Parametric image amplification in a cavity : Classical and quantum effects

Amplification paramétrique d'images en cavité : Effets classiques et quantiques

Sylvain Gigan (1)

1 LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel

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.

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.

Mots clés: quantum images; optical parametric oscillator; noiseless amplification; phase-sensitive amplification; transverse degeneracy; paraxial imaging; transverse quantum noise; spatial quantum correlations; continuous variables; image quantique; oscillateur paramétrique optique; amplification sans bruit; amplification sensible à la phase; dégénérescence transverse; imagerie paraxiale; bruit quantique transverse; corrélations quantiques spatiales; variables continues

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Sylvain Gigan. Amplification paramétrique d'images en cavité : Effets classiques et quantiques. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00007425v1⟩