Cours 2016-2017

Physique des lasers, optique non-linéaire et quantique [SPHYM109]

  • 6 crédits
  • 45h+15h
  • 1er quadrimestre
Langue d'enseignement: Français

Acquis d'apprentissage

D'une part :

- Le 1er objectif est d'assurer les connaissances de base en physique des lasers. Les différents éléments qui constituent un laser seront expliqués en détails ainsi que les propriétés du rayonnement laser. - Le 2d objectif est de comprendre le fonctionnement de quelques lasers tels que le laser He-Ne, le laser à CO2, la diode-laser et le laser basé sur des OPO. Pour chacun, les éléments constitutifs et leurs caractéristiques seront détaillés. Les principales applications seront aussi données.

D'autre part :

Maîtriser les concepts physiques essentiels associés à deux aspects fondamentaux de l'optique, désormais incontournables tant sur le plan scientifique que technologique : l'optique non linéaire et l'optique quantique. Connaître les principaux phénomènes optiques non linéaires et leurs applications. Comprendre le rôle de la nature quantique de la lumière en optique contemporaine et approfondir sa compréhension des fondements de la mécanique quantique.

Contenu

D'une part, ce cours est un exposé de la physique des lasers. Les concepts du laser sont d'abord présentés: milieu actif (émission stimulée, équations d'Einstein ...), pompage (électrique, optique ...), cavité résonante (oscillateur laser ...). Au fur et à mesure de l'exposé, les concepts de physique de base sont rappelés (absorption, émission ...) . Ensuite, les propriétes du rayonnement laser sont explicitées. Muni de ces concepts, plusieurs types de laser sont décrits en détails (fonctionnement, propriétés et applications). Au cours théoriques sont associés des travaux dirigés.

D'autre part, le cours aborde deux aspects majeurs de l'optique moderne : l'optique non linéaire (NL) et l'optique quantique. A partir de modèles phénoménologiques, nous décrirons la réponse NL des matériaux à une excitation électromagnétique (e.m.) et adapterons les équations de Maxwell pour en rendre compte. Nous étudierons la propagation des ondes e.m. dans les milieux NL et à leurs surfaces (réflexion, réfraction). Nous analyserons une série de phénomènes NL stationnaires et dynamiques. Nous modéliserons quantiquement la réponse NL des matériaux et verrons l'utilité des spectroscopies optiques NL. Nous quantifierons le champ e.m. et le caractériserons (états de Fock, cohérents, comprimés). Nous décrirons les corrélations de photons et la production de paires de photons par fluorescence paramétrique. Nous étudierons le comportement quantique d'interféromètres (Mach-Zehnder, Franson, Hong-Ou-Mandel). Nous verrons comment des expériences d'optique quantique permettent d'approfondir notre compréhension des fondements de la mécanique quantique (violation des inégalité de Bell, notions de localité, de superposition et d'intrication) et offrent des applications innovantes (téléportation, cryptographie quantique, métrologie).

Table des matières

A) Lasers

Première partie: - I. Introduction Historique ... - II. Principes du laser 1. Eléments de base d'un laser 2. Milieu amplificateur (Types d'interactions, coefficients de transition d'Einstein, relations entre les coefficients d'Einstein, inversion de population) 3. Pompage (Schémas des niveaux, taux de pompage, types de pompage) 4. Cavité résonante (Amplificateur, oscillateur, familles de cavité, critères de stabilité, caractérisation des modes lasers, oscillateurs lasers, structure spatiale du faisceau laser) - III. Propriétés du rayonnement laser 1. Monochromaticité 2. Cohérence (spatiale et temporelle) 3. Directivité 4. Luminosité - Puissance - IV. Lasers à solide 1. Laser à rubis 2. Laser au Nd - V. Lasers à gaz 1. Laser à gaz atomique (He-Ne, azote) 2. Laser à gaz atomique ionisé (Argon et krypton ionisé) 3. Laser moléculaire (CO2) - VI Lasers de superpuissance - VII Diode-lasers - VIII Sécurité laser 2ième partie: 1. Propagation d'un faisceau laser 1.1. Matrice de transfert ou matrice ABCD 1.2. Définition d'un faisceau Gaussien 1.3. Propagation de l'onde gaussienne calculée à l'aide de la matrice ABCD 1.4. Mode Gaussien d'une cavité optique 1.5. Modes Transverses d'une cavité optique 2. Interaction rayonnement matière 2.1. Coefficients d'Einste 2.2. Largeur de transition optique 2.3. Section efficace d'absorption 2.4. Condition d'oscillation d'un laser 2.5. Phénomènes de saturation 2.6. Affinement spectral d'une cavité laser 2.7. Modes de fonctionnement temporels des lasers 3. Types de lasers 3.1. Les lasers à gaz 3.2. Lasers à isolants dopés 3.3. Lasers à semi-conducteur 4. Optique non-linéaire 4.1. Introduction 4.2. Processus non-linéaires du second ordre 4.2. Propriété de symétrie de la susceptibilité non linéaire du second ordre 4.3. Mélange 3 ondes 4.4. Génération de seconde harmonique 4.5. Oscillateur Paramétrique Optique

B) Optique non linéaire et optique quantique

1. Introduction à l'optique non linéaire
- Nature de la non-linéarité en optique
- Modèles simples de son origine
- Bref aperçu des phénomènes non linéaires
2. Description phénoménologique
- Susceptibilités non linéaires
- Symétries des susceptibilités
- Approximation dipolaire
- Equations de Maxwell non linéaires
3. Génération et propagation des ondes non linéaires
- Cas des solides
- Accord de phase dans les cristaux anisotropes
- Lois de la réflexion et de la réfraction
4. Modèles microscopiques et quantiques des susceptibilités
5. Spectroscopies et microscopies non linéaires
- Caractérisation des surfaces et interfaces des matériaux
- Caractérisation des matériaux en volume
- Aspects dynamiques et transitoires
6. Quantification du champ électromagnétique
- Quantification
- Etats de Fock
- Etats cohérents
- Etats comprimés
- Bruit quantique
- Emission spontanée
7. Interférométrie et corrélations quantiques
- Corrélations du champ électromagnétique
- Lame séparatrice : classique et quantique
- Existence du photon
- Interféromètres de Mach-Zehnder, Franson, Hong-Ou-Mandel
8. Intrication quantique
- Introduction : paradoxe EPR
- Sources de photons intriqués
- Violation des inégalités de Bell
- Cryptographie quantique
- Etats de Bell
- Téléportation

Description des exercices

Les exercices réalisés aux séances de TD sont orientés sur la compréhension et l'application des concepts vu au cours théorique. L'étude de cas relatif à des applications de la vie courante est privilégié. Citons par exemple, l'étude de la configuration d'un lecteur de cd.

Disciplines

Optique non linéaire
Physique
Lasers
Mécanique quantique classique et relativiste

Méthodes d'enseignement

Le cours est donné par une présentation Powerpoint.

Mode d'évaluation

Examens oraux avec chaque enseignant

Sources, références et supports éventuels

"Lasers et optique non linéaire - Cours, exercices et problèmes corrigés - Niveau M1-M2", Christian Delsart, Ed. Ellipses

Pour la partie "optique non linéaire et optique quantique", le cours ne suit pas la structure d'un ouvrage en particulier mais des informations complémentaires sont disponibles dans les ouvrages suivants :

 - "Nonlinear optics", Robert Boyd, Academic Press (Elsevier)
 - "The Principles of Nonlinear Optics", Yuon-Ren Shen, Wiley
 - "Optique non-linéaire : Cours et problèmes résolus", François Sanchez, Ellipses
 - "Quantum optics", J.C. Garrison and R.Y. Chiao, Oxford University Press
 - "Six quantum pieces: a first course in quantum physics", Valerio Scarani with Chua Lynn and Liu Shi Yang, World Scientific

 

 

Langue d'enseignement

Français

Lieu de l'activité

NAMUR

Faculté organisatrice

Faculté des sciences
Rue de Bruxelles, 61
5000 NAMUR

Cycle de référence

Deuxième cycle