La plupart des ouvrages qui paraissent sur les lasers se divisent en deux catégories : d'une part, ceux qui traitent en détail de la description quantique des interactions matière-rayonnement ; d'autre part, ceux qui insistent sur telle ou telle caractéristique des sources laser et sur les problèmes nouveaux qu'elles permettent d'aborder, comme l'optique non-linéaire, la fusion inertielle ou le transfert d'information. Gilbert Grynberg, Alain Aspect et Claude Fabre ont fait le pari qu'il était possible de combiner ces deux points de vue dans un même ouvrage et de présenter à leurs lecteurs, à la fois les concepts quantiques de base qui permettent de comprendre l'absorption et l'émission de lumière par les atomes, et les principes de fonctionnement des lasers, leurs caractéristiques essentielles et quelques exemples importants d'applications concrètes. Ils ont, je crois, magnifiquement tenu leur pari.
La plupart des ouvrages qui paraissent sur les lasers se divisent en deux catégories : d'une part, ceux qui traitent en détail de la description quantique des interactions matière-rayonnement ; d'autre part, ceux qui insistent sur telle ou telle caractéristique des sources laser et sur les problèmes nouveaux qu'elles permettent d'aborder, comme l'optique non-linéaire, la fusion inertielle ou le transfert d'information. Gilbert Grynberg, Alain Aspect et Claude Fabre ont fait le pari qu'il était possible de combiner ces deux points de vue dans un même ouvrage et de présenter à leurs lecteurs, à la fois les concepts quantiques de base qui permettent de comprendre l'absorption et l'émission de lumière par les atomes, et les principes de fonctionnement des lasers, leurs caractéristiques essentielles et quelques exemples importants d'applications concrètes. Ils ont, je crois, magnifiquement tenu leur pari.
L'invention du laser dans les années 60 a permis l'avènement d'une nouvelle physique, appelée « optique non-linéaire », qui s'intéresse à l'interaction entre la matière et la lumière intense et a connu un développement spectaculaire.Elle a conduit à de belles découvertes et à de nombreuses applications.De nouveaux phénomènes d'interaction matière-lumière ont été mis en évidence, qui ont pu à leur tour être utilisés comme sonde des propriétés de la matière.On peut ainsi mesurer à distance et de manière très précise les caractéristiques d'une flamme de réacteur.L'optique non linéaire a aussi permis de nouvelles sources de lumière cohérente dans des domaines de longueurs d'onde où les lasers faisaient souvent défaut.D'une manière inattendue l'optique non linéaire est aussi à l'origine d'un développement spectaculaire des études sur les étranges propriétés du monde quantique : génération de photons uniques ou jumeaux, manipulation des fluctuations quantiques.Le livre de François Hache nous propose une excellente introduction à cette nouvelle branche de la physique.Il donne les bases du formalisme de l'optique non linéaire, puis étudie successivement les nombreux phénomènes qui apparaissent lorsque de la lumière intense interagit avec la matière et leurs applications.L'originalité de l'ouvrage est qu'il s'attache à décrire aussi les développements récents de la discipline : optique non-linéaire utilisant des impulsions ultra-courtes et spectroscopie multi-dimensionnelle, domaines dont François Hache est un spécialiste reconnu.L'exposé, issu de l'expérience de différents cours de M2 donné par l'auteur, est extrêmement bien structuré et présenté de manière progressive et pédagogique.Le cours est prolongé par des problèmes corrigés qui permettent souvent d'aborder des sujets proches de la recherche actuelle.En résumé, un ouvrage moderne permettant aux étudiants et aux chercheurs désireux d'aborder le domaine d'en connaître les principaux phénomènes tout en ayant une idée des récents développements.
Avant-proposCe livre présente une introduction à l'optique non linéaire et une ouverture vers quelques extensions récentes de cette discipline toujours très active.Cet ouvrage est issu de plusieurs cours donnés dans le cadre de Masters 2 à l'université Paris XI et à l'École normale supérieure.Il s'adresse aux étudiants de Master ainsi qu'aux doctorants ou chercheurs désirant s'initier à cette discipline de l'optique.Il ne requiert pas de connaissances préalables autres que quelques notions sur les ondes électromagnétiques.J'ai été formé à l'optique non linéaire par les cours donnés par Christos Flytzanis dans le cadre du DEA de Physique atomique et moléculaire de l'université Paris XI et le présent ouvrage doit beaucoup à cet enseignement dont il conserve l'esprit.Il présente néanmoins des aspects plus modernes tels que le formalisme des fonctions-réponse et l'introduction à la spectroscopie multidimensionnelle.Pour ces derniers développements, je me suis appuyé sur les cours de Manuel Joffre que je remercie vivement.Ce livre donne un aperçu d'un grand nombre de phénomènes d'optique non linéaire de façon succincte.Les grands principes ainsi que les principales applications de cette discipline sont présentés de façon rigoureuse, mais en évitant autant que possible d'entrer dans des considérations trop complexes.Le lecteur souhaitant approfondir est invité à se reporter à des ouvrages plus complets ou plus spécialisés.Des problèmes corrigés sont proposés à la fin de chaque chapitre.Plus que de simples exercices d'application, ces problèmes sont à considérer comme des compléments du cours qui introduisent des phénomènes plus spécifiques complémentaires de ceux décrits dans le chapitre.Ce livre se donne comme ambition de présenter les fondements de l'optique non linéaire et de donner un aperçu des multiples applications de cette discipline afin d'inciter le lecteur à en approfondir divers aspects et à les utiliser pour en proposer des applications sans cesse plus innovantes.La recherche en optique non linéaire est toujours d'actualité et de nombreuses questions restent encore à défricher pour exploiter au mieux l'extrême richesse de ce domaine de l'optique.
Dans de nombreuses applications.les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle cIlIcial.Le « bl\lit " incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système.L'exemple tJ\trême en la matière est fourni par les détecteurs interférométriques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal il mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilite.Pour l'essentiel, le blllit dans les lasers est d'origine «technique ». c'est-a-dire qu'il est lié a des fluctuations difficilement maltrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage ... ).Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques.Mais il est utile de savoir si ces effons sont appelés li se heuneT tÔt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro.L'objet de ce cours est d•exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser.Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous Iraiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3).Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats experimentaux relatifs aliX «lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit d'intensité inférieur au bruit de grenaille ou «shot noise ». 1. FLUCTUATIONS QUANTIQUES DE LA LUM IÈRE Nous rappelons ici brièvement les caractéristiques essentielles des fluctuations d'origine quantique du champ électromagnétique.On trouvera dans les références {1-41 un exposé beaucoup plus détaillé des propriétés quantiques de la lumière 1.1.Cu d'u n m od~ uniqu ~ d u cham p Considérons un mode du champ défini par sa fréquence (0, son vecteur d'onde k et sa polarisation supposée rectiligne 1: (un laser monomode peut être considéré comme émettant un tel mode, si on ne s'intéresse pas aux effets liés à la variation transverse d'intensité).
La physique quantique permet de comprendre en profondeur les phénomènes qui régissent le comportement des solides, des semi-conducteurs, des atomes, des particules élémentaires et de la lumière. Cette nouvelle édition contient trois chapitres entièrement re-rédigés, un nouveau chapitre sur la mécanique quantique relativiste (construction de Wigner et équation de Dirac), une sélection de corrigés d’exercices et de nombreuses mises à jour. Elle offre une approche originale permettant de traiter immédiatement et de façon simple des applications importantes comme l’atome à deux niveaux, le laser ou la résonance magnétique nucléaire. Le formalisme est ensuite développé en privilégiant l’utilisation des symétries et permet de traiter les applications usuelles comme le moment angulaire, les approximations semi-classiques, la théorie de la diffusion ou la physique des atomes et des molécules. L'ouvrage accorde aussi une large place à des domaines nouveaux apparus depuis une trentaine d’années et qui occupent aujourd’hui le devant de la scène : non-localité et information quantiques, refroidissement d’atomes par laser, condensats de Bose-Einstein, états du champ électromagnétique, sujets qui ne sont pas traités dans la plupart des manuels. Ce livre s’adresse aux étudiants de L3 et de master de physique et aux élèves des écoles d’ingénieurs. Il est également susceptible d’intéresser un large public de physiciens, chercheurs ou enseignants, qui souhaitent s’initier aux développements récents de la physique quantique.
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 physique quantique permet de comprendre en profondeur les phénomènes qui régissent le comportement des solides, des semi-conducteurs, des atomes, des particules élémentaires et de la lumière. Cette nouvelle édition contient trois chapitres entièrement re-rédigés, un nouveau chapitre sur la mécanique quantique relativiste (construction de Wigner et équation de Dirac), une sélection de corrigés d’exercices et de nombreuses mises à jour. Elle offre une approche originale permettant de traiter immédiatement et de façon simple des applications importantes comme l’atome à deux niveaux, le laser ou la résonance magnétique nucléaire. Le formalisme est ensuite développé en privilégiant l’utilisation des symétries et permet de traiter les applications usuelles comme le moment angulaire, les approximations semi-classiques, la théorie de la diffusion ou la physique des atomes et des molécules. L'ouvrage accorde aussi une large place à des domaines nouveaux apparus depuis une trentaine d’années et qui occupent aujourd’hui le devant de la scène : non-localité et information quantiques, refroidissement d’atomes par laser, condensats de Bose-Einstein, états du champ électromagnétique, sujets qui ne sont pas traités dans la plupart des manuels. Ce livre s’adresse aux étudiants de L3 et de master de physique et aux élèves des écoles d’ingénieurs. Il est également susceptible d’intéresser un large public de physiciens, chercheurs ou enseignants, qui souhaitent s’initier aux développements récents de la physique quantique.