Nous avons etudie theoriquement et experimentalement un concept d'imagerie parametrique auto-protege, base sur une technique de transposition de faisceau. Une image signal issue d'un objet, interagit avec un faisceau de pompe dans un cristal quadratique. L'utilisation d'un accord de phase non critique en angle (obnc) pour le signal permet de transferer son contenu angulaire sur un faisceau idler cree par generation parametrique, l'image finale etant detectee sur l'idler apres separation d'avec le signal. En regime d'imagerie (faible intensite signal incidente), une configuration en difference de frequence permet de transposer le signal vers l'idler avec un gain superieur a l'unite. En cas d'agression laser a la frequence du signal l'idler reste optiquement limite par la pompe du fait de la conservation de l'energie ce qui assure la protection optique du detecteur. Nous avons montre que l'accord de phase obnc dans un plan principal garantit l'isomorphisme entre l'image signal et celle transposee sur l'idler, ainsi que l'absence de melange interpixels sur la longueur de propagation. Un modele general, a permis l'etude numerique de l'interaction en regime fort. Nous avons souligne que la configuration obnc permettait de diminuer le decalage des faisceaux par le walk-off et garantissait ainsi la limitation de l'intensite de l'idler par la moitie de l'intensite crete de la pompe en entree. L'etude simultanee des conditions d'imagerie et de protection a permis d'etablir un facteur de merite essentiellement base sur les parametres intensifs du materiau et de classer les familles de cristaux commercialement disponibles. Un montage experimental nous a permis de transposer une image monochromatique sans effets de distorsion et avec des gains parametriques superieurs a un. Enfin, nous avons simule une agression laser et verifie que l'energie totale transferee sur l'idler etait limitee et controle par le niveau de pompe. Cette etude ouvre la voie a l'imagerie parametrique auto-protegee et a ses applications dans les domaines necessitant la protection des detecteurs.
Nous avons etudie theoriquement et experimentalement un concept d'imagerie parametrique auto-protege, base sur une technique de transposition de faisceau. Une image signal issue d'un objet, interagit avec un faisceau de pompe dans un cristal quadratique. L'utilisation d'un accord de phase non critique en angle (obnc) pour le signal permet de transferer son contenu angulaire sur un faisceau idler cree par generation parametrique, l'image finale etant detectee sur l'idler apres separation d'avec le signal. En regime d'imagerie (faible intensite signal incidente), une configuration en difference de frequence permet de transposer le signal vers l'idler avec un gain superieur a l'unite. En cas d'agression laser a la frequence du signal l'idler reste optiquement limite par la pompe du fait de la conservation de l'energie ce qui assure la protection optique du detecteur. Nous avons montre que l'accord de phase obnc dans un plan principal garantit l'isomorphisme entre l'image signal et celle transposee sur l'idler, ainsi que l'absence de melange interpixels sur la longueur de propagation. Un modele general, a permis l'etude numerique de l'interaction en regime fort. Nous avons souligne que la configuration obnc permettait de diminuer le decalage des faisceaux par le walk-off et garantissait ainsi la limitation de l'intensite de l'idler par la moitie de l'intensite crete de la pompe en entree. L'etude simultanee des conditions d'imagerie et de protection a permis d'etablir un facteur de merite essentiellement base sur les parametres intensifs du materiau et de classer les familles de cristaux commercialement disponibles. Un montage experimental nous a permis de transposer une image monochromatique sans effets de distorsion et avec des gains parametriques superieurs a un. Enfin, nous avons simule une agression laser et verifie que l'energie totale transferee sur l'idler etait limitee et controle par le niveau de pompe. Cette etude ouvre la voie a l'imagerie parametrique auto-protegee et a ses applications dans les domaines necessitant la protection des detecteurs.
Les travaux presentes dans ce memoire portent sur la realisation experimentale d'operations photoniques ultra rapides basees sur l'exploitation de la propagation de solitons spatiaux et leurs interactions dans les milieux homogenes a non-linearite optique de kerr, et sur de nouvelles utilisations de non-linearite d'ordre deux en regime de somme et difference de frequences degenerees. J'ai presente les resultats de la premiere mise en evidence experimentale de la deflexion d'un signal faible par collision et guidage de solitons spatiaux pour realiser une operation elementaire de demultiplexage temporel par solitons spatiaux. Je me suis interesse a l'exploitation des interactions parametriques survenant lors de la propagation dans les cristaux a non-linearite quadratique. Avec un cristal de ktp, le desaccord de phase permet de moduler en phase un signal harmonique faible en fonction de l'intensite du faisceau pompe a la frequence double. J'ai propose une configuration qui met a profit ce phenomene en realisant une porte tout-optique. J'ai mis en evidence pour la premiere fois qu'un doublage de frequence avec accord de phase de type ii pour lequel les composantes ordinaires et extraordinaires du champ incident sont desequilibrees, conduit en sortie a une polarisation dont l'orientation depend de l'intensite. Sur ce principe, j'ai realise un transistor optique original et un dispositif avec une transmission dependante de l'intensite. Un cristal taille pour l'accord de phase de type ii permet egalement de realiser une porte tout optique basee sur l'amplification parametrique. Cette porte permet aussi de realiser une conjugaison de phase et une deflexion d'un faisceau signal
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.
Nous étudions les propriétés quantiques des images optiques. Sur le plan théorique, nous nous plaçons dans le plan transverse du champ électromagnétique pour définir des observables les plus proches possibles de ce que mesurent les détecteurs en optique. Nous montrons alors la nécessité d'une approche multimode transverse pour la description des images. Nous élaborons une méthode de calcul des fluctuations en tout point du plan transverse d'un nombre quelconque de champs après leur interaction avec un cristal non linéaire. Nous appliquons ces principes pour définir les limites de résolution dans les images optiques imposées par la mécanique quantique. Nous appliquons le cas particulier du champ bimode aux mesures de positions d'un faisceau effectuées par un détecteur à deux zones. Nous montrons alors, à la fois théoriquement et expérimentalement, que le choix adéquat de deux modes non classiques permet de faire des mesures de déplacement en dessous de la limite quantique standard. D'un autre côté, nous appliquons la méthode de calcul des fluctuations au cas particulier du soliton spatial, système permettant de s'affranchir de la diffraction. On montre que, même si elle ne modifie pas le champ moyen, la diffraction est responsable de la diffusion des propriétés quantiques, qui se retrouvent alors dans les fonctions de corrélations entre deux points transverses. Finalement, nous décrivons une expérience réalisée avec un oscillateur paramétrique optique dégénéré transversalement, qui permet de faire osciller pour une même longueur de cavité un grand nombre de modes transverses. La présence d'un cristal non linéaire d'ordre deux permet de coupler les modes et d'obtenir des effets quantiques non monomodes transverses.
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.
L'exploitation d'une interaction non lineaire du second ordre: l'amplification parametrique dependante de la phase, a permis de surpasser la limite quantique standard lors du traitement et de la detection des signaux optiques. Le rendement quantique de detection est ainsi considerablement ameliore lorsque le signal est preamplifie par un amplificateur parametrique dependant de la phase, qui ne degrade pas le rapport signal sur bruit. L'ensemble, amplificateur sans bruit et detecteur, peut etre considere comme un nouveau dispositif dont le rendement quantique de detection est ideal lorsque le gain de l'amplificateur est eleve. Par ailleurs, la realisation de deux mesures quantiques non destructives (qnd) successives d'une quadrature d'un signal, nous a permis d'apporter la premiere demonstration complete du principe de la mesure qnd. Chaque mesure introduit une perturbation qui est rejetee sur la quadrature conjuguee, preservant de la contamination la quadrature mesuree. A l'aide des criteres qnd nous avons demontre le caractere non destructif de notre double mesure ainsi que l'existence de correlations quantiques (en dessous de la limite quantique standard) entre les mesures et avec le signal. Du point de vue des communications optiques, nous avons realise deux prises optiques en ligne, ayant des performances quantiques. L'etude theorique a neanmoins revele la sensibilite de telles prises vis a vis des pertes optiques lorsque leur nombre augmente. Nous avons contourne ce probleme en developpant deux prises optiques quantiques amplificatrices basees sur l'amplification optique sans bruit et la separation des photons jumeaux generes par l'amplificateur parametrique dependant de la phase. L'un des photons est considere comme le signal, l'autre constitue la mesure. Les performances de cette double prise sont non classiques et montrent une grande robustesse a l'encontre de pertes optiques. L'etude theorique a revele que les performances non classiques se conservent lorsque le nombre de prises optiques augmente