Source of Bright Few-Cycle Twin Beams Near the Single-Mode Limit Toward Extreme Nonlinear Optics

La production de paires de photons intriquées dans la conversion paramétrique descendante (parametric down-conversion, PDC) est un élément fondamental de nombreuses technologies quantiques, incluant notamment l’informatique, la communication et la métrologie quantique. Grâce aux progrès de la technologie laser ultrarapide, la PDC peut désormais être poussée dans le régime de haut gain, où les paires de photons se transforment en faisceaux jumeaux brillants (bright twin beams, BTBs) avec une intensité optique comparable à celle des systèmes laser commerciaux. L’accès à cet état quantique macroscopique de la lumière permet d’étudier expérimentalement les interactions lumière-matière extrêmes induites par de la lumière non classique. Les phénomènes d’optique non linéaires dans le régime non-perturbatif, tels que la génération d’harmoniques élevées et l’effet tunnel électronique, sont connus pour être fortement influ-encés non seulement par la luminosité du champ d’excitation, mais aussi par son évolution temporelle décrite par la durée de l’impulsion et la phase porteuse-enveloppe (carrier-envelope phase, CEP). Ces deux aspects ont cependant reçu très peu d’attention dans les réalisations contemporaines de PDC, en partie parce que le régime de haut gain de la PDC est difficile à atteindre expérimentalement pour des impulsions de quelques cycles. Cette thèse se concentre donc sur la conception, la caractérisation et la modélisation d’une source de BTBs conçue dès le départ pour exciter des phénomènes d’optique non linéaire extrême avec des états de lumière non classiques. En l’absence d’un champ initial fini, les caractéristiques de la lumière produite par PDC sont entièrement déterminées par la pompe optique qui excite l’effet et par le milieu non linéaire qui lui sert de médiateur. La conception des sources de PDC se résume donc à une sélection et à une optimisation rigoureuses de ces deux composants. Dans ce travail, une forte amplification paramétrique de BTBs ayant une durée d’impulsion de quelques cycles est obtenue en combinant un train précompressé d’impulsions de pompe d’une durée de moins de 10 fs avec un milieu non linéaire possédant une dispersion chromatique quasi-nulle à la longueur d’onde centrale du processus de parametric down-conversion (PDC). Après sa conception et sa mise en œuvre, les BTBs sont caractérisés à l’aide de méthodes standards pour quantifier ses propriétés spatiales, spectrales et statistiques. Afin de révéler ses caractéristiques temporelles innovatrices, deux mesures inédites dans le contexte des sources lumineuses générées par PDC sont ici démontrées.