Peignes de fréquence à la limite quantique

Frequency combs at the quantum limit

• Auteur / Autrice : Roman Schmeissner
• Direction : Nicolas Treps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/06/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale la physique de la particule à la matière condensée (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Bretenaker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Angonin, Yann Le Coq, François Bondu, Claude Fabre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniele Romanini, Franz X. Kärtner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectres de fréquences

Bruit de phase

Mots clés libres

Peignes de fréquence

Limite quantique standard

Bruit de phase

Bruit d'amplitude

Modes spectrales

Cavités passives

Frequency combs

Amplitude noise

Phase noise

Résumé

La métrologie de haute précision est une application des peignes de fréquences optiques. Typiquement, la sensibilité de mesure est limitée par le bruit classique des propriétés des peignes. Leur bruit d'amplitude et de phase a été largement étudié et jusqu'à présent. Pourtant, uniquement des bandes latérales de bruit proche de la porteuse ont été caractérisées pour des fréquences individuelles et le champs moyen.Cette thèse développe des méthodes de caractérisation de bruit d'amplitude et phase à la limite quantique. A cette fin, une cavité passive et large bande est développée. Elle filtre et inter-convertit les bruits d'amplitude et phase. L'analyse de son signal à l'aide d'une détection homodyne permet la mesure du bruit de phase avec une sensibilité à la limite quantique. L'application d'un façonnage des impulsions ultra brèves rend possible la mesure des corrélations spectrales du bruit. Tout en étant représentés par des matrices de covariance, l'ensemble des corrélations du bruit sur le spectre optique d'un oscillateur Ti:Sapph est caractérisé.Les corrélations mesurées montrent des structures spectrales, dites " modes ", qui sont en accord avec la prédiction théorique. Ce concept apparait comme analogue au formalisme décrivant des systèmes multi-partites en optique quantique. Il est par conséquent aussi un moyen de description de bruit classique. La connaissance des modes intrinsèques du bruit est susceptible de mener à une amélioration de la précision de mesures avec des peignes de fréquences optiques.

Precision metrology is one application of optical frequency combs. Classical noise in their properties typically limits achievable measurement sensitivity. Amplitude and phase noise in optical frequency combs have already been studied extensively. So far, noise sidebands close to the carrier of either individual optical frequencies or of the mean field were considered. This thesis develops methods to precisely characterize amplitude and phase noise down to the quantum limit. To this aim a transmissive, broadband passive cavity is developed. It filters and inter-converts amplitude and phase noise. The analysis of its signal by the use of homodyne detection provides a quantum limited measurement of phase noise. The application of ultrafast pulse shaping enables the measurement of the spectral correlations of amplitude and phase noise. Being represented by the use of covariance matrices, the entire noise correlations over the optical spectrum are characterized on the example of a Ti:Sapph oscillator. The measured noise correlations exhibit spectral structures, so-called “modes”. Their shape matches with the theoretical prediction. This concept known from multi-partite optical quantum systems is consequently applicable to classical noise in frequency combs. The knowledge of the intrinsic noise modes is likely provide an improvement of precision metrology experiments with combs.