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International audience; An exploratory study is presented that aims at validating a model for mode locking on the basis of a large set of ASDEX Upgrade (AUG) discharges. Not discriminating between plasma configurations, the model allows to estimate the duration of the deceleration phase, as well as the critical mode width for locking. Both quantities are important for the design of disruption avoidance algorithms that aim to affect the MHD mode rotation. It was found that the model successfully described locking of large modes in those cases where the deceleration started in a quasi-stationary phase of the discharge (i.e. with low variability of the global plasma angular momentum prior to mode seeding) and where deceleration took place over temporal intervals comparable to the momentum confinement time. Theoretical braking curves and locking durations predicted with the model were in good quantitative agreement with the experiment. On the other hand, the model failed to reproduce the braking curves of modes appearing towards the end of a transient phase, e.g. during an impurity influx or when approaching the disruptive density limit. It can be concluded that the modes were not the primary cause of the plasma momentum losses within the scope of the model. A modified mode equation of motion is proposed, which accounts for transient variation of the plasma density, e.g. during the development of a MARFE, and its impact on braking predictions is discussed. Furthermore, it was observed that a substantial fraction of modes was rotating at the onset of a major disruptive event. Consequences of this observation on disruption prediction schemes in AUG are examined.

Depressed-index buried and surface channel waveguides (type III) are produced in a bulk 3.5 at.% Tm3+:CALGO crystal by femtosecond direct-laser-writing at kHz repetition rate. The waveguides are characterized by confocal microscopy and µ-Raman spectroscopy. Under in-band-pumping at 1679 nm (3H6 → 3F4 transition) by a Raman fiber laser, the buried channel waveguide laser with a circular cladding (diameter: 60 µm) generated a continuous-wave output power of 0.81 W at 1866-1947 nm with a slope efficiency of 71.2% (versus the absorbed pump power) and showed a laser threshold of 200 mW. The waveguide propagation losses were as low as 0.3 ± 0.2 dB/cm. The laser performance under in-band pumping was superior compared pumping at ∼800 nm (3H6 → 3H4 transition), i.e., the convetional pump wavelength. Vibronic laser emission from the WG laser above 2 µm is also achieved. The low-loss behavior, the broadband emission properties and good power scaling capabilities indicate the suitability of Tm3+:CALGO waveguides for mode-locked laser operation at ∼2 µm., Ministerio de Economía y Competitividad (FIS2017-87970-R, MAT2016-75716-C2-1-R (AEI/FEDER,UE)); Consejería de Educación, Junta de Castilla y León (SA287P18); Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca (2017SGR755); Agence Nationale de la Recherche (LabEx EMC3 project FAST-MIR); European Commission (FEDER); Generalitat de Catalunya (2016FI_B00844, 2017FI_B100158, 2018FI_B200123).

The work of this thesis strives to provide a solution to the persistent problem of poverty of mode-locked fiber lasers, in terms of functionality and flexibility. The thesis proposes a fiber-laser cavity having the specificity of being multifunctional. The cavity is equipped with tunable components, which provide the flexibility to realize functions ranging from the generation of pulses with complex profiles (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc.) up to the carving of pulse profiles, passing through the regulation of peak powers, and the regeneration of severely degraded intensity profiles. The laser cavity that we propose has the specificity of being controlled by a key component, which is a multifunctional nonlinear optical loop mirror (NOLM). We have designed this NOLM by making structural modifications in the usual architecture of this device, and by adding to it: a dispersion compensating fiber, a bandpass filter with tunable bandwidth, and an amplifier (preceded by a gain flattening filter, as needed) with tunable gain. These two parameters make it possible to adjust its transfer function, and thus to increase its functionalities and its flexibility. Thus, in addition to its role as a trigger for mode locking, this NOLM performs essential optical functions such as the regeneration of strongly degraded intensity profiles; which contributes to strengthening the stability of the laser.We also show the possibility of regulating the pulse peak power by locking it around a predefined value. Finally, we show that the multifunction laser offers the possibility to carve pulse profiles, that is, to generate pulses endowed with a peak power and a temporal width set in advance through an appropriate adjustment of the NOLM control parameters. The applications targeted by this multifunction laser are those requiring pulses with finely tunable peak power and temporal width. These activities, include the pulse reshaping in Telecoms, operations of compression or stretching of pulse profiles, optical component diagnostics, and non-destructive control of transmission lines; Les travaux de cette thèse s'efforcent d'apporter une solution au problème persistant de grande pauvreté des lasers à fibre à modes bloqués, en termes de fonctionnalités et de flexibilité. La thèse propose une cavité laser fibrée ayant comme spécificité d'être multifonctionnelle. La cavité est dotée de composants accordables, qui apportent la flexibilité nécessaire pour réaliser des fonctions allant de la génération d’impulsions aux profils complexes (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc) jusqu’à la sculpture des profils d’impulsion, en passant par la régulation des puissances crête, et la régénération de profils d’intensités sévèrement dégradés. La cavité laser que nous proposons a comme spécificité d'être pilotée par un composant clé, qui est un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM : Nonlinear Optical Loop Mirror) multifonction. Nous avons conçu ce NOLM en apportant des modifications structurelles dans l'architecture usuelle de ce dispositif, et en lui adjoignant : une fibre compensatrice de dispersion, un filtre passe bande à bande passante accordable, et un amplificateur (précédé d'un filtre égaliseur de gain, selon le besoin). Le NOLM ainsi conçu est doté de deux paramètres manuellement accordables, à savoir: la bande passante du filtre passe bande et la puissance de pompage de l'amplificateur. Ces deux paramètres permettent de régler sa fonction de transfert, et à accroître ainsi ses fonctionnalités et sa flexibilité. Ainsi, en plus de son rôle comme élément déclencheur du blocage de modes, ce NOLM réalise des fonctions optiques essentielles telles que la régénération des profils d'intensité fortement dégradés par des phénomènes de propagation ; ce qui contribue au renforcement de la stabilité du laser. Nous démontrons également la possibilité de réguler la puissance crête des impulsions, en la verrouillant à une valeur prédéfinie. Nous montrons enfin que le laser multifonction offre la possibilité de réaliser la sculpture des profils d'impulsion, c'est-à-dire, de générer des impulsions dotées d'une puissance crête et une largeur temporelle fixés à l'avance via un réglage approprié des paramètres de contrôle du NOLM.Les applications visées par ce laser multifonction, concernent toutes les activités qui requièrent des sources d'impulsions finement accordables, tant au niveau de puissance crête des impulsions que de leur largeur temporelle. Ces activités, nombreuses dans le domaine Télécom, incluent les opérations de remise en forme des porteuses d'information, les opérations de compression ou étirement de profil d'impulsion, les diagnostics de composants optiques et contrôles non destructifs des lignes de transmission par réflectométrie.

The work of this thesis strives to provide a solution to the persistent problem of poverty of mode-locked fiber lasers, in terms of functionality and flexibility. The thesis proposes a fiber-laser cavity having the specificity of being multifunctional. The cavity is equipped with tunable components, which provide the flexibility to realize functions ranging from the generation of pulses with complex profiles (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc.) up to the carving of pulse profiles, passing through the regulation of peak powers, and the regeneration of severely degraded intensity profiles. The laser cavity that we propose has the specificity of being controlled by a key component, which is a multifunctional nonlinear optical loop mirror (NOLM). We have designed this NOLM by making structural modifications in the usual architecture of this device, and by adding to it: a dispersion compensating fiber, a bandpass filter with tunable bandwidth, and an amplifier (preceded by a gain flattening filter, as needed) with tunable gain. These two parameters make it possible to adjust its transfer function, and thus to increase its functionalities and its flexibility. Thus, in addition to its role as a trigger for mode locking, this NOLM performs essential optical functions such as the regeneration of strongly degraded intensity profiles; which contributes to strengthening the stability of the laser.We also show the possibility of regulating the pulse peak power by locking it around a predefined value. Finally, we show that the multifunction laser offers the possibility to carve pulse profiles, that is, to generate pulses endowed with a peak power and a temporal width set in advance through an appropriate adjustment of the NOLM control parameters. The applications targeted by this multifunction laser are those requiring pulses with finely tunable peak power and temporal width. These activities, include the pulse reshaping in Telecoms, operations of compression or stretching of pulse profiles, optical component diagnostics, and non-destructive control of transmission lines, Les travaux de cette thèse s'efforcent d'apporter une solution au problème persistant de grande pauvreté des lasers à fibre à modes bloqués, en termes de fonctionnalités et de flexibilité. La thèse propose une cavité laser fibrée ayant comme spécificité d'être multifonctionnelle. La cavité est dotée de composants accordables, qui apportent la flexibilité nécessaire pour réaliser des fonctions allant de la génération d’impulsions aux profils complexes (solitons, bi-solitons, tri-solitons, etc) jusqu’à la sculpture des profils d’impulsion, en passant par la régulation des puissances crête, et la régénération de profils d’intensités sévèrement dégradés. La cavité laser que nous proposons a comme spécificité d'être pilotée par un composant clé, qui est un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM : Nonlinear Optical Loop Mirror) multifonction. Nous avons conçu ce NOLM en apportant des modifications structurelles dans l'architecture usuelle de ce dispositif, et en lui adjoignant : une fibre compensatrice de dispersion, un filtre passe bande à bande passante accordable, et un amplificateur (précédé d'un filtre égaliseur de gain, selon le besoin). Le NOLM ainsi conçu est doté de deux paramètres manuellement accordables, à savoir: la bande passante du filtre passe bande et la puissance de pompage de l'amplificateur. Ces deux paramètres permettent de régler sa fonction de transfert, et à accroître ainsi ses fonctionnalités et sa flexibilité. Ainsi, en plus de son rôle comme élément déclencheur du blocage de modes, ce NOLM réalise des fonctions optiques essentielles telles que la régénération des profils d'intensité fortement dégradés par des phénomènes de propagation ; ce qui contribue au renforcement de la stabilité du laser. Nous démontrons également la possibilité de réguler la puissance crête des impulsions, en la verrouillant à une valeur prédéfinie. Nous montrons enfin que le laser multifonction offre la possibilité de réaliser la sculpture des profils d'impulsion, c'est-à-dire, de générer des impulsions dotées d'une puissance crête et une largeur temporelle fixés à l'avance via un réglage approprié des paramètres de contrôle du NOLM.Les applications visées par ce laser multifonction, concernent toutes les activités qui requièrent des sources d'impulsions finement accordables, tant au niveau de puissance crête des impulsions que de leur largeur temporelle. Ces activités, nombreuses dans le domaine Télécom, incluent les opérations de remise en forme des porteuses d'information, les opérations de compression ou étirement de profil d'impulsion, les diagnostics de composants optiques et contrôles non destructifs des lignes de transmission par réflectométrie.

International audience; In 1997, Yoshida et al. inserted a Fabry-Perot filter in a modulation instability fiber laser cavity [1], the free spectral range (FSR) of the Fabry-Perot fixed the RF to 115 GHz; however the pulsed laser was poorly stable. Since then, lasers of increasing performance have been demonstrated using variants of this method. In 2012, Peccianti et al., demonstrated the first fiber laser harmonically mode-locked by integrated high-finesse microresonator [2]. The doped silica, on-chip microresonator provided both high spectral selectivity and nonlinearity, thus promoting the dynamics pulsed at 200 GHz. By using a silicon microring resonator (SMRR), this approach lead to the recent realization of 110 GHz-RF mode-locked fiber laser [3]. Working with silicon takes advantage of the huge investment and experience from the microelectronics industry, and contributes to the development of a monolithic platform for optoelectronics [4]. The high Kerr nonlinearity of silicon is instrumental to induce mode locking with low pumping threshold. However, at the main telecom wavelength (1.55 µm), two photo absorption, free-carriers dispersion and their thermalization have to be considered [5], and can be detrimental to formation of the ultrafast dynamics.

Ce mémoire de HDR reprend les activités de recherche que j’ai menées à l’Onera. Le fil directeur de ces travaux est la compréhension et la mise en œuvre d’effets d’optique non linéaire pour la réalisation de sources et de fonctions optiques ayant principalement vocation à être intégrées dans des instruments de métrologie optique. Les applications visées concernent plus particulièrement la détection et l’analyse de gaz par des mesures locales ou à distance.Ces différentes activités sont regroupées selon cinq thématiques correspondant chacun à un chapitre différent :- Le premier chapitre est dédié aux développements portant sur les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) à filtrage par effet Vernier et leurs mises en application, en particulier pour les applications de détection et d’analyse de gaz.- Le deuxième chapitre décrit d’autres développements d’architectures d’OPO originales utilisant les spécificités de l’interaction paramétrique. - Le troisième chapitre présente les travaux sur les sources paramétriques optiques infrarouges à base de matériaux semi-conducteurs. - Le quatrième chapitre est dédié à la thématique des fonctions et sources optiques non linéaires ultra-rapides.- Le cinquième chapitre porte sur les activités plus fondamentales de caractérisation des corrélations de photons par absorption à deux photons dans les semi-conducteurs.

In this study, we evidence hole spin mode locking in a largely inhomogeneous $p$-doped InAs quantum dot (QD) ensemble, $\ensuremath{\Delta}{g}_{x}^{h}/{g}_{x}^{h}\ensuremath{\approx}34%$, which allows us to reveal a long spin coherence time of ${T}_{2}^{h}\ensuremath{\approx}0.8\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\ensuremath{\mu}\mathrm{s}$. In addition, with a two-pump experiment, we demonstrate, in a low magnetic range 60--120 mT, the possibility to synchronize and tune a single subset of QDs through the distribution. Experiments are supported by an analysis within the density matrix approach.

This thesis presents a study of the nonlinear dissipative dynamics of localized of self organized structures in passively mode-locked fiber laser through nonlinear polarization evolution. We reveal the existence of a gradual transition from the quasi-cw to mode locked dynamics in the multi-pulsing regime. We emphasize on the intermediate state, where various new dynamics are observed. We study collective behaviors of dissipative solitons in the presence of a continuous background. One of the complex and attractive dynamics presented is the "soliton rain", which composed of three field components : continuous modes of background, drifting of solitons and condensed phase solitons. This dynamic appears when the energy flows through the three components. The relative motion of the drifting solitons and the temporal asymmetry present the major characteristics that distinguish this dynamic. Other types of self-organizations of solitons were observed and studied as the "release of the solitons from the condensed phase" and the "chirped trains with condensed soliton phase". We were also interested in the single pulse propagation. For the first time, an important dynamics of spectral breathing was predicted in a dispersion-managed cavity. We showed that pulse compression dynamics in the passive anomalous fiber can be accompanied by a significant enhancement of the spectral width and that the width of the pulse can exceed the amplifier bandwidth. We studied, the extraction and the optimization of the signal laser according to the parameters of the cavity and we presented the characteristics of a cavity delivering ultra short pulses with a spectral width exceeding the amplifier bandwidth by a factor of 2.4. The dynamics presented in this thesis show the complexity and variety of the dissipative dispersion-managed dynamics in fiber laser mode locked through nonlinear polarization evolution., Cette thèse concerne l'étude de la dynamique des structures optiques dissipatives observées dans une cavité à gestion de dispersion utilisant l'évolution non linéaire de la polarisation comme technique de blocage de modes. Nous avons montré expérimentalement l'existence d'une transition graduelle entre le régime de fonctionnement continu et le régime de fonctionnement multi-impulsionnel. Nous nous sommes intéressés à l'état intermédiaire où il nous a été possible d'obtenir divers régimes inédits et d'étudier ainsi le comportement collectif des solitons dissipatifs en présence d'un fond continu. La dynamique de "la pluie de solitons" est une manifestation complexe et fascinante constituée de trois composantes de champ : le fond continu, les solitons de dérive et la phase condensée. Elle s'accompagne d'une circulation d'énergie à travers ces trois composantes. Le mouvement relatif des solitons de dérive ainsi que l'asymétrie temporelle présentent les caractéristiques majeures qui distinguent cette dynamique des autres. D'autres types d'auto-organisation ont été observés et étudiés, comme "le relargage des solitons de la phase condensée" ou bien encore "la vobulation du train de solitons". Nous nous sommes intéressés aussi à la propagation d'une seule impulsion dans la cavité. Pour la première fois, une importante dynamique de respiration spectrale a été prédite dans une cavité à gestion de la dispersion. Nous avons montré qu'une compression temporelle de l'impulsion est accompagnée d'un élargissement spectral d'une grande ampleur dans la partie passive de la cavité et que la largeur de l'impulsion peut dépasser la largeur de la bande passante du milieu amplificateur. Nous avons étudié la dynamique de la respiration spectrale, l'extraction et l'optimisation du signal laser en fonction des paramètres de la cavité et nous avons présenté les caractéristiques d'une cavité qui permet la génération d'une impulsion dont sa largeur spectrale est supérieure à la largeur de la bande passante de l'amplificateur d'un facteur de 2.4. Les dynamiques présentées dans cette thèse témoignent de la complexité et de la richesse de la dynamique dissipative des lasers à fibre fonctionnant en régime de blocage de modes passif par évolution non linéaire de la polarisation.

This thesis studies, both theoretically and experimentally, quantum correlations in the continuous variables regime.The problem of characterizing these correlations is widely approached, especially for Gaussian states. The formalism of covariance matrices is developed, for it is particularly well adapted to this study. The different existing criteria are listed.The main experimental device of this thesis is a self-phase-locked Optical Parametric Oscillator. The criteria enable to characterize the entanglement amount of the beams it generates. Below threshold, the empty beams present a separability of 0.33 and the system apparently violates the Heisenberg inequality by 58%. Above threshold, the obtained bright beams are also strongly non classical: the separability is 0.6 and the Heisenberg inequality is apparently violated by 24%.An original application of this device is proposed: it is theoretically shown that a self-phase-locked two-crystal OPO produces two polarization entangled beams, which should make easier light-matter entanglement transfer., Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues.La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés.Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%.Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.

Distortions of ultrashort laser pulses propagating through turbulence are investigated both experimentally and numerically. As expected, a strong correlation is found between temporal distortions and local intensity on the speckle pattern. We suggest that the localization of distortions in low-intensity regions may favor remote control strategies based on nonlinear interactions with respect to those based on linear schemes.

This thesis studies, both theoretically and experimentally, different levels of quantum correlations in the continuous variables regime, where one or two quadratures are concerned. For this purpose, a type II optical parametric oscillator, where signal and idler beams are orthogonally polarized, has been developed. A birefringent plate inserted inside the cavity creates a coupling of the two modes and results in a frequency degenerate operation. An original protocol of conditional preparation of a non-classical state, with a sub-Poissonian noise distribution, has been studied theoretically and realized experimentally. It relies on the intensity quantum correlations of the beams emited above threshold without the plate. A reduction by 9.5 dB of the noise on the intensity difference has been obtained. With the plate, the beams are at the same frequency and, in principle, entangled. The degenerate operation has permited for the first time to measure the phase anti-correlations above threshold. In spite of a slight excess noise, this result opens a promising way to generate directly bright entangled beams. The optical parametric oscillator, with or without the plate, can also be operated below threshold and generate strongly entangled modes. The measured entanglement, stable during many hours, is the strongest reported to date and is preserved for noise frequencies as low as 50 kHz. With the plate, the original quantum properties are detailed and a passive operation, realized with birefringent plates, is put into evidence to maximize the entanglement. The action of passive operations on a two-mode state is discussed theoretically., Cette thèse est consacrée à l'étude théorique et expérimentale de différents niveaux de corrélations quantiques en variables continues, mettant en jeu une ou deux quadratures. Dans cet objectif, un oscillateur paramétrique optique de type II, où signal et complémentaire sont émis suivant des polarisations orthogonales, a été développé. Une lame biréfringente introduite à l'intérieur de la cavité induit un couplage des deux modes et permet un fonctionnement dégénéré en fréquence. Un protocole original de préparation conditionnelle d'un état non-classique, de distribution statistique sub-Poissonienne, a été étudié théoriquement et mis en oeuvre expérimentalement. Il repose sur les corrélations d'intensité des faisceaux émis au-dessus du seuil en l'absence de lame. Une compression de 9.5 dB du bruit sur la différence d'intensité a été obtenue.En présence de la lame, les faisceaux émis sont dégénérés en fréquence et en principe intriqués. La dégénérescence a permis la première mesure des anti-corrélations de phase au-dessus du seuil. Malgré un excès de bruit qui reste à expliquer, ce résultat ouvre une voie intéressante pour la génération directe d'états intriqués intenses. L'oscillateur paramétrique optique, avec ou sans lame, peut également fonctionner au-dessous du seuil et générer des faisceaux fortement intriqués. L'intrication obtenue, stable pendant plusieurs heures, est la plus forte observée à ce jour et elle est préservée jusqu'à des fréquences de bruit très basses. En présence de la lame, les propriétés quantiques originales du système sont également détaillées et une opération passive, réalisée à l'aide de lames biréfringentes, est mise en évidence pour optimiser l'intrication. L'action d'opérations passives sur un état à deux modes est discutée théoriquement.

Le sujet de ce mémoire concerne l'étude de systèmes laser utilisant un cristal de cr#3#+:lisaf comme milieu amplificateur. Ce cristal, découvert en 1989, possède une bande d'absorption, entre 600 et 700 nm, qui encadre la longueur d'onde d'émission des diodes laser rouges en gaalinp (670 nm) et une large bande d'émission dans l'infrarouge proche, entre 800 et 1000 nm. C'est l'un des meilleurs candidats a la realisation de lasers solides accordables pompes par diodes. En prevision de la commercialisation des premieres diodes laser rouges de puissance, nous avons tout d'abord utilise comme source de pompage un laser a krypton ionise emettant a 647 nm et 676 nm. Ce laser nous a permis de tester le cristal de cr#3#+:lisaf dans differentes configurations de fonctionnement. D'une part, en regime continu, nous avons obtenu des performances comparables a celles des lasers a saphir dope au titane; la seule grande difference se situant au niveau des problemes thermiques, beaucoup plus importants dans le cr#3#+:lisaf. D'autre part, en regime impulsionnel, nos systemes laser prouvent que le cr#3#+:lisaf est bien adapte a la production d'impulsions de quelques microjoules, accordables, a un taux de repetition eleve, sur une gamme temporelle s'etalant de la nanoseconde a la femtoseconde. Nous avons, ensuite, defini et realise un laser cr#3#+:lisaf pompe par une diode laser de 500 mw fonctionnant en regime quasi continu. Aujourd'hui (janvier 1994), ce laser est le plus puissant des lasers cr#3#+:lisaf pompes par diode laser rouge mentionnes dans la litterature. Nous avons repris, par la suite, les memes composants optiques pour realiser l'un des premiers lasers cr#3#+:lisaf a modes bloques, pompes par diode, delivrant des impulsions picosecondes accordables sur plus de 70 nm