Le sujet de cette these est l'etude de la saturation selective d'etats excitoniques dans des structures a multi-puits quantiques en arseniure de gallium. Nous avons utilise, pour nos experiences, la technique de spectroscopie femtoseconde pompe-test ou une impulsion lumineuse excitatrice perturbe l'echantillon dont l'etat est teste par une seconde impulsion. La premiere partie de la these presente le laser titane:saphir femtoseconde que nous avons realise. Cette source dont la longueur d'onde d'emission se situe dans l'infra-rouge proche est bien adaptee a l'etude du bord d'absorption de certains semi-conducteurs tels que le gaas. Cependant, le taux de repetition eleve de cet oscillateur provoque des effets thermiques indesirables. Nous avons ainsi ete amenes a utiliser aussi une chaine laser fonctionnant a plus faible taux de repetition. L'excitation resonante d'etats excitoniques engendre plusieurs phenomenes tels que l'effet stark optique et la saturation d'etats auxquels viennent s'ajouter des effets de coherence. Nos experiences ont porte sur l'etude d'une raie d'absorption excitonique elargie de maniere inhomogene dans laquelle le faisceau de pompe peut, suivant sa longueur d'onde, exciter preferentiellement certains etats excitoniques. Dans certains cas, le signal est domine par les effets de coherence et nous avons montre qu'il depend alors de la forme du champ test utilise, contrairement a l'interpretation classique des experiences pompe-test. Pour interpreter chaque spectre d'absorption differentielle il faut pouvoir separer les differents effets. Nous avons, dans ce but, modelise le spectre d'absorption excitonique comme l'absorption d'un ensemble de systemes a deux niveaux independants. Puis, l'interaction de tels systemes avec une onde electromagnetique est calculee a l'aide du formalisme de l'operateur densite. Notre modele relativement simple permet d'expliquer les spectres experimentaux pour des excitations sur le cote basse energie de l'exciton ou les particules peuvent etre localisees
Le sujet de cette these est l'etude de la saturation selective d'etats excitoniques dans des structures a multi-puits quantiques en arseniure de gallium. Nous avons utilise, pour nos experiences, la technique de spectroscopie femtoseconde pompe-test ou une impulsion lumineuse excitatrice perturbe l'echantillon dont l'etat est teste par une seconde impulsion. La premiere partie de la these presente le laser titane:saphir femtoseconde que nous avons realise. Cette source dont la longueur d'onde d'emission se situe dans l'infra-rouge proche est bien adaptee a l'etude du bord d'absorption de certains semi-conducteurs tels que le gaas. Cependant, le taux de repetition eleve de cet oscillateur provoque des effets thermiques indesirables. Nous avons ainsi ete amenes a utiliser aussi une chaine laser fonctionnant a plus faible taux de repetition. L'excitation resonante d'etats excitoniques engendre plusieurs phenomenes tels que l'effet stark optique et la saturation d'etats auxquels viennent s'ajouter des effets de coherence. Nos experiences ont porte sur l'etude d'une raie d'absorption excitonique elargie de maniere inhomogene dans laquelle le faisceau de pompe peut, suivant sa longueur d'onde, exciter preferentiellement certains etats excitoniques. Dans certains cas, le signal est domine par les effets de coherence et nous avons montre qu'il depend alors de la forme du champ test utilise, contrairement a l'interpretation classique des experiences pompe-test. Pour interpreter chaque spectre d'absorption differentielle il faut pouvoir separer les differents effets. Nous avons, dans ce but, modelise le spectre d'absorption excitonique comme l'absorption d'un ensemble de systemes a deux niveaux independants. Puis, l'interaction de tels systemes avec une onde electromagnetique est calculee a l'aide du formalisme de l'operateur densite. Notre modele relativement simple permet d'expliquer les spectres experimentaux pour des excitations sur le cote basse energie de l'exciton ou les particules peuvent etre localisees
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.
Ce manuscrit porte sur l’étude théorique de techniques expérimentales récemment développées pour réaliser des protocoles d’information quantique en variables continues. Les états Gaussiens multi-modes produits par conversion paramétrique de peignes de fréquences optiques jouent un rôle centrale dans ce travail. Ce phénomène permet de générer de façon déterministe un grand nombre d’états Gaussiens de la lumière. L’état de sortie peut ensuite être de-Gaussifié par soustraction ou addition d’un photon dans une superposition cohérente de modes du champ, puis mesuré par détection homodyne. La thèse est organisée en trois projets principaux. Le premier concerne l’optimisation du spectre du laser de pompe pour manipuler l’état de sortie de la conversion paramétrique. Nous avons développé les outils mathématiques pour traiter des profils spectraux avec amplitude et phase spectrales arbitraires. On a ensuite utilisé un algorithme d’optimisation pour trouver les spectres maximisant des différentes propriétés de l’état de sortie. Une importance particulière est donnée à la production d’"états cluster" en variables continues. Les optimisations ont été développées pour prendre en compte les limitations expérimentales pour assurer la faisabilité des forme spectrales dans les expériences. Dans le deuxième projet nous avons étudié comment les états non-Gaussiens obtenus par soustraction d’un photon d’un état comprimé peuvent être utilisés pour le calcul quantique. Nous proposons un protocole inspiré par le paradigme de "calcul quantique basé sur la mesure" qui combine l’état de-Gaussifié et la mesure homodyne pour approximer des opérateurs unitaires non-Gaussiens. On montre que les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des mesure projectives sur des états de photon unique. Finalement, le troisième projet porte sur le partage de secret quantique ("quantum secret sharing"). Dans les protocoles de partage de secret quantique un donneur veut distribuer de l’information codée dans un système quantique à plusieurs joueurs d’une façon qui oblige des sous-ensembles de joueurs à collaborer s’ils veulent retrouver l’information originale. Nous avons développé un protocole qui peut être transféré aux expériences de notre groupe et nous avons participé à la formulation d’une preuve de concept expérimentale. À partir de cela, nous avons dérivé des résultats généraux sur le partage et la reconstruction d’états arbitraires de la lumière en utilisant des ressources Gaussiennes.
Nous avons etudie les mecanismes responsables de la perte de coherence dans des heterostructures de semiconducteurs iii-v par une technique lineaire de correlation interferometrique de la diffusion rayleigh resonante. Cette technique repose sur l'excitation d'un echantillon par une paire d'impulsions femtosecondes, coherentes, de meme intensite et decalees dans le temps. Les interferences entre les polarisations creees dans l'echantillon par la paire d'impulsions produisent des interferences sur l'emission resonante du systeme. Leur contraste decroit avec le retard entre les impulsions sur une echelle de temps donnee par le temps de relaxation de coherence ou temps de dephasage t 2, de l'ordre de quelques picosecondes dans les heterostructures de semiconducteurs. Nous nous sommes d'abord interesses a des puits quantiques gaas/al xga 1 - xas peu profonds ou la concentration en aluminium dans l'alliage de barriere varie de 18 a 1,5%. Dans ces puits quantiques, les excitons sont dans un regime de confinement faible intermediaire entre les puits profonds (2d) et le materiau massif (3d). Grace a des experiences realisees pour differentes temperatures de l'echantillon, nous avons etudie l'influence de la transition 2d-3d sur les mecanismes de dephasage par phonons. Pour les phonons acoustiques, nous mettons en evidence une transition molle alors que pour les phonons optiques, nous observons une resonance de couplage pour le puits x=3,3% ou les excitons du puits et de la barriere sont distants d'un phonon optique. Nous avons par ailleurs etudie une microcavite de semiconducteurs en couplage fort. Dans cette heterostructure, les etats propres ne sont plus des excitons mais des etats mixtes exciton-photon, les polaritons de cavite. Dans ce systeme, la relaxation de coherence est gouvernee par des mecanismes de dephasage de types tres differents pour les composantes exciton et photon, respectivement. Tout d'abord, par des etudes a basse temperature en fonction du desaccord en energie entre les modes exciton et photon, nous mettons en evidence les specificites de la relaxation de coherence des polaritons de cavite. Nous avons developpe un calcul de la diffusion rayleigh resonante d'une microcavite a partir d'un modele semi-classique de dispersion lineaire et nous obtenons un excellent accord theorie/experience. Par ailleurs, par des etudes en fonction de la temperature, nous avons examine le dephasage des polaritons assiste par phonons acoustiques. Nous mettons en evidence les limites d'un modele semi-classique pour decrire la relaxation de coherence en fonction de la temperature et nous reproduisons nos donnees experimentales a l'aide d'un modele quantique de polaritons.
Dans cette thèse, nous approfondissons certains aspects théoriques des transitions à plusieurs photons dans les solides. La probabilité de transition est donnée par une formule dérivée à partir de la théorie des perturbations dépendant du temps. Quand deux photons ou plus sont absorbés simultanément, des difficultés, absentes lors de transitions à un photon, apparaissent. Premièrement, le calcul de la probabilité de transition implique dans ce cas une sommation sur les états intermédiaires du système. Une connaissance de tous ces états est en général difficile, et l'approximation consistant à en négliger une partie est souvent nécessaire. A ce stade se pose le problème de maintenir l'invariance de jauge des résultats, car on sait que si l'on considère un ensemble incomplet d'états, on aboutit à des résultats différents pour jauges différentes. Une fois les problèmes de couplage avec la radiation réglés, il reste à effectuer pratiquement la sommation sur les états retenus essentiels. Deuxièmement, quand le nombre de photons absorbés augmente, la probabilité de transition dépendra de plusieurs vecteurs de polarisation. Pour déterminer cette dépendance, il est nécessaire d'effectuer une analyse de symétrie. Dans cette thèse, nous nous intéressons à ces deux aspects, et nous fournissons à des expériences récentes le soutien théorique nécessaire. La première application étudiée nous a emmené à calculer la probabilité de transition à deux photons dans les puits quantiques de GaAs-Ga1-xAlxAs. L'objet de cette étude est de comprendre les spectres d'excitation expérimentaux, qui montrent en particulier une forte dépendance de la polarisation. Pour des polarisations parallèles à l'axe de croissance, on a un spectre avec des marches marquées par de forts pics excitoniques, tandis que dans le cas de polarisations parallèles aux couches, le spectre est presque linéaire avec des effets excitoniques négligeables. Nous avons commencé par étudier l'absorption entre sous-bandes pour un puits quantique avec des barrières de hauteur infinie concentrant notre attention sur le couplage avec la radiation. Du fait que notre modèle n'inclut que les états de la bande de conduction et de celle de valence, il est nécessaire, afin d'obtenir des résultats invariants de jauge, d'effectuer le couplage au courant du puits quantique. Nous avons pu expliquer ainsi les marches et la dépendance linéaire des spectres. Ensuite, nous avons considéré les effets dus aux barrières de hauteur finie. Nous avons décrit les états de continuum du puits quantique dans un formalisme qui dérive de la théorie des distributions, et effectué explicitement la sommation sur tous les états intermédiaires du modèle. Enfin, nous avons inclus les effets excitoniques. La description des états excitoniques intermédiaires étant complexe, nous avons appliqué une nouvelle méthode variationelle, qui ne nécessite pas une connaissance explicite des états intermédiaires pour obtenir les probabilités de transition. Une comparaison des spectres théoriques et expérimentaux montre un très bon accord entre eux. Récemment, il a été possible d'obtenir expérimentalement des spectres d'excitation à trois photons dans les halogénures alcalins. Le problème se posait de comprendre les règles de sélections et la dépendance des polarisations des photons pour les transitions permises. Nous avons d'abord examiné le problème général des règles de sélection de transitions à n photons. Ensuite, nous avons donné une interprétation théorique aux spectres d'excitation des halogénures alcalins. Nous avons trouvé que, en sus des règles de sélections habituelles de dipôle et de polarisation, il peut y avoir une autre règle de sélection dans le cas où quelques-uns des photons ont la même fréquence. Nous avons effectué une analyse de symétrie qui tient compte des propriétés de permutation des polarisations et des fréquences et déterminé ainsi ces nouvelles règles de sélection. L'étude montre aussi qu'il n'est pas toujours possible de factoriser la probabilité de transition en une partie géométrique, qui ne dépend que des polarisations, et en une dynamique, qui contient la dépendance des fréquences. En conséquence, la dépendance des polarisations n'est pas déterminée uniquement par la symétrie de l'état initial et final. Finalement, nous avons considéré en détail le cas de symétrie Oh (symétrie des cristaux des halogénures alcalins) et ajouté l'effet d'un champ magnétique. La théorie permet de donner une interprétation aux spectres expérimentaux et suggère l'existence de nouvelles raies.
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique
Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique