Absorption à deux photons et effets de corrélation quantique dans les semiconducteurs

Two-photon absorption and qantum correlation effects in semiconductors

• Auteur / Autrice : Fabien Boitier
• Direction : Claude Fabre, Antoine Godard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluorescence

Semiconducteurs

Spectroscopie d'absorption

Photons -- Corrélation

Résumé

En français : Les corrélations de photons sont à la base d'un certain nombre d'expériences et d'applications (spectroscopie de corrélation de photons, profilométrie haute résolution, cryptographie quantique, téléportation). L'évaluation de ces propriétés de corrélation revêt dès lors une importance toute particulière et correspond à la thématique dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse de Doctorat. Tout d'abord, les concepts de compteur de photons par absorption à deux photons ont été (ré)évalués expérimentalement dans différents semiconducteurs et nous ont conduits à établir les bases d'un modèle quantique du comptage à deux photons. Par la suite, l'absorption à deux photons dans les semiconducteurs est appliquée dans une nouvelle technique qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources optiques continues de faibles puissances (0,1 µW au minimum) avec une bande passante allant de 1,1 à 1,7 µm et une résolution de l'ordre de la femtoseconde. Expérimentalement, le montage est conceptuellement proche d'un interféromètre de Hanbury Brown et Twiss où, dans notre cas, les deux sous-faisceaux décalés dans le temps sont recombinés sur un compteur à deux photons. Grâce à la très large bande passante à deux photons, les corrélations de sources larges spectralement sont caractérisées au moyen de ce montage qui permet la mesure du degré de cohérence d'ordre deux de sources chaotiques aussi bien que d'un générateur paramétrique à la dégénérescence ou hors de la dégénérescence. Pour la première fois, le phénomène de bunching des photons issus d'un corps noir a été vérifié par une mesure directe. Pour ce qui est de la lumière paramétrique, après avoir développé une source de photons jumeaux, nous avons démontré que notre montage expérimental était à même de mesurer les coïncidences exactes des photons issus d'une même paire aussi bien que les coïncidences accidentelles entre photons de paires différentes en contrôlant les phénomènes de dispersion chromatiques à l'aide d'une paire de prismes. Enfin, deux modèles théoriques originaux de corrélation de photons jumeaux ont été développés, basées sur les approches quantique et classique, et sont en excellent accord avec l'ensemble de nos résultats expérimentaux.

En anglais : Photon correlation properties are now harnessed in various experiments and applications (photon correlation spectroscopy, high resolution profiling, quantum cryptography, quantum teleportation. . . ). The determination of the correlation properties of light is thus of paramount importance and corresponds to the topic investigated in this PhD thesis. Firstly, the semiclassical concept of Two-Photon Counter is experimentally revisited using two photon absorption in various semiconductors and leads to the development of the foundations of an unified two-photon counting theory. Then, two photon conductivity in semiconductors is exploited in a new technique that enables the determination of second order correlation of cw optical sources with output power down to 0. 1 µW, bandwidth in the 1. 1 to 1. 7 µm range and time resolution in the femtosecond range. Experimentally, the system is similar to a Hanbury Brown & Twiss interferometer but, in our case, the two delayed sub-beams are recombined in a two-photon counting device. Thanks to the huge available bandwidth, broadband source correlations are characterized by measuring, with the same apparatus, the degree of second order coherence of chaotic sources or optical parametric generator (both degenerate and non degenerate cases). For the first time, the bunching effect in a real blackbody is unambiguously shown down to the femtosecond level. Concerning parametric light, after developing down converted source, we demonstrate that our experimental set-up is able to determine the exact coincidence of twin photon as well as the accidental one between photons from different pairs by controlling chromatic dispersion phenomena with a prism pair set-up. Finally, two theoretical modeling of twin photons correlation were developed, based on a full quantum theory of two multimodal-photon interaction and a classical stochastic field approach, and are both in excellent agreement with all our experimental results.