In this work, we develop a new technique to determine the topological charge of a light beam with orbital angular momentum. Our technique is based on the diffraction by a triangular aperture. By performing numerical simulations, for Laguerre-Gaus beams and Bessel beams with different values of l, we found tha the diffraction pattern contains the signature of the topological charge of the beam. Our theoretical predictions for a triangular aperture were experimentally verifiel, demonstrating the the diffraction pattern reveals the topological charge of the light beam. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, desenvolvemos uma nova técnica para determinar a carga topológica de um feixe de luz com momento angular orbital. Nossa técnica é baseada na difração por uma abertura triangular. Através da realização de simulações numérica, para feixes Laguerre-Gauss e feixes Bessel com diferentes valores de l, descobrimos que o padrão de difração contém a assinatura da carga topológica do feixe. Nossas previsões teóricas para uma abertura triangular foram verificadas experimentalmente, demonstrando que o padrão de difração revela a carga topológica do feixe de luz. Esta técnica torna possível a determinação do módulo e do sinal da carga topológica de um feixe de luz de uma maneira simples e direta.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude expérimentale d'une source laser bifréquence de haute cohérence émettant à 1 µm en vue d'obtenir par photomélange un émetteur THz. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe verticale (VeCSEL), l'objectif étant d'obtenir un fonctionnement laser bifréquence robuste en régime continu, basé sur la coexistence simultanée de deux modes transverses de Laguerre-Gauss. La sélection de seulement deux modes transverses est réalisée grâce à des masques de pertes insérés intracavité dans le plan transverses. Les caractéristiques du laser bifréquence, telles que l'équilibre entre les puissances des deux modes, le caractère monofréquence de chacun des deux modes, l'accordabilité de l'écart de fréquence, la simultanéité de l'émission et la cohérence du battement THz obtenu, sont étudiées. Enfin, la génération THz par photomélange est effectuée grâce au VeCSEL bifréquence et à une photodiode UTC commerciale. / This work focuses on the design, realization and experimental study of highly coherent dual-frequency laser sources emitting at 1 µm for THz radiation generation by photomixing. We are particularly interested in vertical-external-cavity surface-emitting laser (VeCSEL), the aim being to obtain a robust dual-frequency continuous wave operation, based on simultaneous coexistence of two Laguerre-Gaussian transverse modes. We design intracavity transverse selective losses mask to select only the two Laguerre-Gaussian modes. The stable and simultaneous dual-frequency operation, the beat-frequency tunability range and the temporal coherence was specifically studied. We demonstrated THz emission by seeding a uni-travelling-carrier photodiode by an optically-pumped dual-frequency vertical-external-cavity surface-emitting.

Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles. / Laguerre-Gaussian modes of light are one of the solutions to the propagation equation of light in the paraxial approximation in cylindrical coordinates. These modes are characterized by two indices (azimuthal and radial) and present particular properties: ring-shaped structure and a helical phase. These properties have been put to use in several applications going from microscopy to astronomy. This work has been devoted to the study of these modes and their application in the cold atom domain. Initially, the purity of such modes generated by numerical holography was studied, as well as the role played by the purity in their propagation. These modes were then used to obtain a bright source of cold atoms. For more than 20 years, considerable efforts have been made to create sources of cold atoms as bright and compact as possible. A two dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) is currently used to obtain a continuous source of cold atoms with high flux of the order of 1010 atomes/s. Nevertheless, the source of cold atoms thereby achieved show a divergence of about 40 mrad which constrains the user to work by output but with a limited optical access or far from the output but at the cost of lower density. An alternative is presented, in which a Laguerre-Gaussian mode of light is used to channel the atoms at the output of a 2D-MOT. The Laguerre-Gaussian mode of light carries out a dipole trapping that confines the atoms in the black center of the mode, which has the advantage of limiting the heating due to absorption/emission of light. Thus, since the Laguerre-Gaussian modes of light keep their ring-shape along their propagation, the atoms are channeled over a distance of several decimeters. We studied the functioning of this system for different orders of the Laguerre-Gaussian mode and at different frequencies, and we showed that this system is efficient and allows to achieve a density gain of a factor 200 compared to a conventional 2D-MOT. A particular case is also presented, in which the frequency of the Laguerre-Gaussian mode of light is chosen to carry out not only the channeling of the atoms, but also their repumping, which leads to an important simplification of the system. Laguerre-Gaussian modes of light are also of great interest in the domain of quantum information and quantum cryptography because they can be used to encode and store information. In order to do that, it is crucial to be able to detect them in an unequivocal way. In this context, we are interested in the determination of these modes. Until now, different detection techniques have measured the azimuthal index, but few of them have been able to measure the radial index. If we are able to measure the radial index, it can be used as a new variable to encode and store information. Under this motivation, a technique based on the transformation of a Laguerre-Gaussian mode of light by an astigmatic system has been extended to determine the two indices characterizing them. We showed that this technique can also be used to experimentally optimize the generation of the purest possible Laguerre-Gaussian modes of high order.

Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique. / We present an experimental study of two optical quantum memory systems based on electromagnetically induced transparency (EIT) in cold cesium atoms.We explain the relevance of quantum memories for the development of large-scale quantum networks, we give a comprehensive theory of the EIT phenomenon and underline the role of relevant parameters regarding the implementation of quantum memories.The first system under study is prepared in a free-space magneto-optical trap. The main result of this thesis is the demonstration of the spatial multimode capability of this system at the quantum level. For this, we used Laguerre-Gaussian (LG) light beams, i.e. beams possessing a non-zero value of orbital angular momentum (OAM). In a first step, we showed that the orbital angular momentum of stored light pulses is preserved by the memory, deep in the single photon regime. In a second step, we encoded information in the orbital angular momentum state of a weak light pulse and defined a qubit using two LG beams of opposite helicities. We developed an original setup for the measurement of this OAM qubit and used it to characterize the action of the memory during the storage of such a light pulse. Our results show that the memory performs the quantum storage of such a qubit.The second system under study, also a cloud of cold atoms, has the specificity that the atoms are trapped optically in the vicinity of a nano-waveguide. This innovative design ensures a higher light-matter interaction and facilitates the interfacing of photons into and out of the memory. We describe the building of this setup and the first steps towards quantum memory implementations.

Cette thèse porte sur le façonnage de lasers par holographie en vue de créer des potentiels dipolaires pour les atomes froids. Le dispositif expérimental utilisé pour façonner le laser et modifier sa phase est un modulateur spatial de lumière (SLM). Grâce à ce SLM, il est possible de fabriquer des faisceaux dont le centre est noir, appelés faisceaux creux. Ces derniers sont de bons candidats pour piéger des atomes froids lorsqu'ils sont utilisés avec un laser désaccordé vers le bleu. Les atomes sont alors attirés vers le centre noir du faisceau ce qui limite les pertes d'atomes par émission spontanée. Nous avons ainsi généré des modes de Laguerre-Gauss LG0l quasi-purs dans lesquels nous avons guidé des atomes froids. L'avantage de ces modes est que l'hologramme permettant de les produire, une hélice de phase, est analytique. Des résultats quantitatifs sur l'efficacité du guidage d'atomes dans ces modes ont été obtenus et comparés à un modèle calculant l'efficacité de capture. Dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à modifier l'hologramme en hélice analytiquement pour générer d'autres faisceaux creux. Afin de savoir quelle phase appliquer sur le SLM, nous avons développé un modèle pour connaître les caractéristiques du faisceau fabriqué en tout point de l'axe de propagation. Ce modèle est basé sur la décomposition du champ sur la base des modes de Laguerre-Gauss LGpl . Nous avons ainsi généré une ouverture dans la circonférence des Laguerre-Gauss et fabriqué des croix se transformant en polygones au cours de leur propagation. Ces potentiels permettent d'envisager de nouvelles expériences dont l'étude des systèmes chaotiques.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un processus d’interaction lumière-matière hautement non-linéaire permettant la synthèse d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as = 10⁻¹⁸ s). Mes travaux de thèse portent sur l’étude du transfert de moment angulaire lors de ce processus, afin de contrôler les caractéristiques spatiales et de polarisation du rayonnement émis dans l’extrême ultraviolet. Comme pour la matière, le moment angulaire de la lumière peut être séparé en une composante de spin, associée à l’état de polarisation du faisceau, et une composante orbitale, reliée à la forme du front d’onde. La maitrise complète du moment angulaire des harmoniques nécessite de recourir à des schémas de génération à deux faisceaux non-colinéaires, créant un réseau de diffraction dans le milieu générateur. Nous avons montré que, bien que les règles de transfert obéissent à des lois de conservation du moment angulaire, la description fine du phénomène requiert une analyse précise du champ laser dans le milieu de génération. Ces travaux ouvrent des perspectives de mise en forme avancée des impulsions attosecondes. / High-order harmonic generation is a highly nonlinear laser-matter interaction process which allows the synthesis of sub-femtosecond pulses, also called attosecond (1 as = 10⁻¹⁸ s) pulses. My PhD is centered around the study of angular momentum transfer during this process, in order to control spatial and polarization features of the radiation which is emitted in the extreme ultraviolet. As for matter, the angular momentum of light can be divided into a spin component, associated with the beam’s polarization, and an orbital component, related to the shape of the wavefront. The control of high harmonics’ angular momentum requires generating schemes involving two crossing beams, thus creating a diffraction grating in the generating medium.We have shown that, although the transfer rules obey conservation laws of the angular momentum, the fine description of the phenomenon requires an accurate analysis of the laser field in the generation medium. This work opens the road for advanced shaping of attosecond pulses.

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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.

Dans ce travail nous avons résolu deux problèmes principaux de la mise en forme topologique de faisceau paraxial pour les composants plans : la modalité et le polychromatisme.Nous les résolvons en introduisant de nouveaux concepts d’éléments optiques à interaction spin orbite,à savoir la “q-plate modale” et la “q-plate Bragg-Berry”. D’un côté, la q-plate modale convertit un faisceau gaussien incident en un faisceau de Laguerre-Gauss pour un indice radial et un indice d’azimut donnés, ce qui par conséquent dépasse les capacités des q-plates conventionnelles qui ne modifient que le degré de liberté azimutal, c.à.d. le moment orbital angulaire de la lumière. À des fins expérimentales, deux approches ont été développées : une basée sur des lames de verres nanostructurées artificiellement, l’autre sur des défauts topologiques de cristaux liquides auto-organisés naturellement. D’un autre côté, la q-plate Bragg-Berry consiste en une fine couche inhomogène de cristaux liquides chiraux (cholestériques) devant un miroir, ce qui fournit une mise en forme de faisceau spin-orbite pleinement efficace sur une large bande spectrale du faisceau incident, contrairement au q-plates conventionnelles qui ne sont fabriqués que pour une longueur d’onde donnée. Par ailleurs, nous obtenons une mise en forme de faisceau spin-orbite ultra-large bande en induisant une modulation de la structure supramoléculaire torsadée des cristaux liquides cholestériques selon la direction de propagation de la lumière. Nous montrons également que la présence du miroir derrière permet un puissant contrôle spatio-temporel des propriétés vectorielles de la polarisation du champ lumineux générées par la q-plate Bragg-Berry. / It is well-known that paraxial coherent electromagnetic fields can be completelycharacterized in terms of their radial and azimuthal spatial degrees of freedom in the transverse planethat add to the polarization degree of freedom and wavelength. In this work we address two mainissues of paraxial beam shaping that are the modality and the polychromaticity in the context of flatopticsthat we address by introducing novel concepts of spin-orbit optical elements. Namely, the‘modal q-plate’ and the ‘Bragg-Berry q-plate’. On the one hand, modal q-plate converts an incidentfundamental Gaussian beam into a Laguerre-Gaussian beam of given radial and azimuthal indices,hence going beyond the capabilities of conventional q-plates that only control the azimuthal degreeof freedom, i.e. the orbital angular momentum content of light. Towards experimental realization ofmodal q-plates, two approaches are developed: one based on artificially nanostructured glasses andanother based on naturally self-organized liquid crystal topological defects. On the other hand,Bragg-Berry q-plate consist of mirror-backed inhomogeneous thin film of chiral liquid crystal(cholesteric) that provides fully efficient spin-orbit beam shaping over broad spectral range of theincident beam, in contrast to the conventional q-plates that are designed for single wavelength.Furthermore, ultra-broadband spin-orbit beam shaping is achieved by inducing an extra modulationof the supramolecular twisted structure of the cholesteric liquid crystal along the propagationdirection. We also show that the presence of a back-mirror allows a powerful spatio-temporal controlof the polarization vectorial properties of the light fields generated by Bragg-Berry q-plate.