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.

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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.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: High-dimensional quantum entanglement offers an increase in information capacity per photon; a highly desirable property for quantum information processes such as quantum communication, computation and teleportation. As the orbital angular momentum (OAM) modes of light span an infinite-dimensional Hilbert space, they have become frontrunners in achieving entanglement in higher dimensions. In light of this, we investigate the potential of OAM entanglement of photons by controlling the parameters in both the generation and measurement systems. We show the experimental procedures and apparatus involved in generating and measuring entangled photons in two-dimensions. We verify important quantum tests such as the Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) paradox using OAM and angle correlations, as well as a violation of a Bell-type inequality. By performing a full state tomography, we characterise our quantum state and show we have a pure, highly entangled quantum state. We demonstrate that this method can be extended to higher dimensions. The experimental techniques used to generate and measure OAM entanglement place an upper bound on the number of accessible OAM modes. As such, we investigate new methods in which to increase the spiral bandwidth of our generated quantum state. We alter the shape of the pump beam in spontaneous parametric down-conversion and demonstrate an effect on both OAM and angle correlations. We also made changes to the measurement scheme by projecting the photon pairs into the Bessel-Gaussian (BG) basis and demonstrate entanglement in this basis. We show that this method allows the measured spiral bandwidth to be optimised by simply varying the continuous radial parameter of the BG modes. We demonstrate that BG modes can be entangled in higher dimensions compared with the commonly used helical modes by calculating and comparing the linear entropy and fidelity for both modes. We also show that quantum entanglement can be accurately simulated using classical light using back-projection, which allows the study of projective measurements and predicts the strength of the coincidence correlations in an entanglement experiment. Finally, we make use of each of the techniques to demonstrate the effect of a perturbation on OAM entanglement measured in the BG basis. We investigate the self-healing property of BG beams and show that the classical property is translated to the quantum regime. By calculating the concurrence, we see that measured entanglement recovers after encountering an obstruction. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hoë-dimensionele kwantumverstrengeldheid bied ’n toename in inligtingskapasiteit per foton. Hierdie is ’n hoogs wenslike eienskap vir kwantum inligting prosesse soos kwantum kommunikasie, berekening en teleportasie. Omdat die orbitale hoekmomentum (OAM) modusse van lig ’n oneindig dimensionele Hilbertruimte beslaan, het dit voorlopers geword in die verkryging van verstrengeling in hoër dimensies. In die lig hiervan, ondersoek ons die potensiaal van OAM verstrengeling van fotone deur die parameters in beide die generering en meting stelsels te beheer. Ons toon die eksperimentele prosedures en apparaat wat betrokke is by die generering en die meet van verstrengelde fotone in twee dimensies. Ons verifieer kwantumtoetse, soos die Einstein, Podolsky en Rosen (EPR) paradoks vir OAM en die hoekkorrelasies, sowel as ’n skending van ’n Bell-tipe ongelykheid. Deur middel van ’n volledige toestand tomografie, karakteriseer ons die kwantum toestand en wys ons dat dit ’n suiwer, hoogs verstrengel kwantum toestand is. Ons toon ook dat hierdie metode uitgebrei kan word na hoër dimensies. Die eksperimentele tegnieke wat tydens die generasie en meet van OAM verstrengeling gebruik is, plaas ’n bogrens op die aantal toeganklik OAM modusse. Dus ondersoek ons nuwe metodes om die spiraal bandwydte van ons gegenereerde kwantum toestand te verhoog. Ons verander die vorm van die pomp bundel in spontane parametriese af-omskakeling en demonstreer die uitwerking daarvan op beide OAM en die hoekkorrelasies. Ons het ook veranderinge aan die meting skema gemaak deur die foton pare op die Bessel-Gauss (BG) basis te projekteer. Ons wys dat hierdie metode die gemeetde spiraal bandwydte kan optimeer deur eenvoudig die kontinue radiale parameter van die BG modes te verander. Ons demonstreer dat BG modusse verstrengel kan word in hoër dimensies as die heliese modusse, wat algemeen gebruik word, deur berekeninge te maak en te vergelyk met lineêre entropie en vir beide modusse. Ons wys ook dat kwantumverstrengling akkuraat nageboots kan word, met behulp van die klassieke lig terug-projeksie, wat die studie van projeksie metings toelaat en voorspel die krag van die saamval korrelasies in ’n verstrengeling eksperiment. Ten slotte, gebruik ons elk van die tegnieke om die effek van ’n storing op OAM verstrengling wat in die BG basis gemeet is, te demonstreer. Ons ondersoek die self-genesingseienskap van BG bundels en wys dat die klassieke eienskap vertaal na die kwantum-gebied. Deur die berekening van die konkurrensie (concurrence), sien ons dat die gemeetde verstrengeling herstel word nadat ’n obstruksie ondervind is.

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.

Light can exert optical forces on matter. In the macroscopic world these forces are minuscule, but on the microscopic or atomic scale, these forces are large enough to trap and manipulate particles. They may even be used to cool atoms to a fraction of a degree above absolute zero. This thesis details a number of experiments concerned with the optical manipulation of atoms and micron-size particles using free space light beams and photonic crystal fibres. Two atom guiding experiments are described. In the first experiment, a spatial light modulator is used to generate higher blue-detuned azimuthal Laguerre-Gaussian LG) beams, which are annular beams with a hollow core. These LG beams are then used to guide laser cooled rubidium-85 atoms within the dark core over a distance of 30 mm. The second atom guiding experiment involves attempting to guide laser cooled and thermal rubidium atoms through a hollow-core photonic crystal fibre using red-detuned light. Hollow-core photonic crystal fibres are fibres that are able to guide light with low attenuation within a hollow core. For this experiment a hot wire detection system was designed, along with a number of complex vacuum systems. The first dual-beam fibre trap for micron-size particles constructed using endlessly single-mode photonic crystal fibre (ESM-PCF) is described. The characteristics of dual-beam fibre traps are governed by the fibres used. As ESM-PCF has considerably different properties in comparison to conventional single- or multimode fibres, this dual beam ESM-PCF trap exhibits some novel characteristics. I show that the dual beam ESM-PCF trap can form trapping, repulsive and line potentials; an interference-free ‘white light’ trap; and a dual-wavelength optical conveyor belt.

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.

The subject of this thesis is the study of coherent interaction of light with matter (atoms) to improve the precision measurements and techniques. Special attention is drawn to get the narrow subnatural electromagnetically induced transmission (EIT), electromagnetically induced absorption (EIA) and nonlinear magneto-optic rotation (NMOR) caused by alkali atoms contained in a vapor cell. Subnatural polarization rotation introduces by a strong circularly polarized light in the absence of any external magnetic field was also studied. A detailed theoretical treatment, given in this dissertation, allows to associate each of the features of the spectra with a special physical mechanism. Many quantum phenomena related to interferences, coherences, optical pumping etc. experiments are studied using home-built diode lasers. This thesis also describes laser cooling and trapping of rubidium atoms using two techniques. Deflection of cold atoms horizontally from MOT using pushing beams are discussed in close consideration for the improvements in the precision measurements. This thesis is organized as follows. In Chapter 1, an introduction to the importance of sub-natural narrow resonance and simplified technique in the precision measurement will be discussed. In Chapter 2, an introduction to EIT, EIA and NMOR resonance are discussed. This chapter will provide a basic theoretical background of atom-field interactions, especially for Λ-type and N -type systems and its steady state solution using density matrix analysis and experimental tools. The most important notion of laser cooling of atoms, ions or molecule i.e., exchange of momentum between light and atoms combining with the Doppler effect will be discussed. In Chapter 3, the observation of subnatural EIT and subnatural EIA in closed and open degenerate two-level system using room temperature vapor cell filled with Rb will be presented. Physical mechanisms that contribute to EIT and EIA, and the contrast of our results from the coherent population trapping (CPT)–type resonances are discussed in detail in appendix A.2 according to our experimental results. In Chapter 4, the narrowing of subnatural EIT and subnatural EIA linewidth in closed and open systems again in degenerate two level transition, using the “Laguerre-Gaussian” control beam instead of generally studied Gaussian beam, will be discussed in detail. In Chapter 5, the conversion between subnatural EIT to subnatural EIA in a degenerate Λ system will be discussed. The physical mechanism created by the introduction of a coherent counter propagating control laser to the co-propagating probe and the control laser are studied. The effect of polarization and axial velocity Doppler averaging will also be studied. In Chapter 6, we will discuss the sensitive technique for precise measurement of small magnetic fields using the NMOR, by chopping the resonant laser beam. We will study the sensitivity and the potential application of this technique in the measurement of an atomic electric-dipole moment. In Chapter 7, we will be studying about the induced optical rotation by a circularly polarized control laser on the linearly polarized probe laser. The effect of the intensity of the control laser beam on the higher order optical rotation will also be studied. In Chapter 8, we will be studying about the cooling and trapping of 87Rb in magneto-optic trap. We will be studying two techniques of trapping of atoms in MOT. The cold cloud of atoms from the MOT are deflected horizontally by using different configuration of pushing beam are studied. A brief summary and outlook of my thesis work will be discussed at Chapter 9.