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.
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.
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.
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.
Cryptographie quantique, simulation quantique, métrologie quantique, ordinateur quantique : nombreux sont les champs de recherche actuels qui exploitent les propriétés quantiques de la lumière. Pourtant, la quantification du rayonnement en optique n'a pas toujours été une évidence. Jusqu'au début des années 1960, toutes les recherches menées dans ce domaine sont fondées sur la théorie classique de la lumière établie au XIXe siècle. La situation évolue en 1956 avec la découverte de l'effet Hanbury-Brown et Twiss, qui inaugure les expériences sur les statistiques de photons, puis en 1960 avec l'invention du laser, qui va apporter de profonds changements dans la pratique de l'optique. Ces deux événements incitent Roy Glauber à forger une nouvelle théorie quantique de la cohérence et à établir ainsi les fondements théoriques de l'optique quantique. Mais cette nouvelle façon de décrire le rayonnement ne fait pas l'unanimité : certains physiciens, dont Emil Wolf et Edwin Jaynes, soutiennent que l'approche semi-classique (où la matière est quantifiée, mais pas le rayonnement) demeure la plus pertinente pour rendre compte des phénomènes d'optique. Dans cette thèse, nous chercherons à comprendre comment la quantification du rayonnement va progressivement s'imposer en optique et comment l'optique quantique va se constituer comme champ de recherche. Nous nous concentrerons sur trois voies de développement de l'optique quantique, principalement aux États-Unis et en France. La première est celle de Leonard Mandel qui, d'abord réticent à la théorie quantique de la cohérence, va mener à l'Université de Rochester de multiples expériences démontrant le caractère quantique du rayonnement libre, comme l'« effet Hong-Ou-Mandel ». La seconde voie concerne la quantification du rayonnement en interaction avec la matière dans le domaine de la physique atomique, à travers les recherches de Claude Cohen-Tannoudji au Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne à Paris. La troisième porte sur les fondements de la mécanique quantique et sur les expériences sur les inégalités de Bell, en particulier celles de John Clauser et Alain Aspect. De façon plus générale, nous insisterons sur la diversité des facteurs - à la fois théoriques, techniques, sociologiques, économiques et institutionnels - qui ont permis l'émergence de l'optique quantique, afin de restituer toute la complexité de cet épisode crucial de l'histoire de la physique.
Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires.
Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.