Experimental study of non-classical properties of light; single-photon interferences
Etude expérimentale de propriétés non-classique de la lumière; interférences à un seul photon
Résumé
This thesis describes several experiments, in which the quantization of the electromagnetic fiels plays a crucial role to describe theoretically and to understand physically the observed phenomena. In particular, the need for a quantum approach appears by evidencing a quantum state of the field where a single quantum is excited (single photon Fock state). A single photon state can be characterized by using two photomultipliers on both sides of a beamsplitter : the probability for two photodetections within a time w has to be much smaller than the product of probabilities for single detections during the same time. This "non-classical" property, that we call "anticorrelation", is demonstrated by using a radiative cascade in Calcium, and fast photon counting techniques. Then we present an interference experiment, using the same light as the one exhibiting the anticorrelation effect. With a Mach-Zehnder interferometer adjusted close to zero path difference, the visibility of the interference fringes has been measured to be larger than 98%, in excellent agreement with the value expected from the interferometer design. Finally we present two other experiments, also illustrating the general idea of single photon interferences : a quantum beat experiment in a continuously excited radiative cascade, and an interference effect in the fluorescence of two atoms, obtained by photodissociating a Ca2 molecule with a short laser pulse.
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 terme 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'interférence à un 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.