Le controle de l'emission spontanee d'atomes de terres rares confines dans des microcavites multidielectriques a tres faibles pertes est etudie d'un point de vue theorique et d'un point de vue experimental. Nous presentons tout d'abord une theorie modale de l'emission spontanee d'un atome situe dans un guide planaire. Cela repose sur la determination des modes electromagnetiques supportes par la microcavite et sur le calcul du champ total rayonne en couplage faible par l'atome assimile a un dipole oscillant. Cette description confirme la capacite des structures planaires a modifier la repartition de la puissance rayonnee par rapport a l'espace libre. Elle permet d'acceder a la part d'energie emise dans les modes radiatifs et a celle piegee dans l'empilement, revelant ainsi la contribution predominante des modes guides. Dans un second temps nous demontrons la faisabilite de microcavites luminescentes a tres faibles pertes. Les conditions de pompage des atomes ayant ete optimisees, nous mettons en evidence les proprietes d'emission d'atomes introduits par implantation ionique dans ces structures resonantes. La construction du diagramme de rayonnement donne acces a la puissance radiative, et des empilements perot-fabry mettent en avant des proprietes de directivite et d'amplification par rapport a l'espace libre. Parallelement, la contribution des modes guides est mesuree grace a un prisme de decouplage, permettant alors de comparer les puissances radiative et guidee. Un tres bon accord avec les predictions de la theorie modale est obtenu tant pour la repartition spatiale que spectrale de l'energie rayonnee. Dans un dernier temps nous presentons une etude prospective sur la realisation par photolithographie de microcavites luminescentes a confinement lateral.
Le controle de l'emission spontanee d'atomes de terres rares confines dans des microcavites multidielectriques a tres faibles pertes est etudie d'un point de vue theorique et d'un point de vue experimental. Nous presentons tout d'abord une theorie modale de l'emission spontanee d'un atome situe dans un guide planaire. Cela repose sur la determination des modes electromagnetiques supportes par la microcavite et sur le calcul du champ total rayonne en couplage faible par l'atome assimile a un dipole oscillant. Cette description confirme la capacite des structures planaires a modifier la repartition de la puissance rayonnee par rapport a l'espace libre. Elle permet d'acceder a la part d'energie emise dans les modes radiatifs et a celle piegee dans l'empilement, revelant ainsi la contribution predominante des modes guides. Dans un second temps nous demontrons la faisabilite de microcavites luminescentes a tres faibles pertes. Les conditions de pompage des atomes ayant ete optimisees, nous mettons en evidence les proprietes d'emission d'atomes introduits par implantation ionique dans ces structures resonantes. La construction du diagramme de rayonnement donne acces a la puissance radiative, et des empilements perot-fabry mettent en avant des proprietes de directivite et d'amplification par rapport a l'espace libre. Parallelement, la contribution des modes guides est mesuree grace a un prisme de decouplage, permettant alors de comparer les puissances radiative et guidee. Un tres bon accord avec les predictions de la theorie modale est obtenu tant pour la repartition spatiale que spectrale de l'energie rayonnee. Dans un dernier temps nous presentons une etude prospective sur la realisation par photolithographie de microcavites luminescentes a confinement lateral.
On a longtemps considere l'emission spontanee comme une propriete inherente de l'atome. Lorsque l'atome est plonge dans une cavite dont au moins une dimensions est de l'ordre de l'ordre de la transition optique, les proprietes radiatives de l'atome peuvent etre fortement inhibee. Les structures que nous avons utilisees pour le controle de l'emission spontanee sont des microcavites multidielectriques. Ces composants sont rendus actifs par implantation d'ion de terre rare ou par le depot d'une couche mediane de lif a base de centre colore. Ce memoire est consacre a l'etude theorique et experimentale d'ions de terre rare et de centres colores confines dans des microcavites optiques planaires. Un chapitre de presentation introduit les concepts de materiaux a bande interdite photonique et les notions d'interaction atome-cavite. Le chapitre 2 est consacre a la realisation de microcavite luminescente a tres faibles pertes. Les caracteristiques optiques des films multicouches sont etudies dans la premiere partie. Un formalisme matriciel permet de decrire la propagation d'une onde optique dans une structure stratifiees et donne acces aux proprietes passives des microcavites (reflectivite des miroirs, selectivite spectrale). Dans la deuxieme partie, nous nous interessons aux sources luminescentes placees dans le resonateur. Dans le chapitre 3 et 4, nous demontrons experimentalement par des mesures de photoluminescence le controle de l'emission spontanee des ions terre rare et des centres colores dans une microcavite. Cette etude a permis de mettre en evidence l'aptitude de la cavite a concentrer et amplifier le rayonnement dans plusieurs directions, en associant a chaque lobe d'emission une frequence particuliere. L'effet de selection spectrale de l'emission radiative et un raccourcissement du temps de declin ont aussi ete observes. Nous presentons egalement une etude theorique fondee sur la decomposition du champ emis par un dipole oscillant sur les modes electromagnetiques supportes par la microcavite. Cette description permet de quantifier l'energie emise dans les modes de la structure et de souligner l'importance de la puissance piege dans l'empilement.
Les sources de photons uniques sont la brique élémentaire pour la construction d'un réseau de télécommunication quantique. Elles doivent permettre d'émettre efficacement et sur-demande des photons uniques dans les bandes télécoms à température ambiante, tout en étant facilement intégrables et accordables. Les nanotubes de carbone semi-conducteurs sont des candidats intéressants car l'énergie des photons émis peut être choisie en sélectionnant leur diamètre. Ils ont cependant l'inconvénient de n'émettre des photons uniques qu'à température cryogénique et avec un faible rendement quantique. Ces dernières années, beaucoup d'attention a été portée au greffage covalent de fonctions chimiques à la surface des nanotubes permettant notamment l'émission de photons uniques à température ambiante et dans les bandes télécoms. Dans un premier temps, afin de mieux saisir les mécanismes d'émission de photons de ces nanotubes greffés, des études de photoluminescence à température cryogénique ont été menées par imagerie hyper-spectrale super-résolue, par spectroscopie résolue en excitation et par corrélation d'intensité. Nous avons ainsi vérifié que l'environnement local de l'exciton piégé était responsable des multiples signatures dans l'absorption et l'émission de lumière de ce système. Pour tirer pleinement parti du potentiel de ces émetteurs comme sources quantiques de lumière, nous les avons couplés à une micro-cavité Fabry-Pérot fibrée. Cette géométrie ouverte permet un maximum de souplesse pour obtenir l'accord spatial et spectral à chaque émetteur. Elle permet de plus de comparer les propriétés d'un même nano-émetteur en espace libre et en cavité, pour une étude fine des effets d'électrodynamique quantique en cavité. Cette grande souplesse du dispositif, nous a permis d'observer la reconfiguration de l'émission d'un émetteur isolé par l'effet Purcell grâce des mesures spectroscopique ou des mesures de temps de vie. Ainsi le taux d'émission des photons a pu être augmenté d'un facteur 30. En tirant profit de l'accordabilité de la cavité, nous avons pu vérifier les variations du facteur de Purcell et du couplage lumière-matière en fonction du volume de mode ainsi qu'un effet original d'électrodynamique quantique en cavité : le couplage tripartite exciton/phonons/cavité.
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 travail porte sur l'interaction dipolaire d'atomes neutres avec un rayonnement électromagnétique structuré sur une échelle plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Ces champs optiques sont obtenus par interaction d'une onde évanescente de Fresnel avec des nanostructures diélectriques à haut indice de réfraction déposées à la surface d'un prisme. Deux thèmes sont abordés. Le premier concerne l'étude, d'un point de vue théorique, d'une expérience de diffraction d'atomes neutres par un miroir atomique nanostructuré. La modulation du potentiel provient de l'interaction de l'onde évanescente avec un réseau matériel périodique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, les spécificités de cette méthode de diffraction sont dégagées par un calcul analytique reposant sur plusieurs approximations concernant la structure du champ optique et la structure interne atomique. Elle est ensuite complétée d'une étude numérique qui permet de prendre en compte toute la complexité du problème. Le deuxième thème est une étude du comportement en champ proche de cavités résonantes constituées d'ensembles d'anneaux diélectriques couplés. Ces nanostructures, adressées par un faisceau gaussien évanescent, amplifient à la résonance l'intensité et le gradient du champ électrique d'un facteur de plusieurs centaines. L'objectif est de trouver une configuration permettant la concentration ou la focalisation transversale d'un faisceau d'atomes en vue d'applications en nanolithographie. Cette étude est effectuée en couplant une méthode ab-initio permettant un calcul précis du champ rayonné dans tout l'espace à un modèle analytique simplifié décrivant le comportement modal de ces structures en fonction de leurs caractéristiques géométriques.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Ce travail est consacré aux microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Ces dispositifs permettent d'atteindre le régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique. Le dédoublement des résonances optiques s'interprète en termes de modes mixtes exciton-photon appelés polaritons de cavité. On s'intéresse aux non-linéarités optiques provenant des interactions coulombiennes entre excitons et à leur influence sur les fluctuations quantiques du champ lumineux. Nous montrons qu'en excitation résonante sous incidence normale, les effets non linéaires peuvent être décrits par un mélange à quatre ondes dégénéré de polaritons donnant un terme de type Kerr. Une étude théorique détaillée démontre que l'on peut obtenir une compression de bruit du champ réfléchi par la cavité. Nous avons mené les études expérimentales sur une microcavité refroidie à 4K et excitée par un laser continu quasi-monochromatique. Le bruit est mesuré au moyen d'une détection homodyne. L'ensemble des résultats est en bon accord qualitatif avec le modèle. Nous observons un comportement bistable à haute intensité d'excitation. Nous mettons en évidence la dépendance en phase de l'émission, confirmant l'existence d'un effet non linéaire cohérent, et une réduction du bruit en dessous du bruit thermique provenant de la luminescence quasi-résonante. Enfin nous avons étudié théoriquement une autre configuration où l'angle d'incidence est choisi de façon à optimiser l'efficacité du processus de mélange paramétrique à quatre ondes non dégénéré de polaritons. Le comportement du système est alors analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique non dégénéré. Nous montrons que les intensités des deux faisceaux " signal " et " complémentaire " présentent des corrélations quantiques légèrement au-dessus du seuil d'oscillation paramétrique.