DEVELOPPEMENT DE SOURCES LASERS SOLIDES AGILES ULTRA-STABLES POUR LA MANIPULATION COHERENTE DE SYSTEMES ATOMIQUES. APPLICATIONS AU TRAITEMENT OPTIQUE DE SIGNAUX RADIOFREQUENCES ET A L'INFORMATION QUANTIQUE.
Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:YSO, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:YSO. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.
Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:YSO, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:YSO. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.
Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:Y2SiO5, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques s. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:Y2SiO5. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.
Cette thèse porte sur le développement d’une architecture analogique optique innovante pour le retournement temporel de signaux radiofréquence, exploitant les propriétés uniques d'un cristal dopé aux ions de terre rare. L'architecture étudiée est dérivée d'une séquence d’écho de photons à trois impulsions, et offre la capacité de retourner des signaux modulés en amplitude et en phase.La mise en oeuvre de cette architecture pour des signaux large bande a nécessité le développement d'une source laser agile, capable de réaliser des balayages en fréquence à la fois très rapides et précis. A partir d'une source laser commerciale agile mais peu précise, nous avons conçu une méthode permettant de corriger efficacement les excursions en fréquence. Cette méthode est compatible avec des balayages rapides mais aussi avec un fonctionnement à fréquence fixe. Nous avons ainsi démontré des balayages arbitraires (jusqu'à 300 MHz en 330 ns) avec une erreur relative de l'ordre du MHz tout en conservant une excellente stabilité à fréquence fixe avec une largeur de raie de 30 kHz.Cependant, une analyse approfondie du processus de formation des échos de photon a mis en évidence des lois d’échelle fondamentales limitant l'amplitude des échos lors du retournement temporel de signaux à large bande. De plus, nous avons identifié la diffusion spectrale instantanée (ISD), un mécanisme de décohérence lié à l'excitation massive des ions de terre rare, comme un facteur majeur de limitation des performances du retournement temporel. Malgré ces contraintes, nous avons réussi à retourner un signal modulé en amplitude atteignant un produit temps-bande passante record de P = 280. La durée des signaux traités a été portée à plusieurs microsecondes, mais la bande passante obtenue reste modeste avec 32.5 MHz en raison de la dégradation des échos provoquée par les lois d'échelle et l'ISD. Néanmoins, la stabilité en phase démontrée ouvre la voie au retournement de signaux modulés en phase, un critère essentiel pour des applications de refocalisation en milieu complexe.
Dans cette these, nous nous interessons aux fonctionnalites optiques qu’offrent les cristaux dopes aux ions de terre rare pour les domaines des RADARS et de la radioastronomie. Les fonctionnalites decrites exploitent les tres grandes bandes passantes et selectivites spectrales de ces materiaux refroidis a basse temperature. Nous presentons une architecture originale d’analyse spectrale de signaux hyperfrequences large bande, avec une probabilite d’interception unite, une haute resolution et une grande dynamique de mesure. Le principe de l’analyseur repose sur l’enregistrement dans la bande d’absorption d’un cristal de Tm3+ :YAG d’un spectre RF sur porteuse optique. Le materiau joue le role de memoire analogique dans laquelle les spectres des signaux sont en permanence enregistres. Cette memoire a une duree de vie de l’ordre de 10 ms. Pendant cette duree, nous mesurons le spectre d’absorption a l’aide d’un laser agile en frequence. Par cette technique, nous avons obtenu une bande passante de 10 GHz, une resolution de 1 MHz et une probabilite d’interception unite. L’etude de differentes configurations experimentales nous a permis d’atteindre une dynamique de mesure de 38 dB. La resolution et la precision en frequence de ces experiences dependent de la purete des balayages frequentiels du laser de lecture. Ainsi, nous avons mis en place un dispositif interferometrique permettant d’isoler tous les bruits de frequence du laser agile. Nous detectons tout ecart de l’ordre du MHz par rapport a un balayage parfait. Les signaux fournis par ce systeme sont exploites pour asservir numeriquement les balayages frequentiels du laser.
Dans cette thèse, nous appliquons le phénomène de "hole burning" spectral (SHB), dans des matrices cristallines dopées par des ions terres rares, au traitement optique de l'information. Nous présentons la première démonstration expérimentale d'un analyseur spectral de signaux radio fréquence (RF) à très large bande instantanée, exploitant la sélectivité spectrale de ces matériaux photosensibles. L'utilisation de la technologie SHB, à basse température, permet d'atteindre des performances remarquables en terme de largeur de bande et de produit temps×bande passante. Le principe du spectromètre repose sur la séparation angulaire des composantes spectrales du signal RF préalablement transposé sur une porteuse optique. On grave un ensemble de réseaux de diffraction monochromatiques, multiplexés en longueur d'onde, dans un cristal dopé par des ions terres rares. Le faisceau lumineux, porteur du signal RF, est dirigé vers le cristal. Les différentes composantes spectrales sont alors diffractées et simultanément séparées angulairement à la sortie du cristal. Nous avons ainsi pu démontrer expérimentalement l'analyse spectrale de signaux RF sur une bande passante instantanée de 3,3 GHz avec une capacité de 100 canaux spectraux et une résolution ultime de 500 kHz. Ce dispositif possède une dynamique de 35 dB optique, limitée par la détection. Nous montrons la capacité de zoom spectral dans une région spécifique du domaine total couvert, avec augmentation de la résolution spectrale.
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.
Dans cette thèse nous appliquons le phénomène de hole burning spectral (SHB), dans des matrices cristallines dopées par des ions terres rares, au traitement optique de l'information. Nous présentons la première démonstration expérimentale d'un analyseur spectral de signaux radio fréquence (RF) à très large bande instantanée, exploitant la sélectivité spectrale de ces matériaux photosensibles. L'utilisation de la technologie SHB, à basse température, permet d'atteindre des performances remarquables en terme de largeur de bande et de produit temps.bande passante. Le principe du spectromètre repose sur la séparation angulaire des composantes spectrales du signal RF préalablement transposé sur une porteuse optique. On grave un ensemble de réseaux de diffraction monochromatiques, multiplexés en longueur d'onde, dans un cristal dopé par des ions terres rares. Le faisceau lumineux, porteur du signal RF, est dirigé vers le cristal. Les différentes composantes spectrales sont alors diffractées et simultanément séparées angulairement à la sortie du cristal. Nous avons ainsi pu démontrer expérimentalement l'analyse spectrale de signaux RF sur une bande passante instantanée de 3,3 GHz avec une capacité de 100 canaux spectraux et une résolution ultime de 500 kHz. Ce dispositif possède une dynamique de 35 dB optique, limitée par la détection. Nous montrons la capacité de zoom spectral dans une région spécifique du domaine total couvert, avec augmentation de la résolution spectrale.