L'application de l'intégrale de Fourier permet de prévoir théoriquement l'existence d'interférences entre deux faisceaux provenant de deux sources lumineuses différentes; le calcul montre que les faisceaux doivent traverser un monochromateur dont le pouvoir séparateur exprimé en fréquence est l'inverse de la durée du phénomène lumineux; cette condition rappelle le principe d'incertitude de Heisenberg. L'action d'un tel monochromateur revient à allonger les trains d'onde des deux faisceaux. On arrive à obtenir que chacun des faisceaux soit représenté pendant un certain intervalle de temps par une vibration sinusoïdale bien déterminée, ce qui permet de prévoir des phénomènes d'interférences. Au point de vue pratique, il semble probable que l'expérimentateur sera gêné par le manque de brillance des sources lumineuses.
L'application de l'intégrale de Fourier permet de prévoir théoriquement l'existence d'interférences entre deux faisceaux provenant de deux sources lumineuses différentes; le calcul montre que les faisceaux doivent traverser un monochromateur dont le pouvoir séparateur exprimé en fréquence est l'inverse de la durée du phénomène lumineux; cette condition rappelle le principe d'incertitude de Heisenberg. L'action d'un tel monochromateur revient à allonger les trains d'onde des deux faisceaux. On arrive à obtenir que chacun des faisceaux soit représenté pendant un certain intervalle de temps par une vibration sinusoïdale bien déterminée, ce qui permet de prévoir des phénomènes d'interférences. Au point de vue pratique, il semble probable que l'expérimentateur sera gêné par le manque de brillance des sources lumineuses.
Interprétation corpusculaire d'une expérience de diffraction, imaginée par Abbe, dans laquelle un réseau est illuminé simultanément par deux faisceaux d'égale intensité et où l'on amène à la coïncidence deux des maxima transmis. L' « indice de l'espace pour les ondes associées » joue dans ce cas pratique un rôle essentiel. La théorie développée garde une connexion étroite avec les interférences entre ondes planes d'une même amplitude. L'étude corpusculaire de ce type de phénomènes conduit à des résultats assez satisfaisants. Nous l'abordons ici par les méthodes propres à la Cinématique relativiste, et étendons cette étude au cas des pulsations lumineuses dues à l'interférence entre ondes de fréquences différentes se propageant en des sens contraires.
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.
Un phénomène interférentiel se présente d'une façon différente pour des observateurs en mouvement relatif, car, en changeant de référentiel, il s'introduit des modifications de l'état ondulatoire et de l'aspect cinématique des franges. Dans le cas de franges rectilignes mobiles (pulsations), il est aisé de trouver de nombreux référentiels dans lesquels les franges sont au repos. Parmi ces référentiels, il y en a un qui jouit du privilège de présenter le phénomène sous les caractéristiques propres à un état « stationnaire ». Il en découle la possibilité d'admettre, pour le phénomène des interférences, une interprétation de type corpusculaire, tout au moins dans le cas étudié où les ondes qui se superposent ont une amplitude égale. L'application des principes de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement confirme les résultats obtenus par la méthode ondulatoire, mais l'on arrive à la conclusion que deux corpuscules se forment, c'est-à-dire une paire, lors du choc de deux photons dans le champ d'interférences.
Ce mémoire de maîtrise est consacré à la mise en place d'une technique de spectroscopie quantique comme nouvel outil de caractérisation. La spectroscopie quantique, tout comme la spectroscopie classique, consiste en l'étude des matériaux avec la lumière. La différence est le type de lumière utilisé. Dans le cas présent, on utilise comme sonde des paires de photons qui partagent une propriété très intéressante, soit l'intrication. Les propriétés quantiques que nous promet l'intrication peuvent être utilisées pour donner un net avantage à la lumière quantique sur la lumière dite classique, d'un point de vue spectroscopique. Dans un premier temps, les nombreux avantages qu'offre la spectroscopie quantique seront revus, en explorant les différentes techniques que propose la communauté. En second lieu, les outils théoriques nécessaires à la bonne compréhension du phénomène de génération de photons intriqués, soit la conversion paramétrique spontanée, seront exposés. Ensuite, l'importance de la fonction de corrélation de second ordre dans le formalisme qui décrit la détection de photons intriqués sera discutée. De plus, les propriétés spectrales non classiques du biphoton, soit une paire de photons intriqués, seront exposées. On décrira ensuite les détails expérimentaux portant sur la mise en place d'un interféromètre de type Hong-Ou-Mandel, où l'un des bras contient un matériau à caractériser. L'interaction avec le matériau modifiera les propriétés du biphoton, ce qui sera visible dans le creux d'anti-corrélation causé par l'interférence quantique à deux photons. Malgré l'impossibilité d'observer ce creux d'anti-corrélation à cause du trop faible couplage de la source dans l'interféromètre, la génération de paires de photons intriqués a tout de même été observée. De plus, la possibilité d'observer de l'interférence à deux photons a été montrée en mesurant des oscillations quantiques issues d'interférences à un photon. Cela valide la possibilité d'utiliser cette technique spectroscopique comme nouvel outil de caractérisation.
Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.
Ce manuscrit de thèse s’intéresse à l’étude théorique et à l’observation d’effets quantiques résultantde la manipulation de photons en fréquence. Ainsi nous rapportons une expérience d’interférenceà deux photons, pour laquelle l’intrication et la manipulation des photons survient dans le domainedes fréquences. Nous montrons que cette figure d’interférence est sensible à la dispersion des deuxphotons jumeaux et que ce phénomène peut être compensé de manière non-locale. D’un autre coté,nous étudions la réalisation d’une marche aléatoire quantique établie par la modulation de phase.Nous mettons en évidence un comportement intéressant de ces marches et suggérons un schémaexpérimental.