Étude expérimentale de propriétés non-classiques de la lumière : interférences à un seul photon

Experimental tests of non-classical properties of light : single-photon interferences

• Auteur / Autrice : Philippe Grangier
• Direction : Christian Imbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcium

Photons

Optique quantique

Mots clés libres

Photodétection (Théorie)

Interférences (Optique)

Calcium (Atomes, cascade radiative)

Calcium (Molécules, photodissociation)

Corrélations d'intensité (Optique)

Résumé

Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d’un état d’un champ très proche d’un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d’autre d’une lame semi-réfléchissante : la probabilité d’observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété « non-classique », que nous désignons par le terùe d’anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d’interférences, avec la lumière ayant permis d’observer l’effet d’anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d’interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l’interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d’interférences à un seul photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d’interférence apparaissant dans la fluorescence d’un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d’une molécule Ca₂ par une impulsion laser.

We have performed several experiments, involving a quantum description of the electromagnetic field as a crucial feature. As a matter of fact, the need for field quantization appears through the experimental evidence for a quantum state of the field very close to a Fock "single-photon” state. The properties of such a state are evidenced, using two photomultipliers on both sides of a beamsplitter : the probability for a joint detection, during a counting gate of duration w, has to be much smaller than the product of the probabilities for single detections during the same time. This non-classical property of light ("anticorrelation") is demonstrated for a radiative cascade of Calcium, using fast counting techniques. We have then carried out an interference experiment, with light for which we have demonstrated the anticorrelation property. Using a Mach-Zehnder interferometer adjusted close to zero path difference, we have observed a fringe visibility of 98 %, in perfect agreement with quantum mechanical predictions. Eventually, we present two other experiments, illustrating single-photon interference effects : quantum beats in a continuously excited atomic cascade, and modulation in the time-resolved fluorescence light, following the photodissociation of Ca₂ molecules by a pulsed laser.