L'objet de ce travail de thèse est d'étudier un cas particulier de l'interaction lumière-matière dans le cadre du stockage d'information quantique. Nous nous sommes intéressés aux processus appelés transitoires optiques cohérents, et plus précisément à l'écho de photon à deux impulsions. Ce processus est observé dans des cristaux dopés aux ions lanthanides, tel que le Tm3+:YAG. Une fois éclairé par une impulsion faible (le signal à stocker) puis par une impulsion plus intense (servant à la remise en phase des dipôles induits), ce milieu atomique, essentiellement un système à deux niveaux avec une transition large, réemet une troisième impulsion, qui est l'"écho" temporel de la première (chapitre 1). Nous avons observé de tels échos expérimentalement, et ce pour des impulsions de signal faibles. Néanmoins, des effets délétères, dûs à l'impulsion de rephasage et à sa propagation, nous ont permis de conclure sur l'impossibilité d'utiliser ce processus tel quel en tant que protocole de mémoire quantique (chapitre 2). Le troisième chapitre a pour objet l'état des lieux des diverses méthodes dérivées de l'écho de photon à deux impulsions. Notamment, nous examinons la capacité théorique des échos Stark à restituer une éventuelle information quantique. Bien que prometteuse, nous lui avons préféré un autre processus, basé sur la structuration de l'absorption du système en peigne de fréquences atomiques (AFC en anglais). Son étude théorique consistitue la fin du chapitre 3. Le dernier chapitre (4) s'attache à résumer les expériences que nous avons réalisées sur le protocole AFC. Elles ont permis d'observer des échos AFC avec une efficacité proche de 10%. Elles ont également permis de dégager des axes de recherche pour améliorer le protocole, comme l'AFC large- bande, ou en régime de comptage de photons.

La réalisation d'une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l'interaction matière-rayonnement. Pour capturer l'information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l'attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d'interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l'écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d'absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l'efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l'information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l'écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d'efficacité, de bande passante et de bruit.

Revue des protocoles de stockage quantique; Traitement classique de l'information sur porteuse optique; Comprendre les matériaux et leur interaction avec la lumière.

Etude des propriétés thermiques et themo-optique des cristaux de Yb:CaF2, Yb:SrF2 et Yb:CALGO avec pour but de réaliser des lasers femtoseconde de forte puissance moyennes.

Aux basses températures, les matrices dopées aux ions terre-rare sont des systèmes prometteurs pour la réalisation de mémoires quantiques. Parmi elles, le système Er³⁺:Y₂SiO₅ a l'avantage de posséder une transition aux longueurs d'onde Télécom, adaptée aux réseaux de communication actuels. Cependant, aucun stockage quantique n'a pu être réalisé de manière efficace durant un temps suffisamment long dans ce matériau. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les interactions limitant la cohérence du système aux faibles champs magnétiques. Dans ce cadre là, les interactions dominantes sont les basculements réciproques entre deux spins électroniques opposés des ions erbium et l'interaction super-hyperfine entre ces spins et les spins nucléaires des ligands yttrium. J'ai calculé la force et les caractéristiques de ces deux couplages dipolaires en incluant la grande anisotropie de la matrice Y₂SiO₅. J'ai alors pu vérifier l'effet de cette anisotropie sur les basculements réciproques des spins des ions erbium à l'aide de deux techniques optiques, le creusement de trou spectral et l'excitation transitoire. Le taux de ces basculements est maximisé lorsque le champ magnétique est orienté perpendiculairement à l'axe principal du tenseur caractérisant le spin effectif. Il augmente globalement comme le carré de la concentration en ions dopants et diminue avec le champ magnétique. Enfin, j'ai pu mesurer les caractéristiques des interactions super-hyperfines par le biais des modulations d'une décroissance d'écho de photon qu'elles provoquent. Il existe une configuration particulière où un couplage sélectif intervient entre les ions erbium et un unique yttrium de leurs environnements. Au contraire, le couplage à un nombre important d'ions ligands est responsable de la chute du temps de cohérence pour des champs magnétiques inférieurs à la dizaine de mT. / At low temperatures, rare-earth doped matrices are promising supports for the development of quantum memories. Among them, Er³⁺:Y₂SiO₅ is well adapted to the current communication networks because of its transition at Telecom wavelength. However, quantum storage has a very limited efficiency and a short duration in this material. In this thesis, I study the interactions that hinder the coherence at low magnetic fields. In this regime, the dominant processes are flip-flops between opposite electronic spins of erbium ions and the super-hyperfine interaction with nuclear spins of yttrium ligands. I have included the strong anisotropy of the Y₂SiO₅ matrix in the calculation of these two dipolar interactions. In order to check the anisotropy of the flip-flops between erbium spins, I have used two different optical techniques : spectral hole-burning and transient excitation. I have showed that their rate is maximum when the magnetic field is perpendicular to the principal axis of the effective spin tensor. Moreover, the flip-flop probability globally increases as the square of the doping concentration and as the inverse of the field. Then I have also checked the calculations of super-hyperfine interactions by measuring photon echo modulations. I have found a particular situation where an erbium ion is strongly coupled to a single yttrium. On the contrary, the coupling to several ligands at very low magnetic fields drastically reduces the coherence time.

La réalisation d’une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l’interaction matière-rayonnement. Pour capturer l’information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l’attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d’interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l’écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d’absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l’efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l’information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l’écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d’efficacité, de bande passante et de bruit. / The development of a quantum memory for light involves the most fundamental aspects of the light-matter interaction. To store the quantum information carried by light, the material has to be able to stay in a state of quantum superposition. The storage time is limited by the lifetime of this state, characterized by the coherence time. The first experiments involved the well-known cold atomic vapors. More recently, Rare Earth Ions doped Crystals (REIC) have drawn attention because of their remarkably long coherence time, combined with a large interaction bandwidth. Specific protocols have been proposed to take the most out of these properties. We have opted for a promising spin-off of the well-known photon echo, named the Atomic Frequency Comb (AFC, proposed in 2008), based on the transmission of the incoming field through a spectrally periodic absorption profile. The first chapters of this manuscript present this protocol and our works aimed at improving its efficiency (the probability for capturing and retrieving the incoming information), increasing its bandwidth and its multiplexing capacity and measuring its noise. The following chapters present a new protocol, proposed in our group during this thesis, and called Revival Of Silenced Echo (ROSE). This protocol, similar to the photon echo, have been demonstrated and characterized experimentally. It seems really promising in terms of efficiency, bandwidth and noise.

Les sources laser bleues possèdent des applications nombreuses et varies (shows laser, affichage, médecine, spectroscopie, communications sous-marines, stockage de données). Lors de cette thèse, nous avons démontré qu'avec de nouveaux concepts, il est possible de réaliser des sources bleues originales à base de cristaux dopés néodyme. Nous avons dans un premier temps proposé une alternative au laser à Argon en concevant une source basée sur la somme de fréquence de deux raies du néodyme émettant autour de 1060 nm et 910 nm. Afin de choisir le cristal optimal, nous avons mené une étude comparative sur certaines caractéristiques physiques et les performances laser sur la transition 4F3/2-4I9/2 des cristaux de Nd:GdVO4 et Nd:YVO4. Nous avons ensuite conçu et réalisé quatre architectures laser émettant en continu à 491 nm, toutes à base de somme de fréquence intracavité. Les deux premières étaient basées sur des laser bi-longueur d'onde à un seul ou deux cristaux laser. La troisième était composée de deux lasers dont les cavités étaient imbriquées, le cristal non linéaire étant inséré dans la partie commune. Finalement, nous avons réalisé un laser émettant à 1064 nm pompé intracavité à 912 nm. Sur le même principe, nous avons conçu une source en régime déclenché à 491 nm grâce à un nouveau concept d'extraction de puissance par interaction non linéaire. La somme de fréquence a alors lieu intracavité à 912 nm mais extracavité à 1063 nm. Finalement, nous avons étudié et réalisé un laser fonctionnant sur la transition à trois niveaux de l'ion néodyme. Par génération de second harmonique, nous avons ainsi réalisé des sources bleues de longueur d'onde inférieure à 450 nm.

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.<br />Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.<br />Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.<br />Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.

Les sources laser bleues possèdent des applications nombreuses et varies (shows laser, affichage, médecine, spectroscopie, communications sous-marines, stockage de données). Lors de cette thèse, nous avons démontré qu'avec de nouveaux concepts, il est possible de réaliser des sources bleues originales à base de cristaux dopés néodyme. Nous avons dans un premier temps proposé une alternative au laser à Argon en concevant une source basée sur la somme de fréquence de deux raies du néodyme émettant autour de 1060 nm et 910 nm. Afin de choisir le cristal optimal, nous avons mené une étude comparative sur certaines caractéristiques physiques et les performances laser sur la transition 4F3/2-4I9/2 des cristaux de Nd:GdVO4 et Nd:YVO4. Nous avons ensuite conçu et réalisé quatre architectures laser émettant en continu à 491 nm, toutes à base de somme de fréquence intracavité. Les deux premières étaient basées sur des laser bi-longueur d'onde à un seul ou deux cristaux laser. La troisième était composée de deux lasers dont les cavités étaient imbriquées, le cristal non linéaire étant inséré dans la partie commune. Finalement, nous avons réalisé un laser émettant à 1064 nm pompé intracavité à 912 nm. Sur le même principe, nous avons conçu une source en régime déclenché à 491 nm grâce à un nouveau concept d'extraction de puissance par interaction non linéaire. La somme de fréquence a alors lieu intracavité à 912 nm mais extracavité à 1063 nm. Finalement, nous avons étudié et réalisé un laser fonctionnant sur la transition à trois niveaux de l'ion néodyme. Par génération de second harmonique, nous avons ainsi réalisé des sources bleues de longueur d'onde inférieure à 450 nm.