Optique non-linéaire, optique quantique et stockage de lumière dans l'hélium métastable

par Chitram Banerjee

Projet de thèse en Physique quantique

Sous la direction de Fabienne Goldfarb.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Aimé Cotton (laboratoire) , Lasers et optique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Des modèles simples de systèmes à deux niveaux peuvent expliquer de nombreux phénomènes d'interaction lumière-matière. Cependant, les systèmes à trois niveaux sont indispensables pour étudier des effets où l'existence de deux transitions optiques donne lieu à des processus cohérents, qui permettent le transfert d'états de la lumière aux atomes (et réciproquement). Ainsi, dans un système dit en Λ (deux transitions optiques partagent le même niveau excité), un milieu initialement absorbant pour une sonde faible sur l'une des transitions devient transparent lorsqu'on excite l'autre transition avec un laser de couplage plus intense : c'est le phénomène de transparence électromagnétiquement induite (EIT). Les propriétés dispersives de l'EIT permettent notamment de contrôler la vitesse de groupe de la lumière, et de passer d'un régime de lumière lente à un régime de lumière rapide voire à des vitesses de groupe négatives. L'EIT est également fréquemment utilisée pour réaliser des expériences de stockage de lumière. Pour ce genre d'expériences, on utilise habituellement des atomes alcalins, mais l'hélium métastable a l'avantage de ne pas avoir de niveaux hyperfins. En utilisant cette structure atomique simple et le fait que la structure fine est large par rapport à l'élargissement Doppler, nous avons pu isoler il y a quelques années une résonance due à des oscillations cohérentes de population (CPO), phénomène physiquement très différent de l'EIT [1]. Très récemment, nous avons obtenu dans notre groupe des résultats montrant pour la première fois que les oscillations cohérentes de population peuvent être utilisées pour stocker et récupérer la lumière dans un système en Λ [2]. Une expérience similaire a ensuite pu être réalisée dans un système plus complexe, le césium [3], en collaboration avec José Tabosa de l'Université de Pernambuco au Brésil. Un objectif est maintenant de modéliser le phénomène pour trouver des conditions expérimentales permettant d'augmenter son efficacité. Nous voulons également réaliser des expériences originales d'optique non linéaire et d'optique quantique, comme l'amplification sensible à la phase et la génération d'états non classiques de lumière (états comprimés, paires ou triplets de photons). En effet, du fait de sa structure atomique simple, l'hélium métastable est idéal pour réaliser des expériences extrêmement bien contrôlées dans des systèmes en Λ ou tripod (système à 4 niveaux où trois états sont optiquement couplés à un état excité commun). L'objectif principal est d'étendre les expériences de stockage de lumière, optique quantique, optique non linéaire et mélange à quatre ondes à la transition tripod, très bien séparée des autres transitions (près de 30 GHz). Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de collaborations fortes avec le groupe du Pr. R. Ghosh (Université Jawaharlal Nehru, New Delhi, Inde) et avec le groupe du Pr. J. Tabosa (Université de Pernambuco, Recife, Brésil) [1] T. Laupretre, S. Kumar, P. Berger, R. Faoro, R. Ghosh, F. Bretenaker and F. Goldfarb, Phys ; Rev. A 85, 051805(R) (2012) [2] M.-A. Maynard, F. Bretenaker and F. Goldfarb, Phys. Rev. A 90, 061801(R) (2014) [3] A. J. F. de Almeida, J. Sales, M.-A. Maynard, T. Lauprêtre, F. Bretenaker, D. Felinto, F. Goldfarb, and J. W. R. Tabosa, Phys. Rev. A 90, 043803 (2014)

  • Titre traduit

    Non-linear optics, quantum optics and light storage in a metastable helium gas cell


  • Résumé

    Simple two level systems can model many light-matter interaction phenomena. But three level systems are necessary to study some effects when the existence of two optical transitions give rise to coherent processes, that makes it possible to transfer states from light to atoms (and vice-versa). In the so-called Λ-system (when two optical transitions share the same excited state), an initially opaque medium for a weak probe, which couples one of the transitions becomes transparent when the other transition is excited with a stronger coupling laser beam: this is the electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon. The dispersive properties associated with EIT allow a control of the light group velocity, and to go from a slow light regime to a fast light regime and even to negative group velocities. It is also extensively used to perform light storage experiments. Alkali atoms are usually used for this kind of experiments, but metastable helium has the advantage of not exhibiting hyperfine levels. Using this simple atomic structure and the large fine structure splitting compared to the Doppler broadening, we could isolate some years ago, without any doubt, a three-level Coherent Population Oscillation (CPO) resonance [1], which is a very different phenomenon from EIT. We obtained very recently in our group interesting results showing for the first time experimentally that coherent population oscillations (CPO) can be used to store and retrieve light in a Λ-system [2]. The implementation of the same kind of experiment was then possible in a more complex system, namely cesium [3], in collaboration with José Tabosa from the University of Pernambuco in Brazil. One objective is now to model the phenomenon and find experimental conditions to improve its efficiency. Besides CPO-based storage, we will also perform original experiments in non-linear and quantum optics, such as phase sensitive amplification and non-classical state of light generation (squeezed states or photon pair or triplet states). Taking advantage of its simple atomic structure, metastable helium is ideal to perform extremely well controlled experiments, in which transitions of the Λ-system or tripod system (4 level system where 3 lower states are optically coupled to a common excited state) can be individually addressed. The main goal is then to extend light storage, quantum optics, non-linear optics and four wave mixing experiments to the tripod transition that is very well separated from the other transitions (nearly 30 GHz apart). This research work is part of strong collaborations with the group of Pr. R. Ghosh (Jawaharlal Nehru University, Delhi, India) and with the group of Pr. J. Tabosa (University of Pernambuco, Recife, Brazil) [1] T. Laupretre, S. Kumar, P. Berger, R. Faoro, R. Ghosh, F. Bretenaker and F. Goldfarb, Phys ; Rev. A 85, 051805(R) (2012) [2] M.-A. Maynard, F. Bretenaker and F. Goldfarb, Phys. Rev. A 90, 061801(R) (2014) [3] A. J. F. de Almeida, J. Sales, M.-A. Maynard, T. Lauprêtre, F. Bretenaker, D. Felinto, F. Goldfarb, and J. W. R. Tabosa, Phys. Rev. A 90, 043803 (2014)