La production d'etats comprimes du rayonnement au moyen de lasers a faible bruit de pompe constitue un enjeu considerable. La precision des mesures optiques reste en effet limitee par les fluctuations d'intensite et de phase des faisceaux lumineux. Les meilleurs lasers montrent au mieux un bruit d'intensite poissonien. Le principe de la pompe reguliere consiste a exploiter le transfert de la statistique de la pompe a la statistique du flux de photons emis par le laser. Un modele theorique montre l'interet de cette demarche dans le cas des lasers de classe b, pour lesquels une pompe a faible bruit conduit, pour des frequences faibles devant celle de l'oscillation de relaxation, a la production d'etats lumineux comprimes en intensite. Ce principe est applique aux diodes laser et aux minilasers a yag : nd ou yvo#4 : nd. Dans le cas des diodes laser, le bruit de pompe est celui du courant d'alimentation, largement subpoissonien. L'etude du bruit de la diode sous diverses configurations (diode sur reseau, libre ou injectee par une autre diode) a permis de trouver un fonctionnement tres proche de celui prevu par le modele et d'obtenir jusqu'a 41% de compression du bruit sous le bruit de poisson. Ces experiences ont mis en evidence les phenomenes associes a un fonctionnement multimode du laser : anticorrelation du bruit entre modes et exces de bruit du a la partition de la puissance du laser entre modes longitudinaux. Dans le cas des minilasers solides, la diode laser a faible bruit sert de faisceau de pompe. L'effet de la statistique de pompe doit etre recherche a tres basse frequence en raison de la presence de l'oscillation de relaxation vers quelques mhz. Cette derniere engendre de plus des non-linearites a basse frequence, eliminees grace a une retroaction electrooptique. Ce dispositif permet de reduire considerablement le bruit mesure a basse frequence et de confirmer les previsions theoriques.
La production d'etats comprimes du rayonnement au moyen de lasers a faible bruit de pompe constitue un enjeu considerable. La precision des mesures optiques reste en effet limitee par les fluctuations d'intensite et de phase des faisceaux lumineux. Les meilleurs lasers montrent au mieux un bruit d'intensite poissonien. Le principe de la pompe reguliere consiste a exploiter le transfert de la statistique de la pompe a la statistique du flux de photons emis par le laser. Un modele theorique montre l'interet de cette demarche dans le cas des lasers de classe b, pour lesquels une pompe a faible bruit conduit, pour des frequences faibles devant celle de l'oscillation de relaxation, a la production d'etats lumineux comprimes en intensite. Ce principe est applique aux diodes laser et aux minilasers a yag : nd ou yvo#4 : nd. Dans le cas des diodes laser, le bruit de pompe est celui du courant d'alimentation, largement subpoissonien. L'etude du bruit de la diode sous diverses configurations (diode sur reseau, libre ou injectee par une autre diode) a permis de trouver un fonctionnement tres proche de celui prevu par le modele et d'obtenir jusqu'a 41% de compression du bruit sous le bruit de poisson. Ces experiences ont mis en evidence les phenomenes associes a un fonctionnement multimode du laser : anticorrelation du bruit entre modes et exces de bruit du a la partition de la puissance du laser entre modes longitudinaux. Dans le cas des minilasers solides, la diode laser a faible bruit sert de faisceau de pompe. L'effet de la statistique de pompe doit etre recherche a tres basse frequence en raison de la presence de l'oscillation de relaxation vers quelques mhz. Cette derniere engendre de plus des non-linearites a basse frequence, eliminees grace a une retroaction electrooptique. Ce dispositif permet de reduire considerablement le bruit mesure a basse frequence et de confirmer les previsions theoriques.
La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.
Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais signifie Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses de polarisations variées au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. En régime multimode transverse, les anticorrélations très importantes entre les modes permet d'obtenir, pour les meilleurs échantillons, des faisceaux au bruit d'intensité comprimé (jusqu'à 15 % sous la limite quantique standard). Pour les échantillons qui présentent de l'excès de bruit en régime libre, la technique de l'injection optique permet d'obtenir, dans certains cas, de la compression du bruit d'intensité. Enfin, nous présentons nos résultats sur la structure spatiale du bruit d'intensité dans le plan transverse. Nous rapportons aussi dans ce manuscrit l'étude du bruit d'intensité des minilasers Nd :YVO4. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à basse fréquence. Nous montrons que cet excès de bruit provient d'effets non linéaires dus à l'importance du pic de bruit à la fréquence d'oscillation de relaxation. Expérimentalement, nous mettons en oeuvre deux techniques distinctes pour réduire ces effets : une boucle de rétroaction électrooptique et l'injection optique.
Dans la plupart des systemes de communications par fibre optique actuels, les performances de detection sont uniquement limitees par le bruit quantique de la lumiere. L'utilisation d'etats comprimes de la lumiere qui offrent la possibilite d'obtenir un faisceau laser dont le bruit quantique est inferieur au bruit de grenaille permet donc d'envisager, a long terme, le developpement d'une instrumentation plus performante et susceptible de repondre aux exigences de nouveaux protocoles de telecommunications optiques. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette these, et elle contribue a l'effort actuel visant a generer des etats comprimes de la lumiere avec des lasers semi-conducteurs couramment utilises dans les telecommunications. Les fluctuations de l'energie et de la puissance emise par une diode laser ont ete determinees par un nouveau formalisme corpusculaire optique. Certains parametres limitant les capacites de compression des diodes ont ete mis en evidence ; les pertes internes importantes dans les lasers 1550 nm, un elargissement de gain faiblement inhomogene associe a un taux de suppression des modes secondaires insuffisants sont autant de facteurs degradant la compression du bruit d'amplitude. De meme la suppression de gain non negligeable dans les nouveaux lasers a puits quantiques apparait nefaste a l'utilisation d'une source calme. Des recherches experimentales menees sur plusieurs lasers dfb 1550 nm ont demontre que l'existence de bruit d'exces masquaient la compression. Le bruit d'exces d'origine modale a ete reduit par l'utilisation d'une cavite etendue. 0. 7 db de compression ont ainsi pu etre obtenu sur un premier laser. L'aspect dispersif de la contre-reaction a ensuite ete exploite afin de reduire par decorrelation de phase et d'amplitude le bruit d'exces d'un second laser. 1,6 db de compression ont alors ete realise.
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.
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.
Le travail de cette these consiste a etudier theoriquement et experimentalement l'influence du bruit de phase d'un laser a semi-conducteurs sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique. Trois references sont choisies : un interferometre de mach-zender, une cavite fabry-perot et une vapeur atomique. Afin de tester les limites de certains modeles usuels de description des fluctuations de phase du laser, j'utilise une theorie generale impliquant l'interferometre de mach-zender et basee sur le modele du champ laser a diffusion de phase sans restriction sur les valeurs relatives des largeurs de raies du laser et de la reference. Je montre que le processus de modulation-demodulation, en presence du bruit de phase du laser, genere deux types d'exces de bruit par rapport au bruit de grenaille de photons : bruit de conversion et bruit d'intermodulation. Ces exces de bruit s'ajoutent au signal d'erreur et limitent la stabilite du laser asservi. Les predictions theoriques confirmees par des resultats experimentaux montrent que la reponse frequentielle d'un systeme atomique a deux niveaux en regime de faible saturation interroge par un champ laser bruyant est identique a celle d'une cavite fabry-perot eclairee par le meme laser. Je montre que dans les conditions typiques d'asservissement la purete spectrale du laser asservi est principalement limitee par l'exces de bruit d'intermodulation. Cet effet, initialement mis en evidence dans le domaine micro-onde, peut etre reduit avec un choix convenable de la configuration de detection et de la frequence de modulation. Ainsi une source laser de haute purete spectrale compatible avec nos applications peut etre realisee. Les resultats de ce memoire peuvent mener a d'interessantes etudes sur les phenomenes de bruit dans les domaines de la metrologie des frequences, la spectroscopie a haute resolution, le refroidissement d'atomes par laser et le pompage optique.