[en] The PhD project, entitled "Second harmonic generation in disordered nonlinear crystals: application to ultra-short laser pulse characterization", is devoted to the study of second harmonic generation in nonlinear ferroelectric crystals formed by a random distribution of domains with inverted quadratic nonlinear susceptibility (such as the Strontium Barium Niobate and Calcium Barium Niobate crystals) and its application to the single-shot characterization of ultrashort laser pulses. The basic principle of operation is related to the unique type of emission associated to those kinds of crystals where the second harmonic signal is emitted transversally to the beam propagation direction. Using the transverse second harmonic generation from these crystals we measure the pulse duration, the chirp parameter and the temporal profile in a single-shot configuration. This method has been implemented both in transverse auto-correlation and transverse cross-correlation schemes for the measurement of pulses with durations in the range from several tens up to several hundreds of femtoseconds. The main advantages gained with the developed techniques against other traditional methods include the removal of the requirement of thin nonlinear crystals for harmonic generation, the possibility to get automatic phase matching without angular alignment or temperature control over a very wide spectrum and a simplified operation process. Different types of pulses have been measured in different conditions and the limits of validity of the technique have been explored. Since this work relies strongly upon the characteristics of emission of the second harmonic signal by these random crystals, an important part of this work has been focused on the characterization of the distribution of domains of the random nonlinear ferroelectric crystals and its relation with the angular emission of the second harmonic signal. The domain distribution of the nonlinear polarization implies an associated distribution of reciprocal lattice vectors, which can compensate the phase mismatch in the nonlinear interaction. Any change in the domain distribution would have a direct impact in the second harmonic generated and in its intensity angular distribution. Based on these fundamental concepts we demonstrate an indirect non-destructive optical method for the characterization of nonlinear domain statistics based on the analysis of the second harmonic generation intensity angular distribution. This method has been implemented experimentally and tested in crystals with different types of distributions. To gain a deeper insight on these processes, numerical simulations have been performed using a split-step fast-Fourier transform beam propagation method. It has been demonstrated that the analysis of the dependence of the second harmonic generation angular emission with the fundamental beam wavelength can be used to obtain relevant information about complicated domain structures. This method could be used for real time monitoring of the unknown domain distribution during the poling or crystal growing process

[es] Esta tesis doctoral es un estudio de la generación de segundo armónico en cristales no lineales compuestos por dominios ferroeléctricos que alternan el signo de la non linealidad de segundo orden y distribuidos de una forma aleatoria (como por ejemplo niobato de estroncio y bario o niobato de calcio y bario). Como primera aplicación proponemos una técnica de caracterización de pulsos laser ultracortos, cuyo principio de operación está relacionado con la manera singular en la que este tipo de cristal emite la señal de segundo armónico en una dirección transversal a la dirección de propagación del pulso a medir. Utilizando esta señal no lineal podemos determinar la duración del pulso, el parámetro de chirp y el perfil temporal en una configuración de single-shot. Hemos implementado este método en dos configuraciones distintas -auto correlación y correlación cruzada- para la medida de pulsos con duraciones entre 10 fs y 1 ps. Este método, en comparación con otros métodos tradicionales para la caracterización de pulsos ultracortos, permite obtener el ajuste de fase (phase matching) de forma automática sobre un rango espectral muy amplio, sin necesidad de aliñamiento crítico ni ajuste de temperatura, elimina el requisito de utilizar cristales delgados y tiene un proceso de operación más sencillo. Se han medido diferentes tipos de pulsos y se han explorado las limitaciones de la técnica. Como este trabajo se basa en las propiedades específicas de la emisión de segundo armónico en los cristales no lineales con distribución aleatoria de dominios, un objetivo importante ha sido la caracterización del tamaño y la distribución de los dominios ferroelectricos y su relación con la distribución angular específica del segundo armónico generado. La distribución espacial de los dominios implica una distribución correspondiente de vectores en la red recíproca que puede compensar el ajuste de fase en la interacción no lineal. Cualquier cambio en la distribución de dominios tendrá pues un impacto directo en la intensidad y distribución angular de la señal de segundo armónico generado. Basándolos en estos conceptos, demostramos un método óptico non destructivo indirecto para la caracterización estadística de los dominios no lineales basado en el análisis de la intensidad y la distribución angular del segundo armónico generado. Implementamos este método experimental en la caracterización de cristales con diferentes tipos de dominios. Para un estudio más detallado hemos desarrollado un modelo numérico basado en el método de "split-step fast-Fourier transform beam propagation" que simula el proceso no lineal observado experimentalmente. Demostramos que el análisis de la dependencia angular del segundo armónico puede aportar información relevante sobre estructuras con distribuciones complejas de dominios. Este método se puede utilizar para la monitorización en tiempo real de distribuciones desconocidas en el mismo proceso de crecimiento o del poling del cristal ferroelectrico.