Dissertations / Theses: 'Dynamique non linéaire des lasers'

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giudici, massimo. "Dynamique non linéaire dans les lasers à semiconducteurs avec rétroaction optique." Phd thesis, Université de Nice Sophia-Antipolis, 1999. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00005284.

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Abstract:

La dynamique des lasers à semi-conducteur avec rétroaction optique est le sujet de cette thèse. En particulier, nous analysons l'instabilité à l'origine des fluctuations à basse fréquence de l'intensité du laser (Low Frequency Fluctuations, LFFs) qui apparaissent pour une rétroaction modérée à forte.

Nous étudions la nature dynamique des fluctuations à basse fréquence au moyen de techniques des mesures particulières. Nous prouvons que les LFFs trouvent leur origine dans une bifurcation noeud - col d'Andronov anticipée par le bruit présent dans le système. Nous démontrons expérimentalement que, en accord avec ce type de bifurcation, le laser à semi-conducteur avec rétroaction optique répond aux perturbations comme un système excitable. Ceci constitue la première preuve d'excitabilité dans un système optique. Corollairement, le contrôle du niveau de bruit dans le système nous permet de réaliser la première observation du phénomène de Coherence Resonance.
Nous avons aussi obtenu de fortes indications sur le mécanisme physique à l'origine de l'instabilité des fluctuations à basse fréquence. L'analyse de l'évolution temporelle du spectre optique à des échelles inférieures à la nanoseconde nous permet de montrer que cette instabilité est générée par l'interaction entre différents modes du laser.
Enfin, nous nous sommes placés dans le cas expérimental où la rétroaction optique est sélective en fréquence, analysant ainsi les caractéristiques du système par la variation de cette fréquence.

L'influence de la rétroaction sur un laser a aussi été étudiée pour des lasers à cavité verticale (VCSELs) dont le fonctionnement monomode longitudinal est imposé par la séparation en fréquence entre les modes. Pourtant, nous observons une fluctuation à basse fréquence dans l'intensité émise par le système. Nous montrons que, dans ce cas, l'instabilité est liée à l'interaction entre les deux composants de polarisation du VCSEL.

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Javaloyes, Julien. "Dynamique non linéaire des lasers : applications au modèle CARL et aux lasers couplés via injection." Nice, 2003. http://www.theses.fr/2003NICE4093.

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Abstract:

Nous proposons dans cette thèse l'étude de deux systèmes optiques non linéaires. Le premier problème que nous analysons est celui de l'effet laser médié par recul atomique (CARL), dans une vapeur d'atomes à deux niveaux. Nous tenons ici explicitement compte des divers processus irréversibles présents dans une quelconque expérience, venant ainsi contrecarrer la formation de l'instabilité. Nous mettons en évidence l'existence de deux types de transitions de phases dans ce système et montrons que celles-ci sont indépendantes des détails des processus de thermalisations. L'étude est menée à la fois numériquement et analytiquement. Alors que nous spécifions les conditions requises à l'observation de la première transition de phase, nous confrontons nos résultats concernant la seconde instabilité à des résultats expérimentaux récents. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la dynamique de deux lasers soumis à un couplage retardé. Nous verrons comment un système, à priori simple de deux lasers, couplés via un terme retardé, peut induire une dynamique particulièrement riche. Nous présentons un mécanisme de formation des ponts de connections entre les solutions périodiques de symétries différentes via des bifurcations secondaires et des solutions quasi-périodiques asymétriques. L'étude est menée à la fois analytiquement et numériquement, grâce à l'utilisation d'algorithmes de continuations
We present in this thesis the study of two non-linear optical systems. The first problem that we analyze is the collective atomic recoil laser (CARL) in a vapor of two-level atoms. We emphasize the various irreversible processes, present in any experiment, that are likely to counteract the development of the instability. We point out the existence of two different types of phase transition and show that they are independent of the details of the thermalization processes. The study is both numerical and analytic. We specify the necessary conditions in order to observe the first kind of transition while we compare our results for the second instability with recent experimental results. The second problem concerns the dynamics of two lasers coupled via delayed injection. We show how this system, a priori simple, induces very rich dynamics when the delay term is included. We present a mechanism of bridge formation between periodic solutions with different symmetries via secondary bifurcation and asymmetric quasi-periodic solutions. This study is performed using analytical methods and a continuation based algorithm
In questa tesi, presentiamo lo studio di due sistemi ottici non lineari. Il primo problema analizzato 'e l'effetto laser ottenuto mediante rinculo atomico (CARL), in un vapore di atomi a due livelli. In questo studio, consideriamo in modo esplicito I diversi processi irreversibili, presenti negli esperimenti, che possono impedire la formazione delle instabilità. In questo sistema dinamico, mettiamo in evidenza l'esistenza di due tipi di transizione di fase e mostriamo che quest'ultime sono indipendenti dai dettagli del processo di termalizzazione. Questo studio e realizzato numericamente e analiticamente. Per la prima transizione, presentiamo le condizioni necessarie alla sua osservazione, mentre per la seconda transizione, confrontiamo i nostri risultati con delle recenti osservazioni sperimentali. Nella seconda parte di questa tesi, ci interessiamo alla dinamica di due laser accoppiati tramite un termine di ritardo. Mostreremo come un sistema, a priori semplice, composto da due laser, può avere una dinamica estremamente ricca grazie al termine di ritardo. Presentiamo un meccanismo di formazione di ponti di connessione tra le soluzioni periodiche con simmetrie diverse tramite delle biforcazioni secondarie e delle soluzioni quasi-periodiche asimmetriche. Questo studio e realizzato analiticamente e numericamente, grazie all'utilizzazione di algoritmi di continuazione

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Lepers, Catherine. "Dynamique non linéaire dans les lasers CO2 monomode et faiblement multimode : Bifurcation, bruit et dynamique spatio-temporelle." Lille 1, 1993. http://www.theses.fr/1993LIL10026.

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Jumpertz, Louise. "Photonique non-linéaire dans les lasers à cascade quantique moyen infrarouges." Electronic Thesis or Diss., Paris, ENST, 2016. https://pastel.hal.science/tel-03689516.

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Abstract:

Les lasers à cascade quantique émettant dans le moyen-infrarouge sont des lasers semi-conducteurs unipolaires qui sont devenus des sources couramment utilisées pour des applications telles que la spectroscopie de gaz, les communications en espace libre ou les contre-mesures optiques. Appliquer une perturbation externe, typiquement une contre-réaction optique ou de l’injection optique, entraîne une forte modification des propriétés d’émission du laser à cascade quantique. La contre-réaction optique influe sur les propriétés statiques du laser Fabry-Perot ou à contre-réaction répartie, conduisant à une augmentation de la puissance, à une diminution du seuil, à une modification du spectre optique qui peut devenir monomode ou multimode, et à une amélioration de la qualité de faisceau dans les lasers à ruban large fortement multimode transverses. Cela induit également un comportement dynamique différent, et un laser à cascade quantique soumis à de la contre-réaction peut osciller périodiquement ou même devenir chaotique : ce travail présente la toute première observation d'instabilités optiques dans le moyen-infrarouge. De plus, une étude numérique de l’injection optique montre que les lasers à cascade quantique peuvent se verrouiller optiquement sur une plage de plusieurs gigahertz, sur laquelle leur stabilité devrait être accrue et leur bande passante de modulation significativement augmentée. Une dynamique prometteuse apparaît également en dehors de la zone de verrouillage, avec l’apparition d’oscillations périodiques à une fréquence accordable ainsi que des événements isolés de forte intensité. Un laser à cascade quantique soumis à un contrôle externe peut donc être une source très performante pour les applications moyen-infrarouges usuelles, mais pourrait aussi en adresser de nouvelles, telles que des oscillateurs photoniques accordables, des générateurs d’événements rares, des LIDAR chaotiques, des communications sécurisées par chaos ou des contre-mesures imprévisibles
Mid-infrared quantum cascade lasers are unipolar semiconductor lasers, which have become widely used sources for applications such as gas spectroscopy, free-space communications or optical countermeasures. Applying external per-turbations such as optical feedback or optical injection leads to a strong modification of the quantum cascade laser prop-erties. Optical feedback impacts the static properties of mid-infrared Fabry-Perot and distributed feedback quantum cas-cade lasers, inducing power increase, threshold reduction, modification of the optical spectrum, which can become either single- or multimode, and enhanced beam quality of broad-area transverse multimode lasers. It also leads to a different dynamical behavior, and a quantum cascade laser subject to optical feedback can oscillate periodically or even become chaotic: this work provides the very first analysis of optical instabilities in the mid-infrared range. A numerical study of optical injection furthermore proves that quantum cascade lasers can injection-lock over a few gigahertz, where they should experience enhanced stability and especially improved modulation bandwidth. Furthermore, some promising dynamics appear outside the locking range with periodic oscillations at a tunable frequency or high-intensity events. A quantum cascade laser under external control could therefore be a source with enhanced properties for the usual mid-infrared applications, but could also address new applications such as tunable photonic oscillators, extreme events gen-erators, chaotic LIDAR, chaos-based secured communications or unpredictable countermeasures

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Lafargue, Clément. "Dynamique non-linéaire dans les microcavités laser tridimensionnelles à base de polymères : aspects physiques et technologiques." Phd thesis, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00920272.

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Abstract:

Cette thèse est consacrée à l'étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l'information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d'écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d'un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D'autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d'émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l'émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées.

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Wang, Tao. "Évolution de la cohérence et dynamique non-linéaire des lasers à la meso-échelle." Thesis, Nice, 2016. http://www.theses.fr/2016NICE4016/document.

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Abstract:

Le laser est omniprésent dans la recherche et les applications. Les efforts de miniaturisation, qui affectent le développement de sa cohérence, se sont multipliés depuis sa découverte, mais seulement avec les plus petits Lasers à Emission Verticale (VCSELs) on détecte l'influence du volume de cavité sur les propriétés d'émission. Ainsi on se pose des questions sur l'apparition et le développement de la cohérence, sur la valeur (unique ?) du seuil laser, sur l'existence d'un tel seuil dans un nanolaser et sur la réponse à la modulation du pompage. Dans cette thèse, nous explorons le fonctionnement du laser autour du « seuil » pour obtenir des réponses expérimentales à quelques-unes des questions posées dans des lasers à la meso-échelle. Les fonctions de corrélation, la dynamique temporelle, la reconstruction de l'espace des phases, des indicateurs statistiques et des mesures spatialement résolues d'intensité et de longueur d'onde d'émission sont les indicateurs utilisés dans cette étude. La dynamique est étudiée modulant sinusoïdalement des petits VCSEL, où nous obtenons : des impulsions dans la région du seuil, amplification anormale de l'émission spontanée (en polarisation croisée), oscillations régulières et (surtout) irrégulières par la forte influence de l'émission spontanée dans ces petits dispositifs. Enfin, une caractérisation bidimensionnelle des propriétés du rayonnement, transversalement à l'émission, montre la corrélation entre la croissance de la cohérence et celle du mode laser. Pour les dispositifs plus grands, cette analyse jette les bases pour l'étude du développement de la cohérence dans les lasers spatialement étendus
Coherent light sources are nowadays ubiquitous in scientific research and engineering applications and have been miniaturized since their inception. Physically, the onset and development of laser coherence is largely affected by the cavity size reduction, but this becomes apparent only for the smallest Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs). Thus the following questions arise: When does coherence set in? How does it develop? How do we define threshold? Is there a unique threshold value and does it exist at all for a nanolaser? What is the dynamical response to modulation in this uncharted territory? In this thesis we explore the regime of laser operation around what is conventionally called the threshold point and obtain experimental answers to some of the questions from mesoscale lasers. Correlation functions, temporal dynamics, phase space reconstruction, statistical indicators and spatially-resolved intensity and emission wavelength measurements are the indicators for the answers we seek. The dynamical response is investigated by applying a sinusoidal modulation to very small VCSELs, where we obtain the amplification of pulses in the threshold region, anomalous amplification of the spontaneous emission (in a cross-polarized channel), regular and (mostly) irregular pulsations due to the strong influence of spontaneous emission in these small devices. Finally, a two-dimensional characterization of the radiation properties transversely to the emission shows the correlation between coherence buildup and the establishment of a laser mode. For larger devices, this analysis lays the foundation for investigating the buildup of coherence in spatially extended lasers

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Preda, Cristina-Elena. "Laser Nd³+ : YVO4 : dynamique et conduite optimale." Lille 1, 2007. https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/Th_Num/2007/50376-2007-Preda.pdf.

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Abstract:

Ce travail s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la dynamique des lasers de classe B. Trois aspects sont abordés concernant respectivement la génération d'impulsions de forme arbitraire, la validation de modèles de lasers existants et la mise en évidence d'effets "cliquet" dans la dynamique de ces lasers. Une première partie présente deux méthodes mises au point pour la génération d'impulsions de forme arbitraire (triangle, gaussienne, impulsion à deux bosses) en dépit de la propension du laser à fournir des impulsions "sécante-hyperbolique". Dans les deux cas un Algorithme Génétique (AG) détermine les paramètres du signal de conduite optimal. Si pour la première méthode ce signal est construit à partir de fonctions élémentaires, pour la seconde il résulte d'une interpolation entre points de collocation fixés par l'AG. Les outils développés (couplage captures rapides/traitements en temps réel par AG) ont été mis à profit pour étudier la validité des différents modèles décrivant la dynamique des lasers de classe B fonctionnant en régime monomode ou bi-raie. L'AG est alors utilisé pour comparer l'évolution temporelle de l'intensité émise par le laser à celle calculée à partir du modèle. Ils permettent ainsi d'identifier le modèle le mieux adapté et de déterminer ses paramètres. La bonne connaissance que nous avons de la dynamique de notre laser nous a incité à effectuer une étude détaillée d'effets étonnants induits par une modulation temporelle asymétrique du pompage. Les expériences réalisées constituent la première mise en évidence sur un laser d'un effet "cliquets" similaire à celui proposé par Feynman pour extraire de l'énergie d'un mouvement erratique.

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Evain, Clément. "Dynamique de sources sur accélérateur : contrôle de «structures turbulentes» dans les lasers à électrons libres et étude du rayonnement synchrotron cohérent induit par laser." Thesis, Lille 1, 2009. http://www.theses.fr/2009LIL10171/document.

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Abstract:

Nous présentons dans cette thèse deux études liées à la dynamique de sources sur accélérateur. La première étude concerne le contrôle de structures turbulentes apparaissant dans des lasers à électrons libres (LEL), et plus généralement dans les systèmes spatio-temporels soumis à une dérive. Dans ces systèmes, lorsque la dérive devient trop importante, des structures induites par du bruit apparaissent, et rendent le système instable. Nous montrons qu'une simple rétroaction avec un décalage spatial permet de rendre le régime régulier. Un fait remarquable est que le gain nécessaire à la ``stabilisation'' est extrêmement faible, 10 puissance - 8 pour l'expérience sur le LEL de UVSOR au Japon.La deuxième étude traite du rayonnement synchrotron cohérent (CSR) induit par laser dans un anneau de stockage. Nous montrons dans un premier temps qu'en imprimant un motif périodique dans l'espace des phases du paquet d'électrons avec une impulsion laser externe, il est possible d'obtenir un rayonnement synchrotron cohérent, étroit spectralement, et accordable dans le domaine térahertz. Un rayonnement crête jusqu'à 10 000 fois supérieur au rayonnement classique (incohérent) a été mesuré à UVSOR. Dans un deuxième temps, nous montrons que cette interaction laser/électrons permet d'obtenir des informations sur l'instabilité CSR, instabilité qui apparaît lorsque la densité du paquet d'électrons dépasse une valeur seuil. En particulier, nous montrons expérimentalement, par l'observation de précurseurs, que l'instabilité naît à partir de l'amplification de certaines longueurs d'ondes
In this thesis, we present two studies on the dynamics of accelerator-based sources.The first study concerns the control of ``turbulent patterns'' which appear in some free electron lasers (FEL), and more generally in spatio-temporal systems submitted to a permanent drift. Large drift velocities typically lead to a particular type of instability, characterized by the appearance of noise sustained structures. We show that this type of turbulent behavior can be suppressed by adding a non-local additive feedback. As a remarkable fact, the gain needed for the ``stabilization'' can be extremely small, 10 power -8 for the experiments performed on the UVSOR-II FEL in Japan.The second study is devoted to laser-induced coherent synchrotron radiation (CSR) in a storage ring. In a first step, we show that it is possible to imprint a periodic pattern in the electron bunch phase-space using an external laser. This allow to obtain a tunable coherent emission (CSR) in the terahertz range. Terahertz pulse energy larger by a factor 1000-10 000 with respect to normal (incoherent) synchrotron radiation were thus measured at UVSOR-II. In a second step, we show that this laser-electron beam interaction allows to obtain new information on the CSR instability, which appears when the electron bunch density exceeds a threshold value. In particular, we show experimentally, with the observation of instability precursors, that the instability arises from the amplification of some characteristic wavenumbers

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Roy, Vincent. "Lasers à fibre à synchronisation modale passive par rotation non linéaire de la polarisation : dynamique en régime multi-impulsionnel." Thesis, Université Laval, 2007. http://www.theses.ulaval.ca/2007/24719/24719.pdf.

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Abstract:

Les travaux présentés dans cet ouvrage concernent l’étude de la dynamique des lasers à fibre à synchronisation modale passive. Le mécanisme qui assure la formation des impulsions repose sur un principe d’interférométrie non linéaire (i.e. rotation non linéaire de la polarisation). Or, ce mécanisme possède la particularité de voir son action être renversée lorsque la puissance des impulsions dépasse un certain seuil, i.e. les ailes observent un gain plus élevé que le centre de l’impulsion. Le train d’impulsions devient alors instable, une situation généralement suivie de l’apparition d’une ou plusieurs impulsions additionnelles. Dans ce nouveau régime, il est courant d’observer la formation de groupes d’impulsions cohérentes. La nature de l’interaction en jeu diffère selon que la dispersion observée par les impulsions est plus ou moins élevée. Dans le cas où la dispersion résiduelle de la cavité permet la propagation d’impulsions solitoniques, il a été montré que ce phénomène est relié à l’interaction non linéaire entre les impulsions et les ondes dispersives résonantes émises suite aux perturbations périodiques encourues par les impulsions suivant leur propagation dans la cavité. Toutefois, dans le cas où des milieux de dispersion positive et négative sont disposés dans la cavité pour faire en sorte de réduire la dispersion résiduelle de celle-ci, les bandes latérales associées aux ondes dispersives résonantes s’en trouvent fortement atténuées en raison de la dérive de fréquence (importante) observée par les impulsions dans chaque portion de la cavité. En fait, on montre que la formation des groupes d’impulsions résulte plutôt de l’interaction directe entre les impulsions puisque celles-ci sont amenées à se superposer partiellement sur une portion significative de la cavité. Également, dans ce même régime, on rapporte l’observation de collisions qui se produisent entre des groupes d’impulsions voyageant avec des vitesses différentes. Divers scénarios sont observés suivant les modifications plus ou moins importantes entraînées par la collision. En effet, il n’est pas nécessaire que l’énergie et la quantité de mouvement soient conservées lors des collisions entre les impulsions dans le laser puisqu’il s’agit d’un système dissipatif. En outre, dans le cas où les collisions se répètent sur une base périodique, l’acquisition d’une séquence d’autocorrélations a permis de mettre en évidence la dynamique particulière qui caractérise le processus de collision.
The work presented herein is primarily concerned with the dynamics of passively mode-locked fiber lasers. The mechanism used for achieving pulse emission relies on nonlinear interferometry (i.e. nonlinear polarization rotation). However, the same mechanism acts as a limiter whenever the pulse power is increased above a given amount, i.e. the wings are subject to a higher gain than the peak of the pulse. The pulse train then becomes unstable and the creation of one or more additional pulses follows from this instability. In this new regime, it is not unusual to observe the formation of coherent states of bound pulses. The nature of the interaction responsible for this phenomenon depends on the amount of dispersion experienced by the pulses along the laser cavity. In the case of a cavity that sustains the formation of solitons, the occurrence of pulse bound states was shown to result from the nonlinear interaction between the pulses and the resonant dispersive waves emitted as a result of the periodic perturbations the solitons undergo on successive cavity round trips. In contrast, for the case of a cavity built from positive and negative dispersion fibers such as to reduce the net dispersion, the sidebands related to the resonant dispersive waves are greatly reduced because of the significant frequency chirp the pulses acquire along each fiber segment. Thus we show here that the formation of pulse bound states results instead from the direct interaction between the multiple pulses since the pulses interfere with one another on a significant part of the laser cavity. In addition, in the same regime, we report the observation of collisions occurring between pulse bound states traveling with different group velocities. This process may result in several outcomes, depending on the changes the bound states undergo during the collisions. In fact, energy and momentum need not be conserved in the process since the laser is a dissipative system. Finally, in the case of collisions that repeat periodically, the acquisition of a sequence of autocorrelations allowed us to verify the peculiar dynamics that characterizes the collision process.

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Barsella, Alberto. "Dynamique de couplage et formation de structures dans les lasers à absorbant saturable." Lille 1, 2000. https://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupversions/69f2fe56-d7b8-4b67-8f73-7abf71d50dc6.

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Abstract:

Le couplage d'oscillateurs non lineaires et la formation de structures spatiales sont deux domaines particulierement importants de l'etude de la dynamique non lineaire des systemes optiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit ce travail de these. La premiere partie est consacree a l'etude experimentale du couplage de deux lasers co 2 monomode partageant un meme absorbant saturable. La forte non linearite de l'absorbant et le caractere impulsionnel de certains regimes du systeme donnent naissance a une dynamique de couplage localise dans le temps. Les phenomenes de synchronisation des impulsions de chaque laser ainsi que la perturbation des regimes d'un laser par les impulsions de l'autre sont analyses. En ce qui concerne les regimes non impulsionnels, le couplage non localise intervient dans la synchronisation de regimes quasiperiodiques et chaotiques
L'extension au cas bimode transverse se traduit par l'apparition d'une dynamique d'antiphase. Les simulations numeriques effectuees reproduisent les regimes dynamiques observes et mettent en evidence de nouvelles bifurcations introduites par le couplage. La deuxieme partie presente une etude theorique et numerique du comportement spatio-temporel d'un laser a absorbant saturable. L'analyse de stabilite lineaire de la solution nulle montre que l'absorbant controle la longueur d'onde critique des modes qui se destabilisent au seuil. La creation ou l'inhibition des structures est analysee suivant l'ecart en frequence de l'absorbant. Une analyse faiblement non lineaire au seuil montre que le systeme est decrit par une equation de swift-hohenberg. Les simulations numeriques mettent en evidence des solutions a ondes progressives, a ondes stationnaires et en echiquier. Enfin, les simulations sur le systeme complet permettent de verifier la validite du modele de swift-hohenberg tout en donnant aussi des regimes plus fortement non lineaires, comme des impulsions 2d progressives

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Plumecoq, Jérôme. "Caractérisation de systèmes dynamiques de petite et grande dimensions : de l'analyse topologique aux codages symboliques, et instabilités spatio-temporelles dans un laser fortement multimode." Lille 1, 2003. https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/Th_Num/2003/50376-2003-349-350.pdf.

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Abstract:

Le travail présenté dans ce mémoire concerne à la fois des systèmes dynamiques dont l'espace des phases est de petite dimension et des systèmes étendus (où la composante spatiale doit être prise en compte), et donc de grande dimension. La dynamique symbolique est un puissant outil de caractérisation du chaos. Dans une première partie, nous présentons une méthode originale. Que nous avons développée pour coder symboliquement les trajectoires chaotiques d'un système à trois degrés de liberté effectifs au plus. Notre méthode met à profit l'information issue de l'analyse topologique. Cette dernière s'appuie sur la théorie des noeuds, qui permet d'analyser l'enchevêtrement des orbites périodiques instables (OPI) contenues dans l'attracteur et sur des surfaces à plusieurs branches représentant la structure topologique de l'attracteur, les gabarits. Cette information, combinée à celle relative aux positions des intersections des OPI avec une section de Poincaré, nous permet de construire une partition génératrice, qui associe de manière bijective une séquence symbolique à une trajectoire chaotique. Nous avons en outre testé la robustesse de notre méthode, qui présente l'avantage de pouvoir s'appliquer à des systèmes expérimentaux. La deuxième partie de notre travail porte sur l'étude de la dynamique dans un laser à fibre à élargissement inhomogène. Des travaux précédents avaient montré que ce système est un véritable système spatio-temporel, l'espace étant ici le spectre du laser, et motivaient donc des études complémentaires concernant les instabilités et les régimes complexes qu'il peut présenter. Nous avons d'abord montré que l'instabilité due aux variations spatiales des paramètres de contrôle qui déstabilise la structure primaire est l'instabilité d'Eckhaus induite par non-uniformités. Cette étude nous a permis de mettre en évidence les mécanismes de base responsables de cette instabilité, et de comprendre l'origine des régimes chaotiques. De nouveaux régimes, non encore observés expérimentalement, ont également été prédits numériquement. Dans un autre domaine de paramètres, nous avons mis en évidence des dynamiques complexes d'origine intrinsèque, qui s'expliquent par l'interaction entre les deux structures spatiales formées suite à l'instabilité primaire. Nous avons montré que ces régimes présentaient les propriétés du chaos extensif. Enfin, nous avons pu mettre en évidence numériquement des régimes de type intermittence spatio-temporelle.

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Dalloz, Nicolas. "Formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre." Phd thesis, Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00628627.

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Abstract:

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans la problématique générale de la formation du spectre optique dans les lasers Raman à fibre. Nous avons mené une étude expérimentale sur un laser Raman à fibre oscillant dans une cavité Pérot-Fabry fermée par des miroirs de Bragg. Cette étude montre que la forme du spectre optique diffère selon la puissance du laser. En développant différents modèles, nous avons montré que les miroirs de Bragg sont à l'origine de ce changement de forme du spectre optique. En particulier, à faible puissance, la forme asymétrique du spectre provient d'effets dispersifs lors de la réflexion sur les miroirs de Bragg. A forte puissance, ces effets dispersifs sont dominés par les effets de filtrage des miroirs, ce qui conduit à la symétrisation du spectre du laser observée dans notre expérience. Par ailleurs, nous avons également étudié numériquement la statistique du champ Stokes intracavité. Nous avons montré que celle-ci change fortement selon que l'onde Stokes est incidente ou réfléchie par les miroirs de Bragg. Ce résultat nous a permis de questionner la validité d'un modèle récemment publié sur la formation du spectre optique du laser Raman à fibre. Ce modèle s'appuie sur les outils de la théorie cinétique des ondes, valable uniquement dans le cas de champs possédant une statistique gaussienne. Toutefois, notre étude numérique indique que cette condition n'est pas respectée dans le laser Raman à fibre, et la forme du spectre optique observé dans notre étude expérimentale s'oppose fortement à celle prédite par cette approche statistique de la formation du spectre optique du laser Raman à fibre.

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Sun, Yifan. "Theory of mode-locked lasers based on non-conventional cavity modes." Thesis, université Paris-Saclay, 2021. http://www.theses.fr/2021UPASP003.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat porte principalement sur la dynamique et la robustesse d’un nouveau concept de verrouillage de mode dans les nanolasers semi-conducteurs ultracompacts. Un tel nanolaser présente des modes ermites-gaussiens créés par une cavité photonique harmonique pour confiner la lumière. Cela permet de mapper la cavité optique en oscillateur harmonique de mécanique quantique, avec des fréquences propres régulièrement espacées, une condition essentielle pour le verrouillage de mode. La période de verrouillage de mode est contrôlée par la conception du potentiel photonique, et non par la longueur de la cavité. Les régimes non linéaires possibles sont décrits par l’équation de Gross-Pitaevskii avec un potentiel parabolique et des termes non linéaires décrivant le gain et l’absorption. Pour étudier ces comportements dynamiques, des simulations numériques directes sont principalement mises en œuvre. Tout d’abord, la compétition de mode pour le gain entre les modes ermites et gaussiens en l’absence d’absorption saturable est étudiée. Deuxièmement, on prévoit que le verrouillage des modes se produira avec une saturation instantanée du gain et de l’absorption sur un large éventail de paramètres, correspondant à l’émergence d’une soliton dissipative. Troisièmement, dans le régime de saturation non instantanée du gain et de l’absorption, différents comportements dynamiques du nanolaser sont obtenus en faisant varier le gain et l’absorption. Ces différents régimes, y compris la commutation Q, le verrouillage de mode à commutation Q et le verrouillage de mode CW, sont décrits en détail. L’influence du facteur Henry sur le verrouillage de mode est également abordée. Quatrièmement, la robustesse du verrouillage de mode des modes ermite et gaussien au désordre de la cavité harmonique est étudiée en détail, y compris l’effet de la non-parabolicité du potentiel et les erreurs aléatoires dans la forme du potentiel
This PhD thesis mainly addresses the dynamics and the robustness of a novel concept of mode locking in ultracompact semiconductor nanolasers. Such a nanolaser exhibits Hermite-Gaussian modes created by a harmonic photonic cavity to confine light. This maps the optical cavity into quantum mechanical harmonic oscillator, with evenly spaced eigenfrequencies, an essential requirement for mode locking. The possible nonlinear regimes are described by the Gross-Pitaevskii equation with a parabolic potential and nonlinear terms describing gain and absorption. To investigate these dynamical behaviors, direct numerical simulations are mainly implemented. Continuation calculations are also performed using pde2path.First, the mode competition for gain among Hermite-Gaussian modes in the absence of saturable absorption is investigated and shown to be very different from usual resonators.Second, mode locking is predicted to occur with instantaneous saturation of gain and absorption over a broad range of parameters, corresponding to the emergence of dissipative soliton and multisoliton solutions. The mode locking period is controlled by the design of the photonic potential, and not by the cavity length. The dissipative soliton is well described by the coherent state of a quantum mechanical oscillator, namely a Gaussian envelope oscillating without deformation.Third, in the regime of noninstantaneous gain and absorption saturation, different dynamical behaviors of the nanolaser are obtained by varying the gain and the absorption. These different regimes, including Q-switching, Q-switched mode locking, and CW mode locking, are described in detail, illustrating the rich physics of this nonlinear system. The influence of the Henry factor on the mode locking is also discussed. Moreover, similar dynamical behaviors using spatially separated gain and absorber sections inside the cavity are obtained.Fourth, the robustness of mode locking of the Hermite-Gaussian modes to the disorder of the harmonic cavity is investigated in details. It includes the effect of non-parabolicity of the potential and the random errors in the shape of the potential

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Grapinet, Mélanie. "Dynamiques non linéaires en cavités optiques : oscillateur photoréfractif et laser à fibre optique." Dijon, 2005. http://www.theses.fr/2005DIJOS046.

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Abstract:

Ce travail de thèse porte sur les non linéarités dans une cavité photoréfractive et dans un laser à fibre dopée à l'erbium. La cavité photoréfractive est un système possédant la géométrie d'un oscillateur optique semi-linéaire. L'oscillation prenant naissance dans cette cavité peut être étudiée de manière analytique et numérique. Différents régimes de l'oscillation peuvent se présenter : des régimes non dégénérés ainsi que dégénérés. Le fonctionnement du laser à modes bloqués repose sur des dynamiques non-linéaires. En régime fortement dissipatif, la stabilité des impulsions ultracourtes s'appréhende grâce aux concepts et propriétés de solitons dissipatifs. Ces découvertes ont été observées expérimentalement et ont été validées par des simulations numériques fondées sur l'emploi d'un modèle de Ginzburg-Landau complexe cubique-quintique à gestion de paramètres. Une analyse numérique avec un profil vectoriel des champs a été menée afin de déterminer différents points de fonctionnement
This thesis concerns the non linearities in a photorefractive cavity and in a fiber laser doped erbium with a cavity at ring unidirectional. The photorefractive cavity is a system with the geometry of a optical oscillator semi linear. An oscillation, in this cavity, will be studied analytically and numerically. Different states from the oscillation can present itself : no degenerate state and degenerate state. The operation of the laser to modes blocked rests on the strongly non-linear dynamics. In strongly dissipative state, the stability of the ultrashort pulses is apprehended through the concepts and properties of dissipative solitons. These discoveries were observed experimentally and were validated by numerical simulations founded on the use of a model of complex Ginzburg-Landau cubic-quintique with management of parameters. A numerical analysis with a vectorial profile of the fields was carried out

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Audo, Kevin. "Étude théorique et expérimentale des lasers solides bi-fréquences auto-régulés en bruit d'intensité via des non-linéarités intracavité." Thesis, Rennes 1, 2018. http://www.theses.fr/2018REN1S002/document.

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Abstract:

Les lasers à état solide bi-fréquences constituent des sources de choix pour de nombreux domaines (métrologie, photonique micro-onde, Lidar-Radar, horloges atomiques). Cependant, de tels lasers souffrent d'excès de bruit d'intensité difficiles à supprimer avec les méthodes habituelles. Dans ce contexte, nous développons une nouvelle approche baptisée « buffer reservoir » pour la réduction de l'excès de bruit d'intensité des lasers à état solide. Cette méthode repose sur le changement du comportement dynamique du laser par insertion d'un mécanisme d'absorption non-linéaire faiblement efficace dans la cavité. Tout d'abord, nous étudions cette approche dans des lasers solides mono-fréquence en exploitant deux types d'absorption non-linéaire : l'absorption à deux photons (TPA) et l'absorption par génération de seconde harmonique (SHGA). Nous montrons qu'il est possible de réduire de 50 dB le bruit d'intensité à la fréquence des oscillations de relaxation d'un laser Er,Yb:verre sans en dégrader la puissance de sortie ni le bruit de phase. Nous explorons les mécanismes physiques sous-jacents en développant un modèle analytique décrivant le comportement dynamique du laser. L'effet de l'absorbant non-linéaire sur les pics de bruit à haute fréquence à l'intervalle spectrale libre de la cavité est également étudié. Nous démontrons l'intérêt de telles sources lasers auto-régulées en intensité pour la distribution d'oscillateurs locaux sur porteuse optique. Nous mettons ensuite en application l'approche « buffer reservoir » dans des lasers bi fréquences. En développant un modèle analytique prédictif, nous montrons expérimentalement que l'utilisation de TPA engendre, sous certaines conditions, une réduction de 40 dB de l'amplitude des pics de bruit en-phase et en anti-phase. Nous vérifions en outre les propriétés de couplage des modes dans le milieu actif lorsque les pertes non-linéaires sont présentes. Enfin, nous abordons l'utilisation de SHGA comme ''buffer reservoir'' dans les lasers bi-fréquences. Plus particulièrement, nous explorons expérimentalement et théoriquement le comportement du laser lorsque les pertes non-linéaires ne sont introduites que sur un seul mode propre du laser. Dans cette configuration, nous montrons qu'il est possible d'obtenir pour les deux modes à la fois une forte diminution des pics de bruit d'intensité résonants
Dual-frequency solid-state lasers are attractive for numerous domains (metrology, microwave photonics, Lidar-Radar, optical clocks). However, such lasers suffer from excess intensity noise which is difficult to cancel with usual methods. In this context, we develop a new approach called “buffer reservoir” for reducing the excess intensity noise. This method relies on the change of the laser’s dynamical behavior by inserting a low efficient nonlinear absorption mechanism in the cavity. First, this approach is studied on single frequency solid-state lasers by using two types of non-linear absorption: two-photon absorption (TPA) and second harmonic generation absorption (SHGA). We show a possible reduction of the intensity noise at the relaxation oscillations frequency of an Er,Yb:glass laser up to 50 dB without degrading neither its power nor its phase noise. We explore the underlying physics by developing an analytical model describing the laser dynamical behavior. The effect of the nonlinear absorber on the noise peaks lying at high frequency at the free spectral range of the cavity is also studied. We demonstrate the relevance of such self-regulated lasers for the distribution of optically carried local oscillators. We then extend the “buffer reservoir” approach to dual-frequency lasers. By developing a predictive analytical model, we show experimentally that the use of TPA enables 40 dB reduction of both in-phase and anti-phase noise under certain conditions. The mode coupling in the active medium is analyzed when the nonlinear losses are present. Finally, we address the use of SHGA as a ''buffer reservoir'' in dual-frequency lasers. In particular, we experimentally and theoretically explore the laser behavior when the nonlinear losses are inserted on one eigen-mode of the laser only. This configuration enables a strong reduction of resonant noise peaks for both modes

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Spitz, Olivier. "Mid-infrared quantum cascade lasers for chaos secure communications." Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLT054.

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Abstract:

Les lasers à cascades quantiques (LCQs) sont des lasers semiconducteurs émettant dans le moyen-infrarouge. Ce domaine optique est bien connu pour ses propriétés d'absorption pour de nombreuses molécules et les lasers à cascades quantiques ont déjà fait leurs preuves en spectroscopie. Des expériences de communication en espace libre ont également vu le jour à ces longueurs d'onde et l'objectif de cette thèse était d'explorer plus en détail ce champ d'applications en réalisant une communication sécurisée reposant sur le chaos optique. La thèse avait pour but de préciser de manière expérimentale les conditions optimales (température, courant de pompe, longueur de cavité externe...) pour obtenir du chaos optique afin de l'utiliser dans des applications futures. Durant cette thèse, une transmission sécurisée a été réalisée avec deux LCQs grâce au principe de synchronisation du chaos, ce qui est une première. Cela permet d'entrevoir tout le potentiel offert par ces lasers en terme de communication au moyen-infrarouge, où la transparence de l'atmosphère donne un net avantage aux LCQs comparés aux diodes laser conventionnelles émettant dans le proche infrarouge. En parallèle de ces expériences sur les communications sécurisées, d'autres phénomènes non-linéaires ont également été observés en fonction des conditions d'opération. Ainsi, le phénomène d'entrainement, connu pour les diodes laser, a pu être démontré expérimentalement. Lors d'une réinjection avec rotation de polarisation, il a été possible de voir que le LCQ était capable d'émettre une onde carrée dont la période et le rapport cyclique pouvaient être modifiés en fonction des paramètres du montage. Enfin, la présence d'événements extrêmes, commune à d'autres systèmes optiques et même d'autres systèmes physiques, a également pu être observée, ce qui pourrait être un frein à un système de communication utilisant des LCQs car les événements extrêmes ont tendance à perturber le signal du laser et ainsi à brouiller le message envoyé. L'ensemble de ces résultats expérimentaux a permis une meilleure compréhension des dynamiques non-linéaires présentes dans un LCQ et contribueront à étendre les champs d'application pour ce type de laser moyen-infrarouge qui reste pour le moment restreint à la spectroscopie et aux contre-mesures optiques mais dont le potentiel est très élevé
The mid-infrared domain is a promising optical domain because it holds two transparency atmospheric windows, as well as the fingerprint of many chemical compounds. Quantum cascade lasers (QCLs) are one of the available sources in this domain and have already been proven useful for spectroscopic applications and free-space communications. The purpose of that dissertation is to go one step further by implementing a secure free-space communication relying on optical chaos and consequently, to give an accurate cartography of non-linear phenomena in quantum cascade lasers. Initial efforts about free-space secure chaotic transmission have been carried out during this Ph.D. thesis with two chaos-synchronized QCLs, which is a pioneer result paving the way for mid-infrared private communications. In order to have a global picture about the non-linear dynamics in QCLs under external optical feedback, we tuned many experimental parameters and this allowed us studying new phenomena in QCLs. We thus found similarities between QCLs and laser diodes when the chaotic dropouts are synchronized with an external modulation, known as the entrainment phenomenon. A cross-polarization reinjection technique led to square-wave emission in the output of the QCL. Eventually, we studied the triggering of rogue waves in QCLs. Rogue waves are a quite common phenomenon in optics (among other domains in science) but they have never been triggered on-demand in semiconductor lasers under external optical feedback before. Further studies will try to avoid such phenomenon in the output of a QCL under external optical feedback since it can disturb the message to be transmitted in a secure communication. All these experimental results allowed a better understanding of the non-linear dynamics of QCLs and will extend the potential applications of this kind of semiconductor lasers, which have currently been restricted to molecular spectroscopy and optical countermeasure systems

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Lapre, Coraline. "Caractérisation des régimes de stabilité et instabilité des lasers à soliton dissipatif avec dynamiques soliton-similariton et régénération Mamyshev." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2021. http://www.theses.fr/2021UBFCD053.

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Abstract:

Les lasers ultrarapides produisant des impulsions picosecondes et sub-picosecondes sont connus pour présenter un riche éventail de dynamiques non linéaires qui sont d'un grand intérêt tant du point de vue fondamental qu'appliqué. Bien que les instabilités dans les lasers ultrarapides aient été étudiées depuis plusieurs décennies, le développement récent de techniques de mesure avancées a ouvert de nouvelles perspectives dans leur analyse. Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale des régimes de dynamiques complexes appliquée à deux différentes classes de lasers à fibre impulsionnels fonctionnant autour de 1550 nm : un laser soliton-similariton, et un oscillateur de Mamyshev. Dans les deux cas lors du régime stable, notre caractérisation se base sur la technique d'autocorrélation résolue en fréquence (FROG) qui fournit l’accès aux mesures complètes de l'intensité et du chirp. En présence d’instabilités, nous appliquons la technique de transformée de Fourier dispersive qui nous permet d’enregistrer en temps réel les fluctuations spectrales tour par tour. Pour le laser soliton-similariton, le fonctionnement stable est associé à des impulsions de 7 à 10 ps de largeur spectrale de 30 nm et de puissance de sortie moyenne de 0,32 mW à 9,5 MHz. Les instabilités observées dans le laser à soliton-similariton comprennent des molécules solitons, de l'intermittence complexe, et des états multi-impulsionnels. Pour l'oscillateur de Mamyshev, le fonctionnement stable est associé à des impulsions de 3 à 5 ps de largeur spectrale de 90 à 100 nm et à une puissance de sortie moyenne de ~4 mW à 6,37 MHz. Nous présentons également des résultats sur la caractérisation du régime "noise-like pulse" avec l'ajout d'une fibre hautement non linéaire dans la cavité soliton-similariton associé à un spectre large bande couvrant 1000 nm. En plus de présenter une série de résultats expérimentaux, des simulations numériques ont également été utilisées afin de faciliter la compréhension du fonctionnement des systèmes étudiés
Modelocked ultrafast lasers producing picosecond and sub-picosecond pulses are well known to exhibit a very rich landscape of nonlinear dynamics that are of tremendous interest from both fundamental and applied perspectives. Although such instabilities from ultrafast laser have been studied for many decades, the recent development of advanced photonic measurement techniques has opened up new perspectives into their analysis. In this thesis, we report a detailed experimental study of the complex dynamical regimes of two different optical fibre laser systems operating around 1550 nm: a soliton-similariton laser, and a Mamyshev oscillator. In both cases, we use the time-frequency technique of frequency resolved optical gating for complete intensity and chirp characterisation in stable regimes of operation, and the real-time dispersive Fourier transform method to characterize shot-to-shot spectral fluctuations. For the particular case of the soliton-similariton laser, stable operation yields from 7 to 10 ps pulses of 30~nm spectral width and 0,32 mW average output power at 9,5 MHz. Instabilities seen in the soliton-similariton laser include novel startup, the generation of coupled soliton molecules, the emergence of complex intermittence and chaos, and the appearance of multipulse states. For the case of the Mamyshev oscillator, stable operation yields from 3 to 5 ps pulses of 90 à 100 nm spectral width and ~4 mW average output power at 6,37 MHz. We also present results on the characterization of the Noise-Like Pulse regime of the soliton-similariton laser with the addition of highly nonlinear fiber in the cavity, which generates broadband output spanning 1000 nm. As well as presenting a range of experimental results, numerical simulations are used to gain insight into the operation of the laser systems studied

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Gustave, François. "Dynamique de phase et solitons dissipatifs dans des lasers à semiconducteurs." Thesis, Nice, 2016. http://www.theses.fr/2016NICE4003/document.

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Abstract:

Les solitons dissipatifs (SD) sont des paquets d'onde auto-localisés qui apparaissent dans les systèmes dissipatifs spatialement étendus. En optique, tous les SD observés jusqu'à présent dans des systèmes propagatifs peuvent être classés en deux catégories, suivant la présence ou non d'un forçage externe, i.e. si la symétrie de phase est brisée ou non. Dans les systèmes forcés, les DS sont accrochés en phase au forçage alors que sans forçage, leur phase est libre et peu dériver en fonction du temps. Dans cette thèse nous étudions la formation d'états localisés propagatifs dans deux systèmes expérimentaux qui diffèrent fondamentalement par la présence ou l'absence d'un forçage externe. Le premier système est un laser à semiconducteur à cavité verticale (VCSEL) soumis à une boucle de rétro-action sélective en fréquence, qui accueille des DS se formant dans la dimension transverse à la propagation (2D). Nous analysons comment la synchronisation des fréquences longitudinales du système (verrouillage modal) peut mener à la formation d'un état localisé dans les trois dimensions : balles de lumière. Le deuxième système est un laser en anneau à semi-conducteur fortement multimode le long de la propagation, et forcé par une injection externe. Lorsque le forçage est légèrement désaccordé de la fréquence naturelle du système, il est possible d'observer des états localisés constitués par un tour de phase de 2 pi, immergés dans l'état homogène (synchronisé). Nous reportons ainsi la première observation de SD qui se forment dans la phase de l'onde optique : solitons de phase dissipatifs
Dissipative solitons (DS) are self-localized wave-packets appearing in spatially extended dissipative systems. In optics, all the DS that have been observed in propagative systems can be cast in two categories, depending on the presence or absence of an external forcing, i.e. the phase symmetry is broken or not. In forced systems, DS are locked in phase to forcing whereas without forcing, their phase is free an can wander in the course of time. In this thesis, we study the formation of propagative DS in two different experimental systems that fundamentally differ from the presence or lack of an external forcing. The first one is a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) submitted to a frequency selective feedback, in which DS form in the transverse plane of the system (2D). We analyze how the synchronization of the longitudinal frequencies (mode-locking) can give rise to tri-dimensionnal localization of light: light bullets. The second system is a highly multimode semiconductor ring laser with external forcing, whose spatial extension takes place along the propagation dimension. When the forcing frequency is slightly detuned from the natural frequency of the system, we can see the appearance of self-confined 2 pi phase rotations embedded in a homogeneous (synchronized) state. We then report on the first observation of DS that form in the phase of the optical wave : dissipative phase solitons

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Rimoldi, Cristina. "Événements extrêmes dans des cavités optiques non linéaires étendues." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017AZUR4095/document.

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Abstract:

Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnés
Extreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given

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De, Syamsundar. "Noise in dual-frequency semiconductor and solid-state lasers." Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112114/document.

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Abstract:

Les sources cohérentes de lumière émettant deux fréquences optiques avec une différence largement accordable dans le domaine radiofréquence et un fort degré de corrélation entre leurs fluctuations respectives peuvent être d’un grand intérêt pour de nombreuses applications telles que la photonique micro-onde, les horloges atomiques ultra stables, la physique atomique, la métrologie, etc. C’est le cas des lasers bifréquences émettant deux modes de polarisations linéaires croisées avec une différence de fréquence dans le domaine radiofréquence. Nous comparons les caractéristiques de telles sources bifréquences basées sur des lasers à semiconducteurs (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) ou des lasers à solide (notamment les solides dopés Nd3+ ou Er3+). Au-delà de la différence évidente entre les mécanismes de gain dans les lasers à semiconducteurs et dans les lasers à solide, le VECSEL bifréquence et le laser Nd:YAG bifréquence ne présentent pas la même dynamique. Le VECSEL bifréquence, comme pour un laser de classe A, a une dynamique dénuée d’oscillations de relaxation puisque la durée de vie des photons dans la cavité est beaucoup plus longue que celle de l’inversion de population. A l’opposé, le laser Nd:YAG bifréquence possède une dynamique présentant des oscillations de relaxation comme pour un laser de classe B, en vertu du fait que la durée de vie des photons dans la cavité est plus courte que celle de l’inversion de population. Dans cette thèse, nous explorons les mécanismes par lesquels cette dynamique, en plus du couplage non linéaire entre les deux modes, gouverne le bruit dans les lasers bifréquences. En particulier, nous analysons à la fois expérimentalement et théoriquement les propriétés spectrales des différents bruits (intensité, phase) ainsi que leurs corrélations dans le cas d’un VECSEL bifréquence de classe A et d’un laser Nd:YAG bifréquence de classe B. Enfin, un modèle de réponse linéaire de deux oscillateurs amortis couplés permet d’interpréter les résultats obtenus sur la corrélation entre ces différents bruits
Coherent sources emitting two optical frequencies with a widely tunable frequency difference lying in the radio-frequency range and having a high degree of correlation between their fluctuations can be useful for numerous applications such as microwave photonics, ultra-stable atomic clocks, atom manipulation and probing, metrology, etc. Dual-frequency lasers, which emit two orthogonal linearly polarized modes with a frequency difference lying in the radio-frequency range, have huge potentials for the above mentioned applications. We compare the characteristics of such dual-frequency oscillation in lasers based on either semiconductor (VECSEL: vertical-external-cavity surface-emitting laser) or solid-state active media (mainly Nd3+, or Er3+ doped crystalline host). Apart from the obvious difference between the gain mechanisms in semiconductor and solid-state laser media, the dual-frequency VECSEL and the dual-frequency Nd:YAG laser exhibit different dynamical behaviors. The dual-frequency VECSELs exhibit relaxation oscillation free class-A dynamics as the photon lifetime inside the cavity is longer than the population inversion lifetime. On the contrary, the dual-frequency Nd:YAG lasers obey class-B dynamics linked with the fact that the photon lifetime inside the cavity is shorter than the population inversion lifetime, leading to the existence of relaxation oscillations. In this thesis, we figure out how the laser dynamics, in addition to the nonlinear coupling between the two laser modes, governs different noise phenomena in dual-frequency lasers. In particular, we demonstrate, both experimentally and theoretically, the influence of the laser dynamics and the nonlinear coupling between the two modes on the laser noise, by analyzing the spectral properties of the different noises (intensity, phase) and their correlation in a class-A dual-frequency VECSEL (vertical-external-cavity surface emitting laser) and a class-B dual-frequency Nd:YAG laser. Moreover, the noise correlation results are interpreted in terms of the linear response of two coupled damped oscillators

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Mercier, Emeric. "High-frequency nonlinear dynamics of a laser diode with phase-conjugate feedback." Thesis, CentraleSupélec, 2016. http://www.theses.fr/2016SUPL0010/document.

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Abstract:

Nous étudions l’influence d’une rétroaction optique à conjugaison de phase dans une diode laser. Ce type de rétroaction a été peu étudié et nous montrons ici qu’il donne des résultats intéressants, permettant de débloquer du contenu à haute fréquence. Cela pourrait mener à de meilleures performances dans des systèmes de génération de nombres aléatoires utilisant du chaos optique
We study the influence of phase-conjugate feedback in a laser diode. This type of feedback has not been studied a lot and yet we show here that it can give interesting results. It unlocks oscillations at high frequencies. This could lead to an improvement in the performance of random number generators based on optical chaos

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Ghalgaoui, Ahmed. "Adsorption et dynamique femtoseconde de molécules de CO adsorbées sur des nanoparticules épitaxiées : sonde optique non linéaire, effet de taille et de support." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00692450.

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Abstract:

Nous avons étudié la spectroscopie et la dynamique d'excitation d'un système hybride constitué de molécules et de nanoparticules (NP) sur couche isolante, qui est aussi un catalyseur modèle (NP de Pd épitaxiées sur une couche mince de MgO sur Ag(100)). Nous avons mis en évidence le rôle de la forme et de la taille des NP ainsi que de l'épaisseur de la couche d'oxyde sur l'interaction entre NP et molécule de CO, par des expériences fondamentales capables de différentier les sites d'adsorption (spectroscopie laser vibrationnelle par somme de fréquences (SFG)). De plus, des expériences pompe-sonde nous ont permis de sonder la dynamique d'interaction des électrons excités dans les NP avec les molécules. Une analyse combinée par LEED et STM nous a permis de déterminer les meilleures conditions de croissance du film de MgO. Par la suite des NP de palladium ont été épitaxiées sur ce film avec une densité et une distribution de taille satisfaisantes. Les spectres SFG montre une forte dépendance de la fréquence de vibration avec la taille des NP et le taux de couverture en CO. Le modèle d'interaction dipolaire que nous avons développé met en évidence le fait que le déplacement de la fréquence de CO avec le taux de couverture et la taille des NP a deux causes : l'interaction dipolaire entre molécules d'une part, qui est modélisable, et d'autre part la variation de la liaison chimique molécule-substrat quand la couverture en adsorbats varie. Le modèle nous a permis de montrer que la polarisabilité vibrationnelle de CO varie d'environ 40 % dans notre gamme de taille de nanoparticule. La diminution de la force de la liaison chimique se traduit par la décroissance de la fréquence à couverture nulle avec la taille des NP. Ces variations vont dans le sens de la littérature : quand la taille des NP diminue, la densité d'états électroniques diminue, les liaisons Pd-Pd se contractent et l'énergie d'adsorption des molécules de CO diminue. L'excitation des électrons des NP et du substrat d'Ag se manifeste par une réponse spectroscopique et par la photodésorption de CO. On observe le découplage de l'excitation produite dans l'argent quand l'épaisseur de la couche d'oxyde dépasse quelques plans atomiques. On observe clairement un effet de taille sur l'efficacité de l'excitation électronique des NP sur les molécules de CO, qui diminue avec la taille des NP. Ceci montre que le confinement des électrons dans la particule a davantage pour effet d'augmenter la vitesse de relaxation électronique vers les phonons, que d'exciter plus efficacement les molécules adsorbées. Un modèle optique de double couche (NP/oxyde) sur un substrat d'argent et un modèle à trois températures (électrons, phonons et adsorbats) ont été développés dans le but d'interpréter quantitativement ces observations. Le modèle optique fait apparaître des variations très fortes de l'absorption par la couche de nanoparticules avec son épaisseur équivalente : les variations du coefficient de réflexion et l'effet des interférences multiples ne sont pas négligeables. Les résultats du modèle à trois températures montrent que la température électronique d'une couche continue est deux fois plus importante que celle des NP de taille finie.

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Doutte, Anne. "Étude expérimentale et théorique de la dynamique des lasers Raman à fibre optique." Lille 1, 2005. http://www.theses.fr/2005LIL10158.

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Abstract:

Le laser Raman a été réalisé dans les années 70. Cependant la configuration ne permettait pas de l'utiliser à des fins industrielles. Il a fallu attendre les années 90, avec l'arrivée des diodes laser et des réseaux de Bragg pour que la configuration de ce laser évolue vers un système "tout fibre" utilisables dans des applications industrielles. Cependant pour rendre ce système vraiment attractif, la puissance de sortie doit être stable. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse. Deux axes essentiels sont développés : l'étude du laser Raman muni d'une fibre standard de télécommunication (laser LSF) et l'étude du laser Raman muni d'une fibre à maintien de polarisation (laser LPMF). Les expériences ont montré que la dynamique du LSF est très riche. En effet la puissance de sortie du signal Stokes est instable et ces instabilités dépendent de la polarisation des différentes ondes se propageant dans la cavité du laser. Le laser PMF quant à lui a un comportement différent : quelque soit l'état de polarisation de l'onde pompe incidente, le signal Stokes en sortie est stable. De plus, nous avons mené une étude résolue en polarisation du laser PMF, mettant en évidence le fait que le laser PMF est constitué de deux lasers indépendants linéairement polarisés le long des axes de biréfringence de la fibre. Ce travail de thèse a également consisté en la modélisation théorique du LSF ainsi que du PMF. Les résultats obtenus sont qualitativement très proches des résultats expérimentaux. Pour cela nous avons inclus dans notre modélisation les effets liés à la polarisation tels que l'effet Kerr et la biréfringence des fibres utilisées.

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Giglio, Eric. "Dynamique moléculaire dans les agrégats métalliques fortement excités: Approche semiclassique." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2002. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00003663.

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Abstract:

L'objet de ce travail était étudier l'influence des collisions électron-électron sur la dynamique électronique et ionique d'un agrégat de sodium lors d'une excitation laser femtoseconde. Dans ce but, nous avons utilisé une approche semi-classique qui substitue à la fonction d'onde à N corps quantique représentant les électrons de valence de l'agrégat, une fonction de distribution dans l'espace des phases. L'avantage formel d'une représentation semi-classique est qu'elle permet d'inclure facilement, via les équations cinétiques, le terme de collision d'Ühling-Uhlenbeck (UU), pour aller au-delà du champ moyen. L'évolution en temps de la fonction de distribution est ainsi régie par l'équation de Vlasov-Ühling-Uhlenbeck (VUU), qui est résolue numériquement, à l'aide de la méthode des particules test.

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Elkharrat, Caroline. "Dynamique de photoionisation et de photofragmentation de petites molécules non-linéaires : du rayonnement synchrotron aux impulsions lasers femtosecondes." Paris 11, 2010. http://www.theses.fr/2010PA112382.

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Abstract:

Cette thèse est dédiée à l’extension de la méthode des corrélations vectorielles à l’étude de la dynamique de photoionisation (PI) de petites molécules non-linéaires telles que CH₃Cl, CF₃I et NÔ, dans deux contextes d’excitation lumineuse distincts : la PI en couche C 1s et Cl 2p de la molécule CH₃Cl induites par rayonnement synchrotron X-mou d’une part, et celle en couche de valence des molécules CF₃I et NO₂ induite par excitation multiphotonique auprès de sources lasers femtosecondes d’autre part. La méthode CV est illustrée par deux types d’observables : le diagramme de corrélation des énergies cinétiques électron-ion(s) et la distribution angulaire des photoélectrons dans un référentiel lié à la molécule, intitulée RFPAD dans le cas général d’une molécule non linéaire, pour Recoil Frame Photoelectron Angular Distribution. Celle-ci permet le test le plus sensible des moments de transition caractérisant la dynamique de photoionisation. Leur extraction des distributions angulaires mesurées s’appuie sur un formalisme unifié développé par R. Lucchese (Texas A&M) pour la PI de molécules de symétrie C₂v et C₃v. Les résultats obtenus par ionisation multiphonique de NO₂, incluant la mise en évidence de la formation de paire d’ions (NO⁺-O⁻), contribuent à la compréhension des chemins réactionnels conduisant à la photolyse de cette molécule dont la dynamique électronique et nucléaire est connue pour être complexe
This thesis deals with the extension of the vector correlation (VC) method to the study of the photoionization (PI) dynamics of small non-linear molecules like CH₃Cl, CF₃I and NO₂ for two kinds of light excitation: on the one hand the C 1s and Cl 2p inner-shell photoionization of CH₃Cl induced by X-ray synchrotron radiation, and on the other hand the valence shell PI of CF₃I and NO₂ induced by femtosecond laser pulses. The CV method leads to two main observables: the kinetic energy correlation diagrams and the photoelectron angular distributions of fixed in space molecules, so-called Recoil Frame Photoelectron Angular Distributions (RFPADs) in PI of non-linear molecules. That observable gives the most complete access to the transition moments describing the photoionization dynamics. The unified formalism developed by R. Lucchese (Texas A&M) enables the determination of the RFPADs for the PI of C₂v and C₃v molecules. The results obtained for multiphoton ionization of NO₂, highlighting the production of the (NO⁺-O⁻) ion pair, contribute to the understanding of the reaction pathways leading to the photolysis of this molecule whose electronic and nuclear dynamics is known to be complex

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Wang, Cheng. "Modulation dynamics of InP-based quantum dot lasers and quantum cascade lasers." Thesis, Rennes, INSA, 2015. http://www.theses.fr/2015ISAR0009/document.

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Abstract:

Le besoin incessant de débits toujours plus élevés dans les systèmes de télécommunications a un impact sur tous les éléments composant la chaine de transmission. Ainsi, pour faire face à l’augmentation croissante du volume de données échangées à travers le monde, le développement de nouvelles sources optiques semi-conductrices est absolument nécessaire. La modulation directe de lasers nanostructurés constitue une alternative bas coût et à faible consommation énergétique qui permettra de remplacer progressivement les diodes lasers à puits quantiques actuelles. De nombreux efforts en recherche ont été consacrés au cours des dernières années en vue d’améliorer les performances dynamiques des lasers nanostructurés notamment en terme de bande passante, de facteur de couplage phase-amplitude (facteur α) et de dérive de fréquence (chirp). Pour les applications aux très grands réseaux et systèmes de communication, la croissance d’îlots ou de fils quantiques déposés sur substrat InP permet de réaliser des dispositifs nanostructurés émettant dans le proche infra-rouge autours de 1550 nm. Dans ce mémoire, la dynamique de modulation des lasers nanostructuré est étudiée en régime de modulation directe. Les caractéristiques analysées comprennent: la modulation en amplitude (AM) et en fréquence (FM), le chirp, et les réponses en régime grandsignal. Grâce à une approche semi-analytique, il est démontré que la bande passante et l’amortissement sont fortement limités par les phénomènes de capture et de relaxation des porteurs de charge dans les nanostructures. Afin d’étudier les propriétés du facteur α et du chirp, un nouveau modèle dynamique a été proposé, prenant en compte la contribution à l’indice optique des porteurs de charge dans des états hors résonance. Il est ainsi montré que, contrairement au cas des lasers à puits quantiques, le facteur α dépend fortement du courant de pompe et de la fréquence de modulation. Le facteur α reste constant à basses fréquences (<0,1 GHz) et supérieur aux valeurs obtenues à hautes fréquences (au-delà de quelques GHz) à partir de la technique FM/AM. Ces caractéristiques sont essentiellement attribuées aux contributions des porteurs dans les états hors résonance. Les simulations montrent que le facteur α peut être réduit en augmentant la séparation énergétique entre l’état fondamental résonant (GS) et les états hors résonance. En particulier, un effet laser sur 1’état excité des nanostructures (ES) constitue une solution prometteuse pour améliorer les performances dynamiques, en accroissant notamment la bande passante de modulation et en réduisant le facteur α d’environ 40%. Les techniques d’injection optique sont également intéressantes pour régénérer les performances dynamiques des lasers. Le couplage phase-amplitude et le gain optique y sont substantiellement modifiés via le contrôle de l’amplitude et du désaccord en fréquence du faisceau injecté. Dans ce cadre, ce travail propose une nouvelle technique dérivée de la méthode Hakki-Paoli, permettant de mesurer, sous injection optique, le facteur α à la fois en dessous et au-dessus du seuil. Les lasers à cascade quantique (QCL) sont basés sur des transitions électroniques inter-sous-bandes dans des hétérostructures à puits quantiques. Ces lasers présentent une bande passante (AM) relativement de quelques dizaines de GHz et sans résonance ce qui est prometteur pour les transmissions en espace libre. De manière surprenante, les calculs montrent que les QCL présentent une largeur de bande FM extrêmement large de l’ordre quelques dizaines de THz, environ trois ordres de grandeur supérieure à la largeur de bande AM. L’injection optique dans ces lasers présente les mêmes avantages que ceux procurés dans les lasers à transitions interbandes. Des désaccords positifs ou négatifs en fréquence augmentent notamment la largeur de la bande passante
High performance semiconductor lasers are strongly demanded in the rapidly increasing optical communication networks. Low dimensional nanostructure lasers are expected to be substitutes of their quantum well (Qwell) counterparts in the next-generation of energy-saving and high-bandwidth telecommunication optical links. Many efforts have been devoted during the past years to achieve nanostructure lasers with broad modulation bandwidth, low frequency chirp, and reduced linewidth enhancement factor. Particularly, 1.55-μm InP-based quantum dash (Qdash)/dot (Qdot) lasers are preferable for long-haul transmissions in contrast to the 1.3-μm laser sources. In this dissertation, we investigate the dynamic characteristics of InPbased nanostructure semiconductor lasers operating under direct current modulation, including the amplitude (AM) and frequency (FM) modulation responses, the linewidth enhancement factor (also known as α-factor), as well as large-signal modulation responses. Using a semi-analytical analysis of the rate equation model, it is found that the modulation bandwidth of the quantum dot laser is strongly limited by the finite carrier capture and relaxation rates. In order to study the α- factor and chirp properties of the quantum dot laser, we develop an improved rate equation model, which takes into account the contribution of carrier populations in off-resonant states to the refractive index change. It is demonstrated that the α-factor of quantum dot lasers is strongly dependent on the pump current as well as the modulation frequency, in comparison to the case of Qwell lasers. The α-factor remains constant at low modulation frequencies (<0.1 GHz) and higher than the value derived at high modulation frequencies (beyond several GHz) from the FM/AM technique. These unique features are mostly attributed to the carrier populations in off-resonant states. Further simulations show that the α-factor can be reduced by enlarging the energy separation between the resonant ground state (GS) and off-resonant states. Lasing from the excited state (ES) can be a promising alternative to enhance the laser’s dynamic performance. The laser exhibits a broader modulation response and the α-factor can be reduced by as much as 40%. The optical injection technique is attractive to improve the laser’s dynamical performance, including bandwidth enhancement and chirp reduction. These are demonstrated both theoretically and experimentally. The phase-amplitude coupling property is altered as well in comparison with the free-running laser and the optical gain depends on the injection strength and the frequency detuning. This work proposes a new method derived from the Hakki-Paoli method, enabling to measure the α-factor of semiconductor lasers under optical injection both below and above threshold. In addition, it is demonstrated theoretically that the α-factor in nanostructure lasers exhibits a threshold discontinuity, which is mainly attributed to the unclamped carrier populations in the off-resonant states. It is a fundamental limitation, preventing the reduction of the α-factor towards zero. Quantum cascade (QC) lasers rely on intersubband electronic transitions in multi-quantum well heterostructures. QC lasers show flat broadband AM response (tens of GHz) without resonance, which constitutes promising features for free-space communications. Surprisingly, calculations show that the QC laser exhibits an ultrabroad FM bandwidth on the order of tens of THz, about three orders of magnitude larger than the AM bandwidth. Optically injection-locked QC lasers also exhibit specific characteristics by comparison to interband semiconductor lasers. Both positive and negative frequency detunings enhance the modulation bandwidth

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Virte, Martin. "Two-mode dynamics and switching in quantum dot lasers." Thesis, Supélec, 2014. http://www.theses.fr/2014SUPL0020/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, j'étudie la dynamique non linéaire résultant d’une compétition entre deux modes dans des systèmes lasers à boites quantiques.D’abord, je considère le cas de la compétition entre deux modes de polarisation apparaissant dans les diodes laser nanostructurées à cavité verticale et émettant par la surface (VCSELs). Il est connu que ces composants peuvent avoir une polarisation instable menant à des dynamiques riches. Récemment, un surprenant saut de mode entre deux états polarisés elliptiquement a été récemment découvert dans les VCSELs à boites quantiques. Ce comportement montre des propriétés intrigantes qui nécessitent une interprétation alternative. Dans cette thèse, je montre que ce comportement dynamique peut-être reproduit en utilisant le modèle spin-flip (SFM). En particulier je démontre et confirme expérimentalement que les sauts de modes sont en réalité des fluctuations chaotiques de faible dimension : un chaos en polarisation. Je démontre ensuite la pertinence de la dynamique chaotique observée pour les applications exploitant le chaos optique, en réalisant un générateur de nombres aléatoires à grande vitesse basé sur le chaos en polarisation.Deuxièmement, j'étudie les effet d'une rétroaction optique à délai sur les lasers à boites quantiques émettant simultanément depuis l'état fondamental et le premier état excité. Je clarifie l'impact the cette rétroaction optique ainsi que les mécanismes et bifurcations correspondantes. Je montre théoriquement qu'une rétroaction optique favorise globalement l'émission par l'état fondamental, mais aussi qu'un tel montage peut être utilisé pour commuter entre ces deux modes d'émission lorsque l'on change le taux ou le délai de la rétroaction. Enfin, je confirme ces observations expérimentalement, en rapportant des commutations entre l'état fondamental et l'état excité
In this thesis, I study the nonlinear dynamics induced by the competition between two modes in quantum dot laser systems.First, I focus on the competition between polarization modes that takes place in quantum dot vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs). It is well-known that these devices can exhibit polarization instabilities leading to rich dynamical evolution. Recently, a new peculiar random-like hopping between two non-orthogonal elliptically polarized states has been highlighted in QD VCSELs. This behavior shows intriguing features which clearly call for a different interpretation. In this thesis, I show that the dynamical behavior reported experimentally can accurately be reproduced within the spin-flip model (SFM) framework. In particular, I demonstrate and confirm experimentally that the peculiar random-like hoppings are in fact deterministic low-dimensional chaotic fluctuations, i.e. ``Polarization Chaos''. I then make a proof-of-concept demonstration of a high-speed random bit generator based on polarization chaos, hence demonstrating that the chaotic dynamics uncovered is relevant for optical chaos-based applications.Secondly, I investigate the effects of an external optical feedback on quantum dot lasers emitting simultaneously from the ground and the excited states. I bring new light on the impact of optical feedback and the corresponding mechanisms and bifurcations. I highlight theoretically that optical feedback globally favors the ground state emission, but also that it can be used to switch from one mode to the other when changing the feedback rate and/or the time-delay. In addition, I experimentally report switching between the ground and excited states when varying the external cavity length at the micrometer scale, which supports the theoretical predictions

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Romain, Rudy. "Dynamique spatio-temporelle dans un piège magnéto-optique." Thesis, Lille 1, 2013. http://www.theses.fr/2013LIL10163/document.

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Abstract:

Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique
The aim of this thesis is to study the spatio-temporal dynamics of laser cooled atoms in a magneto-optical trap (MOT). Recent works have shown that in the multiple scattering regime, an atomic cloud can have an unstable behavior without external modulation of the system. Nevertheless, these instabilities have not yet been modeled in a satisfactory way. A new configuration of the MOT has been built up as a possible way to study instabilities in only one direction. This trap, called anisotropic MOT, is not made of laser beams with the same laser frequencies along each direction of space. It exhibits the strong couplings between the directions of the trap, with the result that it cannot be used to reduce the number of directions in which instabilities grow up. However, this study can be considered as a new step to a better 3D description of the MOT physics. In particular, it gives us a way to measure the probability that a scattered photon is reabsorbed inside the atomic cloud. This quantity is a characteristic of the MOT but it has never been measured so far. We also develop a 1D spatio-temporal model of the MOT. It consists in a set of coupled nonlinear equations linking the atomic density and the laser intensities. This set contains a Vlasov-Fokker-Planck equation which is used to model a lot of systems in various fields and not only in physics. Numerical simulations have been done in a simple case. In the experiment, the use of a fast video camera allows us to observe the spatial structure of one type of instabilities, the so-called stochastic instabilities

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Thon, Raphaël. "Dynamique vibrationnelle de métaux-carbonyles pièges en matrice cryogénique." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00842721.

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Abstract:

Nous avons mis en place un dispositif permettant l'acquisition d'échos de photons stimulés infrarouges à l'échelle femtoseconde. Le but est d'examiner la dynamique vibrationnelle aux temps courts de métaux carbonyles (W(CO)₆ and Fe(CO)₅) piégés en matrice cryogénique (4-50 K). Cet environnement solide, issu de la condensation d'un mélange gazeux contenant une impureté et un gaz inerte (N₂, CH₄, Ar, etc.), est propice à l'étude de systèmes dans leur état fondamental. L'excitation d'une vibration moléculaire s'atténue toujours temporellement, ce qui correspond dans le domaine spectral à un élargissement des raies d'absorption. L'étude de la dynamique vibrationnelle vise à examiner les causes physiques à l'origine de cet élargissement spectral. Typiquement, elles sont de trois sortes : phénomènes intramoléculaires, interactions entre molécules piégées et interactions entre la molécule piégée et l'environnement. Les échos de photons permettent de distinguer les contributions homogènes et inhomogènes de l'élargissement spectral et de caractériser les processus de déphasage, de relaxation des populations et de diffusion spectrale. Parmi les résultats obtenus, nous avons mis en évidence l'influence des phonons spécifiques aux matrices moléculaires (ex : libration de N₂ et rotation de CH₄ ) sur le déphasage vibrationnel ainsi que l'influence de la transition de phase du méthane solide à 20 K sur la dynamique vibrationnelle. Nous avons également montré que la dynamique vibrationnelle était dépendante du site cristallographique dans lequel est piégée la molécule. Enfin, en excitant plusieurs modes de vibration simultanément, nous avons pu examiner les couplages intramoléculaires.

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Lebental, Mélanie. "Chaos quantique et micro-lasers organiques." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2007. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00194350.

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Abstract:

Le terme de « chaos quantique » recouvre l'étude des relations entre un système ondulatoire et son homologue classique, que le système dynamique soit intégrable, pseudo-intégrable, mixte ou chaotique. Les billards, puits de potentiel infini enfermant une particule libre, en constituent le sujet d'étude par excellence, car un déplacement de la frontière permet de changer aisément de système dynamique. Aussi avons-nous fabriqué des micro-lasers plans de formes diverses (stade, disque, polygones, ...) où, par analogie formelle, le champ électromagnétique joue le rôle d'une particule quantique. La limite classique correspond alors à celle de l'optique géométrique.
L'originalité de notre étude repose sur l'utilisation de matériaux organiques à faibles indices de réfraction qui facilite le couplage avec l'extérieur de la lumière piégée dans la cavité. Ces billards ouverts présentent des caractéristiques génériques très différentes de celles attendues pour des systèmes équivalents fermés. En particulier, le lien entre optiques géométrique et ondulatoire s'est révélé beaucoup plus étroit.
Nos études expérimentales ont concerné les directions d'émission et les spectres. Pour les premières, nous avons proposé un modèle analytique dans le cas de cavités chaotiques. Concernant les spectres, nous avons développé une méthode d'analyse qui extrait les longueurs géométriques des orbites périodiques. Ce procédé s'avère très efficace pour tester les prédictions théoriques (formule de trace). Par ailleurs, un modèle ondulatoire pour les cavités polygonales ainsi qu'une approche perturbative adaptée aux déformations continues du disque ont été validés par des simulations numériques.

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Amir, Wafa. "Spectroscopie infrarouge résolue en temps pour l'étude de la dynamique femtoseconde du proton en phase liquide." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2003. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00000700.

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Abstract:

Ce travail de thèse s'intéresse à la compréhension de la forte mobilité du proton dans l'eau. L'eau est fondamentale pour la vie et est le milieu essentiel pour les processus chimiques et biologiques. La richesse de l'interdisciplinarité des sciences permet d'en étudier les propriétés au niveau moléculaire qui la rendent unique. La technique privilégiée pour cette étude est la spectroscopie vibrationnelle résolue en temps à l'échelle femtoseconde. Plusieurs expériences sont réalisées pour caractériser la dynamique de l'eau à cette échelle de temps. La visualisation de la rotation des molécules d'eau obtenue par des mesures d'anisotropie est présentée. Cette expérience est réalisée dans l'eau isotopique HDO/D2O pour des raisons de convenance expérimentale et théorique. Cependant ce n'est pas l'eau. L'eau pure H2O est étudiée à partir des modes de libration permettant de s'affranchir d'effets thermiques gênants. Un transfert résonnant énergétique intermoléculaire est alors observé. Enfin la forme localisée du proton dans les molécules d'eau (appelée forme Eigen) est mise en évidence expérimentalement. Cette molécule est impliquée dans l'explication de la mobilité anormale du proton dans l'eau appelé mécanisme de Grotthuss.

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Huang, Heming. "Optical nonlinearities in quantum dot lasers for high-speed communications." Thesis, Paris, ENST, 2017. http://www.theses.fr/2017ENST0012/document.

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Abstract:

L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées
The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications

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Andral, Ugo. "Algorithme d'évolution pour laser à fibre optique en régime d'impulsions courtes." Thesis, Dijon, 2016. http://www.theses.fr/2016DIJOS050/document.

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Abstract:

Le sujet de cette thèse se rapporte à la génération d’impulsions ultracourtes dans une cavité laser fibrée à travers l’optimisation automatique de ses paramètres par un algorithme d’évolution. L’intérêt pour cette problématique provient de la difficulté à explorer les dynamiques impulsionnelles de manière systématique dans un large domaine de paramètres expérimentaux. Nous avons montré que l’implémentation d’un algorithme d’évolution sur une cavité laser fibrée de ce type peut être réalisée, en prenant les précautions adéquates pour que cette association soit la plus efficace possible. Nous avons démontré expérimentalement pour la première fois le verrouillage de modes depuis la seule optimisation des contrôleurs de polarisation utilisant une procédure automatique d’auto-apprentissage. Nous avons démontré que la sélection du blocage de modes depuis son spectre radio-fréquence permet de sélectionner le taux de répétition desimpulsions à l’intérieur de la cavité. Ces résultats préliminaires démontrent les potentialités de notre méthode employée dans des situations de dynamique non linéaire ultrarapide de grande complexité, particulièrement sensibles aux paramètres
This thesis deals with the generation of ultrashort pulses within a fiber laser cavity through the automatic optimization of its parameters by an evolutionary algorithm. The interest of this subject comes from the difficulty to systematically explore dynamics in a large domain of experimental parameters. We have shown that it is possible to implement an evolutionary algorithm on fiber laser cavity with appropriate precautions. We have experimentally demonstrated for the first time the mode locking of a laser cavity only using the optimization of polarization controllers through an automatic and self-learning procedure. We also have demonstrated that selecting the mode locking from it radio-frequency spectrum allow to select the pulses repetition rate within the cavity. These preliminary results show the promising aspect of our method used in situations of non linear ultrafast dynamics with high complexity which are particularly sensitive to parameters

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Duan, Jianan. "Dynamic and nonlinear properties of quantum dot lasers for photonic integrated circuits on silicon." Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLT050.

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Abstract:

La photonique sur silicium permet de palier au faible rendement et la consommation énergétique élevée des liens télécoms exploitant les câbles à paires torsadées ou les câbles coaxiaux. Cette technologie offre une versatilité exceptionnelle, de nouvelles fonctionnalités et des performances accrues pour les communications à haut-débit, les systèmes d’interconnexions optiques à courte portée et le déploiement de liaisons optiques d’une puce à une autre, d’une carte à une autre, ou d’un rack à un autre (datacom). Le silicium est un matériau semi-conducteur très efficace pour le guidage de la lumière, notamment en raison du fort contraste d’indice avec la silice. Cependant, sa bande interdite indirecte ne permet pas une émission radiative efficace. La réalisation de lasers repose donc sur des technologies hybrides de collage ou de report du matériau actif III- V (wafer-bonding, flip-chip) sur le silicium passif. Cependant, cette intégration hétérogène présente des inconvénients comme par exemple un coût élevé et une évolutivité limitée. Les lasers hybrides sur silicium sont aussi plus sensibles aux réflexions parasites provenant des transitions des différentes interfaces passives/actives. Un moyen permettant de surmonter ces inconvénients consiste à faire croître directement le matériau III-V sur le silicium. Dans ce contexte, les lasers à boîtes quantiques utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. Certaines applications comme les systèmes cohérents, les futures horloges atomiques intégrées sur puces et les radars où la sensibilité aux bruits de fréquence et d’intensité influe fortement le taux d’erreur binaire requièrent l’utilisation d’émetteurs optiques à très faible bruit. Dans une première partie, cette thèse révèle le potentiel de lasers à boîtes quantiques InAs/InP présentant une largeur de raie spectrale intrinsèque de 80 kHz et un bruit relatif d’intensité inférieur à -150 dB/Hz. A cet effet, il est montré qu’un faible couplage vertical entre les états liés est plus approprié pour une réduction du bruit d’intensité notamment grâce à la suppression du bruit de porteurs associée à l’état excité. Dans une deuxième partie, les propriétés dynamiques et non- linéaires des lasers à boîtes quantiques directement épitaxiés sur silicium sont étudiées. Comme susmentionné, les lasers intégrés de manière hétérogène sur le silicium sont plus sensibles aux réflexions parasites. Combinées à une rétroaction optique externe, la stabilité du laser peut s’en trouver fortement affectée. Sachant qu’il n’existe pas à ce jour d’isolateurs optiques intégrés sur puce ayant un taux d’isolation suffisant, le développement d’émetteurs insensibles aux rétroactions est un objectif majeur. Cette thèse présente notamment un résultat de transmission sans erreur à partir d’un laser à boîtes quantique directement épitaxié sur silicium soumis à une modulation externe à 10 Gb/s ainsi qu’à une rétroaction optique maximale de 100%. Cette insensibilité aux réflexions résulte de plusieurs propriétés remarquables comme un facteur d’élargissement spectral proche de zéro, un facteur d’amortissement élevé, un fort contraste entre les seuils d’émission des états liés, et une durée de vie des porteurs plus courte. Ces résultats permettent d’envisager le développement de futurs circuits intégrés photoniques sur silicium à haute performance et fonctionnant sans isolateur optique
Silicon photonics have been introduced to overcome low efficiency and high energy consumption of telecom links using twisted pairs or coaxial cables. This technology provides novel functionality and high performance for applications in high speed communication systems, short reach optical interconnects, and the deployment of optical links from chipto-chip, board-to-board or rack-to-rack (datacom). Silicon is known as a very efficient semiconductor material for waveguiding light in particular owing to the strong index contrast with silica. However, the indirect bandgap of silicon makes light emission from silicon inefficient, and other techniques such as wafer- or flipchip bonding must be investigated if light emission is to be realized. The drawbacks of such heterogeneous integration concentrate on the high cost and the limited scalability. Lasers heterogeneously integrated on silicon are also more sensitive to optical reflections originating from the transition between passive/active interfaces. The best way to overcome these drawbacks is to move on to direct epitaxial growth of IIIV materials on silicon for photonics integration. In this context, quantum dot lasers using semiconductor atoms as a gain medium are ideal because they enable smaller devices, amplification with large thermal stability and high tolerance to epitaxial defects. Ultra-low noise optical transmitters are required not only for the coherent systems but also for future chipscale atomic clocks and radar related applications because of the sensitivity to the frequency noise and intensity noise can strongly affect the bit error rates. To this end, the first part of the thesis reports an intrinsic spectral linewidth as low as 80 kHz and a relative intensity noise less than - 150 dB/Hz in InAs/InP quantum dot lasers. In particular, it is shown that a small vertical coupling is more suitable for low intensity noise operation due to the suppression of the carrier noise in the excited state. The second part of the thesis investigates the dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum dot lasers on silicon. As mentioned above, lasers heterogeneously integrated on silicon are more sensitive to parasitic reflections. When combined with external optical feedback, the laser stability can be dramatically affected. As no on-chip optical isolators integrated with lasers and having sufficient isolation ratio exist, the development of feedback insensitive transmitters remains a major objective. This thesis presents an error-free transmission of an epitaxial quantum dot laser on silicon externally modulated at 10 Gb/s and subjected to 100% optical feedback. Such remarkable feedback insensitivity directly results from the near-zero linewidth enhancement factor, the large damping factor, the strong contrast between the ground state and excited states and a shorter carrier lifetime. These results pave the way for future high-performance photonics integrated circuits on silicon operating without optical isolators

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Ouali, Mardia. "Contribution à l’étude de la dynamique dans de nouvelles cavités optiques." Thesis, Lille 1, 2016. http://www.theses.fr/2016LIL10200.

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Abstract:

Ce travail de thèse se compose en deux parties :Partie 1Nous nous intéressons à la propagation lumineuse non-linéaire dans des cellules planaires de cristal liquide nématique mélangé avec un colorant, l’effet non-linéaire considéré étant l'effet thermique. Puis, nous nous intéressons à l'amélioration de la fluorescence émise par le colorant.Nous concluons que pour améliorer le spectre de la fluorescence, il faut utiliser une source se propageant en mode soliton, optimiser la distance entre la fibre optique d’excitation de celle de collecte et l’ajout des nanoparticules d'or au cristal liquide. Cette amélioration de la fluorescence ouvrira la voie à la création du laser à colorant assisté par propagation de soliton.Partie 2Nous étudions la dynamique spatiotemporelle d'une cavité en anneau remplie d'un milieu de type Kerr non-instantané et pompée par un faisceau cohérent. Nous effectuons d’abord une étude analytique afin de déterminer les types d’instabilités possibles et leurs seuils. Puis, une étude numérique est menée pour observer l’évolution du champ dans la cavité. Nous montrons l’existence des structures périodiques et localisées
The work of this thesis consists of two parts:Part 1We are interested in non-linear light propagation in planar cells of nematic liquid crystal mixed with a dye. The non-linear effect is considered to be a thermal effect. Then, we are interested in improving the fluorescence emitted by the dye.We conclude that to improve the fluorescence spectrum, we need to use a source propagating in soliton mode, to optimize the distance between the excitation optical fiber and the collecting one and to add the gold nanoparticles to the liquid crystal. This improvement of fluorescence spectrum will pave the way for the creation of a dye laser assisted with soliton propagation.Part 2We study the spatiotemporal dynamics of a ring cavity filled with a non-instantaneous Kerr-type medium and pumped by a coherent beam. We first carried out an analytical study to determine the types of instabilities and their thresholds. Then, a numerical study is carried out to observe the evolution of the field in the cavity. We show the existence of periodic and localized structures

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Coulibaly, Saliya. "Solitons dissipatifs des oscillateurs paramétriques optiques : instabilités convectives / absolues et effets non-linéaires du walk-off." Lille 1, 2006. https://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupversions/d024cfb0-ee26-498b-ab7b-6368ac8e4f07.

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Abstract:

Les Oscillateurs Paramétriques Optiques (OPO) sont des sources optiques susceptibles de produire par interaction non linéaire à trois ondes au sein d'un cristal à forte sensibilité quadratique, des faisceaux de lumière cohérente et accordable en fréquence. Ils sont classés parmi les systèmes optiques à cavité non linéaire, dans lesquels des structures spatiales auto-organisées peuvent se former de façon spontanée dans la section transverse des faisceaux de sortie. Nous présentons ici, la capacité des OPO à générer de nouvelles structures, notamment celles conduisant à un confinement de l'énergie, appelées Structures Spatiales Localisées (SSL) ou solitons dissipatifs. Notre étude permet le contrôle et la manipulation des SSL à partir des caractéristiques du champ de pompe incident, et de l'interaction non lméaire des champs intra-cavité. Nous montrons, en particulier, que les inhomogénéités dans le pompage conduIsent à un piégeage des SSL, ce qui implique la quantification des seuils d'oscillation de l'OPO et une disparition des courbes neutre de stabIlité marginale, obtenues pour le cas idéal d'un pompage en ondes planes. Ce piégeage résiste à l'effet de dérive induit par le walk-off (double réfraction) et l'interaction entre ce dernier et les inhomogénéités fournit un moyen efficace pour contrôler aussi bien la vitesse que la position d'équilibre des SSL dans le plan transverse. L'étude des effets non linéaires du walk-off nous a permis de montrer qu'il est possible, en régIme monostable, d'abaisser le seuil d'émission de l'OPO sous le seuil linéaire classique. En régime bistable, nous avons révélé l'existence d'un terme de gradient non-linéaire pennettant ainsi la modélIsation de la dynamique spatio-temporelle des champs intra-cavité au-dessus du seuil. L'étude de ce nouveau modèle montre une autodépendance de la fréquence et de la vitesse d'entraînement des structures spatiales de l'OPO, vis à vis de leur intensité. Ce qui permet d'expliquer l'auto-décallage de fréquences, le freinage et la dissymétrie observés dans l'enveloppe des champs émis par l'OPO.

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Khuong, Anaïs. "Modèle comportemental de la dynamique de construction de la structure épigée du nid chez la fourmi Lasius niger : approches expérimentales et théoriques." Toulouse 3, 2013. http://thesesups.ups-tlse.fr/2414/.

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Abstract:

La structure épigée du nid de la fourmi Lasius niger, prise comme un exemple typique des structures alvéolaires construites par les insectes sociaux, résulte de l'accumulation d'actes individuels de prise, de transport et de dépôt de matériau. Nous montrons expérimentalement que ces structures émergent d'une coordination indirecte des actes de prise/dépôt par l'activité précédente : les dépôts sont plus fréquents dans les zones de forte densité, et les prises dans les zones de faible densité. Il s'agit donc d'une dynamique auto-organisée où des boucles de rétroaction amplifient des premiers dépôts aléatoires. Au cours du temps, la surface de la structure devient alvéolaire, et le déplacement des fourmis peut être affecté par ses déclivités et ses courbures. A ce stade, le processus de construction présente donc un double couplage de la structure avec d'une part les décisions comportementales de prise et de dépôt, et d'autre part le déplacement des fourmis. Pour ce dernier, nous proposons le modèle du Marcheur de Boltzmann généralisé qui intègre ces effets d'orientation par la structure. Nous proposons enfin une formulation intégrale des échanges de matériau entre points du système, qui intègre tous ces éléments. Ce formalisme confirme le critère d'émergence obtenu par l'analyse linéaire de stabilité classique sur la phase initiale et permet de comprendre les mécanismes essentiels de cette dynamique, en lien direct avec la représentation du phénomène en termes de comportements individuels
Epigenous part of the nest in the ant Lasius niger is a typical example of sponge-like structures built by social insects. It results from accumulated tiny pellets of material which are picked up, moved and dropped by individuals. We show experimentally that these structured patterns emerge from a coordination of individual decisions mediated by the evolving density of material: they pick up more often in depleted zones and drop preferentially in high-density zones. This self-organized process allows random fluctuations in early material density field to be amplified through time. The building then evolves towards a sponge-like structure, so that the surface displays slopes and curvatures, which might in turn affect motion decisions. In late stage, the coupling between density and behavioral decisions is then intricated with coupling between geometry and motion. For the latter, we designed the Generalized Boltzmann Walker model so as to integrate local geometry with random walk. We demonstrate experimentally its relevance for the effect of slopes. Eventually, we analyze the whole process within an analysis of net exchange of material between pairs of locations. We confirm then some results obtained by classical linear stability analysis, and explain essential properties of those dynamics in terms of measured individual behaviors and cognitive properties

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Doumbia, Yaya. "Optical injection dynamics and polarization properties of semiconductor lasers frequency combs." Electronic Thesis or Diss., CentraleSupélec, 2021. http://www.theses.fr/2021CSUP0008.

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Dans ce travail, nous étudions la dynamique non linéaire de diodes laser injectées optiquement avec des peignes de fréquence.Nous analysons d'abord théoriquement et expérimentalement la dynamique non linéaire des lasers à émettant par la tranche (EELs) à partir d'une injection optique de peignes de fréquence. Les paramètres d'injection et les propriétés du peigne injecté sont variés pour dévoiler plusieurs dynamiques verrouillées et déverrouillées. Pour une force d'injection suffisamment grande et sur une large plage de désaccord, le verrouillage d'injection bifurque vers une dynamique temporelle correspondant à un peigne de fréquence optique qui étend le peigne injecté à un spectre optique beaucoup plus large. Une analyse de bifurcation révèle une dynamique de peigne de fréquence harmonique en cascade conduisant à une augmentation significative des lignes de peigne de sortie. Nous avons également utilisé les paramètres d'injection, les propriétés du peigne et le courant d'injection pour contrôler les propriétés du nouve peigne. Dans un deuxième temps, nous analysons expérimentalement la dynamique non linéaire et les propriétés de polarisation dans des lasers émettant par la surface (VCSEL) soumis à une injection optique orthogonale avec des peignes de fréquence. Plus important encore, le VCSEL montre deux peignes de fréquence avec une polarisation orthogonale à partir d'un seul appareil pour certains paramètres d'injection. Nous démontrons également la possibilité de contrôler le taux de répétition des peignes à une ou deux polarisations grâce à la génération de peignes à fréquence harmonique. Nous présentons enfin expérimentalement et théoriquement la dynamique d'injection de VCSEL à partir d'une injection de peigne de fréquence optique avec une polarisation parallèle à celle du VCSEL. Nous montrons que la performance des peignes à deux polarisations sont limitées à une injection de courant élevé dans le cas d'une injection optique parallèle. Pour un courant de polarisation fixe, la dynamique des deux peignes de polarisation disparaît lorsque l'on augmente l'espacement des peignes injectés.Cette thèse démontre donc outre son intérêt pour la dynamique laser non linéaire, l'injection optique est une technique permettant d'exploiter les propriétés de peigne dans les diodes laser
In this work, we study the nonlinear dynamics of laser diodes optically injected with frequency combs.We first theoretically and experimentally analyze the nonlinear dynamics of edge-emitting lasers (EELs) from an optical injection of frequency combs. The injection parameters and injected comb properties are varied to unveil several locked and unlocked dynamics. For large enough injection strength and over a large detuning range, the injection locking bifurcates to a time-periodic dynamics corresponding to an optical frequency comb that extends the injected comb to a much broader optical spectrum. A bifurcation analysis reveals a cascade harmonic frequency comb dynamics leading to a significant increase in the output comb lines. We have also used the injection parameters, comb properties, and injection current to control the new comb properties. We secondly analyze the nonlinear dynamics and polarization properties in vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) subject to orthogonal optical injection with frequency combs experimentally. Most importantly, the VCSEL shows two frequency combs with orthogonal polarization from a single device for some injection parameters. We also demonstrate the possibility to control the single or two polarizations comb repetition rate through harmonic frequency combs generation. We finally present experimentally and theoretically the VCSEL injection dynamics from parallel optical frequency comb injection. We show that the two polarizations combperformance is restricted to high current injection in the case of parallel optical injection. For fixed bias current, the two polarization comb dynamics disappear when increasing the injected comb spacing.This thesis therefore demonstrates besides its interest for nonlinear laser dynamics, optical injection is a technique to harness the comb properties in laser diodes

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Cornet, Charles. "propriétés électroniques, optiques et dynamiques de boites quantiques auto-organisées et couplées sur substrat InP." Phd thesis, INSA de Rennes, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00132644.

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Abstract:

Ce manuscrit de thèse porte sur l'étude et la compréhension des boites quantiques InAs sur substrat InP, travail mené en collaboration avec l'université technique (TU) de Berlin en Allemagne, et l'université catholique (KU) de Leuven en Belgique, dans le cadre du réseau d'excellence européen SANDIE.

Le chapitre 0 est une introduction détaillée à la physique des boites quantiques. Cette partie mets en évidence les motivations et les enjeux scientifiques liés à l'étude des boites quantiques, et en particulier dans le système InAs/InP. Les principes de fabrication des boites quantiques par épitaxie par jet moléculaire sont également détaillés.

Le chapitre 1 présente une étude théorique des boites quantiques sur substrat InP. Ces boites sont tout d'abord étudiées à l'aide d'une méthode de calcul de type k•p à huit bandes. L'influence de la composition de la boite quantique (InAs ou InAsSb), ainsi que celle de l'orientation du substrat ((311)B ou (100)) sur les propriétés optiques des ces boites est ainsi analysée. Des solutions sont ainsi proposées pour l'utilisation de telles boites quantiques comme sources laser pour les applications télécom (1.5 µm), ou encore pour la détection de gaz, ou les transmissions en espace libre (entre 2 et 5 µm).

Dans le chapitre 2, les boites quantiques sont étudiées expérimentalement. De nombreuses techniques de spectroscopie ont été utilisées (photoluminescence, magnéto-photoluminescence, spectroscopie d'absorption) afin de déterminer les constantes fondamentales de nos boites quantiques. Ainsi, le coefficient d'absorption, le rayon de Bohr de l'exciton, sa masse effective et son énergie de liaison sont mesurés dans le système InAs/InP, ainsi que les écarts énergétiques entre les états fondamentaux et excités de boites quantiques. Il est ainsi démontré expérimentalement que l'utilisation d'un alliage quaternaire InGaAsP est plus adapté pour les applications laser que l'alliage binaire InP.

Le couplage latéral de boites quantiques est étudié à la fois expérimentalement et théoriquement dans le chapitre 3. Lorsque l'alliage quaternaire InGaAsP est utilisé avec des conditions de croissance optimisées, une très haute densité de boites quantiques peut être obtenue, avec une bonne organisation de ces boites dans le plan de croissance. Une nouvelle méthode de calcul dans l'espace réciproque a été développée afin de simuler un tel super-réseau de boites quantiques. Ces calculs prédisent qu'il peut exister un couplage latéral entre ces boites quantiques pour de si fortes densités. Des expériences de magnéto-photoluminescence, de photoluminescence et d'électroluminescence sont utilisées afin de mettre en évidence ce couplage latéral. L'influence de ce couplage sur la redistribution des porteurs de charge dans les composants laser est discutée. Il est montré qu'un régime de couplage judicieusement choisi permet d'améliorer les performances des lasers à boite quantique.

Finalement, des expériences pompe-sonde sur les boites quantiques InAs/InP sont présentées dans le chapitre 4. Les temps de vie radiatifs des niveaux d'énergie de boites quantiques sont mesurées. Une interprétation de ces mesures est donnée en terme de durée de vie de l'exciton et du biexciton dans nos boites quantiques, et les conséquences de ces mesures sur le comportement dynamique des composants lasers à base de boites quantiques sont discutées.

Des conclusions et des perspectives à ce travail de thèse sont enfin présentées, ainsi que la bibliographie utilisée comme support et point de départ de ce travail de thèse.

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Singh, Kamal Priya. "Etude théorique et expérimentale des résonances stochastiques et interactions entre bruits dans un laser vectoriel bistable : applications à la bascule de Schmitt et à la dynamique du climat." Rennes 1, 2005. http://www.theses.fr/2005REN1S007.

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Abstract:

"Nous explorons les résonances stochastiques (RS) et les effets de l'interaction entre bruits multiples ou entre fonctions de parités différentes dan un laser vectoriel bistable. Nous montrons tout d'abord le laser vectoriel présente des RS originales. En présence de modulation et de bruit optiques, nous isolons les RS d'inhibition et de rotation. Le régime rotationnel est privilégié par la suite car il est sensible aussi bien au bruit magnétique qu'optique, ou qu'à l'émission spontanée. Nous exploitons alors les entrées multiples de parités opposées dans le régime de rotation pour montrer d'abord que la parité d'une fonction dans l'équation de Langevin est cruciale pour la dynamique du système non linéaire. Nous étudions ensuite l'interactions entre deux bruits corrélés de natures optique et magnétique. Un régime critique d'interaction est trouvé dans lequel un état stable devient pratiquement sans bruit. Mais, la réponse à tout signal s'écroule. Cependant, dans ce régime critique, si un "levier" indépendant brise la symétrie du système, le comportement du laser est alors régi par ce que nous appelons sa Réponse Stochastique Duale (RSD), qui montre trois propriétés originales : (i) sensibilité élevée pour des amplitudes faibles de signal, (ii)robustesse: un comportement non-résonant en fonction de l'amplitude de bruit et (iii) réponse large bande en fréquence du signal. On s'affranchit ainsi des limites associées à la RS. Le même régime est obtenu quand un seul bruit peut agir sur deux fonctions de parités opposées En utilisant une version modifiée de la bascule de Schmitt nous démontrons que la RSD peut également être mise en oeuvre en électronique. Curieusement, les RSD du laser et de la bascule de Schmitt peuvent être utilisées pour illustrer la dynamique du climat de la Terre, autre système non linéaire"

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Rolle, Jérémie. "Étude de la dynamique plasma dans la filamentation laser induite dans les verres de silice en présence de rétrodiffusion Brillouin stimulée et dans les cristaux de KDP." Thesis, Paris 11, 2014. http://www.theses.fr/2014PA112195/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions l’influence d’un plasma non-stationnaire produit par des impulsions laser en régime d’auto-focalisation. Cette auto-focalisation est couplée à des non-linéarités Brillouin pour des impulsions nanosecondes dans les verres de silice. Elle excite différents canaux d’ionisation dans les cristaux de KDP irradiées par des impulsions femtosecondes. Tout d’abord, nous dérivons les équations de propagation des ondes optiques laser et Stokes sujettes à la filamentation due à l’effet Kerr, la rétrodiffusion Brillouin et à la génération de plasma. Dans une deuxième partie, nous présentons des résultats numériques sur la propagation non-linéaire de faisceaux LIL. Ceux-ci révèlent l’importance de la distribution temporelle de l’impulsion pompe dans la compétition entre auto-compression Kerr et la rétrodiffusion Brillouin stimulée. Ces simulations préliminaires permettent de valider le système anti-Brillouin opté pour le LMJ sur la base de faisceaux millimétriques.Dans une troisième partie, nous présentons des résultats théoriques et numériques sur la filamentation d’impulsions nanosecondes opérant dans l’ultraviolet et l’infrarouge. L’influence d’un plasma inertiel sur la dynamique de couplage de deux ondes en contre-propagation est examinée. Dans une configuration à une onde, une analyse variationnelle reproduit les caractéristiques globales d’un équilibre quasi-stationnaire entre auto-compression Kerr et défocalisation plasma. Toutefois, cet équilibre cesse pour faire place à des instabilités modulationnelles induites par rétroaction du plasma sur l’onde de pompe. Nous montrons que des modulations de phase supprimant la rétrodiffusion Brillouin permettent d’inhiber ces instabilités plasma. La robustesse de ces modulations de phase est testée en présence d’un bruit aléatoire dans le profil de l’impulsion laser.Enfin, nous étudions numériquement la dynamique non-linéaire d’impulsions femtosecondes se propageant dans la silice et le KDP. Premièrement, nous montrons que la présence de défauts impliquant moins de photons pour exciter un électron de la bande de valence à la bande de conduction promeut des intensités de filamentation plus élevées. Ensuite, nous comparons la dynamique de filamentation dans la silice avec celle dans un cristal KDP. Le modèle d’ionisation pour le KDP prend en compte la présence de défauts et la dynamique électrons-trous. Nous montrons que la dynamique de propagation dans la silice et le KDP présente des analogies remarquables pour des rapports de puissance incidente sur puissance critique équivalents.La conclusion nous permet de résumer les résultats originaux obtenus dans le cadre de cette thèse et d’en discuter des développements ultérieurs possibles
In this thesis, we study the role of an inertial plasma reponse produced by laser pulses in self-focusing regime. Self-focusing is coupled with Brillouin nonlinearities for nanosecond pulses in silica glasses. For femtosecond pulses propagating in KDP crystals, self-focusing excites various ionization chanels. First of all, we derive the propagation equations for the pump and Stokes waves, subjected to filamentation due to optical Kerr effect, stimulated Brillouin scattering and plasma generation. In the second part, we present numerical results on the nonlinear propagation of LIL laser beams. These results show that temporal distribution of the pump pulse play a key role in the competition between self-focusing and stimulated Brillouin scattering. These preliminary results valide the anti-Brillouin system opted on the MegaJoule laser (LMJ) on the basis of milimetric-size laser beam.In a third part, we present numerical and theoretical results on the filamentation in fused silica of nanosecond light pulses operating in ultraviolet and infrared range. Emphasis is put on the action of a dynamical plasma reponse on two counterpropagating waves. For a single wave, we develop a variational analysis which reproduces global propagation features for a quasistationary balance between self-focusing and plasma defocusing. However, such a quasistionary balance ceases to clean up modulational instabilites induced by plasma retroaction on the pump wave. We show that phase modulations supress both simulated Brillouin scattering and plasma instabilities. The robustness of phase modulations is evaluated in presence of random fluctuations in the input pump pulse profile.Finally, we study numerically the nonlinear propagation of femtosecond pulses in fused silica and KDP. First, we show that the presence of defects involving less photons for exciting electrons from the valence band to the conduction band promotes higher filamentation intensity levels. Then, we compare the filamentation dynamic in silica and KDP crystal. The ionization model for KDP crystal takes into account the presence of defects and the electron-hole dynamics. We show that the propagation dynamics in silica and KDP are almost identical at equivalent ratios of input power over the critical power self-focusing.The summary of this thesis recalls the original results obtained and discusses the possibility of future developments

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Higuet, Julien. "Etudes structurelles et dynamiques de systèmes atomiques ou moléculaires par génération d'harmoniques d'ordre élevé." Thesis, Bordeaux 1, 2010. http://www.theses.fr/2010BOR14078/document.

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La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial.Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises.Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit
High harmonic generation is a well known phenomenon explained by a “three step” model: because of the high intensity field generated by an ultrashort laser pulse, an atom or a molecule can be tunnel ionized. The ejected electron is then accelerated by the intense electric field, and eventually can recombine on its parent ion, leading to the emission of a XUV photon. Because of the generating process in itself, this light source is a promising candidate to probe the electronic structure of atoms and molecules, with an attosecond/sub-nanometer potential resolution (1 as=10-18 s).In this work, we have studied the sensitivity of the emitted light (in terms of amplitude, but also phase and polarization) towards the electronic structure of the generating medium. We have first worked on atomic medium, then on molecules (N2, CO2, O2). Comparing the experimental results with numerical simulations shows the necessity to model finely the generation process and to go beyond commonly used approximations.We have also shown the possibility to perform high harmonic spectroscopy in order to measure dynamics of complex molecules, such as Nitrogen Dioxide (NO2). This technic has obtained complementary results compared to classical spectroscopy and has revealed dynamics of the electronic wavepacket along a conical intersection. In this experiment, we have adapted conventionnal optical spectroscopy technics to the XUV spectral area, which significantly improved the signal over noise ratio

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Boulnois, Arnaud. "Étude en théorie des lasers : application au laser à fibre optique et au laser multimode longitudinal." Lille 1, 1997. http://www.theses.fr/1997LIL10203.

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Les travaux presentes au cours de cette these ont pour objet l'etude theorique de la dynamique du laser a fibre dopee au neodyme. Afin de decrire le comportement tres complexe de ce systeme, nous avons mis en oeuvre deux methodes d'analyse distinctes associees chacune a des proprietes physiques particulieres. Nous consacrons notre premiere approche a la description d'un laser oscillant simultanement sur deux etats de polarisation orthogonaux. La modelisation de ce systeme necessite un redeveloppement complet des equations du laser sur la base de proprietes tres generales de l'interaction rayonnement-matiere. Nous obtenons ainsi un nouveau modele pour le laser de classe b a fibre dopee qui a conduit aux resultats suivants : - la mise en evidence de l'existence de deux seuils independants associes a chaque direction de polarisation du champ - la demonstration de l'influence de chacune de ces polarisations sur la croissance de l'autre - la caracterisation de l'effet de la polarisation et de l'orientation du champ de pompe par rapport aux axes propres de la fibre sur la repartition de l'intensite du champ laser emis - la mise en evidence numerique de regimes periodiques, quasi-periodiques et du phenomene d'antiphase dans des regimes chaotiques
Dans la seconde partie, nous privilegions l'aspect multimode comme source d'instabilites. Pour cette nouvelle approche, nous utilisons le modele de bloch-maxwell pour un laser multimode et desaccorde en frequence. L'etude complete de ce systeme ne pouvant etre conduite par les methodes habituelles, nous mettons en oeuvre des theories plus originales. La premiere consiste a redefinir l'approximation du laser de classe b afin de faire apparaitre un petit parametre. Puis, par des operations arithmetiques, nous transformons le modele dans le but d'en extraire une solution oscillante particuliere et de determiner son seuil d'existence. Enfin, nous reconstruisons les solutions a partir de ce point de bifurcation a l'aide d'un developpement perturbatif et d'une definition de nouvelles echelles de temps et d'espace

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Minotti, Angelot. "Contribution à la mesure aéroacoustique par vélocimétrie laser Doppler." Toulouse, ENSAE, 2004. http://www.theses.fr/2004ESAE0017.

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Abstract:

La réduction des nuisances sonores d'aéronefs implique une meilleure compréhension de la propagation acoustique en présence d'un écoulement quelconque, tant d'un point de vue théorique qu'expérimental. Mais ce phénomène physique est difficile à appréhender. Si l'écoulement n'est pas uniforme, la théorie de Galbrun (représentation lagrangienne) permet d'exprimer, en écoulement quelconque d'un fluide parfait, toutes les grandeurs acoustiques (pression, intensité. . . ) en petites perturbations en fonction d'une seule variable, le vecteur déplacement. Toutefois, elle n'a jamais été expérimentée faute de capteurs adéquats. Ce travail de thèse propose en premier lieu de montrer la pertinence de l'approche théorique de Galbrun en l'intégrant dans une description non linéaire exacte des perturbations dans un milieu continu. Des équations sont alors obtenues qui, appliquées au cas du fluide parfait, généralisent les équations linéaires de la théorie de Galbrun. Dans un second temps, après avoir montré la faisabilité de la mesure de vitesse acoustique par vélocimétrie laser Doppler (LDV) sur une soufflerie à faible vitesse, la théorie linéaire de Galbrun est expérimentée sur un banc aéroacoustique haute vitesse, spécialement développé à cet effet. Une première caractérisation en écoulement du champ acoustique, notamment le vecteur intensité, au-dessus d'un matériau absorbant a ainsi pu être menée.

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Roussel, Éléonore. "Spatio-temporal dynamics of relativistic electron bunches during the microbunching instability : study of the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings." Thesis, Lille 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LIL10067/document.

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Abstract:

Les paquets d'électrons relativistes circulant dans les anneaux de stockage sont des sources de rayonnement VUV, X et THz incontournables. Cependant, ces systèmes sont également connus pour présenter des instabilités dynamiques. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'instabilité dite de microbunching, qui mène à l'apparition de microstructures à l'échelle millimétrique, et à l'émission de bouffées intense de rayonnement THz cohérent. L'objectif de la thèse était d'avancer dans la compréhension de la dynamique non-linéaire de ces structures, en combinant études expérimentales et numériques. Les expériences ont été effectuées au Synchrotron SOLEIL et à UVSOR, et les études numériques ont été principalement basées sur l'équation de Vlasov-Fokker-Planck. Dans un premier temps, la rapidité des échelles de temps impliquées nous a menés à réaliser des études indirectes. Des informations sur la dynamique à l'échelle picoseconde ont ainsi pu être déduites d'enregistrements au moyen de détecteurs possédant des constantes de temps beaucoup plus lentes (la microseconde), et en particulier en étudiant la réponse à des perturbations laser. Ensuite, au moyen de deux techniques nouvelles, nous avons pu réaliser les premières observations directes des structures et de leur dynamique. A UVSOR, nous avons utilisé un détecteur THz à film mince de YBCO supraconducteur. Ensuite, nous avons développé une méthode originale associant l'effet électro-optique et l'étirement temporel, ce qui nous a permis d'atteindre une résolution picoseconde, au Synchrotron SOLEIL. Ces nouvelles observations nous ont immédiatement permis de réaliser des tests extrêmement sévères des modèles théoriques
Relativistic electron bunches circulating in storage rings are used to produce intense radiation from far-infrared to X-rays. However, above a density threshold value, the interaction between the electron bunch and its own radiation can lead to a spatio-temporal instability called microbunching instability. This instability is characterized by a strong emission of coherent THz radiation (typically 105 times stronger than the classical synchrotron radiation) which is a signature of the presence of microstructures (at mm scale) in the electron bunch. This instability is known to be a fundamental limitation of the operation of synchrotron light sources at high beam current. In this thesis, we have focused on this instability from a nonlinear dynamics point of view by combining experimental studies carried out at the Synchrotron SOLEIL and UVSOR storage rings with numerical studies mainly based on the Vlasov-Fokker-Planck equation. In a first step, due to the very indirect nature of the experimental observations, we have sought to deduce information on the microstructure wavenumber either by looking at the temporal evolution of the THz signal emitted during the instability or by studying the response of the electron bunch to a laser perturbation. In a second step, we have achieved direct, real time observations of the microstructures dynamics through two new, very different, detection techniques: a thin-film superconductor-based detector at UVSOR, and a spectrally-encoded electro-optic detection technique at SOLEIL. These new available experimental observations have allowed severe comparisons with the theoretical models

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Karsaklian, dal Bosco Andreas. "Chaos and high-frequency self-pulsations in a laser diode with phase-conjugate feedback." Phd thesis, Supélec, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00963630.

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Abstract:

This thesis is a theoretical and experimental study of the dynamics of an edge-emitting laser diode (850 nm) with phase-conjugate feedback. The experimental device is designed to see the dynamical range of the laser through the temporal and spectral properties while the feedback rate varies. Phase-conjugate feedback is performed through four-wave mixing in a photorefractive crystal. The propagation time of the laser beam in the external cavity is termed external time delay. Under the effect of the feedback, the system shows a wide dynamical range including chaos and self-pulsing states which characteristic properties are determined by the length of the external cavity. For the first time self-pulsing states at frequencies multiples of the fundamental frequency of the external cavity are evidenced. Simulations carried out based on the commonly-used Lang-Kobayashi laser rate equations provide theoretical confirmations to the experimental observations. The main topics tackled here are chaos crisis and bistability of pulsing solutions, self-pulsing regimes (through their stabilization and destabilization) and the transitions between them, characterization of extreme events of two kinds along with their statistical distribution and delay-induced deterministic coherence resonance of low frequency fluctuations. Beyond the fundamental interest of these results and the many comparisons that can be made with other laser systems, applications in the field of all-optical signal generation and control of chaos are direct consequences of this study.

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Schiavoni, Michele. "DYNAMIQUE DES ATOMES DANS UN RESEAU OPTIQUE DISSIPATIF : MODES DE PROPAGATION, RESONANCE STOCHASTIQUE, DIFFUSION DIRIGEE." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00003129.

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Abstract:

Le travail présenté dans cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la dynamique atomique dans un réseau optique dissipatif. Nous avons utilisé les techniques de spectroscopie pompe-sonde et d'imagerie du nuage atomique. Nous avons pu obtenir avec ces méthodes des informations sur la température, sur le mouvement des atomes piégés dans les puits de potentiel optique et sur les processus de transport.

Nous reportons l'observation directe des modes de propagation Brillouin par imagerie et nous étudions le lien avec la résonance optique que l'on observe dans les spectres pompe-sonde. Nous montrons l'existence de modes noirs, pour lesquels un mode de propagation est excité sans qu'il soit détectable par spectroscopie.

Nous utilisons les réseaux optiques comme système modèle pour la physique statistique. Nous montrons l'existence d'une résonance stochastique pour l'excitation du mode de propagation Brillouin.

Enfin, nous reportons l'observation d'une diffusion dirigée d'atomes dans un potentiel périodique symétrique, obtenue grâce à la brisure de la symétrie temporelle du système.

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Saez, Robert Esteban. "Interaction dynamique non-linéaire sol-structure." Phd thesis, Ecole Centrale Paris, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00453297.

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Abstract:

L'interaction dynamique entre le sol et les structures (IDSS) a fait l'objet de nombreuses études sous l'hypothèse de l'élasticité linéaire, bien que les effets de l'IDSS puissent être différents entre un système élastique et un système inélastique. De fait, les méthodologies usuelles développées à partir des études élastiques peuvent ne pas être adaptées aux bâtiments conçus pour dissiper de l'énergie par de l'endommagement lors de séismes sévères. De plus, il est bien connu que la limite d'élasticité du sol est normalement atteinte même pour de séismes relativement faibles. En conséquence, si les effets inélastiques de l'IDSS sont négligés, les études d'endommagement sismique des bâtiments peuvent être très inexactes. L'objectif de ce travail est de développer une stratégie générale pour l'étude du problème de l'IDSS non-linéaire dans le contexte de l'analyse de la vulnérabilité sismique des bâtiments. Ainsi, des modèles d'éléments finis réalistes sont développées et appliquées à des problèmes d'IDSS non-linéaires. Les modèles couvrent une large gamme des conditions pour le sol et des typologies de bâtiments soumis à plusieurs bases de données sismiques. Une stratégie de modélisation a été développée et validée afin de réduire significativement le coût numérique. Pour cela, un modèle 2D équivalent a été développé, implanté dans GEFDyn et utilisé pour effectuer une importante étude paramétrique. De nombreux indicateurs de comportement non-linéaire de la structure et du sol ont été proposés pour synthétiser leur fonctionnement lors du chargement sismique. De surcroît, une stratégie d'évaluation de la vulnérabilité sismique basée sur l'information apportée par une base des données sismiques a été développée. De façon, générale, les résultats ont mis en évidence une réduction de la demande sismique lorsque les effets inélastiques de l'IDSS sont pris en compte. Cette réduction est liée fondamentalement à deux phénomènes : l'amortissement par radiation et l'amortissement hystérétique du sol. Ces deux effets ont lieu simultanément pendant le mouvement sismique. Il est alors très difficile d'isoler l'influence de ces deux phénomènes. En effet, le mouvement effectif transmis à la structure n'est pas le même que celui en champs libre du aux effets d'interaction, ainsi qu'à la modification locale du comportement du sol fortement lié aux poids du bâtiment. Une série de mesures de sévérité sismique et des mécanismes de dissipation d'énergie au niveau du sol et du bâtiment a été introduite dans le but d'analyser ces effets. Cependant, ces résultats sont en général très irréguliers et leur généralisation a été très difficile. Néanmoins, ces résultats mettent en évidence l'importance de la prise en compte des effets du comportement inélastique du sol. La plupart des cas étudiés ont montré un effet favorable de l'IDSS non-linéaire. Mais, en général, l'IDSS peut augmenter ou diminuer la demande sismique en fonction de la typologie de la structure, des caractéristiques du mouvement sismique et des propriétés du sol. Tout de même, il y a une justification économique pour étudier les effets du comportement non-linéaire du sol sur la réponse sismique.

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Chaâbani, Saïd. "Dynamique non-linéaire d'un dirigeable flexible." Thesis, Evry-Val d'Essonne, 2014. http://www.theses.fr/2014EVRY0008/document.

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Abstract:

Bien que déjà opérationnels depuis quelques dizaines d'années, les engins volants autonomes intéressent de plus en plus la communauté des mécaniciens et des automaticiens.Les recherches approfondies sur ce sujet se sont intensifiées. D'une part le développement des technologies permet d'envisager des concepts innovants, et d'autre part il s'agit d'étendre les capacités opérationnelles de ces engins pour pouvoir réaliser des missions plus complexes.Néanmoins, certaines difficultés techniques doivent être maitrisées, notamment l'étude de l'effet de la flexibilité structurelle, la considération des phénomènes aérodynamiques et la conception des lois de commande adéquates.Les ballons dirigeables autonomes font partie de cette classe d'engins promise à un bel avenir notamment dans le domaine du développement durable ou de la surveillance.La conception de dirigeables a souvent péché par son classicisme. Les chercheurs évitaient souvent les complexités mathématiques inhérentes aux formes non ellipsoïdales. Mais afin d'optimiser les performances de ces engins, différentes formes originales ont été proposées ces dernières années, notamment par le réseau DIRISOFT-FRANCE dont le dirigeable MC500 représente le support de mes travaux.Dans ce contexte, le présent manuscrit porte sur la modélisation et commande d'un dirigeable flexible MC500 ayant la forme d'une aile volante.Nous étudierons, dans un premier temps, la modélisation cinématique et dynamique du dirigeable sous sa forme " rigide " puis en tenant compte de sa flexibilité, en prenant en compte les efforts aérodynamiques. Nous admettons que ces engins volants subissent de grands déplacements et de petites déformations élastiques. Le phénomène des masses ajoutées est également pris en compte. Une étude analytique de ce phénomène a été développée pour le cas du dirigeable rigide et similairement pour le cas du corps flexible en grands mouvements. Elle est fondée sur la notion de potentiel des vitesses du fluide, et du développement de l'énergie cinétique du fluide sous l'effet d'un mouvement global du dirigeable. Cette méthode a permis de rechercher des solutions au problème de Dirichlet à travers la recherche de fonctions satisfaisant l'équation de Laplace pour les fluides interagissant avec une structure aux formes complexes pouvant être approchée dans un premier temps par un tronc de cône de section elliptique. L'étude du potentiel des vitesses du fluide autour du dirigeable a ainsi conduit à des équations de Lamé qu'il a fallu résoudre en tenant compte de certaines hypothèses. Un modèle dynamique non-linéaire complet du dirigeable a ainsi pu être établi.Une étude sur la loi de commande est effectuée sur le modèle " rigide " du dirigeable par deux approches : la première est linéaire se basant sur le linéarisé tangent, la deuxième est multi-modèle se basant sur la représentation quasi-LPV (linear parameter varying): cette approche nous permet de mettre le dirigeable dans un polytope bien défini par ses sommets. On a ainsi obtenu, par cette approche, un espace de convergence du dirigeable vers un point désiré. Cette approche q-LPV nous permet aussi d'exprimer le modèle dynamique non-linéaire du dirigeable au moyen de sous-systèmes linéaires, et on résout ces sous-systèmes par la formulation des LMI (linear matrix inequality). L'étude de la robustesse des commandes choisies par l'approche q-LPV a été établie et prouvée pour ce système en présence d'incertitudes sur les paramètres du dirigeable ainsi que de bruit de mesures des états de cet engin volant. Des simulations numériques seront présentées justifiant les résultats théoriques obtenus, et une analyse critique de ces deux approches sera présentée
The autonomous flying machines interest more and more the community of the mechanics and the control engineers.The researches on this subject is intensified in these last decades. In one hand the development of technologies makes it possible to consider innovating concepts, and on the other hand it is a question of extending operational capabilities of these machines to be able to carry out more complex missions.Nevertheless, certain technical difficulties must be mastered, in particular the study of the effect of structural flexibility, consideration of the aerodynamic phenomena, and the design of adequate control laws.The autonomous airships are part of this class of machines promised a bright future in particular in the field of sustainable development or the monitoring.The design of airships is often characterized by its classicism. The researchers often avoided the inherent mathematical complexities of the non-ellipsoidal shapes. But in order to optimize the performances of these machines, various original forms were proposed these last years, in particular by the network DIRISOFT-FRANCE whose airship MC500 represents the support of my work.In this context, this manuscript focuses on the modeling and control of a flexible airship characterized by its flying wing shape.We will study initially the kinematic and dynamic modeling of the airship in its “rigid” form, and in a second step, we will include the study of its flexibility taking into account, in both cases, the aerodynamic efforts. We admit that these flying machines undergo large displacements and small elastic deformation.The phenomenon of the added masses is also taken into account. An analytical study of this phenomenon was developed for the case of the rigid configuration and similarly for the case of the flexible configuration in large displacements. The study is based on the concept of the velocity potential of the fluid, and the development of the kinetic energy of the fluid under the effect of an overall motion of the airship. This method made it possible to seek solutions with the problem of Dirichlet through the search for functions satisfying the Laplace equation for fluids interacting with a structure. We assume that the complex shape of the airship is able to be initially approximate by a truncated cone of elliptic section. Consequently, the study of the velocity potential of the fluid around the airship led to the famous equations of Lamé that have to be solved by taking account of certain assumptions. A complete non-linear dynamic model of the airship could therefore be established.A study on the control law is carried out on the “rigid” model of the airship by two approaches: The first is linear. It is based on the linearized tangent model. The second is multi-model and based on the quasi-LPV (linear parameter varying) representation. This approach enables us to put the airship in a polytope well defined by its summits. We thus obtained, by this approach, a space of convergence of the airship towards a desired point.This q-LPV approach also enables us to express the non-linear dynamic model of the airship by means of linear subsystems, and we solve these subsystems by the LMI formulation (linear matrix inequality).The study of the robustness of the control laws chosen by the approach q-LPV was drawn up and proven for this system in the presence of uncertainties on the parameters of the airship as well as noise of measurements of the states of this flying machine. Numerical simulations are presented justifying the theoretical results obtained, and a critical analysis of these two approaches are presented

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Higuet, Julien. "Études structurelles et dynamiques de systèmes atomiques ou moléculaires par génération d'harmoniques d'ordre élevé." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00555111.

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Abstract:

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.

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Dissertations / Theses on the topic 'Dynamique non linéaire des lasers'

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