Un laser pulse Nd-YAG, double ou triple en frequence est utilise pour pomper optiquement un ou deux lasers a colorant accordables. Le faisceau laser obtenu, focalise dans un caloduc en croix contenant des vapeurs de baryum (N equiv. a 10 puissance 16 a 2. 10 puissance 17 cm puissance -3), nous a permis d'identifier pour cet atome, entre 715 et 415 nm ses excitations biphotoniques ; celles-ci permettent de generer des emissions coherentes. L'emission obtenue pour chaque excitation biphotonique a ete analysee spectralement entre 850 et 270 nm, et son processus de generation identifie (emission stimulee, mixage de frequences a 4 ou 6 photons et generation parametrique). De plus, l'excitation du niveau 6d puissance 1 D indice 2, nous a permis d'identifier une emission U. V. Accordable sur un intervalle spectral etendu (360 a 343 nm) par un processus de generation parametrique a 6 ondes
Un laser pulse Nd-YAG, double ou triple en frequence est utilise pour pomper optiquement un ou deux lasers a colorant accordables. Le faisceau laser obtenu, focalise dans un caloduc en croix contenant des vapeurs de baryum (N equiv. a 10 puissance 16 a 2. 10 puissance 17 cm puissance -3), nous a permis d'identifier pour cet atome, entre 715 et 415 nm ses excitations biphotoniques ; celles-ci permettent de generer des emissions coherentes. L'emission obtenue pour chaque excitation biphotonique a ete analysee spectralement entre 850 et 270 nm, et son processus de generation identifie (emission stimulee, mixage de frequences a 4 ou 6 photons et generation parametrique). De plus, l'excitation du niveau 6d puissance 1 D indice 2, nous a permis d'identifier une emission U. V. Accordable sur un intervalle spectral etendu (360 a 343 nm) par un processus de generation parametrique a 6 ondes
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.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.
Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nuage d’ions calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10⁻¹⁴ à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca⁺. Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de différents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable
L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint :les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un sointrès particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer desmesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ontaussi été fiabilisés.Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avonsdéveloppé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultatsexpérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages parrapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation àun photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’incluredes phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point(par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la priseen compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser.Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans lecadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui neprend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium,qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte parun paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deuxphotons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6).L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence lesquatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficaceà deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible àl’aide des résultats expérimentaux.Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour laproduction d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celuidonné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale,le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur àcelui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UVpour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nmau jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il nefaudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt.262Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement defluorescence.Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètressuivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur ledétecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retournéle plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux estlimité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée parla diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dansle régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique,et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Aucontraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépendde la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pasidentiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence parrapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS.L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère.Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et enignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer quele flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé,sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour latransmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyende 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, lesastronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Cecinous parait difficilement réalisable.
Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.
Ce mémoire présente une expérience d'optique quantique basée sur l'utilisation de l'Oscillateur Paramétrique Optique (O.P.O ). Une particularité de l'effet paramétrique est de créer des paires de photons jumeaux. L'O.P.O. engendre donc deux faisceaux dont les fluctuations quantiques d'intensité sont fortement corrélées. La première partie donne une étude détaillée de son fonctionnement : conditions d'oscillation, intensité et fréquence des faisceaux produits. On détermine ensuite les caractéristiques des fluctuations quantiques des deux faisceaux. Dans la seconde partie, nous décrivons le montage expérimental permettant de produire ces faisceaux jumeaux et de mesurer leur corrélation. Nous avons ainsi obtenu une réduction du bruit quantique de 69% dans une bande-passante de 12 MHz sur la différence des intensités des deux champs. Dans la troisième partie, nous nous intéressons aux propriétés des faisceaux jumeaux lorsque l'O.P.O. fonctionne au voisinage de la dégénérescence. Nous décrivons le laser Nd:YAG doublé et le montage expérimental qui ont permis d'observer le battement entre les deux faisceaux.