Analyse du fonctionnement des masers pompés sélectivement par laser (mise en évidence d'une pulsation signal maximale ω0 pour le régime stationnaire et d'un effet maser transitoire pour ωs > ω0) et des masers utilisant un pompage dans une bande large avec effet de dichroïsme (condition assez sévère sur le temps de relaxation de l'état fondamental). — Etude du bruit d'émission spontanée et de la possibilité pour la température de bruit d'être inférieure à celle de l'échantillon. — Description des réalisations : masers pulsés à rubis pompés par laser (performances actuelles : 77 °K, 50 GHz) et masers continus à ions Tm++ pompés par dichroïsme (4 °K, 18 GHz).
Analyse du fonctionnement des masers pompés sélectivement par laser (mise en évidence d'une pulsation signal maximale ω0 pour le régime stationnaire et d'un effet maser transitoire pour ωs > ω0) et des masers utilisant un pompage dans une bande large avec effet de dichroïsme (condition assez sévère sur le temps de relaxation de l'état fondamental). — Etude du bruit d'émission spontanée et de la possibilité pour la température de bruit d'être inférieure à celle de l'échantillon. — Description des réalisations : masers pulsés à rubis pompés par laser (performances actuelles : 77 °K, 50 GHz) et masers continus à ions Tm++ pompés par dichroïsme (4 °K, 18 GHz).
La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.
La production d'etats comprimes du rayonnement au moyen de lasers a faible bruit de pompe constitue un enjeu considerable. La precision des mesures optiques reste en effet limitee par les fluctuations d'intensite et de phase des faisceaux lumineux. Les meilleurs lasers montrent au mieux un bruit d'intensite poissonien. Le principe de la pompe reguliere consiste a exploiter le transfert de la statistique de la pompe a la statistique du flux de photons emis par le laser. Un modele theorique montre l'interet de cette demarche dans le cas des lasers de classe b, pour lesquels une pompe a faible bruit conduit, pour des frequences faibles devant celle de l'oscillation de relaxation, a la production d'etats lumineux comprimes en intensite. Ce principe est applique aux diodes laser et aux minilasers a yag : nd ou yvo#4 : nd. Dans le cas des diodes laser, le bruit de pompe est celui du courant d'alimentation, largement subpoissonien. L'etude du bruit de la diode sous diverses configurations (diode sur reseau, libre ou injectee par une autre diode) a permis de trouver un fonctionnement tres proche de celui prevu par le modele et d'obtenir jusqu'a 41% de compression du bruit sous le bruit de poisson. Ces experiences ont mis en evidence les phenomenes associes a un fonctionnement multimode du laser : anticorrelation du bruit entre modes et exces de bruit du a la partition de la puissance du laser entre modes longitudinaux. Dans le cas des minilasers solides, la diode laser a faible bruit sert de faisceau de pompe. L'effet de la statistique de pompe doit etre recherche a tres basse frequence en raison de la presence de l'oscillation de relaxation vers quelques mhz. Cette derniere engendre de plus des non-linearites a basse frequence, eliminees grace a une retroaction electrooptique. Ce dispositif permet de reduire considerablement le bruit mesure a basse frequence et de confirmer les previsions theoriques.
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.
Une condition essentielle pour pouvoir aligner des atomes ou des ions par pompage optique est que la vitesse de pompage doive être comparable à la vitesse de relaxation dans l'état fondamental. Des temps de relaxation de l'ordre de [FORMULE] sec ont été mesurés sur quelques ions paramagnétiques, à l'état solide même à la température ordinaire : les temps les plus longs ont été trouvés dans le cas des ions dont l'état fondamental n'a pas de moment angulaire orbital. Pour les ions dont les spectres d'absorption dans le visible et dans l'ultraviolet sont les mieux connus, les forces d'oscillation correspondent à des valeurs de l'ordre de [FORMULE], ce qui est insuffisant. L'ion Europium divalent, d'état fondamental [FORMULE] possède une bande d'absorption vers 3 380 Å dont la force d'oscillation est de l'ordre de [FORMULE]. Ceci pourrait suffire pour obtenir une vitesse de pompage satisfaisante. Le manganèse divalent, état [FORMULE] phosphorescent dans le sulfure de zinc possède des bandes d'absorption d'une force d'oscillation de l'ordre de l'unité. Mais ces bandes sont situées dans l'ultraviolet extrême. Les auteurs sont en train de faire des essais pourobtenir des effets de pompageoptique dans Eu ++.
Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.
Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:YSO, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:YSO. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.