Effets propagatifs d'impulsions lumineuses femtosecondes dans des tunnels optiques : Le cas des opales artificielles inverses de silice. Le cas de l'évaporation quantique
Deux exemples de tunnels optiques sont étudiés pour leurs propriétés propagatives par des méthodes femtosecondes. Le premier est un cristal photonique aux propriétés analogues dans le domaine optique à celles des semiconducteurs. Il possède une bande interdite photonique (BIP) empêchant la propagation de photons dont l'énergie est dans cette bande. Le second système est un bi-prisme en réflexion totale. La première partie est consacrée aux opales : empilements de micro-sphères de silice. Chaque phase de l'élaboration est en revue. Une description des propriétés des cristaux photoniques est faite pour plusieurs structures. On en déduit que les opales n'ont pas de BIP mais une stop-band inhibant la transmission des photons dont la bande d'énergie dépend de la direction. Les caractéristiques structurelles en relation avec les propriétés spectrales sont abordées par des méthodes microscopiques et optiques. Un dispositif de temps de vol utilisant un fenêtrage temporel par absorption à deux photons a été réalisé pour déterminer les propriétés propagatives d'opales sondées par un continuum. Après correction en fréquence et en temps, on dispose du profil de vitesse de groupe. Il est expliqué par un modèle basé sur la relation de Kramers-Krönig qui permet d'associer la stop-band à un système à deux niveaux photoniques. La dernière partie est dédiée à l'étude de la transposition en optique d'un effet prédit dans les conditions de l'effet tunnel : l'évaporation quantique. Il se manifeste par l'augmentation de la transmission d'un paquet d'onde qui se produit en lui transférant à l'instant de la réflexion une quantité de mouvement. Un bi-prisme en réflexion totale séparé par une lame d'air est utilisé pour reproduire ces conditions. Une technique pompe-sonde simule le transfert de moment par effet Kerr. Après analyse et traitement des effets en compétition, nous obtenons des signaux caractéristiques de l'effet recherché. Ceci constitue une présomption de sa première observation.
Deux exemples de tunnels optiques sont étudiés pour leurs propriétés propagatives par des méthodes femtosecondes. Le premier est un cristal photonique aux propriétés analogues dans le domaine optique à celles des semiconducteurs. Il possède une bande interdite photonique (BIP) empêchant la propagation de photons dont l'énergie est dans cette bande. Le second système est un bi-prisme en réflexion totale. La première partie est consacrée aux opales : empilements de micro-sphères de silice. Chaque phase de l'élaboration est en revue. Une description des propriétés des cristaux photoniques est faite pour plusieurs structures. On en déduit que les opales n'ont pas de BIP mais une stop-band inhibant la transmission des photons dont la bande d'énergie dépend de la direction. Les caractéristiques structurelles en relation avec les propriétés spectrales sont abordées par des méthodes microscopiques et optiques. Un dispositif de temps de vol utilisant un fenêtrage temporel par absorption à deux photons a été réalisé pour déterminer les propriétés propagatives d'opales sondées par un continuum. Après correction en fréquence et en temps, on dispose du profil de vitesse de groupe. Il est expliqué par un modèle basé sur la relation de Kramers-Krönig qui permet d'associer la stop-band à un système à deux niveaux photoniques. La dernière partie est dédiée à l'étude de la transposition en optique d'un effet prédit dans les conditions de l'effet tunnel : l'évaporation quantique. Il se manifeste par l'augmentation de la transmission d'un paquet d'onde qui se produit en lui transférant à l'instant de la réflexion une quantité de mouvement. Un bi-prisme en réflexion totale séparé par une lame d'air est utilisé pour reproduire ces conditions. Une technique pompe-sonde simule le transfert de moment par effet Kerr. Après analyse et traitement des effets en compétition, nous obtenons des signaux caractéristiques de l'effet recherché. Ceci constitue une présomption de sa première observation.
Ce memoire examine des effets induits par des champs lumineux stochastiques. Une premiere partie est consacree aux effets de puissance qui se produisent dans un systeme atomique excite dans une configuration experimentale de melange a quatre ondes resolu dans le temps. Le resultat paradoxal de cette etude est la mise en evidence, dans un systeme a trois niveaux en v, de structures temporelles plus courtes que le temps de correlation de la lumiere, alors que celui-ci constitue le parametre temporel le plus court du probleme. La deuxieme partie concerne le developpement d'une nouvelle technique d'echantillonnage pour l'analyse de phenomenes ultra-rapides en utilisant des impulsions faibles stochastiques de longue duree. Deux cas sont traites, celui de l'effet kerr induite par un champ chaotique intense et celui de la propagation d'une impulsion stochastique dans un milieu optiquement epais. Les experiences qui mettent en evidence ces differents effets donnent toutes lieu a une interpretation theorique complete
Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme X line 2iphi avec phi la différence de phase entre champs. Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi. En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en Xlin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.
Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale du contrôle des phénomènes de propagation cohérente d'impulsions ultracourtes dans un milieu résonant optiquement dense. Dans une première partie, nous décrivons les phénomènes élémentaires des effets de propagation. L'épaisseur optique caractérise l'importance de la distorsion temporelle qui apparaît en général sur l'impulsion. A l'image des compensateurs à prismes ou à réseaux utilisés pour compenser la dispersion d'un milieu transparent, on montre que cette dispersion résonante peut être compensée par l'utilisation d'un façonneur d'impulsion haute résolution. Dans un second temps, nous développons l'idée de contrôler par un champ fort, les propriétés transitoires d'une autre impulsion faible et résonante qui se propage simultanément dans le milieu. Le champ fort induit des modifications transitoires dans le milieu, qui se répercutent et modifient par rayonnement le champ de l'impulsion résonante qui se propage. Dans un système à trois niveaux en échelle, des modulations visibles sur le profil temporel, révèlent les déplacements lumineux induits de manière non résonante sur les deux états excités. Leur durée caractéristique est plus courte que celle de l'impulsion initiale : il y a un enrichissement du spectre transmis. Ces oscillations résultent du battement entre le champ incident et le champ rayonné dont la fréquence varie sous l'effet des déplacements lumineux. L'excitation "bichromatique" d'un système à deux niveaux, présente deux configurations géométriques qui donnent accès à des informations différentes. En plus des phénomènes précédents qui apparaissent en configuration non colinéaire, les effets des transitions non adiabatiques induites par le champ de contrôle se manifestent également dans le cas colinéaire. Le champ faible est alors une sonde particulièrement sensible à ces effets. Nous étudions enfin une configuration où les deux impulsions, polarisées orthogonalement, excitent de manière résonante un système à quatre niveaux dégénérés deux à deux. Puisque le champ fort mélange les états, les chemins d'émission et d'absorption du champ faible ont des poids équivalents. Ces deux chemins interfèrent modulant ainsi l'énergie de l'impulsion transmise. La combinaison des déplacements lumineux et de ces interférences, permet de contrôler aussi bien le gain que la forme temporelle de l'impulsion.
Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la mise en forme et de la caractérisation d'impulsions courtes dans l'ultraviolet ainsi que l'utilisation du façonnage pour le contrôle cohérent de systèmes simples. \nTrois grandes directions ont été suivies, dans un premier temps, nous présentons les caractéristiques et le fonctionnement d'un filtre dispersif acousto-optique programmable et son utilisation pour produire des impulsions femtosecondes de profil temporel arbitraire dans le domaine ultraviolet. Les limitations de ce dispositif ainsi que les résultats obtenus sont ensuite présentés et discutés. \nDans un deuxième temps, un autre façonneur dans l'infrarouge est utilisé pour montrer comment le contrôle cohérent de paquet d'ondes atomiques, moléculaires ou optiques permet la factorisation de grands nombres par l'utilisation d'une somme de Gauss. Une étude théorique en est faite ainsi que des expériences ou un nombre de 13 chiffres est factorisé. Cette technique est comparée à la factorisation quantique utilisant l'algorithme de Shor. \nEnfin, des schémas de contrôle, utilisant ce même façonneur, ont été mis en œuvre avec succès sur l'atome de rubidium. Ces expériences, de type pompe-sonde, reposent sur le contrôle et la mesure de la dynamique d'un atome lors de son interaction avec une impulsion laser courte. La théorie et une expérience de contrôle du régime transitoire, que nous appelons transitoire cohérent, sont présentées. Le rôle de la sonde, dans le processus de mesure, est mis en avant et nous montrons qu'elle n'a pas un rôle limité à la mesure mais participe activement a la dynamique globale du système. Celui-ci est modélisé par une transition a deux photons sur un système a deux, trois... niveaux électroniques. Cette expérience nous amène à considérer l'absorption à deux photons, cas particulier des systèmes précédents. Nous en introduisons alors les bases et les expériences clés de son contrôle. Puis, la discussion nous amène au contrôle de la précession de Spin-Orbite, liée a l'excitation d'un doublet de structure fine de l'atome de rubidium. \nFinalement, une application du façonnage à la production de molécules froides vibrationnelles est présentée.
Photonique quantique sur puce AlGaAs : des études fondamentales aux applications dans les protocoles d'information quantique Le domaine des technologies quantiques, qui vise à manipuler des systèmes quantiques individuels tels que les atomes et les photons, a connu des avancées significatives ces dernières années, ouvrant de nouvelles perspectives dans les domaines du calcul, de la simulation, de la communication et de la métrologie. La photonique quantique intégrée se présente comme une approche prometteuse pour la miniaturisation et la mise à l'échelle de ces technologies, permettant la génération, la manipulation et la détection d'états quantiques de la lumière directement sur puce. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la plateforme AlGaAs, qui combine plusieurs avantages pour le développement de dispositifs photoniques quantiques intégrés (bande interdite directe, fortes non-linéarités de deuxième et troisième ordre, effet électrooptique), et qui est un choix attractif pour la génération de paires de photons intriqués à température ambiante et à des longueurs d'onde télécom. le travail présenté dans ce manuscrit s'articule autour de trois parties principales. La première, consacrée l'intégration de plusieurs fonctionnalités sur une puce monolithique en AlGaAs, a permis la génération de paires de photons à large spectre et leur séparation en polarisation directement sur puce. Dans la deuxième partie, nous abordons deux questions fondamentales : celle de la limite de précision des mesures de temps basées sur l'interférence Hong-Ou-Mandel dans des conditions non idéales et celle de la nonlocalité quantique dans les réseaux triangulaires. Dans le premier cas, nous proposons un modèle et le validons expérimentalement, en démontrant la dépendance de la précision avec la visibilité de l'interférogramme pour différents types d'états de sonde ; grâce au grand niveau d'indiscernabilité des photons générés par la source AlGaAs, nous atteignons un rapport de 0,97 par comparaison à la limite quantique, établissant ainsi une nouvelle référence dans le domaine. Dans le second cas, nous démontrons pour la première fois l'existence de non-localité dans un réseau triangulaire sans supposer une indépendance complète des sources en simulant le réseau avec divers canaux en fréquence de l'état émis par notre source et en exploitant son niveau élevé d'intrication en polarisation sur une large bande spectrale. Une nouvelle inégalité de type Bell est dérivée en prenant en compte des imperfections potentielles dans les états quantiques, offrant ainsi un cadre plus réaliste pour les tests expérimentaux. Enfin, dans la troisième partie de cette thèse, nous utilisons nos sources AlGaAs dans un réseau de communication quantique déployé dans la région parisienne. Le lien fibre optique reliant les deux campus de l'Université Paris Cité et de Sorbonne Université est caractérisé expérimentalement dans les régimes classique et quantique. Les résultats fournissent une base solide pour la mise en œuvre future de protocoles cryptographiques sur un réseau urbain à fibres optiques et soulignent le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de protocoles d'information quantique dans des conditions réelles.
La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes