Dissertations / Theses on the topic 'Stabilisation en fréquence de lasers accordables'

L'objet de cette thèse est la construction d'une chaîne de fréquences pour comparer les fréquences de l'atome d'hydrogène à celle d'un laser He-Ne. stabilisé sur l'iode à 633 nm. Le schéma de la chaîne tire profit de la quasi-coïncidence (à 89 GHz) entre la fréquence d'excitation à deux photons des transitions 2S→8S/D à 778 nm et la différence en fréquence du laser étalon à 633 nm et du laser He-Ne-étalon stabilisé sur le méthane à 3,39 μm. On utilise deux lasers titane-saphir construits au laboratoire, l'un pour l'excitation des transitions atomiques (TS1), l'autre pour la mesure de fréquence (TS2). On réalise, dans un cristal de LiIO3, le mélange des radiations à 778 nm (TS2) et 3,39 μm provenant d'un laser He-Ne auxiliaire construit au laboratoire. La fréquence du.faisceau ainsi synthétisé à 633 nm-est déterminée par battement avec le laser étalon stabilisé sur l'iode. Un battement entre les deux lasers He-Ne (3,39 μm) donne la fréquence du laser He-Ne auxiliaire. La mesure de la fréquence du laser TS1 à partir de celle de TS2 nécessite une source micro-onde à 89 GHz et un dispositif permettant de réaliser le mélange des trois fréquences et la détection du battement obtenu à basse fréquence. La fréquence de la diode Gunn à 89 GHz est déterminée à l'aide d'une chaîne de multiplication de fréquence d'un quartz ultrastable à 90 MHz. Après des essais avec des diodes MIM, nous avons pris une diode Schottky comme dispositif de mélange et de détection. Par cette méthode, nous avons relié pour la première fois une fréquence optique de l'atome d'hydrogène à l'horloge à césium sans utiliser l'interférométrie. Nous en avons déduit la constante de Rydberg qui est le facteur d'échelle des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. On ajuste la valeur de cette constante pour faire coïncider les fréquences expérimentales et théoriques. La nouvelle valeur ainsi obtenue est : R∞ = 109 737,315 683 4 (24) cm-1 L'incertitude sur cette valeur est de 2,2 10^-11. Elle approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie. Ce résultat, qui est le plus précis à l'heure actuelle, est en bon accord avec celui obtenu à Münich en 1992 sur les transitions 1S-2S et 2S-4D.

Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz.De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de trace, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible.Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques). Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe. En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental. Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THz
Optoelectronic devices are crucial for many applications in everyday life: computers, smartphones, connected objects in general.The THz range (0.1-10 THz) still remains industrially unexploited because of the intrinsic difficulties to produce or generate THz photons. However, many applications exist for THz radiation : in the medical field for example, for the sensitive detection of gases, or for the imaging of concealed objects in the visible range.This thesis focuses on quantum well photodetectors (QWIPs) and quantum cascade lasers (QCLs) operating in the THz range in order to develop compact, fast and sensitive devices (but operating at cryogenic temperatures).We used Split Ring Resonators (SRR), inspired by metamaterial research, in order to design and develop subwavelength tunable THz detectors with an external inductance.Concerning lasers, this thesis studies THz micro-lasers using microdisk resonators with the aim of designing and manufacturing lasers operating on the fundamental electromagnetic mode (dipolar mode). The future perspective of this work is to build an entirely sub-wavelength and fast laser in the THz spectral range

Cette étude porte sur les lasers à fibres bifréquences bipolarisations. Le contrôle de la différence de fréquence de ces lasers représente un enjeu important en photonique microonde. En effet, maîtriser le battement permettrait la réalisation de sources compactes et à faible bruit visant des applications de métrologie ou télécom. Nous travaillons ici sur des sources émettant à 1,5 μm, de type DFB ou DBR, soit dopés Er soit co-dopés Er-Yb. Ils présentent une fréquence de battement d'environ 1 GHz pour les DFB, et 100 MHz pour les DBR. Les objectifs de la thèse ont été, d'abord de stabiliser le battement, puis d'explorer différentes méthodes pour modifier la biréfringence de la fibre et ainsi accroître la fréquence de battement. Nous avons d'abord utilisé la méthode de stabilisation par boucle à verrouillage de phase pour asservir le battement sur une fréquence de référence. En nous servant de la diode de pompe comme actuateur, nous avons réussi à stabiliser des battements entre 300 MHz et 10 GHz pendant plusieurs jours. Ensuite, nous avons mis en place une méthode de stabilisation par réinjection optique décalée en fréquence. Un modèle théorique basé sur des équations-bilan couplées a été utilisé et a permis de retrouver les observations expérimentales. En stabilisant le battement sur une référence extérieure, différents régimes dynamiques ont été observés. Dans la zone stable, on réduit le bruit de phase jusqu'à −100 dBc/Hz à 1 kHz de la porteuse. Puis, nous avons couplé le montage de la réinjection optique a une ligne à retard, afin de stabiliser efficacement le battement sur lui-même. Enfin, nous avons étudié plusieurs pistes pour augmenter la fréquence de battement des lasers DBR pour répondre aux besoins des applications. Nous avons pu suivre en temps réel la modification de biréfringence photo-induite par un faisceau UV. Nous avons aussi étudié une méthode de modification réversible de la biréfringence, en exploitant l'effet élasto-optique. Quelque soit la méthode employée, nous avons observé un accroissement de la fréquence de battement depuis 100 MHz jusqu'à plus de 10 GHz dans le meilleur des cas
This work is about dual-polarization dual-frequency fibers lasers. The control of the frequency difference of these lasers is a major challenge in microwave photonics. Controlling the beat frequency could allow compact and low-noise sources, in order to develop applications in metrology or telecom. Here, we focus on 1.5 μm sources, in either DFB or DBR configurations, made of Er-doped or co-doped Er:Yb silica fibres. Their beat frequency is about 1 GHz for DFB lasers, and 100 MHz for DBR lasers. This thesis investigates several methods to stabilize the beat note, then to modify the fiber birefringence, to increase the beat frequency. First, an optical phase-locked loop method is used to lock the beat note on a frequency reference. By using the pump diode as an actuator, we have successfully stabilized beat frequencies between 300 MHz and 10 GHz for days. We then study a stabilization method by frequency-shifted optical feedback. A theoretical model based on rate equations model is used and allows to retrieve the experimental observations. We observe different dynamical regimes by locking the beat note on a reference frequency. In the stable area, we reduce the phase noise to −100 dBc/Hz at 1 kHz from the carrier. Next, we have mixed the set-up of the injection-locking to a delay line, in order to effectively stabilize the beat note on itself. Finally, various approaches have been explored to increase the beat frequency of DBR lasers, to the needs of applications. It has been possible to continuously monitor the impact of a UV beam on the fiber birefringence. We also studied a method for reversible modification of the birefringence, exploiting the elasto-optical effect. Regardless of the method used, we observed an increase in the beat frequency from 100 MHz to more than 10 GHz in the best case

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie et constituent la base de toute la recherche expérimentale en spectroscopie à très haute résolution. Ce mémoire décrit mon travail de thèse sur les lasers à Nd:YAG stabilisés en vue d'applications spatiales (missions de physique fondamentale ou géodésie). Les montages doivent satisfaire critères de compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. On traite les références utilisables pour le long (moléculaire) et le court (mécanique) terme ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH) est devenue un classique car elle donne les meilleurs performances connues à ce jour surtout à court terme. Pour réduire le nombre de composants actifs, nous avons aussi implanté une technique dite de Tilt-Locking, que je compare avec celle de PDH dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont inter-comparées. On présente les montages expérimentaux et les résultats obtenus (lasers stabilisés sur Fabry-Perot et Iode moléculaire). On a calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. Des suggestions de prolongation de ces travaux sont suggérés en conclusion et, en appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA, le rappel théorique des ondes de gravitation, ainsi que divers simulations de calculs effectués, sont présentées
Long term stabilised lasers are used in a multitude of metrological applications and are the basis of experimental research in very high resolution spectroscopy. This document describes my thesis work on stabilised Nd:YAG lasers in view of space applications (for fundamental physics experiments and geodesy). All experiments must satisfy criteria of compactness, mechanical stability, robustness and reliability. I will describe the possible references for the long (molecules) and the short (resonators) term time intervals with their principal limitations. The discussion leading to their choice is actually connected to the stabilisation techniques to be adequately implemented (PDH, Tilt-Locking, Modulation transfer). Among the stabilisation techniques, the Pound-Drever-Hall (PDH) technique is now a classic as it produces the best performance in short term, so far. To reduce active components, we have also implemented a DC technique called Tilt-Locking and I will compare with PDH in the case of a monolithic Fabry-Perot reference. Theoretical performances on the long term and quantum efficiencies will be compared for different techniques. The schematic principles of the experiences and the results I have obtained for stabilised lasers on Fabry-Perot and molecular iodine are presented. We calibrated the Fabry-Perot drifts, this allows me to point out analytical and numerical solutions to control the length of this mechanical reference. Finally suggestions for further work will be approached and, in the appendices, details about noise order of magnitudes for LISA, a theoretical overview of gravitational waves as well as different simulations and calculations are presented

Etude des Lasers Accordables à Réseau de Bragg Echantillonnés ou à Pas Variables Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de sources lasers accordables incluant un réseau de Bragg échantillonné ou à pas variable. L'objectif était de répondre au besoin d'agilité en longueur d'onde des systèmes de télécommunication tout en conservant un mode d'accord simple et rapide. L'effet Vernier, induit par le déplacement d'un peigne de modes Fabry-Pérot par rapport aux pics de réflectivité d'un réseau échantillonné, a permis de démontrer une accordabilité de 20nm par saut de 200GHz à l'aide d'une commande en courant unique. Le temps de commutation entre deux longueurs d'ondes adjacentes est inférieur à 20ns. Une modélisation de la cavité a permis de décrire et d'optimiser le fonctionnement du laser. Par ailleurs, une accordabilité de 27nm a pu être démontrée en blocage de modes actif avec un laser en cavité externe utilisant un réseau à pas variable. Cet accord est obtenu simplement en changeant la fréquence de modulation.

L'objet de ce travail porte sur l'evaluation des performances de systemes de lasers a semi-conducteur stabilises en frequence sur une resonance atomique etroite par des methodes quasi tout-optique. Apres un premier bref chapitre introductif, le second chapitre du memoire traite du comportement statique et dynamique du rayonnement d'un laser a semi-conducteur en presence d'un couplage optique resonnant. On montre qu'une retroaction adequate conduit a une amelioration de la purete spectrale et a une stabilisation de la frequence d'emission sur la resonance. Pour le signal de retroaction resonnante, nous considerons en particulier le cas des techniques spectroscopiques qui realisent directement un asservissement optique de la frequence sur une transition atomique. Le troisieme chapitre considere la technique specifique de spectroscopie de polarisation choisie pour nos experiences. . . .

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.

Ce mémoire présente les résultats théoriques et expérimentaux obtenus sur l'amélioration spectrale des diodes lasers émettant à 850 nm et 1300 nm. La première étape consiste à amener la diode laser à un fonctionnement monomode ce qui peut­ être, soit obtenu directement par le principe même de fabrication , soit a posteriori au moyen d'un miroir externe afin de réaliser une deuxième cavité qui sélectionnera un mode particulier. Différents jeux de miroirs de rayons de courbure compris entre 150 et 500 microns ont permis d'obtenir un fonctionnement parfaitement monomode avec des taux de réjection supérieurs à 30 dB. La seconde étape consiste à utiliser ce rayonnement laser monomode pour le coupler à une cavité Fabry-Perot confocale de grande finesse afin de réaliser un asservissement optique de plusieurs centaines de MHz de bande passante. Lorsque la cavité Fabry-Perot est en résonance avec le mode de la diode laser, une faible proportion du faisceau (inférieure à - 30 dB) est réinjectée dans la diode laser et conduit à un verrouillage en fréquence des 2 cavités. Une analyse théorique du comportement statique et dynamique du champ laser perturbé par le couplage optique est présentée en détail. Expérimentalement nous avons observé une réduction statique du bruit de fréquence de 50 à 60 dB et corrélativement une amélioration de la pureté spectrale du laser (20 MHz en fonctionnement libre) jusqu'à un niveau de quelques kHz en fonctionnement couplé. Les propriétés d'accordabilité de cette cavité couplée sont assurées par un double asservissement conçu de telle sorte que la fréquence laser est uniquement déterminée par la longueur du Fabry-Perot tout en conservant une largeur de raie minimum. Nous avons ainsi obtenu une accordabilité continue supérieure à 7 GHz. Nous avons montré aussi que nous étions en mesure de transférer les qualités spectrales d'une diode laser couplée vers une diode laser en fonctionnement libre en utilisant les propriétés d'injection optique d'une diode maitre vers une diode esclave. Enfin l'ensemble de ces résultats ouvre la voie d'une part vers la stabilisation en fréquence de diodes lasers à 850 nm sur des raies d'absorption saturée de l'atome de Cesium pour leur utilisation dans les nouvelles horloges à Cesium à pompage optique, et d'autre part vers la réalisation d'une chaine de synthèse de fréquences visibles en utilisant des diodes laser à 1260 nm, doublées en fréquence pour atteindre la fréquence du laser Hélium-Néon stabilisé sur ,l'Iode à 633 nm
We report our work on diode laser frequency stabilization emitting near 850 and 1300 nanometers. In first, we demonstrate a single-mode operation from an initially multimode diode laser with an optical feedback on an external mirror. Secondly, a confocal Fabry-Perot cavity is used to feedback the beam from the diode laser and provide resonant optical stabilization of the semiconductor laser. We present a detailed theoretical analysis of the static and dynamic frequency noise power spectrum of the coupled cavity laser field. Experimentally we achieve static frequency noise reduction of 50-60 dB and obtain a dramatic reduction of the laser line with from 20 MHz to a few kHz. The frequency tenability of these coupled cavity diode lasers are achieved by a double servo-loop system and we have obtained a continuously frequency tuning of 7 GHz without laser spectral purity degradation. Applications of these techniques include optical pumping Cesium docks and frequency synthesis in the visible

Cette thèse concerne le laser NH3 moyen-infrarouge continu pompé optiquement par laser C02·Le chapitre 1 rappelle les données spectroscopiques sur la molécule NH3 et l'influence d'un champ électrique sur son spectre de rotation-vibration (effet Stark). Le chapitre II concerne Je pompage optique hors résonance et le développement de sources Raman de puissance. Il est divisé en deux parties : La partie A porte sur l'analyse du gain local à 12 μm en fonction des principaux paramètres. L'étude, la réalisation et l'optimisation d'un laser Raman en anneau continu à 12 μm à puissance modérée sont décrites à la suite. La partie B porte sur l'étude d'un amplificateur Raman continu. Un premier modèle de propagation, simplifié, mais analytique est développé. Un second modèle numérique est mis au point qui tient compte des distributions transverses des intensités (pompage et Raman) et des effets d'échauffement. Les expériences sur un système oscillateur-amplificateur à 12,08 μm confirment la validité du modèle élaboré. Des lois d'échelle pour des systèmes de haute puissance sont établies. Le chapitre III concerne l'accordabilité en fréquence du laser NH3 à inversion de population pompé optiquement en résonance. Un modèle à taux de population du gain à faible signal est établi. La directionnalité des émissions et le fonctionnement multi-raie sont exposés brièvement. L'accordabilité en fréquence par élargissement en pression est étudiée ainsi que la mise au point d'une cavité sélective de type Fox-Smith. Les résultats d'accordabilité en fréquence par effet Stark, la réalisation d'un guide d'onde hybride sont décrits ensuite. Un modèle simple est développé pour interpréter les résultats expérimentaux
This thesis is directed at the study of the C02-pumped Mid-Infrared NH3 Chapter 1 gives some spectroscopic data for the ammonia molecule. The influence of an electric field on its rotation-vibration spectrum (Stark effect) is recalled. Chapter II which concerns the off-resonance pumping of NH3 and the development of powerful Raman sources is divided into two parts: In part A the 12 μm local gain is analyzed as a function of the main parameters. The sudy, realization and optimization of a ring CW 12 m Raman laser are described. In part B, a CW Raman amplifier is studied. A first simplified, but analytical propagation model is developed. A second numerical model is elaborated which includes both the transverse intensity profiles (Raman and pump) and the heating effects. Experiments carried out on a 12. 08 μm oscillator-amplifier system confirm the validity of this model. Scaling laws are established for high power systems. Chapter III is related to the frequency tunability of an NH3 laser with population inversion (on-resonance pumping). A rate equation model is established for the small signal gain. Results on Multiline operation and bidirectional emissions are briefly reported. The frequency tunability of the pressure-broadened emissions is inverstigated using a Fox-Smith laser cavity. The Stark tuning of the laser and the realization of a hybrid waveguide are then described. A simple line shape model is developed to interprete the experimental results

Ce travail porte sur le piégeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en métrologie des fréquences. L'ion calcium possède une transition quadripolaire électrique à 729 nm de facteur de qualité supérieur à 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un étalon de fréquence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confinés dans un piège radiofréquence de Paul-Straubel et sont détectés par la lumière de fluorescence qu'ils émettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'étude des propriétés spectrales de leur mouvement est faite par application au piège d'une petite tension alternative. Les fréquences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut être obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de décrire le diagramme de stabilité du piège réel. Les lasers de l'expérience doivent avoir des fréquences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est réalisé en l'injectant dans une cavité Fabry-Pérot en même temps qu'un laser à 852 nm stabilisé en fréquence sur le césium par une technique d'absorption saturée. La cavité permet le transfert de la stabilité de ce dernier laser vers le laser de l'expérience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'éjecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors placé au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les électrodes de compensation. Ceci réduit son micromouvement. L'efficacité de l'opération est observée par la technique de corrélation de champ RF-photon.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016
Le présent mémoire traite de la génération de radiation électromagnétique périodique dans le proche infrarouge. La fréquence d’oscillation optique de cette radiation est référencée à un ou plusieurs standards de temps-fréquence et peut être changée à volonté. L’instrument remplissant ces fonctions est appelé synthétiseur de fréquences optiques. Cet instrument serait très utile dans les applications nécessitant de la lumière à une fréquence bien connue, comme la spectroscopie, la calibration de sources optiques et d’autres applications en métrologie. Pour cette raison, un intérêt pour la synthèse de fréquences optiques est déjà présent dans la communauté scientifique. Ici, un tel instrument est présenté. Ce dernier est basé sur l’usage d’un laser accordable et d’une ou plusieurs sources de référence. Un peigne de fréquences optiques est utilisé pour faire le pont entre ces différentes sources. Plus spécifiquement, le présent mémoire contient une discussion des difficultés que présente la construction d’un tel instrument. Ces difficultés sont principalement liées à la mesure de la fréquence relative entre les sources utilisées et le peigne de fréquences. Plusieurs solutions à ces difficultés sont ensuite proposées. Le tout est suivi par les détails d’une démonstration expérimentale d’un véritable synthétiseur de fréquences optiques.
This work is about the generation of periodic near-infrared electromagnetic radiation whose oscillation frequency can be changed at will while being linked to time and frequency standards. The instrument enabling these functions is called an optical frequency synthesiser. Such an instrument would be tremendously useful in applications requiring very precise optical frequencies, including spectroscopy, calibration of sources and many other applications in metrology. For this reason, the scientific community has already shown interest. Here, an optical frequency synthesiser is presented. The instrument is based on the combination of a tunable laser, one or many reference sources and an optical frequency comb, the latter being used to link the sources together. In this work, difficulties associated with the implementation of such an instrument are discussed. These difficulties are mostly related to the measurement of the relative frequencies between the sources and the frequency comb. Many solutions to these difficulties are given, followed by the implementation and performance details of an actual optical frequency synthesiser.

De nombreuses applications, telles que la spectroscopie résolue en temps, requièrent de développer de nouvelles sources laser, qui émettent des impulsions courtes et accordables dans l'infrarouge moyen. Dans ce domaine, l'optique non linéaire apporte un grand nombre de solutions. D'une part les processus de conversion de fréquence permettent d'envisager l'extension du domaine spectral couvert par les sources laser. D'autre part les spécificités des processus non linéaires permettent d'envisager la création de fonctions optiques rapides. Dans ces travaux, nous mettons à profit ces deux aspects à travers la réalisation de dispositifs originaux de génération d'impulsions picosecondes. La première contribution de la thèse est la réalisation d'une source OPO à pompage synchrone basée sur un cristal de ZGP émettant des impulsions picosecondes dans la bande 3,8 µm- 5,6 µm. Les performances des différents étages de conversion sont discutées à la fois par des considérations expérimentales et numériques. La seconde contribution est le développement d'une source laser ZnSe:Cr2+ à modes verrouillés par un dispositif de miroir non linéaire d'ordre 2 à base de PPLN, accordable dans la bande 2,45 µm - 2,55 µm. Le miroir non linéaire est tout d'abord caractérisé en dehors de la cavité laser, puis le verrouillage de mode du laser est expérimentalement réalisé. Nous proposons enfin de généraliser la fonction miroir non linéaire en donnant les conditions d'obtention d'un verrouillage de modes par la modulation combinée de l'amplitude et de la phase de l'onde laser
Many applications, like time-resolved spectroscopy, require the development of new coherent light sources emitting tunable short pulses in the mid-infrared. In this field, nonlinear optics offer particularly attractive solutions. First of all, the parametric generation process allows extension of the spectral coverage of conventionnal laser sources. Secondly, nonlinear processes display specific properties, which can be controlled in order to create original fast optical functions. In this work, we use these properties to realize picosecond pulses generation devices. We begin with the realization of a synchronously pumped OPO based on a ZGP crystal, emitting tunable picosecond pulses in the 3,8 µm- 5,6 µm spectral range. The performances of the different conversion stages are discussed from experimental and numerical considerations. Then we adress optical sources including a laser medium and a nonlinear crystal. We build a nonlinear mirror using a PPLN crystal and insert it in a Cr2+:ZnSe laser to produce tunable picosecond pulses by passive modelocking in the 2,45 µm - 2,55 µm range. The nonlinear mirror is designed and characterized in an extracavity experiment, then we detail the mode-locking experiment. Finally, we generalize the nonlinear mirror concept, by proposing means of getting passive mode-locking by combination of amplitude and phase modulation in the laser cavity

Ce travail présente J'étude œ l'amélioration de la pureté spectrale d'un laser à semi conducteur émettant à 1,5 µm. Cette amélioration est possible par l'adjonction d'une cavité passive à la cavité de la diode. On obtient alors des largeurs de raie laser inférieures à 20 kHz et un laser accordable sur plusieurs dizaines de nanomètres. Aux chapitres I et Il nous rappelons la théorie de la largeur de rate de lasers à semi-conducteur basée sur le bruit de phase dans les semi-conducteurs. Nous étendons ensuite cette théorie au cas du laser à cavité étendue (LCE). Au chapitre Ill nous présentons différentes méthodes de mesure de la largeur de raie des lasers à semi-conducteur et leurs conditions d'utilisation. Au chapitre IV nous présentons les caractéristiques énergétiques et spectrales du LCE réalisé; caractéristiques mesurées par des méthodes que nous détaillons et que nous avons élaborées. Au chapitre V nous présentons la caractérisation du spectre d'une diode à contre réaction distribuée en utilisant :- un interféromètre Fabry-Perot. - la LCE comme source de référence dans un battement de fréquence. Au chapitre VI nous utilisons le LCE réalisé pour faire un relevé du spectre d'absorption de l'ammoniac gazeux autour de 1,5 µm. Enfin, nous déterminons la stabilité en fréquence à long terme du LCE en l'asservissant sur une rate d'absorption de l'ammoniac.

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

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.

On montre que la stabilisation en fréquence des lasers à argon ionisé sur des transitions de la molécule d'iode détectées par spéctrométrie de saturation permet de réaliser des étalons de fréquence de très hautes performances dans le domaine optique. Imbrication de recherches spectroscopiques et métrologiques telles que : étude de laser à argon ionisé, structure hyperfine de la molecule I(2), spéctromètre de saturation à décalage de fréquence, profil d'absorption de la vapeur d'iode, spéctrométrie de saturation hétérodyne à haute fréquence

La diffusion Brillouin stimulée (SBS) est un processus d'interaction cohérent, pour lequel la lumière est diffusée à partir des ondes acoustiques générées optiquement. Les lasers Brillouin suscitent un très grand intérêt pour leur capacité à produire des largeurs de raie ultra cohérentes. Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés de bruit des lasers à fibre Brillouin en anneau, fonctionnant avec de multiples ordres de Stokes. Tout d'abord, nous présentons une technique basée sur la méthode de ringdown de la cavité, qui permet de caractériser le coefficient de gain Brillouin directement à partir du sondage de la cavité laser. Ses avantages sont d'obtenir des paramètres à partir d'une seule expérience avec de faibles puissances optiques (quelques 10 milliwatts) pour des cavités courtes (quelques mètres de long, ou cavités intégrées). Deuxièmement, il est démontré qu'une largeur de raie intrinsèque de quelques dizaines de mHz peut être facilement obtenue en cascadant deux lasers Brillouin non résonants (pour lesquels la pompe effectue un seul passage à l'intérieur de la cavité). Afin d'obtenir ces résultats, la stabilité à long terme a été améliorée en utilisant une boucle d'asservissement de type Pound Drever Hall, ce qui nous permet de comparer nos résultats analytiques et expérimentaux. Malheureusement, nous n'avons pas exploré les limites fondamentales de la réduction du bruit en raison du plancher de bruit de notre banc de mesure. Troisièmement, un des travaux majeurs de cette thèse est l'étude analytique et expérimentale des propriétés du bruit, y compris le bruit de fréquence et le bruit relatif d'intensité, d'un laser Brillouin résonant (pour lequel, les ondes de pompe et de Stokes sont résonantes à l'intérieur de la cavité). En particulier, les impacts du facteur de qualité de la cavité fibrée en anneau, le désaccord de gain Brillouin ont été évalués très précisément sur les caractéristiques du RIN du laser telles que la réduction de l'amplitude du bruit et la fréquence de relaxation. Nous soulignons le fait que de nombreuses caractéristiques du bruit de fréquence sont liées aux propriétés du RIN par un couplage entre l'intensité et la phase. Nous montrons que le processus en cascade modifie la dynamique du laser Brillouin par rapport à celle d'un laser Brillouin monomode avec une seule composante de Stokes de premier ordre. Nos résultats expérimentaux sont en excellent accord avec nos simulations, obtenues grâce à notre système non linéaire décrivant le fonctionnement d'un laser Brillouin multi-Stokes. Cette bonne concordance est principalement due à notre capacité : à obtenir des valeurs très précises des paramètres de la cavité et du coefficient de gain Brillouin en utilisant la technique CRDM ; à atteindre une stabilité à long terme (plusieurs dizaines d'heures) ; à contrôler finement le désaccord entre la résonance de Stokes du laser et la fréquence du maximum de gain Brillouin. Nous démontrons expérimentalement pour la première fois que le bruit de fréquence est dégradé en présence d'une diffusion Brillouin anti-Stokes. Nous montrons également qu'un désaccord de gain de l'ordre de quelques centaines de kHz peut dégrader la réduction du bruit d'intensité ou également augmenter la largeur de raie par un couplage amplitude-phase. Toutes ces observations très fines nous permettent donc de fixer les limites fondamentales de tels systèmes laser comme : l'augmentation du bruit due aux ordres anti-Stokes ; le rôle du bruit de pompe et son interrelation possible avec la finesse de la cavité ; l'effet du désaccord inhérent aux ordres de Stokes plus élevés. Toutes ces conclusions sont les clés de la conception et de l'ingénierie de ces lasers à fibre Brillouin, qui suscitent actuellement beaucoup d'intérêt comme en témoignent les travaux en cours dans la communauté scientifique. Cette thèse de doctorat contribue à une meilleure compréhension des lasers Brillouin multi-Stokes
Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a coherent interaction process in which light is scattered from optically generated acoustic waves. It is a powerful tool for microwave and optical signal processing, distributed sensing and spectroscopy. Brillouin lasers are attracting a lot of interest for their ability to produce ultra coherent linewidths. This thesis is devoted to the understanding of noise properties of Brillouin fiber ring lasers, operating with multiple Stokes orders. First, we present a technique based on the cavity ring-down method, which allows to characterize the Brillouin gain coefficient directly from probing the laser cavity. Its advantages are to obtain parameters from a single experiment with low optical powers (some 10 milliwatts) for short cavities (a few meters long, or integrated cavities). Secondly, it is shown that an intrinsic linewidth of a few tens of mHz can be easily obtained by cascading two non-resonant Brillouin lasers (for which the pump performs a single pass inside the cavity). In order to obtain these results, the long-term stability has been improved by using a Pound-Drever-Hall servo loop, which allows us to compare our analytical and experimental results. Unfortunately, we were unable to explore the fundamental limits of noise reduction due to the noise floor of our bench. Thirdly, one of the major works of this thesis is the theoretical and experimental study of the noise properties, including frequency noise and relative intensity noise, of a resonant Brillouin laser (for which pump and Stokes waves are resonant inside the cavity). In particular, the impacts of the fiber-ring-cavity quality factor, Brillouin gain detuning, are evaluated very precisely on the laser RIN features such as amplitude noise reduction and relaxation frequency. We emphasize the fact that many characteristics of the frequency noise are related to the RIN properties by a coupling between intensity and phase. We show that the cascade process modifies the dynamics of the Brillouin laser when compared to those of a single-mode Brillouin laser with a single first-order Stokes component. Our experimental results are in excellent agreement with our numerical simulations, obtained thanks to our non-linear system describing the operation of a multi-Stokes Brillouin laser. This good match is mainly due to our ability: to obtain very precise values of the cavity parameters and the Brillouin gain coefficient using the CRDM technique ; to achieve long-term stability (hours); to finely control the detuning between the laser Stokes resonance and the frequency of the Brillouin gain maximum. We demonstrate experimentally for the first time that frequency noise is degraded in the presence of anti-Stokes Brillouin scattering. We also show that a gain detuning of the order of a few hundred kHz can degrade the intensity noise reduction or also increase the linewidth by amplitude-phase coupling. All these very fine observations thus allow us to set the fundamental limits of such laser systems such as: the increase in noise due to anti-Stokes orders; the role of pump noise and its possible interrelation with cavity finesse; the effect of the detuning inherent to higher Stokes orders. All these conclusions are key to the design and engineering of these Brillouin fiber lasers, which are currently attracting a great deal of interest as evidenced by the work in progress in the scientific community. This PhD thesis contributes to a better understanding of multi-Stokes Brillouin lasers

Ce manuscrit présente le développement d’un spectromètre dans le moyen infra-rouge qui combine très haute résolution, accordabilité, sensibilité de détection et contrôle de la fréquence absolue. Un laser à cascade quantique (QCL) émettant à 10.3 μm est asservi en phase sur un peigne de fréquences optique lui-même stabilisé sur un laser ultrastable à 1.55 μm transmis par lien optique fibré à partir du LNE-SYRTE, où cette référence de fréquence est contrôlée par rapport aux étalons primaires. On obtient ainsi un QCL de largeur ~ 0.1 Hz, avec une stabilité meilleure que 10⁻¹⁵ à 1 s, et une incertitude de 4 × 10⁻¹⁴ sur sa fréquence absolue. De plus, le QCL peut être balayé largement sur 1.4 GHz sans dégradation de la stabilité et du contrôle absolu de la fréquence. Ce QCL a permis de sonder plusieurs molécules par absorption saturée dans une cellule multipassage. Nous avons démontré une incertitude statistique sur la mesure des fréquences d’absorption au niveau du kHz et une incertitude systématique inférieure à 10 kHz. Nous avons enregistré de nombreuses raies du méthanol, dont plusieurs doublets et des raies très peu intenses, dont certaines n’avaient jamais été observées. La mesure de quelques dizaines de raies du trioxane nous a permis d’en déterminer les paramètres spectroscopiques avec précision. Nous avons également enregistré la structure hyperfine d’une raie de l’ammoniac jusqu’ici non résolue. Ce dispositif est essentiel pour le projet en cours au LPL d’observer la violation de parité dans les molécules. Il permettra également de nombreuses applications de la physique atmosphérique ou interstellaire aux tests de physique fondamentale au-delà du modèle standard
The thesis consists in developing a high-resolution mid-infrared spectrometer traceable to primary frequency standards and providing a unique combination of resolution, tunability, detection sensitivity and frequency control. A quantum cascade laser (QCL) emitting at 10.3 µm is phase locked to an optical frequency comb stabilized to a remote 1.55 µm ultra-stable reference developed at LNE-SYRTE, monitored against primary frequency standards and transferred to LPL via an active noise compensated fibre link. This results in a 0.1 Hz QCL linewidth, a stability below 10⁻¹⁵ at 1 s and an uncertainty on its absolute frequency below 4 × 10⁻¹⁴. Moreover, the setup allows the QCL to be widely scanned over 1.4 GHz while maintaining the highest stabilities and precision. This QCL was used to carry out saturated absorption spectroscopy of several molecules in a compact multipass cell. We demonstrated statistical uncertaintyon line-center frequencies at the kHz level and sub-10 kHz systematic uncertainty. We have recorded several singular K-doublets and many rovibrational transitions of methanol, in particular weak transitions and weak doublets - unreported so far. Precise parameters modelling trioxaneh ave been determined with only a few tens of rovibrational transitions recorded at unprecedented accuracy. The quadrupole hyperfine structure of an ammonia transition has been resolved for thefirst time. This setup constitutes a key element for the project aiming at the first observation of parity violation in molecules currently held at LPL, and, more generally, for various fields of physics, from atmospheric and interstellar physics to fundamental physics beyond the standard model

Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d'anisotropie de phase optique que permet l'emploi adapté des cavités de très haute finesse. Pour stabiliser la fréquence laser sur une résonance de la cavité, un schéma d'asservissement reposant sur la rétroaction optique est utilisé.Une première partie décrit le couplage optique entre le laser et la cavité à travers l'analyse du comportement de la fréquence d'émission du laser auto-réinjecté. Une comparaison analytique théorie expérience a permis d'identifier les signaux d'erreur nécessaires au maintien durable de la fréquence du laser à l'exacte résonance d'un mode de la cavité. Après une description détaillée du dispositif d'asservissement, sa réalisation expérimentale sur une cavité de finesse de quelques milliers (F = 3 000)a démontré la possibilité de stabiliser la fréquence laser sur plus de dix heures avec une excursion résiduelle à la seconde de 375 Hz.Dans la deuxième partie, le développement précédent a été mis en œuvre sur une cavité de très haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de biréfringence induite dans des gaz par effet Kerr. L'originalité du dispositif repose sur la mise à profit de la biréfringence résiduelle des miroirs de haute réflectivité.Elle est utilisée d'une part comme source à la rétroaction optique, et d'autre part comme biais optique à la mesure de la biréfringence du gaz. Une étude théorique et expérimentale détaillée des sources de bruit présent dans la chaîne de détection en fonction de la valeur du biais optique a permis de réaliser la mesure de déphasage au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une sensibilité référence sur la mesure de déphasage Kerr de 3.10−13 rad a été démontrée pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record améliore de trois ordres de grandeur les déphasages Kerr précédemment mesurés. Le dispositif a été de plus mis à profit pour la mesure à faible champ électrique (< 40 V /mm) et à pression atmosphérique, des constantes de Kerr de différents gaz moléculaires et atomiques jusqu'à l'He.

Ce manuscrit présente une expérience totalement nouvelle visant à mesurer la constante de Boltzmann par une méthode de spectroscopie laser. Cette constante est déduite de la largeur à mi-hauteur d'un profil d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac à température contrôlée. Sur le plan théorique, cette expérience nécessite une analyse très poussée de la forme de raie en absorption linéaire.
Dans ce mémoire, je décris les solutions apportées pour obtenir un faisceau laser de fréquence parfaitement contrôlée, largement accordable autour de 10 µm et d'intensité constante. Je décris également les options retenues pour le contrôle en température du gaz d'ammoniac.
Les résultats obtenus sont très encourageants, nous avons après seulement 2 ans déjà obtenu une première mesure de la constante de Boltzmann avec une incertitude relative de 1,9X10-4: k=1,38065(26)X10-23 J.K-1.
Dans ce manuscrit, je présente également plusieurs voies d'amélioration à court et moyen termes.
Je présente enfin une expérience de franges de Ramsey-Bordé référencée sur l'étalon primaire de fréquence localisé à Paris (au SYRTE). La chaîne de mesure absolue de fréquence atteint une résolution de 10-14 et l'incertitude pour la mesure de la frange centrale est également de l'ordre de 10-14. A moyen terme, ce système de mesure par rapport à l'étalon primaire pourra être utilisé pour contrôler la fréquence du laser à CO2 dans les futures expériences de mesure de la constante de Boltzmann.

Je rapporte dans ce manuscrit une étude théorique et expérimentale d’une source compacte, fiable et bas coût d’ondes électromagnétiques continues et cohérentes de 30 Hz de largeur de raie, accordables de 1 GHz à 500 GHz par pas de 1 GHz. Ces ondes sont générées par un photo-mélange de deux diodes lasers DFB (Distributed Feedback) très accordables autour de 1550 nm, stabilisées avec des polarisations orthogonales sur une même cavité Fabry-Perot optique fibrée. J’ai conçue des électroniques de correction très rapides pour chaque laser permettant d’avoir une bande passante d’asservissement de 7 MHz limitée par la longueur de la boucle. Je démontre des suppressions de bruit de phase jusqu’à -60 dBc/ Hz à 1 kHz et de -90 dBc/Hz à 100 kHz d’écart d’une porteuse électrique à 92 GHz. Je mesure aussi une dérive de fréquence de ~170 kHz d’un battement à 10 GHz à long terme sur 7,5 heures de verrouillage continu. Je montre une conception optimisée d’une boucle d’asservissement intégrée de quelques dizaines de cm de longueur qui réduit le bruit de phase de 18 dB à 1 MHz d’écart à la porteuse optique et des couplages phase-amplitude réduits dans la cavité d’un facteur 50 par rapport à ceux estimés expérimentalement. L’ajout d’un troisième laser DFB stabilisé en phase sur un oscillateur local permettrait d’avoir une source continûment accordable sur 1 THz. La source d’ondes continues permettrait également de générer à partir de fibres hautement non linéaires et dispersives des impulsions pico- ou femtosecondes à un taux de répétition fixe en remplacement les lasers DFB par des lasers plus stables. Je calcule par simulation une gigue temporelle de 7,2 fs sur un temps d’intégration de 1 ms à 40 GHz de taux de répétition
I report in this manuscript a theoretical and experimental study of a compact, reliable and low cost source of 30 Hz linewidth, continuous and coherent electromagnetic waves tunable from 1 GHz to 500 GHz in steps of 1 GHz. These waves are generated by photomixing two distributed feedback (DFB) laser diodes at 1550 nm which are frequency stabilized with orthogonal polarizations on the same optical fibered Fabry-Perot cavity. I have designed very fast electronic control filters for each laser allowing a 7 MHz servo bandwidth limited by the loop length. I demonstrate phase noise suppressions down to -60 dBc/Hz at 1 kHz and -90 dBc/Hz at 100 kHz offset frequencies from a 92 GHz electrical carrier. I also measure a ~170 kHz frequency drift of the beat note at 10 GHz on the long term over a continuous 7.5 hour locking period. I show an optimized design of an integrated servo loop of few tens of cm length which reduces the phase noise by 18 dB at 1 MHz optical carrier offset frequency and the phase-amplitude couplings in the cavity by a factor of 50 compared to the experimental one. The addition of a third DFB laser phase stabilized on a local oscillator allows the possibility to have continuously tunable source over 1 THz. The continuous wave source also makes it possible to generate fixed repetition rate pico- or femtosecond pulses from highly non-linear and dispersive fibers, replacing the DFB lasers by further stable lasers. I have calculated by simulation 7.2 fs temporal jitter at 40 GHz repetition rate over a 1 ms integration time