Corrélations optomécaniques : étude du bruit quantique de pression de radiation

Optomechanicals correlations : a study of quantum radiation pressure noise

• Auteur / Autrice : Thibaut Karassouloff
• Direction : Antoine Heidmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/02/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Degallaix, Catherine Schwob
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Hello, Carlo Rizzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de grenaille

Cavités résonnantes (acoustique)

Optomécanique

Mots clés libres

Couplage optomécanique

Corrélations optomécaniques

Bruit quantique

Limite quantique standard

Résonateur plan-convexe

Grande finesse

Optomechanics

Quantum noise

Plano-convex resonator

Résumé

L'étude du couplage optomécanique, soit l'interaction entre un résonateur mécanique et la lumière venant mesurer sa position est née avec les recherches visant à détecter les ondes gravitationnelles. Ce couplage limite la sensibilité des mesures interférométriques nécessaires à leur observation.Cette limite est d'origine quantique : à tout appareil de mesure est associé un bruit (le bruit de phase des lasers). De plus, en vertu des inégalités de Heisenberg toute mesure d'un système le perturbe. On parle d'action en retour (liée aux bruits d'intensité des lasers). La lumière étant un objet quantique, il n'est pas possible de réduire simultanément les fluctuations de phase et d'intensité. La sensibilité d'une mesure interférométrique a donc pour minimum la limite quantique standard. Cette limite n'a jamais été observée à température ambiante.Nous décrivons dans ce manuscrit les effets de la pression de radiation sur un résonateur mécanique plan-convexe utilisé comme miroir de fond d'une cavité Fabry-Perot de grande finesse. A température ambiante, le bruit de pression de radiation est largement masqué par le bruit thermique. Ceci conduit à la mise en place d'une expérience pompe-sonde et à mesurer les corrélations entre ces deux faisceaux. En outre, cette expérience est très sensible au désaccord du laser avec la cavité. Nous utilisons une modulation de la position du résonateur afin de s'asservir le mieux possible à la cavité. Compte tenu du faible niveau de corrélations à mesurer, nous caractérisons les limites qu'impose le bruit classique des lasers. Nous présentons également le développement de nouveaux résonateurs optomecaniques en quartz.

Optomechanical coupling, that is the interaction between mechanicals modes of a resonator and light sensing its position, is a field of study that was born with the gravitational waves quest. This coupling poses limits to the sensitivity of interferometric measurements needed to detect them.This limit is of quantum origin. Indeed, every measurement apparatus has its own noise, we call it measurement noise. Moreover according to the Heisenberg inequalities, every measurement of a system disturbs it in some way. We call it back-action. In optomechanics, the measurement noise is the laser phase-noise while back-action stems from intensity-noise. Both of them have quantum origin and cannot be made arbitrary small. The sensitivity of classic interferometric measurement is then the result of a tradeoff between those two noises and cannot be lower than what is called the standard quantum limit. This limit has never been observed at room-temperature in a table-top experiment. The effects of radiation-pressure on a plano-convex resonator embedded in a high-finesse Fabry-Perot cavity are described in this work. At room-temperature the quantum radiation pressure noise is overwhelmed by thermal noise. This lead to use a pump-probe experiment where two laser beams are send in the cavity and measure their correlations. This experiment is extremely sensitive to the cavity- laser detuning. We propose to modulate the mirror position and use this precisely lock the lasers to the cavity. The correlations we aim to measure are extremely low so we characterize the limits put by classical noise of the laser system on the experiment. We also present the development of new quartz resonators.