori manner; the accuracy of the reconstruction depends both on the configuration of the instrument and on the object shape itself. We finally introduce a procedure for optimizing the configuration of the instrument in order to lower the uncertainties for a given object. Since depth of field puts a limitation on the lowest measurable field extension, the third part focuses on extending it through pupil coding. We present an original way of designing phase components, based on criteria and metrics defined in Fourier space. The design of a binary annular phase mask is exhibited theoretically and experimentally. This one tolerates a defocus as high as Ψ≥±40 radians, without the need for image processing. We also demonstrate that masks designed with our method can restore extremely high defoci (Ψ≈±100 radians) after processing, hence extending depth of focus by amounts unseen yet. Finally, the fourth part exhibits experimental measurements obtained with the setup in different high-speed regimes and for different scales. It was embedded on LULI2000 high energy laser facility, and allowed measurements of the deformation and dynamic fragmentation of a sample of carbon. Finally, sub-millimetric deformations measured in ultra-high speed regime, on a cylinder of copper under pyrotechnic solicitation are presented

Cette thèse porte sur l'endommagement laser à la surface de composants optiques en silice amorphe en régime nanoseconde. Ce phénomène est une modification irréversible du matériau. Dans le régime nanoseconde, l'endommagement laser de la silice est étroitement corrélé à la présence de défauts précurseurs qui sont une conséquence de la synthèse et du polissage des composants. Cette thèse propose des investigations sur l'endommagement laser par plusieurs longueurs d'onde simultanément. Afin de mieux appréhender ce phénomène dans ces conditions d'irradiation, trois études sont conduites. La première porte sur la phase d'amorçage des dommages. Les résultats expérimentaux obtenus dans les cas mono-longueur d'onde permettent de mettre en avant un couplage dans le cas multi-longueurs d'onde. Une comparaison de ces résultats avec un modèle théorique développé au cours de cette thèse permet d'améliorer la compréhension des processus fondamentaux liés à cette phase d'endommagement. Puis, des caractérisations morphologiques post mortem couplées à une métrologie précise des faisceaux laser permettent d'établir la nature ainsi que la chronologie des mécanismes conduisant à la formation des dommages. Le scénario théorique proposé est validé à travers différentes expériences. En dernier lieu, nous étudions la phase de croissance des dommages dans les cas mono et multi-longueurs d'onde. Une fois de plus, cette dernière configuration met en lumière un couplage entre les longueurs d'onde. Nous montrons la nécessité de prendre en compte les caractéristiques spatiales des faisceaux laser lors d'une session de croissance des dommages
In this thesis, laser-induced damage phenomenon on the surface of fused silica components is investigated in the nanosecond regime. This phenomenon consists in an irreversible modification of the material. In the nanosecond regime, laser damage is tightly correlated to the presence of non-detectable precursor defects which are a consequence of the synthesis and the polishing of the components. In this thesis, we investigate laser damage in a multiple wavelengths configuration. In order to better understand this phenomenon in these conditions of irradiation, three studies are conducted. The first one focuses on damage initiation. The results obtained in the single wavelength configurations highlight a coupling in the multiple wavelengths one. A comparison between the experiments and a model developed during this thesis enables us to improve the knowledge of the fundamental processes involved during this damage phase. Then, we show that post mortem characterizations of damage morphology coupled to an accurate metrology allow us to understand both the nature and also the chronology of the physical mechanisms involved during damage formation. The proposed theoretical scenario is confirmed through various experiments. Finally, we study damage growth in both the single and the multiple wavelengths cases. Once again, this last configuration highlights a coupling between the wavelengths. We show the necessity to account for the spatial characteristics of the laser beams during a growth session

Les travaux portent sur l’endommagement laser en régime nanoseconde aux longueurs d’onde 355 nm et 266 nm. L'objectif de cette étude est de comprendre et d'analyser les processus mis en jeu lors de l'endommagement laser en surface et en volume de matériaux optiques, massifs ou en couches minces, lors de tirs répétés. Dans ce contexte, un banc d'endommagement laser a été entièrement mis en place et automatisé. Il permet d'analyser la résistance et le vieillissement de ces composants sous irradiation UV à des fréquences de tir de 50Hz, pour un grand nombre de tirs et de relever de façon systématique les paramètres du test les plus importants (profiles spatiaux et énergies des impulsions, images du site avant et après dommage). Pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques conduisant à la fatigue des matériaux en tirs laser répétés, un modèle a été développé afin de discriminer les effets statistiques (dus au grand nombre de tirs impliqués) de modifications du matériau sous flux UV. Ce modèle a été validé expérimentalement dans le cas de la silice synthétique étudiée en volume. En ce qui concerne les couches minces, une étude multi-paramètres de la tenue au flux UV de mixtures d'oxydes a été menée, en partenariat avec le Laser Zentrum Hannover (LZH, Allemagne). Ces matériaux ont en effet un comportement complexe et encore mal connu, en particulier en tirs répétés. Enfin, une partie du travail de thèse est consacrée à la caractérisation non-destructive de cristaux de KDP par photoluminescence pompée dans l'UV, réalisée dans le contexte du laser MégaJoule en collaboration avec le CEA Le Ripault (Monts)
The work is devoted to laser-induced damage in the nanosecond regime at the wavelengths of 266 nm and 355 nm. The goal of this study is to understand and to analyze the processes taking place during multi-pulse irradiation causing laser-damage, on the surface and in the bulk of massive or thin-films optical materials. To this end, a laser-damage experiment was entirely set up and automated. It allows analyzing the laser-damage resistance and the ageing of these components under UV irradiation at a pulse repetition rate of 50 Hz and for a high number of laser pulses and to record systematically the most important test parameters (spatial beam profiles, energies, images of the site before and after irradiation).To better understand the physical phenomena leading to fatigue effects in the materials under multiple pulse irradiation, a model was developed allowing the discrimination of statistical effects (due to the high number of shots) from material modifications under UV irradiation. This model was confirmed by testing synthetic fused silica irradiated in the bulk. Concerning thin-film coated components, oxide mixtures were studied in collaboration with the Laser Zentrum Hannover (LZH, Germany) using a multi-parameter approach. These materials show indeed a complex behavior and remain poorly known, in particular under multi-pulse irradiation. Finally, a part of the work is dedicated to the non-destructive characterization of KDP crystals by UV-pumped photoluminescence, realized in the framework of the MegaJoule project, in collaboration with CEA Le Ripault (Monts, France)

Lorsqu'un faisceau laser de forte puissance traverse un matériau transparent, l'autofocalisation peut mener à une dégradation de la surface d'onde ou conduire à un endommagement du matériau. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, la mesure précise de l'indice de réfraction non-linéaire est capitale. Dans le régime nanoseconde, plusieurs mécanismes peuvent mener à une variation photo-induite de l'indice de réfraction non-linéaire. Afin d'étudier les variations d'indice de réfraction photo-induites dans le régime nanoseconde, un banc de mesure sensible de faibles indices de réfraction non-linéaire a été développé. Ce banc de mesure est basé sur une méthode de mesure de déformation de faisceau : la méthode de Z-scan. A l'aide d'une parfaite maîtrise de la métrologie et d'un algorithme de simulation trés général, l'indice de réfraction non-linéaire peut être mesuré avec une sensibilité de lambda/3000 sur la variation de chemin optique dans le matériau et une erreur absolue estimée à 12% à 1064nm et 16% à 532nm sur l'indice de réfraction non-linéaire. Dans ces conditions, l'indice de réfraction non-linéaire de la silice et du BK7 a pu être mesuré à 1064nm et à 532 nm. Une contribution non négligeable de l'électrostriction et des effets thermiques a pu être constatée.