Optique - www.BibSciences.org

Optique : Collection de la Société Française d'Optique (SFO)

Éditeur : EDP Sciences

Volume consulté :

Les lasers et leurs applications scientifiques et médicales
C. Fabre et J.P. Pocholle, éditeurs scientifiques
© EDP Sciences, 1996-2002.

Document consulté :

Bruit quantique dans les lasers. ( C. Fabre)

Cours rédigé. 21 pages. Fichier pdf (1,4 Mo).
DOI : 10.1051/bib-sfo:2002038
Première mise en ligne : 22/02/2002.

Téléchargement :

accès gratuit

Résumé. Dans de nombreuses applications, les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle crucial. Le « bruit » incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système. L'exemple extrême en la matière est fourni par les détecteurs interféromériques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal à mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilité.

Pour l'essentiel, le bruit dans les lasers est d'origine « technique », c'est-à-dire qu'il est lié à des fluctuations difficilement maîtrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage...). Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques. Mais il est utile de savoir si ces efforts sont appelés à se heurter tôt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro.

L'objet de ce cours est d'exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser. Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous traiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3). Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats expérimentaux relatifs aux « lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit inférieur au bruit de grenaille ou « noise ».

Plan

1. Fluctuations quantiques de la lumière

1.1 Cas d'un mode unique du champ

1.1.1 Description classique
1.1.2 Description quantique : opérateur champ
1.1.3 Description quantique : états possibles du champ

1.2 Cas d'un faisceau lumineux non monochromatique
2. Bruit quantique dans un amplificateur optique

2.1 Relation à la traversée d'un système optique linéaire
2.2 Cas d'une lame partiellement réfléchissante
2.3 Cas de l'émission stimulée
2.4 Excès de bruit dans un amplificateur linéaire
2.5 Amplificateur dépendant de la phase
2.6 Amplificateur avec saturation du gain
3. Bruit quantique dans un laser

3.1 Généralités
3.2 Modèle simple

3.2.1 Bruit de phase
3.2.2 Bruit d'intensité

3.3 Cas où le gain a une partie imaginaire non négligeable
3.4 Modèle cinétique complet
3.5 Un laser émet-il un état cohérent ?
4. Lasers sub-poissoniens à pompage régulier

4.1 Pompage par impulsions
4.2 Laser à semi-conducteur pompé par courant électrique