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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (28/11/1998), Heidmann Antoine (Dir.)
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Etude du couplage optomécanique dans une cavité de grande finesse; observation du mouvement Brownien d'un miroir
Yassine Hadjar1

Nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage optomécanique induit par la pression de radiation entre un faisceau lumineux et un objet macroscopique tel qu'un miroir. Nous présentons une étude théorique des effets quantiques induits par la pression de radiation dans une cavité optique dont un miroir est mobile. Le miroir peut se déplacer sous l'effet de la pression de radiation et ce mouvement change la phase du champ réfléchi par la cavité. Ce couplage optomécanique induit un déphasage du champ équivalent à un effet Kerr optique. Un tel dispositif peut être utilisé pour produire des états comprimés ou réaliser une mesure quantique non destructive.
Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir mobile est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien du miroir. Nous avons aussi utilisé un second faisceau modulé en intensité afin d'exciter les modes acoustiques du résonateur. Ceci permet de caractériser la réponse mécanique du résonateur et le couplage entre la lumière et les modes acoustiques. Nous avons enfin démontré l'efficacité de notre dispositif pour la mesure de petits déplacements du miroir. Le plus petit déplacement observable est égale à 2x10^(-19) m/Hz(1/2), en bon accord avec la prédiction théorique.
1 :  LKB (Jussieu) - Laboratoire Kastler Brossel
couplage optomécanique – pression de radiation – fluctuations quantiques – cavité optique de grande finesse – mouvement Brownien d'un résonateur mécanique – mesure de petits déplacements – détection d'ondes gravitationnelles

Study of optomechanical coupling in a high finess cavity; observation of the Brownian motion of a mirror
The topic of this thesis is the theoretical analysis of the
optomechanical coupling effects in a high-finesse optical cavity, and the experimental realization of such a device.
Radiation pressure exerted by light has been of great theoretical interest since it limits the sensitivity of high precision optical measurements. In particular, the sensitivity of interferometric measurements of gravitational wave is limited by the so called standard quantum limit which is due to two fundamental sources of noise : the photon noise of the laser beam and the fluctuations of the mirrors position due to radiation pressure. We discuss here radiation pressure induced effects in high-finesse optical
cavity with a movable mirror. The internal field stored in such cavity can be orders of magnitude greater than the input field, and it's radiation pressure force can change the physical length of the cavity. In turn, any change in the mirror's position changes the phase of the out put field. This optomechanical coupling leads to an intensity-dependent phase shift for the
light equivalent to an optical Kerr effect. Such a device can then be used for squeezing generation or quantum nondemolition measurements.
In the experiment that we have realized, we send a laser beam in to a high-finesse single-port optical cavity with a movable mirror coated on a high Q-factor mechanical resonator. Quantum effects of radiation pressure become therefore, at low temperature, experimentally observable. However, we have shown that the phase of the reflected field is very sensitive to small mirror displacements, which indicate other possible applications of this
type of device like high precision displacements measurements. In
particular, we have been able to observe the Brownian motion of the moving mirror. We have also used an auxiliary intensity modulated laser beam to optically excite the acoustic modes of the mechanical resonator. This allows to characterize the mechanical response of the resonator and the coupling between light and acoustic modes. We have finally obtained a sensitivity of
2x10^(-19) m/sqrt(Hz), in agreement with theoretical prediction.
optomechanical coupling – radiation pressure – quantum fluctuations – high-finesse optical cavity – Brownian motion of a mechanical resonator – measurement of small displacements – gravitational wave detection