Parametric image amplification in a cavity : Classical and quantum effects
Amplification paramétrique d'images en cavité : Effets classiques et quantiques
Résumé
This thesis studies image
amplification by a parametric process. Performing this
amplification continuously requires placing the parametric medium
inside an optical cavity. Theoretically, this amplification is
noiseless and produces non-classical states of light.
First, we study classically the propagation of an image through a
paraxial system, and transverse degenerate cavities. We develop a
formalism to understand the transmission of an image through any
paraxial cavity. We illustrate this formalism by studying
theoretically and experimentally a particular cavity: the
semi-confocal cavity.
In a theoretical part we then focus on some particularities of
image amplification. we find that below threshold, the optical
parametric amplifier in a cavity, which is well-known to produce
squeezed vacuum, can also amplify a weak injected signal. We show
that, due to coupling to the pump noise, there is extra noise
added to the amplified signal during the amplification process. We
also study from a quantum point a view the transverse multimode
behaviour of the optical parametric amplifier in a semi-confocal
cavity.
Finally, in the experimental part we study the behaviour of the
confocal optical parametric oscillator above threshold and we
prove that it produces multimode non-classical beams. We then show
that it is possible to amplify a signal in a phase-sensitive
configuration in this cavity below threshold. In a second
experiment using a more stable dual-cavity semi-confocal
configuration, we demonstrate the first multimode parametric
amplification of an optical image.
amplification by a parametric process. Performing this
amplification continuously requires placing the parametric medium
inside an optical cavity. Theoretically, this amplification is
noiseless and produces non-classical states of light.
First, we study classically the propagation of an image through a
paraxial system, and transverse degenerate cavities. We develop a
formalism to understand the transmission of an image through any
paraxial cavity. We illustrate this formalism by studying
theoretically and experimentally a particular cavity: the
semi-confocal cavity.
In a theoretical part we then focus on some particularities of
image amplification. we find that below threshold, the optical
parametric amplifier in a cavity, which is well-known to produce
squeezed vacuum, can also amplify a weak injected signal. We show
that, due to coupling to the pump noise, there is extra noise
added to the amplified signal during the amplification process. We
also study from a quantum point a view the transverse multimode
behaviour of the optical parametric amplifier in a semi-confocal
cavity.
Finally, in the experimental part we study the behaviour of the
confocal optical parametric oscillator above threshold and we
prove that it produces multimode non-classical beams. We then show
that it is possible to amplify a signal in a phase-sensitive
configuration in this cavity below threshold. In a second
experiment using a more stable dual-cavity semi-confocal
configuration, we demonstrate the first multimode parametric
amplification of an optical image.
Cette thèse étudie l'amplification
d'une image par un processus paramétrique. Réaliser cette
amplification de manière continue nécessite de placer le milieu
paramétrique dans une cavité optique. En théorie, cette
amplification est sans bruit, et permet de générer des états
non-classiques du champ.
On étudie tout d'abord classiquement la propagation d'une image
dans un système paraxial, puis les cavités dégénérées
transversalement. On en déduit un formalisme permettant de décrire
la transmission d'une image à travers une cavité paraxiale
quelconque. Ce formalisme est illustré par l'étude théorique et
expérimentale de la transmission d'une image à travers une cavité
particulière : la cavité hémi-confocale. Une partie théorique
s'intéresse ensuite aux spécificités de l'amplification d'image.
L'amplificateur paramétrique en cavité sous le seuil
d'oscillation, connu pour générer du vide comprimé, peut également
amplifier un faible signal injecté. On montre l'apparition de
bruit supplémentaire sur le signal amplifié, spécifique à
l'amplification, dû au couplage au bruit de la pompe. On étudie
ensuite du point de vue quantique le comportement multimode
transverse d'un amplificateur paramétrique optique en cavité
hémi-confocale.
Enfin, une partie expérimentale étudie le comportement d'un
oscillateur paramétrique optique confocal au dessus du seuil et on
prouve qu'il produit des faisceaux non-classiques multimodes
transverses. On montre ensuite qu'il est possible d'amplifier de
manière sensible à la phase un signal dans cette même cavité sous
le seuil d'oscillation. Dans une seconde expérience en
configuration de double cavité hémi-confocale, plus stable, on
réalise la première amplification paramétrique multimode d'une
image en cavité.
d'une image par un processus paramétrique. Réaliser cette
amplification de manière continue nécessite de placer le milieu
paramétrique dans une cavité optique. En théorie, cette
amplification est sans bruit, et permet de générer des états
non-classiques du champ.
On étudie tout d'abord classiquement la propagation d'une image
dans un système paraxial, puis les cavités dégénérées
transversalement. On en déduit un formalisme permettant de décrire
la transmission d'une image à travers une cavité paraxiale
quelconque. Ce formalisme est illustré par l'étude théorique et
expérimentale de la transmission d'une image à travers une cavité
particulière : la cavité hémi-confocale. Une partie théorique
s'intéresse ensuite aux spécificités de l'amplification d'image.
L'amplificateur paramétrique en cavité sous le seuil
d'oscillation, connu pour générer du vide comprimé, peut également
amplifier un faible signal injecté. On montre l'apparition de
bruit supplémentaire sur le signal amplifié, spécifique à
l'amplification, dû au couplage au bruit de la pompe. On étudie
ensuite du point de vue quantique le comportement multimode
transverse d'un amplificateur paramétrique optique en cavité
hémi-confocale.
Enfin, une partie expérimentale étudie le comportement d'un
oscillateur paramétrique optique confocal au dessus du seuil et on
prouve qu'il produit des faisceaux non-classiques multimodes
transverses. On montre ensuite qu'il est possible d'amplifier de
manière sensible à la phase un signal dans cette même cavité sous
le seuil d'oscillation. Dans une seconde expérience en
configuration de double cavité hémi-confocale, plus stable, on
réalise la première amplification paramétrique multimode d'une
image en cavité.
Mots clés
quantum images
optical parametric<br /> oscillator
noiseless amplification
phase-sensitive<br /> amplification
transverse degeneracy
paraxial imaging
<br /> transverse quantum noise
spatial quantum correlations
<br /> continuous variables
image quantique
oscillateur paramétrique optique
<br /> amplification sans<br /> bruit
amplification sensible à la phase
dégénérescence<br /> transverse
imagerie paraxiale
bruit quantique transverse
<br /> corrélations quantiques spatiales
variables continues
Domaines
Physique Atomique [physics.atom-ph]
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