L’optique non linéaire et ses matériaux
Effets non linéaires et fluctuations quantiques
É. Giacobino
Laboratoire Kastler Brossel, Université Pierre et Marie Curie, École Normale
Supérieure et CNRS, 4 place Jussieu, 75232 Paris cedex 05, France
Résumé : Ce cours présente une description des états comprimés du rayonnement et quelques
méthodes de production de ces états comprimés, basées sur des principes d’optique non linéaires.
Après une brève introduction à la quantification du champ de rayonnement, nous discutons les
principales conséquences de la nature quantique du champ sur les fluctuations qui apparaissent dans
les mesures. Nous étudions tout d’abord la modification des fluctuations quantiques dans un système
optique linéaire comme une lame semi-transparente. Puis nous traitons trois systèmes qui permettent
de manipuler les fluctuations quantiques du rayonnement : l’amplificateur paramétrique qui produit un
champ ‘‘ vide comprimé ”, la cavité contenant un milieu possédant un indice non linéaire, qui produit
un champ d’amplitude non nulle comprimé, et l’oscillateur paramétrique au-dessus du seuil qui produit
des faisceaux jumeaux.
1. INTRODUCTION
Contrairement à ce qui se passe dans beaucoup d’autres domaines de la physique, il est
relativement facile d’observer les fluctuations quantiques en optique. Lorsque la lumière est
produite par un laser dont toutes les fluctuations d’origine mécanique, acoustique ou
électrique ont été supprimées, les fluctuations quantiques donnent lieu à un bruit rémanent sur
l’intensité lumineuse détectée. Ce bruit est connu sous le nom de bruit de grenaille (“ shot
noise ” en anglais) ou bruit quantique standard. Dans les années récentes, l’amélioration des
sources lasers et des détecteurs a fait que le bruit quantique standard est de plus en plus
souvent atteint dans les mesures de précision, en spectroscopie ou en interférométrie, limitant
ainsi la sensibilité de la détection.
On a longtemps pensé que le bruit quantique standard constituait une limite
insurmontable. Mais au milieu des années 1980, des expériences ont montré que si les
fluctuations quantiques étaient inévitables, leur effet sur les mesures pouvait être contourné.
Avec des faisceaux lumineux dits “ non classiques ”, on sait maintenant atteindre des
réductions de bruit allant jusqu’à 90% au-dessous du bruit quantique standard. Nous nous
intéresserons ici à deux types de systèmes produisant des faisceaux lumineux à bruit
quantique réduit, les amplificateurs ou oscillateurs paramétriques utilisant des milieux non
linéaires d’ordre 2 (x‘~’) et des cavités optiques contenant des milieux non linéaires d’ordre 3
(x‘3’).
Effets non linéaires et fluctuations quantiques
É. Giacobino
Laboratoire Kastler Brossel, Université Pierre et Marie Curie, École Normale
Supérieure et CNRS, 4 place Jussieu, 75232 Paris cedex 05, France
Résumé : Ce cours présente une description des états comprimés du rayonnement et quelques
méthodes de production de ces états comprimés, basées sur des principes d’optique non linéaires.
Après une brève introduction à la quantification du champ de rayonnement, nous discutons les
principales conséquences de la nature quantique du champ sur les fluctuations qui apparaissent dans
les mesures. Nous étudions tout d’abord la modification des fluctuations quantiques dans un système
optique linéaire comme une lame semi-transparente. Puis nous traitons trois systèmes qui permettent
de manipuler les fluctuations quantiques du rayonnement : l’amplificateur paramétrique qui produit un
champ ‘‘ vide comprimé ”, la cavité contenant un milieu possédant un indice non linéaire, qui produit
un champ d’amplitude non nulle comprimé, et l’oscillateur paramétrique au-dessus du seuil qui produit
des faisceaux jumeaux.
1. INTRODUCTION
Contrairement à ce qui se passe dans beaucoup d’autres domaines de la physique, il est
relativement facile d’observer les fluctuations quantiques en optique. Lorsque la lumière est
produite par un laser dont toutes les fluctuations d’origine mécanique, acoustique ou
électrique ont été supprimées, les fluctuations quantiques donnent lieu à un bruit rémanent sur
l’intensité lumineuse détectée. Ce bruit est connu sous le nom de bruit de grenaille (“ shot
noise ” en anglais) ou bruit quantique standard. Dans les années récentes, l’amélioration des
sources lasers et des détecteurs a fait que le bruit quantique standard est de plus en plus
souvent atteint dans les mesures de précision, en spectroscopie ou en interférométrie, limitant
ainsi la sensibilité de la détection.
On a longtemps pensé que le bruit quantique standard constituait une limite
insurmontable. Mais au milieu des années 1980, des expériences ont montré que si les
fluctuations quantiques étaient inévitables, leur effet sur les mesures pouvait être contourné.
Avec des faisceaux lumineux dits “ non classiques ”, on sait maintenant atteindre des
réductions de bruit allant jusqu’à 90% au-dessous du bruit quantique standard. Nous nous
intéresserons ici à deux types de systèmes produisant des faisceaux lumineux à bruit
quantique réduit, les amplificateurs ou oscillateurs paramétriques utilisant des milieux non
linéaires d’ordre 2 (x‘~’) et des cavités optiques contenant des milieux non linéaires d’ordre 3
(x‘3’).