Développement de lasers solides agiles ultra-stables pour la manipulation cohérente de systèmes atomiques : applications au traitement optique de signaux radiofréquences et à l'information quantique
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
In this thesis, we take advantage of the spectral properties of rare-earth ion-doped crystals to perform time-to-frequency Fourier transform operations. We introduce the first experimental demonstration of coherent processing of radiofrequency (RF) signals over a wide bandwidth. Our system is based on an excitation sequence using frequency-swept pulses, deriving from photon echoes. Thanks to this algorithm, the RF signal spectrum is displayed in the time domain. Experimentally, we measured impressive performances in an Er:Y2SiO5 crystal, using an optical transition in the telecommunication window. Indeed, the instantaneous bandwidth reaches 1. 5 GHz, together with 24,000 independent frequency channels. The resolution can be as low as 50 kHz, and the dynamic range of the process is 32 dB. These results are obtained thanks to the development of a specific laser source, whose frequency can be tuned over several GHz in few µs. A servo loop ensures an excellent precision of the frequency scans. Other laser sources have also been built up: one uses waveguide structures; another one is frequency-locked on an optical reference cavity, in order to reach a sub-kHz emission linewidth. We also introduce a first study of photon echoes generated in an amplifying Er:Y2SiO5 crystal. This way, the energy efficiency of the process is increased. New dephasing mechanisms occurring during the photon echo stimulation are highlighted.
Abstract FR:
Dans cette thèse, nous utilisons les propriétés spectrales remarquables des cristaux dopés aux ions de terre rare pour effectuer des opérations de transformation de Fourier temps-fréquence. Nous présentons ainsi la première démonstration expérimentale de traitement cohérent de signaux radiofréquences (RF) sur une large bande. Notre système utilise une séquence d'excitation à base d'impulsions balayées en fréquence, dérivée du processus d'écho de photons. Par cet algorithme, le spectre du signal RF à analyser est projeté dans le temps. Expérimentalement, nous avons relevé d'excellentes performances dans un cristal de Er:Y2SiO5, utilisant une transition optique dans la fenêtre télécom. En effet, la bande passante instantanée atteint 1,5 GHz, avec 24 000 canaux spectraux d'analyse. La résolution peut quant à elle descendre à 50 kHz, et la dynamique d'analyse est de 32 dB. Ces résultats ont été obtenus grâce au développement spécifique d'une source laser, dont la fréquence peut être accordée sur plusieurs GHz en quelques µs. Une boucle d'asservissement permet d'offrir une excellente précision de ces balayages en fréquence. D'autres sources laser ont également été mises au point. L'une d'elle utilise des structures d'optique intégrée, et une autre est asservie sur une cavité optique de référence, pour affiner sa largeur d'émission sous le kHz. Par ailleurs, nous présentons une première étude d'échos de photons obtenus en milieu amplificateur dans un cristal de Er:Y2SiO5. Ainsi, le rendement énergétique du processus est augmenté. De nouveaux mécanismes déphasants hors équilibre sont également mis en avant lors de la génération de l'écho de photons.