Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optiques

Nous étudions les possibilités qu'offre une cavité à miroir mobile pour mesurer de très petits déplacements. L'utilisation d'une cavité optique de grande finesse permet d'observer le bruit thermique des miroirs, qui constitue une limitation importante des mesures de très grande sensibilité. Le miroir est également susceptible de se déplacer sous l'effet des fluctuations quantiques de la pression de radiation, ce qui mène à une Limite Quantique Standard dans une mesure de position. Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience, où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir arrière est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien de ce miroir avec une très grande sensibilité (2,75 x 10^-19 m/√Hz). Nous avons également étudié la possibilité de refroidir le miroir à l'aide de la pression de radiation d'un second faisceau modulé en intensité. Au voisinage de la résonance mécanique. on applique une force visqueuse supplémentaire sans bruit additionnel (friction froide). Nous avons observé une réduction du bruit thermique aussi bien à la fréquence de résonance mécanique qu'à basse fréquence. Une application potentielle d'un tel processus de refroidissement aux interféromètres gravitationnels est discutée.

Nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage optomécanique induit par la pression de radiation entre un faisceau lumineux et un objet macroscopique tel qu'un miroir. Nous présentons une étude théorique des effets quantiques induits par la pression de radiation dans une cavité optique dont un miroir est mobile. Le miroir peut se déplacer sous l'effet de la pression de radiation et ce mouvement change la phase du champ réfléchi par la cavité. Ce couplage optomécanique induit un déphasage du champ équivalent à un effet Kerr optique. Un tel dispositif peut être utilisé pour produire des états comprimés ou réaliser une mesure quantique non destructive.<br />Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir mobile est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien du miroir. Nous avons aussi utilisé un second faisceau modulé en intensité afin d'exciter les modes acoustiques du résonateur. Ceci permet de caractériser la réponse mécanique du résonateur et le couplage entre la lumière et les modes acoustiques. Nous avons enfin démontré l'efficacité de notre dispositif pour la mesure de petits déplacements du miroir. Le plus petit déplacement observable est égale à 2x10^(-19) m/Hz(1/2), en bon accord avec la prédiction théorique.

The topic of this thesis is the theoretical analysis of theoptomechanical coupling effects in a high-finesse optical cavity, and the experimental realization of such a device.Radiation pressure exerted by light limits the sensitivity of high precision optical measurements. In particular, the sensitivity of interferometric measurements of gravitational wave is limited by the so called standard quantum limit. cavity with a movable mirror. The internal field stored in such cavity can be orders of magnitude greater than the input field, and it's radiation pressure force can change the physical length of the cavity. In turn, any change in the mirror's position changes the phase of the out put field. This optomechanical coupling leads to an intensity-dependent phase shift for thelight equivalent to an optical Kerr effect. Such a device can then be used for squeezing generation or quantum nondemolition measurements.In our experiment, we send a laser beam in to a high-finesse optical cavity with a movable mirror coated on a high Q-factor mechanical resonator. Quantum effects of radiation pressure become therefore, at low temperature, experimentally observable. However, we've shown that the phase of the reflected field is very sensitive to small mirror displacements, which indicate other possible applications of thistype of device like high precision displacements measurements. We've been able to observe the Brownian motion of the moving mirror. We've also used an auxiliary intensity modulated laser beam to optically excite the acoustic modes. We've finally obtained a sensitivity of2x10^(-19) m/sqrt(Hz), in agreement with theoretical prediction.

Dans ce manuscrit nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible des vibrations mécaniques d'un micro-miroir dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Le micro-miroir est constitué d'un résonateur de taille micrométrique en silicium, de fréquence de résonance de l'ordre du mégahertz, sur lequel est déposé un traitement optique de haute réflectivité. La sensibilité très élevée des mesures interférométriques est en principe suffisante pour observer les fluctuations quantiques de point zéro du résonateur. Pour atteindre le régime où l'énergie d'agitation thermique du micro-résonateur devient négligeable devant celle de l'état quantique fondamental, sa température doit être inférieure à 30 microKelvin. Afin d'approcher cette température, nous avons utilisé à la fois des méthodes cryogéniques traditionnelles et une technique de refroidissement laser basée sur les effets dynamiques de la pression de radiation dans une cavité désaccordée. Nous avons ainsi étudié la possibilité de combiner mesures optiques de haute sensibilité et cryogénie en plaçant le micro-résonateur et la cavité dans un cryostat à circulation d'hélium liquide. Nous avons mesuré le spectre de bruit thermique à température cryogénique et réalisé un refroidissement par pression de radiation du micro-résonateur. Nous avons également étudié un nouveau mécanisme de couplage optomécanique à trois modes, à bandes latérales résolues, plus efficace pour refroidir un micro-résonateur. Nous avons mis en évidence à la fois un effet de réduction et d'augmentation de la température effective du micro-miroir selon le couplage des modes optiques. Cette technique permet également d'étudier le phénomène des instabilités paramétriques pouvant apparaître dans les interféromètres gravitationnels de seconde génération.

Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d'anisotropie de phase optique que permet l'emploi adapté des cavités de très haute finesse. Pour stabiliser la fréquence laser sur une résonance de la cavité, un schéma d'asservissement reposant sur la rétroaction optique est utilisé.Une première partie décrit le couplage optique entre le laser et la cavité à travers l'analyse du comportement de la fréquence d'émission du laser auto-réinjecté. Une comparaison analytique théorie expérience a permis d'identifier les signaux d'erreur nécessaires au maintien durable de la fréquence du laser à l'exacte résonance d'un mode de la cavité. Après une description détaillée du dispositif d'asservissement, sa réalisation expérimentale sur une cavité de finesse de quelques milliers (F = 3 000)a démontré la possibilité de stabiliser la fréquence laser sur plus de dix heures avec une excursion résiduelle à la seconde de 375 Hz.Dans la deuxième partie, le développement précédent a été mis en œuvre sur une cavité de très haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de biréfringence induite dans des gaz par effet Kerr. L'originalité du dispositif repose sur la mise à profit de la biréfringence résiduelle des miroirs de haute réflectivité.Elle est utilisée d'une part comme source à la rétroaction optique, et d'autre part comme biais optique à la mesure de la biréfringence du gaz. Une étude théorique et expérimentale détaillée des sources de bruit présent dans la chaîne de détection en fonction de la valeur du biais optique a permis de réaliser la mesure de déphasage au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une sensibilité référence sur la mesure de déphasage Kerr de 3.10−13 rad a été démontrée pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record améliore de trois ordres de grandeur les déphasages Kerr précédemment mesurés. Le dispositif a été de plus mis à profit pour la mesure à faible champ électrique (< 40 V /mm) et à pression atmosphérique, des constantes de Kerr de différents gaz moléculaires et atomiques jusqu'à l'He.

En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Nous présentons une expérience visant à mettre en évidence ces limites, basée sur la détection ultra-sensible des déplacements d'un miroir mobile inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse. Grâce aux améliorations que nous avons apportées à ce dispositif, nous avons observé des corrélations entre un bruit classique d'intensité et la phase de faisceaux lumineux, induites par couplage optomécanique avec le miroir mobile. Nous décrivons les conditions expérimentales nécessaires pour prolonger ces expériences au niveau quantique, afin d'observer les corrélations optomécaniques produites par les fluctuations quantiques de la pression de radiation, mais aussi pour réaliser une mesure quantique non destructive de la lumière par des moyens purement mécaniques. Nous présentons également plusieurs conséquences de la pression de radiation que notre montage nous a permis de mettre en évidence : annulation de l'action en retour dans les mesures de longueur ou de force, refroidissement laser du miroir dans une cavité désaccordée, et enfin un effet dynamique de l'action en retour qui conduit à l'amplification d'un signal par la mise en mouvement du miroir. Cet effet, prédit dans le cadre de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles, devrait permettre d'améliorer la sensibilité au-delà de la limite quantique standard, qui devrait être atteinte dans les antennes gravitationnelles de seconde génération.

Nous présentons une expérience de mesure optique ultrasensible de petits déplacements d'un miroir. Grâce à l'utilisation d'une cavité Fabry-Perot de très grande finesse, nous avons atteint une sensibilité de 10-20 m.Hz-1/2 sur une plage de plusieurs centaines de kilohertz.<br /><br />Notre montage permet de mener une étude approfondie des sources de bruit dans une mesure optique et des limites de sensibilité associées. Nous nous intéressons en particulier au couplage optomécanique résultant de l'action réciproque entre la lumière et un miroir mobile. Par l'intermédiaire de la force de pression de radiation, les fluctuations quantiques d'intensité du faisceau génèrent un bruit de position supplémentaire du miroir. Ce bruit constitue l'action en retour de la mesure de position et entraîne l'existence de limites quantiques de sensibilité.<br /><br />Parmi les améliorations réalisées sur le montage, nous avons mis en place un système de double injection de faisceaux laser dans la cavité afin d'étudier les effets quantiques du couplage optomécanique. Nous avons mis en évidence une suppression de l'action en retour de la mesure par interférence destructive entre les réponses des deux miroirs formant la cavité. Nous discutons des applications potentielles de cet effet afin d'améliorer la sensibilité des mesures optiques, notamment pour les détecteurs doublement résonnants d'ondes gravitationnelles.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode.

La communauté de la chimie atmosphérique souffre d'un manque de mesures rapides, fiables résolues spatialement et temporellement pour un large éventail de molécules réactives (radicaux tels que NO2, OH, BrO, IO, etc). En raison de leur forte réactivité, ces molécules contrôlent largement la durée de vie et la concentration de nombreuses espèces clés dans l'atmosphère, et peuvent avoir un impact important sur le climat. Les concentrations de ces radicaux sont extrêmement faibles (ppbv ou moins) et très variable dans le temps et dans l'espace, ce qui impose un véritable défi lors de la détection. Dans la première partie de cette thèse, un spectromètre UV robuste, compacte et transportable est développé, exploitant la technique ML-CEAS pour mesurer à des niveaux très faibles (pptv et même en dessous) des molécules réactives d'importance atmosphérique, en particulier, les radicaux d'oxyde d'halogènes, afin de répondre aux besoins émergents. La technique ML-CEAS est basée sur le couplage d'un laser femtoseconde à blocage de modes à une cavité optique de haute finesse, qui agit comme un piège à photons pour augmenter l'interaction entre la lumière et l'échantillon de gaz intracavité. Cela permet d'améliorer fortement la sensibilité d'absorption. La limite de détection obtenue pour le radical IO est de 20 ppqv pour un temps d'acquisition de 5 minutes, ce qui est un résultat impressionnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle technique spectroscopique est développée appelée effet Vernier, qui est également basé sur l'interaction entre un laser femtoseconde à blocage de mode et une cavité optique de haute finesse. Cette technique fournit une sensibilité de détection similaire à la technique ML-CEAS, mais l'avantage est que le nombre des éléments spectraux est donné par la finesse de la cavité optique et donc peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. De plus, cette configuration simplifie le montage expérimental par la suppression du spectrographe qui est remplacé par une simple photodiode. Le temps d'acquisition d'un spectre peut être aussi réduit à moins d' 1 ms.