Auto-organization of light in a single feedback system

L'objectif de cette thèse est d'étudier la formation et le contrôle de structures spatiales apparaissant dans un cristal photoréfractif soumis à une simple boucle de rétro-action optique (simple feedback). Suite au mécanisme d'instabilité de modulation, un faisceau laser entrant dans un milieu non linéaire peut subir une structuration spatiale transverse,connue sous le nom de filamentation. Dans la configuration dite simple feedback, l'interaction de deux faisceaux laser contra-propageants peut donner naissance à des structures transverses auto-organisées (dites patterns) plus régulières que les filaments : par exemple une structure de type hexagonal. Dans ce document, nous étudions, à la fois théoriquement et expérimentalement le phénomène de formation de patterns photoréfractifs. Notre but est d'aller au-delà de la simple observation de patterns. En effet, nous focalisons notre étude sur l'adressage et la sélection de patterns, en utilisant les propriétés de contrôle de la lumière que fournissent les structures périodiques telles que les cristaux photoniques. L'insertion de telles structures au sein même du milieunon linéaire photoréfractif permet la création, la sélection et l'orientation de différents patterns. La géométrie, la vélocité et la dynamique de ces structures spatiales sont également fortement influencées lorsqu'un décalage transverse, induit par un désalignement du miroir de rétro-action, est imposé au système. Ainsi, pour la première fois dans un système photoréfractif, il devient possible d'observer des dynamiques dites convectives, c'est-à-dire entretenues par le bruit. Pour finir, une partie de cette thèse est dédiée à l'obtention de structures dites localisées. Trouvant leur originalité dans des applications comme les mémoires optiques adressables, ces structures ont été intensément étudiées ces dernière années. Nous proposons de les observer dans notre système photoréfractif, peu voire pas étudié dans cette configurationThe aim of the present manuscript is to study the formation and the controlof transverse structures in nonlinear optical systems by using photorefractivematerials as the optical nonlinear medium. A single laser beam entering insuch a nonlinear medium can experience transverse structuring due to themechanisms of modulation instability, which may lead to beam filamentation.In another case, the interaction of two beams may lead to spatially regularpatterns, as in the case of the single-feedback configuration.In this study, we focus on the conditions for the appearance of ordered patternedstructures and describe the theoretical and experimental background forthe observation of these effects. Our challenge is to go beyond the observation,classification and understanding of the nonlinear phenomena encountered. Weare especially interested in the properties of the free-running nonlinear system,combined with different control mechanisms. Principally, on one hand, we focuson the active addressing, selection and orientation of a desired pattern bysuitably using a periodic photonic structures as the control mechanisms.On the other hand, the dynamics, the geometry, and the velocity of thedifferent patterns are strongly influenced by an imposed misalignment of themirror producing the optical feedback. Consequently, convective dynamics, sustainedby noise, are expected in the system and will be observed for the firsttime in a photorefractive experiment.Finally, a part of the manuscript is devoted to the observation of localizedstructures. Potentially useful for optical memories, these structures have beenintensively studied in different configurations, but experiments in photorefractivematerials remain scarce. Thus, we will focu