Caractérisation des effets de lentille de population dans les lasers à solide

In ion-doped solid-state laser materials, the pump-induced refractive index changes (RIC) have an electronic component, the so-called population lens effect, which can be related to the change in excited state population and to the polarizability difference between the excited and ground states. These population effects have a tremendous influence upon the spatiotemporal characteristics of laser resonators and it is thus a challenging problem to have sensitive techniques for measuring them. Hence, this PhD thesis is focused on the metrology of the RIC for a better understanding of the solid-state lasers behavior and in order to be able to use these effects for various applications. The first part of this manuscript consists in measuring the population effects in Chromium and Ytterbium-doped laser crystals with the Z-scan technique. For doing so, a time-resolved experiment has been designed in order to discriminate between thermal and electronic effects. In a second part, we have developed a new efficient technique, called Baryscan, able to measure very weak RIC and to reach among the highest sensitivity levels to date. This method is based upon the measurement of optical nonlinearities by means of beam centroid displacements with a Position Sensitive Detector. Besides, interesting results about the diffractive focusing of laser beams with a cascade of phase plates are presented and two beam shaping techniques for forcing a laser to oscillate on a high-order mode are detailed.Les variations de l'indice de réfraction d'origine électronique, proportionnelles au nombre d'ions actifs du matériau laser portés dans leur état excité et à la variation de polarisabilité entre le niveau excité et le niveau fondamental, peuvent avoir un impact considérable sur les propriétés spatio-temporelles des résonateurs laser. Il est ainsi nécessaire de disposer de méthodes sensibles afin de les évaluer. Ce travail de thèse est donc centré autour de la métrologie de ces effets dits " de population ", afin d'être en mesure de mieux appréhender le comportement des lasers à solide voire d'être capable d'utiliser ces effets pseudo-nonlinéaires pour diverses applications. La première partie de cette thèse consiste donc à quantifier les effets de population dans des cristaux laser dopés Chrome et Ytterbium à l'aide de la technique Z-scan. Dans cette optique, nous avons donc mis en place en expérience résolue en temps afin de nous affranchir des effets thermiques, phénomène inhérent à tout processus de pompage optique. Nous avons par la suite mis au point une technique originale, appelée Baryscan, permettant de mesurer de très faibles variations d'indice et d'atteindre une sensibilité parmi les plus grande rencontrée à ce jour. Cette technique est basée sur l'utilisation d'un Position Sensitive Detector (PSD) et les propriétés non-linéaires des cristaux sont déduites de l'évolution du barycentre du faisceau laser pompe-sonde. Nous présentons de plus des résultats concernant la focalisant diffractive de faisceaux laser à l'aide d'optiques de phase ainsi que des techniques de mise en forme permettant de forcer une cavité laser à osciller sur le mode transverse souhaité