Dynamiques non linéaires dans les fibres multimodes à gradient d’indice : Caractérisation spatiotemporelle/ spectrale, et applications à la génération de supercontinuum MIR

This thesis describes the use of graded index multimode fibers (GIMF) for the improvement of laser systems. In the last few years, these fibers have seen a revival of interest in particular in spatial multiplexing telecommunication systems or for the realization of optical components. In the high intensity regime, it was demonstrated recently that the self-imaging process endured by the beam propagating in these fibers allows for the emergence of new spatial, temporal and spectral non-linear dynamics. The self-cleaning of the beam by the Kerr effect, which transforms a multimode beam (speckle) into a quasi-Gaussian beam, is a spectacular manifestation of this effect. This thesis extends our understanding of this phenomenon by demonstrating Kerr beam self-cleaning in the weakly multimode regime. I also proposed a new technique for time-resolved observation of the nonlinear dynamics. In particular I was able to identify the various modes involved in the intermodal couplings with a time resolution as short as 8 ps. Finally, I showed that a low energy single mode beam can trigger the self-cleaning phenomenon on a second high intensity multi-mode beam, with a longer term application to the realization of all-optical logic gates. Beam self-imaging in a GIMF is also accompanied with the generation of parametric lines far detuned from the pump. In a second part of this thesis, I focused on these nonlinear space-frequency dynamics. First, I have characterized the modal content of the parametric lines, which had not been done before. Then, I exploited the high power spectral density of these parametric lines strongly shifted from the pump wavelength to generate an intense supercontinuum in the mid-infrared from a 1 μm laser, for the first time to my knowledge. Finally, I have studied the conditions for optimizing the spectral extent of the mid-infrared continuum and demonstrated that a judicious choice of the input beam characteristics allows to cover three octaves, from 0.75 to 6 μm.Cette thèse décrit l’utilisation de fibres multimodes à gradient d’indice (GIMF) pour l’amélioration des systèmes lasers. Ces dernières années, ces fibres ont connu un regain d’intérêt notamment dans les systèmes de télécommunications à multiplexage spatial ou pour la réalisation de composants optiques. En régime de forte intensité, il a été démontré récemment que l’auto-imagerie du faisceau s’y propageant permet l’émergence de dynamiques non linéaires spatiales, temporelles et spectrales inédites. L’autonettoyage de faisceau par effet Kerr, qui transforme un faisceau multimode (speckle) en un faisceau quasi-gaussien, en est une manifestation spectaculaire. Cette thèse étend les connaissances relatives à ce phénomène en démontrant le nettoyage de faisceau en régime faiblement multimode. J’ai aussi identifié expérimentalement les modes impliqués dans les couplages intermodaux via un nouveau système de cartographie spatio-temporelle avec une résolution de 8 ps. Finalement, je montre qu’un faisceau monomode de faible énergie peut déclencher le phénomène d’autonettoyage sur un second faisceau très multimode et de forte intensité, avec pour application à plus long terme la réalisation de portes logiques tout-optique. L’auto-imagerie de faisceau dans une fibre multimode à gradient d’indice s’accompagne aussi de la génération de raies paramétriques. Dans une seconde partie de cette thèse, je me suis intéressé à ces dynamiques non linéaires spatiospectrales. Dans un premier temps, j’ai caractérisé finement le contenu modal des raies paramétriques, ce qui n’avait pas été fait jusqu’alors. J’ai par la suite exploité la forte densité spectrale de puissance de ces raies paramétriques fortement décalées de la longueur d’onde de pompe pour générer un supercontinuum intense dans le moyen-infrarouge à partir d’un laser à 1 µm, pour la première fois à ma connaissance. Finalement, j’ai étudié les conditions prévalant à l’optimisation de l’extension spectrale du continuum moyen-infrarouge et démontré qu’un choix judicieux des caractéristiques du faisceau d’entrée permet d’étendre la couverture spectrale du supercontinuum sur trois octaves, de 0,75 à 6 µm