Triple photons through third-order nonlinear optics

par Adrien Borne

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Benoît Boulanger et de Kamel Bencheikh.

Soutenue le 22-09-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Éric Lacot.

Le jury était composé de Sébastien Tanzilli, Pierre Bourdon.

Les rapporteurs étaient Sara Ducci, John Michael Dudley.

  • Titre traduit

    Triplets de photons à base d'optique non linéaire du troisième ordre


  • Résumé

    Ce travail porte sur la génération directe de triplets de photons par interaction optique non linéaire du troisième ordre avec la matière solide. Les trois photons constituant l'état triplet proviennent de la scission d'un unique photon, et sont donc étroitement corrélées. Des champs supplémentaires peuvent stimuler le processus, et ainsi augmenter son efficacité de conversion, mais au détriment de la conservation des corrélations de l'état triplet. Deux stratégies sont adoptées pour générer efficacement ces triplets tout en conservant leurs propriétés de cohérence. La première porte sur génération de triplets dans des oxydes massifs cristallins, rendue possible à travers la réalisation d'accords de phase par biréfringence. Ces cristaux peuvent être placés en cavité de manière à augmenter artificiellement la longueur d'interaction. Dans ce contexte, KTP et TiO2 sous sa forme rutile sont étudiés expérimentalement; la configuration en cavité fait l'objet d'une étude théorique. La seconde stratégie se concentre sur la génération de triplets dans des fibres optiques, à travers un accord de phase modal. Leurs longueurs, le confinement du champ électromagnétique, ainsi que la non-existence de processus quadratiques pouvant polluer la génération de triplets sont des avantages importants. Des expériences de génération de troisième harmonique dans des fibres de silice dopées germanium sont réalisées ; et les propriétés d'accord de phase dans des fibres à cristaux photoniques en chalcogénures sont calculées.


  • Résumé

    This work concentrates on the direct generation of triple photons through third-order nonlinear optical interactions with solid-state matter. The three photons constituting the triplet state arise from the splitting of a single photon, and are therefore highly correlated.The four interacting particles fulfill the energy and linear momentum conservation laws. Additional fields can stimulate this process and thus increase its conversion efficiency, but at the cost of losing the correlations of the triplet states. In order to generate efficiently the triplets while preserving their coherence properties, two strategies are investigated. In the first one, the interaction occurs in oxide bulk crystals, thanks to a birefringent phase matching. These crystals can be put into a cavity so as to artificially increase the interaction length. In this context, KTP and rutile TiO2 are studied experimentally; the cavity configuration is subjected to a theoretical work. The second strategy focuses on the generation in optical fibers, through a modal phase matching. Their length, the confinement of the electromagnetic field, and the non-existence of polluting second-order nonlinear processes are key advantages. Third-harmonic generation experiments on germanium-doped silica fibers are performed; and phase-matching properties in chalcogenide photonic-crystal fibers are calculated.


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