Ce travail de thèse se compose en deux parties :Partie 1Nous nous intéressons à la propagation lumineuse non-linéaire dans des cellules planaires de cristal liquide nématique mélangé avec un colorant, l’effet non-linéaire considéré étant l'effet thermique. Puis, nous nous intéressons à l'amélioration de la fluorescence émise par le colorant.Nous concluons que pour améliorer le spectre de la fluorescence, il faut utiliser une source se propageant en mode soliton, optimiser la distance entre la fibre optique d’excitation de celle de collecte et l’ajout des nanoparticules d'or au cristal liquide. Cette amélioration de la fluorescence ouvrira la voie à la création du laser à colorant assisté par propagation de soliton.Partie 2Nous étudions la dynamique spatiotemporelle d'une cavité en anneau remplie d'un milieu de type Kerr non-instantané et pompée par un faisceau cohérent. Nous effectuons d’abord une étude analytique afin de déterminer les types d’instabilités possibles et leurs seuils. Puis, une étude numérique est menée pour observer l’évolution du champ dans la cavité. Nous montrons l’existence des structures périodiques et localisées. / The work of this thesis consists of two parts:Part 1We are interested in non-linear light propagation in planar cells of nematic liquid crystal mixed with a dye. The non-linear effect is considered to be a thermal effect. Then, we are interested in improving the fluorescence emitted by the dye.We conclude that to improve the fluorescence spectrum, we need to use a source propagating in soliton mode, to optimize the distance between the excitation optical fiber and the collecting one and to add the gold nanoparticles to the liquid crystal. This improvement of fluorescence spectrum will pave the way for the creation of a dye laser assisted with soliton propagation.Part 2We study the spatiotemporal dynamics of a ring cavity filled with a non-instantaneous Kerr-type medium and pumped by a coherent beam. We first carried out an analytical study to determine the types of instabilities and their thresholds. Then, a numerical study is carried out to observe the evolution of the field in the cavity. We show the existence of periodic and localized structures.

Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts. / Inertials sensors based on atom interferometry use cold atom clouds cooled to micro-Kelvin temperatures and interrogation times of a few hundred of milliseconds.These conditions lead to an expansion of the atom clouds reaching centimetric sizes, which leads to difficulties when trying to adress them efficiently with gaussian laser beams.This work aims at developing different means to counteract the constraints brought by these gaussian beams and their limited intensity.Two main axes are explored.On the one hand, the intensity inhomogeneity of the interrogation beams has been adressed by the study, realisation and characterization of beamshaping solutions.One of these solutions has been adapted to an atom interferometry experiment, and its impact characterized.On the other hand, the current use of gaussian beams with centimetric sizes to interrogate as many atoms as possible brings constraints on the laser power.The idea of taking advantage of the optical gain of optical resonators rises in the field and constitutes the heart of this work.Different optical resonators concepts have been considered to allow the resonance of a large optical mode in a compact geometry.We built a degenerated optical resonator, with an intra-cavity lens, and studied the influence of misalignments and opticals defects on the resonance of large injected gaussian beams.These two devices and their combination open the way towards a generation of advanced atom interferometers, for precise experiments of fundamental physics or the development of compact cold atom inertial sensors.

En septembre 2015, le détecteur LIGO a permis la première observation directe d'ondes gravitationnelles. Ce détecteur terrestre, tout comme le détecteur européen VIRGO, est basé sur des technologies purement optiques. Ces instruments sont extrêmement sensibles autour de 100 Hz mais ils sont limités en dessous de quelques dizaines de Hertz par différentes sources de bruit (bruit sismique, bruit newtonien...) qui ne sont pas distinguables de l'effet du passage d'une onde gravitationnelle.Le principe du projet MIGA (Matter wave – laser based Interferometer Gravitation Antenna) est de coupler un interféromètre optique avec plusieurs interféromètres atomiques séparés spatialement afin d'être sensible aux ondes gravitationnelles à plus basse fréquence (typiquement autour d'un Hertz). Les atomes froids sont lancés en configuration fontaine et sont séparés, réfléchis et recombinés par des impulsions laser effectuées dans une cavité optique de 300 m de long. Ces impulsions bénéficieront du gain optique intrinsèque au résonateur, leur permettant d'atteindre la puissance nécessaire à la réalisation de transitions de Bragg d'ordre élevé, augmentant ainsi la sensibilité des interféromètres atomiques. Chaque interféromètre mesure le champ gravitationnel local et les vibrations des miroirs. Le bruit sismique est donc rejeté dans le cas de mesures différentielles et en reconstruisant spatialement le champ gravitationnel, on pourra différencier le signal dû aux ondes gravitationnelles, qui est un pur gradient à l'échelle de l'instrument, du bruit newtonien qui a une signature spatiale.Les cavités de 300 m seront installées au LSBB (Laboratoire Souterrain Bas Bruit) à Rustrel, où l'antenne MIGA pourra bénéficier d'un environnement remarquablement calme. Cet instrument permettra de cartographier le champ gravitationnel du site, ce qui sera d'un grand intérêt pour l'étude géologique du massif karstique.Dans le cadre de ce projet, nous réalisons au LP2N une expérience préliminaire dont l'objectif est de générer un interféromètre de 87Rb en cavités en configuration de fontaine atomique. Cet instrument utilise une nouvelle architecture de résonateurs optiques demi-dégénérés afin de manipuler les atomes de façon cohérente avec des impulsions de Bragg. / In September 2015, the LIGO detector realized the first direct observation of gravitational waves. This ground-based detector, as well as the European detector VIRGO, is based on purely optical technologies. These instruments are extremely sensitive around 100 Hz but they are limited below few tens of Hertz by several sources of cavity length noise (seismic noise, Newtonian noise...) that mimic the effect of a gravitational wave.The idea of the MIGA (Matter wave-laser based Interferometer Gravitation Antenna) is to couple an optical interferometer with several atom interferometers spatially separated to be sensitive to gravitational waves at lower frequencies (typically around 1 Hz). The cold atoms are launched in a fountain configuration and are then split, deflected and recombined by laser pulses generated in a 300 m long optical cavity. These laser pulses will benefit from the intrinsic optical gain of the resonator, which will allow them to reach the needed power to generate high order Bragg transitions and to improve the sensitivity of the atom interferometers. Each interferometer measures the local gravitational field and the motion of the cavity. The seismic noise can be rejected by doing differential measurements and by reconstructing the spatial gravitational field, one can differentiate the gravitational wave signal, which is a pure gradient at the scale of our instrument, from the Newtonian noise that has a spatial signature.The 300 m long cavities will be implemented at the LSBB laboratory in Rustrel, where the antenna will benefit from an outstanding low noise environment. This instrument will allow to map the gravitational field of the site which will be of great interest for the geological study of the karstic massif.In the frame of this project, a preliminary experiment is currently under construction at the LP2N laboratory whose objective is to generate a 87Rb interferometer in a cavity in a atomic fountain configuration. This instrument uses a new architecture of half-degenerate optical resonators to manipulate coherently the atomic cloud with Bragg transitions.

Les lasers femtosecondes à modes bloqués révèlent une structure spectrale de peigne de fréquence, couvrant plusieurs dizaines de THz. Mon travail de thèse s'est concentré sur l'étude et la mise en place d'un dispositif optique couplant le peigne laser dans une cavité optique. Le peigne et les résonances de cavités y sont délibérément désaccordés à la manière d'un Vernier, faisant apparaitre dans la transmission spectrale de la cavité un Moiré de fréquence dont la périodicité est inversement proportionnelle à ce désaccord. La première partie présente un formalisme permettant une compréhension fine de ce couplage et identifiant deux régimes en filtrages dits de «haute» résolution, où la structure de peigne est entièrement résolue, et de «basse» résolution où la résolution est donnée par le désaccord. La seconde partie décrit la réalisation expérimentale de ce couplage, détaillant la stratégie d'asservissement employée afin de stabiliser les résonances de la cavité (F=3000) par rapport au peigne laser au kHz. Enfin, ce couplage est appliqué à la spectroscopie moléculaire. Les spectres mesurés de l'air ambiant, dans des temps d'acquisition d'une seconde, exploitent l'intégralité du spectre du laser, soit 40THz (750 850nm), avec une résolution de 2GHz. La sensibilité en absorption atteint 10−9 /cm après moyenne. Cette haute sensibilité résulte d'une immunité aux bruits de conversion fréquence-Amplitude du couplage Vernier «basse» résolution et permet l'obtention d'un rapport signal sur bruit supérieur à 104. Ces performances conduisent à établir une figure de mérite de 4 × 10−11 cm−1/ √ Hz, plaçant ce résultat au troisième rang de l'état de l'art international / Femtosecond mode-Locked lasers are generators of optical frequency ‘combs’, whose distinct frequencies cover many tens or hundreds of THz. My PhD work has focused on the study and construction of a particular coupling scheme in an optical cavity, named Vernier coupling. Here, the laser comb and the cavity resonances are deliberately mismatched, as a Vernier rule. This creates Moiré pattern in the cavity spectral transmission, with a periodicity related to the inverse of the mismatch. The first part details the theory behind the coupling of laser and optical cavity modes. Two regimes are identified, called “high” resolution Vernier filtering, when the laser comb structure is probed mode by mode, and “low” resolution filtering where the linewidth of one Vernier order is given by the mismatch. The second part describes the experimental realization of this coupling scheme. It details the locking strategy used to control the resonance position of the cavity (F=3000) in regards of the laser comb (kHz scale). Finally, I present spectra recorded with this setup, focusing on molecular spectroscopy. The spectra of ambient air are recorded in acquisition times around 1 s, that cover the full bandwidth of the femtosecond laser ( 40 THz, 750-850 nm), at 2 GHz resolution. The sensitivity of the absorption measurement reaches 10−9 /cm, with averaging. This high sensitivity comes from an immunity to the frequency-To-Amplitude noise conversion of the “low” resolution Vernier coupling, leading to a signal to noise ratio better than 104. These performances give the spectrometer figure of merit of 4×10−11 cm−1/√ Hz, currently taking third place in rank international state of the art ranking

Dans cette thèse nous étudions théoriquement de systèmes dissipatifs pompés,décrits par une équation maîtresse de Lindblad. En particulier, nous adressons les problématiques liés à l’émergence de phénomènes critiques. Nous présentons une théorie générale reliant les transitions de phase du premier et deuxième ordres aux propriétés spectrales du superopérateur liouvillien. Dans la région critique, nous déterminons la forme générale de l’état stationnaire et de la matrice propre du liouvillien associée à son gap spectral. Nous discutons aussi l’utilisation de trajectoires quantiques individuelles afin de révéler l’apparition des transitions de phase. En ayant dérivé une théorie générale, nous étudions le modèle de Kerr en présence de pompage à un photon (cohérent) et à deux photons (paramétrique) ainsi que de dissipation. Nous explorons les propriétés dynamiques d’une transition de phase du premier ordre dans un modèle de Bose-Hubbard dissipatif et d’une de second ordre dans un modèle XYZ dissipatif d’Heisenberg. Enfin, nous avons considéré la physique des cavités soumises à de la dissipation à un et deux photons ainsi qu’un pompage à deux photons, obtenu par ingénierie de réservoirs. Nous avons démontré que l’état stationnaire unique est un mélange statistique de deux états chats de Schrödinger, malgré de fortes pertes à un photon.Nous proposons et étudions un protocole de rétroaction pour la génération d’états chat purs / In this thesis we theoretically study driven-dissipative nonlinear systems, whosedynamics is capture by a Lindblad master equation. In particular, we investigate theemergence of criticality in out-of-equilibrium dissipative systems. We present a generaland model-independent spectral theory relating first- and second-order dissipative phasetransitions to the spectral properties of the Liouvillian superoperator. In the critical region,we determine the general form of the steady-state density matrix and of the Liouvillianeigenmatrix whose eigenvalue defines the Liouvillian spectral gap. We discuss the relevanceof individual quantum trajectories to unveil phase transitions. After these general results,we analyse the inset of criticality in several models. First, a nonlinear Kerr resonator in thepresence of both coherent (one-photon) and parametric (two-photon) driving and dissipation.We then explore the dynamical properties of the coherently-driven Bose-Hubbard and of thedissipative XYZ Heisenberg model presenting a first-order and a second-order dissipativephase transition, respectively. Finally, we investigate the physics of photonic Schrödingercat states in driven-dissipative resonators subject to engineered two-photon processes andone-photon losses. We propose and study a feedback protocol to generate a pure cat-likesteady state

Les ondes gravitationnelles sont des perturbations de l'espace-temps qui pourraient être détectées par un interféromètre de Michelson avec cavités Fabry-Perot. Plusieurs interféromètres sont à présent en opération: LIGO, Virgo, GEO. Ces instruments ont atteint leur sensibilité nominale et ont accompli plusieurs acquisitions de données scientifiques. Aucune détection n'a été reportée. Advanced Virgo, Advanced LIGO et LCGT sont les projets d'amélioration de sensibilité des détecteurs actuels d'un ordre de grandeur. Ces instruments, dont la construction est en cours, permettront la première détection directe des ondes gravitationnelles. Une ultérieure troisième génération d'instrument offrant une encore plus grande sensibilité est à l'étude. La sensibilité des détecteurs futurs sera limitée par le bruit thermique des miroirs. Cette thèse porte sur deux thèmes liés à la réduction de ce bruit. Le premier concerne la conception optique des cavités stable de Advanced Virgo. Leurs propriétés sont présentées, les arguments en faveur de leur utilisation sont discutés. Une procédure est établie pour achever leur conception optique. Plusieurs configurations sont examinées, conduisant à la sélection de l'une d'entre elles dont on discute les performances optiques. Le deuxième thème concerne l'utilisation des modes de Laguerre-Gauss (LG). On présente les résultats d'une expérience testant la génération d'un mode LG33 avec une optique diffractive et une cavité Fabry-Perot. Ce mode est utilisé dans un interféromètre de Michelson pour démontrer la faisabilité de mesures interférométriques avec des faisceaux non-Gaussiens. L'utilisation des modes LG dans les détecteurs futurs est discutée.