Дисертації з теми "Lasers accordables à l'état solide"

L'objectif de cette thèse est l'étude de nouveaux matériaux et d'architectures innovantes pour les lasers organiques à l'état solide. Le premier axe de ce travail est consacré à la caractérisation laser d'une nouvelle petite molécule organique appelée " fvin ". L'émission stimulée dans le rouge (vers 650 nm) a été observée dans une couche pure de ce matériau, ce qui est en général impossible dans les colorants organiques en raison du phénomène de " concentration quenching ". La méthode de ruban de pompage de longueur variable (Variable Stripe Length (VSL) technique) a été utilisée pour étudier et mesurer le gain de ce matériau. L'effet laser a été démontré dans une cavité à réseaux de Bragg distribués (DBR) ainsi que sous la forme de laser aléatoire à des intensités de pompe élevées. Le deuxième axe de cette thèse est dédié au design, à la réalisation, à la caractérisation et à la modélisation d'une nouvelle architecture laser organique à cavité externe appelée VECSOL (inspirée de l'architecture traditionnelle des VECSELs inorganiques). Le milieu à gain est une couche de PMMA dopée avec un colorant (Rhodamine 640), déposée par " spin-coating " sur un miroir plan diélectrique. Le laser a été caractérisé avec deux sources de pompage de durées d'impulsion différentes (0.5 ns et 7 ns). Nous avons démontré une émission accordable (sur plus de 40 nm), un faisceau limité par la diffraction et un record d'efficacité de 57% dans une configuration optimisée. La dynamique de l'émission laser a été modélisée grâce aux équations de taux de Tang-Statz-de Mars, adaptées à la géométrie VECSOL. La cavité ouverte de l'architecture réalisée a permis, en outre, l'obtention d'une émission ultraviolette accordable grâce au doublement de fréquence intracavité dans une géométrie VECSOL modifiée.

La Ligne Basse Energie du Super Separator Spectrometer (S3-LEB) est un dispositif expérimental qui a pour objectif de produire des faisceaux d'ions radioactifs de basse énergie dans le cadre de l'installation GANIL-SPIRAL2. Ce travail de thèse traite des premiers résultats hors ligne de S3-LEB incluant les premières mesures de spectroscopie laser dans la cellule à gaz et dans le jet gazeux supersonique, la détermination de l'efficacité de transport des ions produits par ionisation laser résonante, depuis la cellule à gaz à travers la chaîne RFQ, et les mesures de temps de vol avec le spectromètre de masse PILGRIM. Les mesures ont été effectuées en utilisant de l'erbium, introduit par évaporation à partir d'un filament chauffé dans l'environnement gazeux. Les résultats de spectroscopie laser présentés comprennent une caractérisation de l'élargissement de la largeur spectrale due à la pression dans la cellule gazeuse, la validation du principe des mesures du décalage isotopique et de la structure hyperfine dans le jet gazeux. Ce travail démontre le potentiel unique de cette installation pour mener à bien les futures expériences en ligne. L'ionisation et la spectroscopie laser hors ligne de l'uranium et de l'américium de la série des actinides ont également été abordées. Ce travail de thèse comprend également des développements techniques tels que la mise en œuvre des systèmes laser en titane saphir et la construction d’un banc d'essai dédié aux tests des fenêtres d'entrées pour S3-LEB. Un système laser à faisceau continu pompé par diode a été construit pour une application de spectroscopie laser à haute résolution. Les mesures de spectroscopie laser de l'américium effectuées à RISIKO montrent le potentiel d'un tel système laser pour effectuer des mesures à haute résolution dans les actinides
The Super Separator Spectrometer-Low Energy Branch (S3-LEB) is a low-energy radioactive ion beam experimental setup under commissioning as part of the GANIL-SPIRAL2 facility. In this thesis work, the off-line commissioning of the S3-LEB setup, including first laser spectroscopy measurements in both the gas cell and the supersonic gas jet, the determination of the transport efficiency of laser ions from the gas cell through the RFQ chain, and time-of-flight measurements with the multi-reflection time-of-flight mass spectrometer PILGRIM are discussed. The measurements were performed using erbium, introduced by evaporation from a heated filament in the gas environment. The reported laser spectroscopy results include a characterization of the pressure broadening in the gas cell and proof-of principle isotope shift and hyperfine-structure measurements. This work proves the potential of the setup to conduct the future online tests, where erbium is chosen as the first case for online commissioning. Offline laser ionization and spectroscopy of uranium and americium from the actinide series have been discussed. This thesis work also includes technical developments such as the implementation of the titanium sapphire laser systems and a dedicated entrance window test bench for the S3-LEB. A continuous wave diode-pumped laser system has been built for high-resolution laser spectroscopy application. Americium laser spectroscopy measurements at RISIKO present the potential of such a laser system in performing high-resolution measurements in actinides

Ce travail est consacré à l'étude des ions Ce3+ et Pr3+ dans des monocristaux de fluorures et d'oxydes pour une émission laser accordable dans le domaine UV basée sur la transition vibronique 5d - 4f. Il s'agit d'étudier le fonctionnement laser de l'ion Ce3+ dans les cristaux de LiLuF4 et LiYF4 puis d'explorer d'autres systèmes dopés avec les ions Pr3+ ou Ce3+. Après une brève description de la technique Czochralski utilisée pour synthétiser les cristaux de fluorures et un rappel de leurs propriétés optiques et structurales, le premier chapitre présente l'effet du champ cristallin sur les niveaux d'énergie de la configuration 4f5d ainsi que les propriétés spectroscopiques liées aux transitions interconfigurationelles 4fn ↑ 4fn-15d1. Le chapitre II est consacré à l'étude du fonctionnement laser de LiLuF4:Ce3+ ainsi qu'à des mesures de gain et de perte dans les cristaux de LiYF4:Ce3+ et LiLuF4:Ce3+ afin de déterminer les facteurs qui limitent le rendement laser de ces matériaux. Des simulations numériques sont également décrites afin de calculer le gain et le rendement laser de ces systèmes. Le chapitre III porte sur l'étude expérimentale et théorique des niveaux d'énergie de la configuration 4f5d de l'ion Pr3+ en vue d'un pompage par étapes. Un montage d'absorption dans l'état excité (AEE) permettant de sonder les niveaux 4f5d depuis des niveaux métastables de la configuration 4f2 est présenté. Les spectres enregistrés par cette technique sont par la suite interprétés à l'aide d'un modèle théorique prenant en compte l'effet du champ cristallin. Le chapitre IV présente les résultats expérimentaux et théoriques concernant le pompage par étapes de l'ion Pr3+ dans différents matériaux. Un transfert d'énergie Pr3+ - Ce3+ efficace est également démontré en vue d'utiliser l'ion Pr3+ comme sensibilisateur de l'ion Ce3+. Enfin, ce travail se termine par des mesures de gain, lesquelles se sont révélées positives dans le cas des phosphates YPO4:Ce3+ et LuPO4:Ce3+.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le thème de la conception et de la réalisation de cavités lasers utilisant des cristaux comme milieux amplificateurs. Leur compacité, leur fiabilité et la variété des longueurs d'onde obtenues rendent ces lasers particulièrement attractifs pour de multiples applications. Cette étude se divise en deux grandes parties, la première traite des lasers accordables comme le saphir dopé titane ou le fluorure LiSrAlF#6 dopé chrome ; la seconde des lasers monoraies basés sur l'ion néodyme inséré dans des matrices de KGd(WO#4)#2 (appellé KGW) ou d'ASL. Ces différentes sources lasers ont été caractérisées par leurs propriétés spectroscopiques, cristallines et par les différents dispositifs expérimentaux utilisés. Les modes d'émission relaxé et déclenché actif ou passif ont été testés lorsque cela était possible. Deux applications ont été développées pour le laser titane : saphir, la première est consacrée au pompage d'un cristal de Nd:YAG pour générer une émission laser impulsionnelle a 946 nm, la seconde concerne la dermatologie avec la réalisation d'un laser médical complet. Le cristal de Nd:KGW a permis d'obtenir une source laser à très fort rendement (6%) fonctionnant dans de multiples configurations pour deux longueurs d'onde différentes (1,06 m et 1,35 m) avec des puissances de sortie importantes (respectivement 63 et 25 W). Le Nd:ASL, malgré des résultats intéressants, n'a pas tenu ses promesses principalement en terme d'efficacité et de qualité de faisceau.

Nous avons développé, au laboratoire SMIL, différents circuits d'une alimentation électrique conçue pour des décharges rapides dans les lampes flashs. Ces impulsions durent 1,5 à 3 microsecondes avec des cadences de tir pouvant atteindre 30 Hz. Ensuite, un laser à colorant pompé par flashs a été réalisé. Ce laser a servi d'amplificateur par l'injection d'un faisceau issu d'un laser à krypton monomode dans une cavité plane en anneau. Cette cavité, formée de quatre miroirs plans, a permis d'obtenir des impulsions lasers de bonne qualité spectrale et d'une puissance crête de plus de 40 kw. Par la suite, nous avons mis au point un laser Ti:Saphir pompé par flashs. Ce laser est capable de produire des impulsions lasers de plus de 500 mJ, avec une efficacité différentielle de plus de 1%. Nous avons étudié les différents paramètres afin d'optimiser l'efficacité et la fiabilité du laser Ti:Saphir pompé par flashs. En particulier, l'utilisation des convertisseurs fluorescents, pour convertir les rayonnements UV des flashs dans la bande d'absorption du Ti:Saphir, est présentée.

Dans le cadre de la recherche de nouveaux lasers à solide ultraviolets accordables, l'ion Pr3+ introduit comme dopant dans des matériaux est intéressant puisque ses états 4f5d, émetteurs dans le domaine spectral UV, peuvent être efficacement peuplés par un pompage à 2 étapes via les niveaux métastables 3Pj, 1I6 ou 1D2. Grâce à l'utilisation de photons excitateurs moins énergétiques que dans le cas d'un pompage direct des états 4f5d, les risques de solarisation sont réduits ce qui devrait être plus favorable à l'obtention de l'émission laser. Pour l'étude des potentialités d'une telle émission laser avec des matrices dopées Pr3+, le choix du matériau hôte est un élément primordial. Les fluorures et les oxydes semblent les plus intéressants, du fait notamment de leur large bande interdite. Un ensemble des mesures spectroscopiques (absorption, fluorescence, excitation, déclin de fluorescence) a été effectué sur les cristaux sélectionnés permettant de déterminer les longueurs d'onde d'excitation de la première et de la deuxième étape du pompage par up-conversion, de définir les délais temporels entre ces 2 pompes, etc Ensuite, pour analyser l'efficacité du pompage à 2 étapes utilisant les niveaux intermédiaires 3Pj, 1I6 ou 1D2, des expériences d'absorption dans l'état excité (AEE) ont été réalisées (entre 430 et 240 nm), indiquant des sections efficaces d'AEE élevées de l'ordre de 10-18 cm2. Les mesures de gain ont utilisé au mieux l'ensemble des résultats précédents. Malgré un pompage à 2 étapes, les tests ont montré des pertes depuis les états émetteurs empêchant l'amplification, pertes dues à la photoionisation des ions Pr3+ et à la formation de centres colorés. Néanmoins, ces pertes sont moindres dans les fluorures. Dans des échantillons codopés par Pr3+ et Ce3+, des transferts d'énergie efficaces depuis les états 4f5d du Pr3+ vers les états 5d du Ce3+ permettent le pompage de l'émission UV du Ce3+ par up-conversion. Les pertes sont nettement réduites par rapport aux cristaux dopés Pr3+
Within research of new ultraviolet tuneable solid state lasers, Pr3+ ion as dopant in materials is interesting insofar as its 4f5d levels emitting in the near UV spectral domain can be efficiently populated by a two step pumping using 3Pj, 1I6 or 1D2 metastable levels. The use of less energetic exciting photons than in the case of direct pumping should help to reduce solarisation effects and, consequently, should improve the possibility of laser emission achievement. To study such potentialities with Pr3+ doped crystals, the choice of the most suitable hosts is important. Fluoride and oxide materials seem to be quite interesting as they presents wide forbidden band gap. Spectroscopic measurements (absorption, fluorescence, excitation, fluorescence dynamics) were performed on selected crystals in order to, for example, get wavelengths of first and second steps up-conversion pumping or determine delays between these both pumps Moreover, to evaluate the efficiency of two step excitation processes during 1D2 or 3Pj, 1I6 intermediate levels, excited state absorption (ESA) spectra were recorded from 430 to 240 nm. Then ESA cross sections were found in the order of 10-18 cm2. Gain measurements used as well as possible previous results. In spite of a two step 4f5d levels excitation, losses from these levels prevent amplification due to Pr3+ ions photoionisation and colour centres formation. However, these losses are weaker in fluoride crystals. In codoped Pr3+ and CE3+ samples, efficient energy transfers from Pr3+ 4f5d states to Ce3+ 5d states enable UV emission of Ce3+ after two step excitation of Pr3+ 4f5d states. Losses are reduced compared to losses in Pr3+-doped crystals

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le développement d'un nouveau type de polariseur de l'émission d'un laser au moyen d'un réseau de diffraction résonnant intégré monolithiquement à l'un des miroirs multicouches du laser. Deux types de laser et de structure polarisante ont été étudiés : - Polarisation du faisceau émis d'une cavité Nd : Y AG micro chip monolithique à l'aide d'un réseau de diffraction résonnant rectilinéaire gravé dans la dernière couche de haut indice du miroir de sortie et, - Génération d'un mode à polarisation radiale dans les lasers Nd : YAG de puissance au moyen d'un réseau de diffraction concentrique intégré au miroir de fond de cavité. Les différents principes de fonctionnement de ces miroirs ainsi que les méthodes de fabrication et de caractérisation utilisées sont décrits. Des démonstrateurs ont été réalisés et testés en cavité laser
The work presented in this thesis carries on the development of a new type of polarizing element of the emission of a laser by means of a diffraction grating integrated monolithically to one of the multilayer mirrors of the laser. Two types of laser and polarizing element were studied : - Polarization of the emitted beam of a monolithic microchip Nd : YAG cavity by means of resonant diffraction grating engraved in the last high index layer of the output mirror and, - Generation of a radially polarized beam in a high power Nd : YAG lasers by means of concentric diffraction grating integrated to the rear mirror of the cavity. The different polarizing principles of these mirrors as well as fabrication and characterization methods are described. Demonstrators have been achieved and have been tested in laser cavity

Neutral silver atom has a thin natural atomic transition  ~ 0,8 Hz (4d10 5s 2S1/2  4d9 5s2 2D5/2) which can be probe by two photon at 661,325 nm. Realizing an optical frequency standard based on silver atom needs a preliminary piece of work of building two red single-modes solid state laser sources: a first one at 656,324 nm is required to generate U. V. Beam for cooling and trapping silver atom. A second red source at 661,325 nm must be set up for probing the two-photon clock transition. The work presented in these Ph. D thesis concern the way adopted to run those two red laser sources in respect to the specifications imposed by their using in terms of power, single-mode characteristics, time stability and M². Designing those red sources consists in intra-cavity frequency doubling of cw single-mode infrared bow-tie ring cavities at 1,3 µm based on Nd:YLF. Then, this Ph. D thesis first details work’s steps for carrying out cavities at 1312,648 nm and 1322,651 nm. In a second time, this Ph. D thesis reports measures on single-pass frequency doubling at 1,3 µm for testing several non-linear crystals (LBO, BiBO and ppKTP). Recorded results from single-pass tests lead to full characterization of second harmonic generation capability at 1,3 µm of such crystals and allow forecasting dynamic behavior of red sources building within them. The last part of this Ph. D thesis displays results recorded about red sources: Red source intended for probing the clock transition is tunable over a 2,15 nm range with 530 mW output red power at 661,325 nm. Red source for cooling silver atom is tunable over a 1,75 nm range with a single-frequency red power of 420 mW at 656,324 nm
L’atome d’argent (Ag) possède une transition (4d10 5s 2S1/2  4d9 5s2 2D5/2) de faible largeur naturelle  ~ 0,8 Hz pouvant être excitée par 2 photons vers 661,325 nm. Cet atome est donc un candidat pour réaliser un étalon de fréquence optique d’exactitude supérieure à celle donnée par l’horloge atomique de 133Cs. Sa réalisation nécessite un travail amont de conception d’une première source rouge à 656,324 nm, préliminaire à l’acquisition d’une source U. V. à 328,162 nm pour le refroidissement des atomes d’argent et d’une seconde source à 661,325 nm pour sonder la transition d’horloge. Ce mémoire de thèse rapporte ce travail de réalisation dans le respect des exigences du cahier des charges en termes de puissance, de caractère monomode, d’accordabilité, de qualité de faisceau M² et de stabilité. Chacune des sources consiste en une cavité en anneau monomode vers 1,3 µm basé sur un cristal Nd :YLF avec doublage de fréquence intra-cavité. Ce mémoire détaille d’abord les étapes de construction des cavités infrarouges à 1312,648 nm et 1322,651 nm. Puis, ce manuscrit expose des travaux de doublage de fréquence en simple passage par des cristaux de LBO, BiBO et ppKTP permettant, outre une caractérisation précise de la génération de seconde harmonique à 1,3 µm de ces cristaux, d’appréhender la dynamique des sources rouges conçues avec ces derniers. La dernière partie expose les performances des sources rouges : la source pour sonder la transition d’horloge est accordable sur 2,15 nm et délivre 530 mW à 661,325 nm. La source dédiée au refroidissement des atomes d’argent est accordable sur 1,75 nm et émet 420 mW à 656,324 nm

Ce travail de thèse s'inscrit dans
le cadre du développement d'une horloge optique basée sur une
transition à deux photons de 661 nm de l'Ag de largeur naturelle
~1 Hz. Afin de profiter du facteur de qualité de la
résonance, il faudra travailler sur un échantillon d'atomes
refroidis par laser, la longueur d'onde nécessaire étant de 328
nm. Ce mémoire concerne plus précisément la mise au point de
sources lasers solides pour améliorer la fiabilité de l'expérience
actuelle. Le cristal laser de Nd:YLF, pompé par diode laser,
permet d'accéder aux longueurs d'onde 1322 nm et 1312 nm. Le
doublage en fréquence de la première source fournira la radiation
à 661 nm tandis que deux étapes de doublage permettront d'obtenir,
à partir des photons à 1312 nm, une onde à 656 nm puis
une onde à 328 nm. Nous avons développé un modèle théorique, tenant
compte des effets thermiques et notamment des processus de
recombinaison Auger, afin de dimensionner différentes
configurations laser à tester (cavité linéaire, à mode hélicoïdal,
cavité en anneau réinjectée). Grâce à la dernière, nous avons
réalisé des sources continues, monomodes, d'environ 2 W, à 1322
nm et à 1312 nm. Ces cavités se prêtant au doublage de fréquence,
nous avons obtenu des puissances de 440 mW à 661 nm et 340 mW à
656 nm. Par ailleurs, une étude théorique des probabilités de
transition de l'atome d'argent à l'aide des codes de Cowan a été
entreprise, afin d'une part de chiffrer l'ordre de grandeur de la
puissance laser nécessaire et d'autre part, d'estimer la durée de
vie du niveau métastable, jusqu'alors obtenue
uniquement par comparaison
avec une transition quadrupolaire de l'ion mercure.

Ce travail est consacré à l'étude spectroscopique des transitions interconfigurationnelles 4f3 4f25d de l'ion Nd3+ introduit à l'état de dopant dans des cristaux. Des émissions laser dans l'UV ont été démontrées par le passé à partir de ces transitions; leurs faibles efficacités liées en partie à l'utilisation de photons très énergétiques pour le pompage direct des états de la configuration excitée 4f25d nous conduisent à envisager des schémas d'excitation à deux photons. Une étude spectroscopique expérimentale approfondie réalisée sur des cristaux de LiYF4:Nd3+, BaY2F8:Nd3+, Na0. 4Y0. 6F2. 2:Nd3+ et Cs2NaYCl6:Nd3+ permet de définir des schémas d'excitation et d'émission optimisés. Les spectres expérimentaux obtenus pour LiYF4:Nd3+ et BaY2F8:Nd3+ sont ensuite simulés par un calcul de champ cristallin. Les tests de gain réalisés sur les fluorures, bien que négatifs, ont permis de mettre en évidence des processus d'absorption à partir des états de la configuration excitée 4f25d

Les possibilités remarquables offertes par les techniques de refroidissement laser et de piégeage ont permis des avancées significatives dans le domaine des standards de fréquence à base d'atomes neutres. Parmi les différents systèmes permettant d'accéder à des valeurs de stabilité et précision élevés, l'atome d'argent est considéré comme l'un des candidats les plus prometteurs comme standard optique de fréquence. Cette thèse traite du développement d'une horloge basée sur des atomes neutres d'Ag. La transition 4d105s2 S1/2 > 4d95s2 2D5/2 dans l'Argent peut fournir une référence de fréquence pour les raisons suivantes : le niveau métastable 2D5/2, qui se relaxe par émission d'un photon quadripolaire électrique à 330. 5 nm, possède une durée de vie estimée à 0. 2 s, correspondant à une largeur de raie naturelle très faible de 0. 8 Hz. Il est par conséquent possible de bénéficier d'un long temps d'interaction pour le dispositif de fontaine atomique. De plus, cet état est accessible par une transition à 2 photons à 661. 2 nm, permettant d'éliminer l'effet Doppler du 1er ordre. Comme aspect technique important, la fréquence nécessaire pour la transition d'horloge et celle pour le refroidissement des atomes d'argent (raie D2 à 328 nm) peut être obtenue avec le même cristal de NdYLF (émission possible à 1322 nm/1312 nm). Ce travailde thèse détaille la réalisation de s sources nécessaires au refroidissement des atomes d'argent et à la transition d'horloge à l'aide d'un cristal de NdYLF pompé par diode et par deux étapes de doublage de fréquence intracavité. Par ailleurs, le phénomène LIAD y est présenté comme un compromis intéressant dans la conception d'une horloge atomique optique
The remarkable capabilities of laser cooling and trapping techniques for neutral atoms have led to great advances in the field of neutral atom-based frequency standards. Among the several atomic systems affording excellent prospects of high stability and accuracy in the optical region, the silver atom is regarded as one of the most promising candidates for an optical frequency standard. This thesis deals with the development of a clock based on neutral silver atoms. The Ag 4d105s2 S1/2 > 4d95s2 2D5/2 transition provides an attractive reference frequency for the following reasons : the 2D5/2 metastable level, which decays by emission of electric quadrupole radiation at 330. 5 nm, has an estimated lifetime of 0. 2 s, corresponding to an ultralow natural linewidth of only 0. 8 Hz. It’s therefore possible therefore to benefit from the long interaction time in an atomic fountain setup. Furthermore, the long-lived state is accessible with a two-photon transition at 661. 2 nm, providing a first-order Doppler-free interaction with atoms of all velocities. As an important technical aspect, the frequency needed to drive the clock transition and to cool the silver atoms (D2 line at 328 nm) can be provided by the same crystal Nd:YLF enable to generate both 1322 nm and 1312 nm. This work details especially the realization of the laser sources for both cooling silver atoms and driving the clock transition by diode-pumped Nd-YLF crystal and intracavity frequency doubling operation in two steps (second and fourth harmonic generation). In addition, the Lignt Induced Atomic Desorption (LIAD) phenomenon is described and observed as an interesting compromise in the case of an optical atomic clock conception

Le crystal étudié est le scandium orthoborate dopé au chrome, Cr3+:(Ce,Gd)Sc3(BO3)4. Il présente deux bandes d'absorption, à 470 nm et 650 nm et, pompé par diode laser rouge, une luminescence infrarouge (de 800 nm à 1200 nm). L'étude de ses propriétés lasers a montré leur dégradation progressive à température croissante et leur forte réduction sur quasi tout le spectre de luminescence, due à l'absorption par les états excités. Néanmoins, la génération laser du cristal pompé par un laser pulsé a été démontrée à 847 nm. Deux lasers infrarouges ont été développés à partir des cristaux LiSAF et LiCAF pompés par une diode laser rouge de 2 W, en cavité hémisphérique de 2 cm de long. Une puissance de 300 mW à 400 mW a été mesurée en fonctionnement multimode longitudinal. Les spectres de mode longitudinaux ont été mesurés avec une lame intracavité, une sélection par réseau et en fonction de la longueur totale de la cavité.

Les développements de deux spéctromètres de saturation à ultra-haute résolution dans le domaine infrarouge, l'un dans la région spectrale 9-12 mu m et l'autre accordable de 2,3 a 3,2 mu m sont exposés en detail. La stabilisation en fréquence d'un laser à CO(2) conventionnel ou guide d'ondes au niveau de la dizaine de hertz ainsi que l'obtention d'une stabilité meilleure que 1 khz pour le laser à centres colores soulignent le role cle de ces oscillateurs dans la chaine de raccordement de fréquence de l'horloge à cesium vers le domaine visible. L'étude des interactions hyperfines est presentée dans le cas des molécules diatomiques héteronucleaires (hf) et des toupies spheriques du groupe ponctuel O(h) (sf(6)). Grace a l'enregistrement de structures hyperfines tres bien resolues, de nombreux effets ont etes mis en evidence et interpretes à l'aide du formalisme tensoriel (dans le groupe (l)o(3) x O(h)) en particulier : l'interaction de spin-vibration (bande upsilon (3) de sf(6)), les mélanges d'états de types de symétrie differents (sf(6)), les corrections ro-vibrationnelles à l'interaction de spin-rotation (hf et sf(6)), les structures superhyperfines (sf(6))

Ce travail de thèse est consacré à l’étude ab initio de la dynamique des phonons optiques cohérents dans le bismuth. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude ab initio des propriétés à l’équi- libre des semi-métaux du groupe V (arsenic, antimoine et bismuth). Nous avons montré que les calculs basés sur l’approximation de la densité locale (LDA) permettent de reproduire correctement les propriétés structurales, électroniques et vibrationnelles de ces composés. Nous avons calculé la dynamique des phonons cohérents dans l’hypothèse où les élec- trons relaxent très rapidement par rapport aux temps caractéristiques des vibrations ato- miques, permettant ainsi de caractériser la distribution électronique hors-équilibre par une température électronique largement supérieure à celle du réseau. Cette approche nous a permis de corroborer d’une part le scénario de l’excitation displacive (DECP) dans le cas du bismuth et de l’antimoine, et de reproduire qualitativement les baisses de fréquence et les augmentations d’amplitude avec la densité d’excitation observées dans les expériences pompe-sonde. Nous avons couplé les résultats de nos calculs ab initio avec un modèle à deux tem- pératures afin d’effectuer une comparaison quantitative avec les spectres de diffraction X résolue en temps. Nous avons ainsi pu identifier le rˆole essentiel de la diffusion de la chaleur au sein du système électronique, et montrer qu’un modèle à entropie électronique quasi- constante est le plus adapté pour la description du phonon cohérent de symétrie A1g dans le bismuth photoexcité
This thesis is devoted to the ab initio study of the coherent optical phonon dynamics in bismuth. As a first step, we have performed an ab initio study on equilibrium properties of group-V semimetals (arsenic, antimony, bismuth). By this approach, we have shown that calculations based on local density approximation (LDA) correctly reproduce structural, electronic, and vibrational properties of these compounds. We calculated the dynamics of coherent phonons in the hypothesis that photoexcited electrons relax very quickly compared to characteristic time of atomic vibrations, allowing us to describe the out-of-equilibrium electronic distribution by an electronic temperature much higher than the lattice one. This approach allows us to corroborate the displacive scenario (DECP) for bismuth and antimony, and to qualitatively reproduce the decrease of the frequency and the increase of the amplitude observed in pump-probe experiments. We coupled our ab initio calculations with a two temperatures model in order to make a quantitative comparison with time resolved X-ray diffraction experiments. Thereby, we have pointed out the important role played by the electronic heat diffusion, and shown that a quasi-constant electronic entropy model is the most relevant to describe the dynamics of A1g coherent phonon in photoexcited bismuth

L'emploi d'impulsions laser femtosecondes ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle optique de matériaux moléculaires. Contrairement à ce qui est observé en solution dans le domaine de la femtochimie, des molécules dans un solide ne répondent pas de façon indépendante à une excitation lumineuse. On parle alors de transition de phase photo-induite. Lors de la photo-commutation vers un nouvel ordre électronique et structural, il peut ainsi exister des effets coopératifs ou des effets collectifs. Afin de mieux étudier et comprendre ces phénomènes, nous avons mis en place une expérience pompe-sonde optique femtoseconde. Deux types de systèmes moléculaires ont été étudiés ici. La première étude porte sur l'observation du changement de l'état de spin d'un complexe moléculaire à l'état solide. Le couplage des expériences optiques avec des mesures de diffraction X ultra-rapides donne accès à toute la dynamique hors-équilibre du système. La seconde étude porte sur une famille de composés présentant une transition isolant-métal. La dynamique ultra-rapide ainsi observée met en jeux une réponse cohérente du système à travers des modes de vibration inter-moléculaires. Les résultats présentés ici sont au coeur du domaine en pleine émergence des transitions de phase photo-induites qui représente un des aspects les plus fascinants de la dynamique de la matière condensée
The control of the properties of molecular materials by using femtosecond laser pulses opens new perspectives. Contrary to the observation of single molecule femtochemistry, molecules in the solid state do not respond independently to light excitation. This is called a photo-induced phase transition. During the switching to a new electronic and structural order, cooperative and collective effects can be observed. To study and understand these phenomena, we have set-up a femtosecond pump-probe optical experiment. Two kinds of molecular systems were studied here. The first study concerns the switching of the spin state of a molecular complex in the solid state. Combining the optical experiments with ultra-fast X ray diffraction measurements give access to the complete out of equilibrium dynamics of the system. The second study is about a family of compounds showing an insulator to metal phase transition. The ultra-fast dynamics observed shows a coherent response of the system through intermolecular vibrational modes. The results presented here are at the heart of the emerging field of photo-induced phase transitions which represent one of the most fascinating aspects of the dynamics of condensed mater

Il existe une demande de plus en plus importante pour des sources laser bon marché émettant dans le moyen infrarouge (MIR) à température ambiante pour différentes applications incluant la détection des constituants atmosphériques, la communication optique et le domaine de la médecine. De part ses propriétés optiques et structurales, le Cr2+: ZnSe est devenu le candidat idéal pour une émission largement accordable dans la région 2-3 µm.
Dans l'objectif de développer un laser compact pompé électriquement, des films minces de Cr2+:ZnSe ont été élaborés à température ambiante par pulvérisation magnétron radiofréquence d'une cible de SiO2 recouverte de morceaux de ZnSe et de chrome sous plasma d'argon pur, sur des substrats de verre, Si et GaAs.
Quelque soit le substrat, les films déposés sont constitués de ZnSe cubique quasi-stoechiométrique et présentent une structure colonnaire avec une forte orientation préférentielle dans la direction 111. Le recours à l'analyse combinée par diffraction X a permis de résoudre simultanément la texture, la structure et la microstructure d'un des films déposés. Le spectre de PL des films à température ambiante dans le domaine 2-3 µm, comparable à celui des cristaux de référence de Cr2+ :ZnSe, a été obtenu d'une part par excitation directe des ions Cr2+ (1.85 µm) et d'autre part par excitation indirecte en utilisant un laser visible. Les paramètres de dépôt (puissance radiofréquence, pression d'argon, quantité de chrome) ont été optimisés pour obtenir des films présentant une intensité de PL maximum dans le MIR.

L'ensemble des travaux présentés dans cette thèse a été réalisé dans le cadre du Groupement de recherche matériaux lasers (GDR CNRS n°1148, thème : critère de qualité). Il est issu d'une collaboration entre le Laboratoire Traitement du signal et instrumentation, le Laboratoire Physico-chimie des matériaux luminescents et les entreprises CRISMATEC et BM industrie. Ces travaux ont conduit à la mise en oeuvre de différentes techniques expérimentales permettant la compréhension de divers processus se manifestant par une limitation de l'effet laser dans les cristaux de YAG : Nd3+ (Y3al 5o 1 2 : Nd3+) et YLF : Nd3+ (YLIF4 : Nd3+). Le premier aspect de ces processus est lié à l'ion dopant, ce sont des processus intrinsèques tels que l'absorption dans l'état excité et l'addition de photon par transfert d'énergie conduisant à un dépeuplement du niveau métastable émetteur dans l'infrarouge. Nous avons mis au point différentes expériences à deux faisceaux laser synchronisés (pompe, sonde) permettant l'étude des transitions dans l'état excité tant du point de vue spectral que des sections efficaces. Dans le cas du YLF : Nd3+, ces techniques ont permis la mise en évidence d'un double processus d'addition de photons par transfert d'énergie conduisant à des émissions visibles et ultraviolettes faisant suite à un pompage infrarouge ainsi qu'une double absorption dans l'état excité autour de la longueur d'onde laser (1. 05 m). Nous avons par ailleurs appliqué ces techniques à l'étude de transitions d'absorption dans l'état excité intervenant dans le processus d'avalanche de photons dans l'ion thulium pour différentes matrices (Y3al 5o 1 2, YALO3 et Y2O3). Le second aspect de ces travaux, appliqué au YAG : Nd3+, nous a conduit à envisager l'intervention d'un processus extrinsèque à l'ion dopant lié à la formation de centres colorés après pompage optique. On observe ainsi, après pompage, la diminution d'une bande d'absorption autour de 250 nm n'appartenant pas à l'ion Nd3+, l'apparition d'une bande d'absorption s'étendant depuis le visible jusqu'à l'infrarouge conduisant ainsi à l'augmentation de l'absorption résiduelle à la longueur d'onde laser (1. 064 m), cette absorption résiduelle étant mesurée par une technique interférométrique spécialement développée à cet effet. Le processus envisagé est le changement de Valence d'une impureté (probablement du fer) par piégeage d'un électron libéré dans la matrice YAG sous l'effet du rayonnement ultraviolet des flashes de pompage, processus partiellement réversible, avec la création de centres absorbants sous forte intensité de pompage (phénomène à deux photons) et annihilation (blanchiment) de ces centres sous faible intensité de pompage (phénomène à un photon). L'hypothèse actuelle, quant à la nature de ces centres, serait liée au processus d'oxydo-réduction : Fe3+ + e- Fe2+. Nous avons observé que ces centres colorés avaient une influence sur l'énergie extraite et sur la thermique des barreaux en fonctionnement laser