Nous présentons une étude comparative de l'injection optique quasi-statique pour des lasers à semi-conducteurs et des lasers à fibre. La fabrication des lasers à fibre à contre- réaction répartie est détaillée. L'étude spectrale de l'injection de lasers à semi-conducteurs pour des puissances injectées usuelles (> -30 dBm) permet, par des cartographies, de ca- ractériser les régimes bistables, le régime de relaxation, et la synchronisation de chaos. Pour de faibles puissances injectées (< -30 dBm), nous montrons que le laser esclave est un amplificateur de qualité pour de faibles signaux cohérents, et observons l'attraction en fréquence de l'esclave injecté par le maître. L'injection statique des lasers à fibre permet d'observer une réponse dynamique dans le domaine temporel, liée à des phénomènes de relaxation. Nous proposons des méthodes de mesure, par injection optique, du facteur de Henry, de faibles largeurs spectrales, du taux d'émission spontanée du laser esclave.

Dans plusieurs expériences, nous démontrons le potentiel du processus de génération d'harmoniques d'ordre élevé pour observer des dynamiques électroniques et nucléaires intra-moléculaires ultrarapides. La plus grande partie de cette thèse traite d'expériences où les molécules constituent le milieu de génération et le paquet d'ondes électronique recollisionnant joue le rôle d'une 'auto-sonde'. Les mesures de phase et amplitude de l'émission harmonique des molécules de CO2 et N2 alignées dans le référentiel du laboratoire nous permettent d'extraire l'élément de matrice du dipole de recombinaison. Ce dernier contient la signature d'une interférence quantique entre les parties libre et liée de la fonction d'onde électronique totale. L'utilisation de cette interférence quantique pour la mise-en-forme de l'émission XUV attoseconde (1as=10−18s) sera démontrée. De plus, nous étudions théoriquement la tomographie d'orbitales moléculaires à partir des éléments de matrice du dipole de recombinaison et nous démontrons sa faisabilité expérimentale. Ceci ouvre la perspective d'imager les distorsions ultra-rapides d'une orbitale frontière lors d'une réaction chimique. Dans une deuxième partie de cette thèse, nous utilisons la lumière XUV cohérente émise par des atomes d'argon pour photoioniser des molécules de N2 et mesurons comment une résonance auto-ionisante modifie la phase spectrale du paquet d'ondes de photoélectrons émis. Le dernier chapitre de ce manuscrit décrit des études de génération d'impulsions XUV attosecondes dans un milieu différent: des plasmas d'ablation. La première caractérisation temporelle d'une telle source démontre sa structure femtoseconde et attoseconde.

L'objectif de ce travail est de progresser dans la compréhension du mécanisme de la réaction d'échange pour les phases Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL). Ainsi, les propriétés d'échange des phases Zn2Cr et Zn2Al ont été examinées pour différents anions inorganiques (Cl-, F-, CO32-,SO42-, Fe(CN)63- et organiques (tartrate, succinate, adipate, styréne-4-sulfonate). Ces échanges ont été suivis par diffraction des rayons X en dispersion d'énergie (EDXRD : Energy Dispersive X-ray Diffraction) utilisant le rayonnement synchrotron. Cette technique compatible avec une étude structurale en solution in situ en cours de réaction, nous a permis de montrer l'existence de deux chemins d'échange : une conversion directe lors de l'échange d'anions inorganiques par des anions inorganiques et un processus en deux étapes avec la formation d'un composé intermédiaire dit "de stade 2" i.e. obtenu par l'échange d'un interfeuillet sur deux, dans le cas de l'échange d'anions inorganiques par des anions organiques. Ce phénomène d'intercalation par stade serait une particularité de l'échange inorganique-organique. Une corrélation peut également être établie avec la différence d'affinité des anions pour les phases HDL, qui semble indiquer que l'échange procède par stade lorsqu'il est défavorable

Intense femtosecond laser interactions with ions in beams and traps

Ce travail de thèse traite le perçage par laser en régime de percussion. Les principaux objectifs étaient de :<br />• Comprendre les phénomènes physiques intervenant au cours du perçage, <br />• Déterminer le profil des perçages à partir des paramètres expérimentaux. <br /><br />La première étape a consisté en l'identification et le contrôle des paramètres opératoires du procédé. A cet égard, ces travaux ont permis de mettre en place des méthodes de caractérisation de la source laser et de son environnement. La limitation de certains diagnostics d'observation a entraîné le développement d'une nouvelle méthode d'analyse de la morphologie des perçages, appelée méthode DODO (Direct Observation of Drilled hOle).<br />Les études spécifiques concernant la physique du procédé, ont apporté des réponses originales et interprétables sur les mécanismes intervenant au cours du perçage par laser. Ces études traitent de l'absorption et de la transmission du rayonnement au cours du perçage, des divers effets hydrodynamiques engendrés et de l'évolution des profils résultants.<br />L'absorption au cours du procédé de perçage tend vers une valeur unique (80%) en fonction de la puissance crête incidente quelle que soit la nature du matériau cible. La décroissance de la transmission en fonction de l'épaisseur est due à l'absorption des parois du perçage. La détente de la vapeur métallique consécutive à l'irradiation est supersonique. Deux types de profils existent (U et V) et permettent de remonter sans ambiguïté aux paramètres lasers utilisés lors du perçage. Enfin, l'utilité du gaz d'assistance au cours du perçage est remise en cause. Il est démontré que celui-ci ne peut pénétrer dans le perçage au cours du procédé. <br />Ces résultats remettent en cause un ensemble de connaissances héritées de la découpe par laser. Ils constituent une solide base de données sur le sujet pour améliorer la maîtrise du procédé et valider de futurs codes de calcul.

Nous étudions la photoassociation dans un gaz d'hélium métastable 4He(23S1) ultrafroid piégé magnétiquement : des paires d'atomes en collision interagissent avec un ou deux champs laser pour former des molécules à purement longue portée 4He2(23S1-23P0), ou longue portée 4He2(23S1-23S1).<br />Des décalages lumineux dans la spectroscopie à un photon sont observés, et étudiés en fonction de l'intensité et la polarisation du laser de photoassociation, ainsi que l'état vibrationnel de la molécule photoassociée. Ils sont le résultat du couplage lumineux entre la molécule excitée et le continuum d'états de diffusion et les états liés de l'interaction entre deux atomes métastables. Leur analyse quantitative permet de déterminer la longueur de diffusion a=7.2 ± 0.6 nm caractéristique des collisions entre atomes métastables polarisés.<br />La photoassociation à deux photons est utilisée pour mettre en évidence des molécules 4He2(23S1-23S1) polarisées et de forte élongation. Celles-ci sont qualifiées d'exotiques, puisqu'elles sont constituées de deux atomes métastables, portant chacun une énergie interne de 20 eV suffisante pour ioniser l'autre. Les formes de raies obtenues par cette spectroscopie sont calculées et décomposées en sommes et produits en profils de Breit-Wigner et de Fano associés à des processus à un et deux photons. Leur ajustement aux données expérimentales permet de déterminer la durée de vie intrinsèque de la molécule tau=1.4±0.3 ms. Nous tentons d'interpréter cette durée de vie en terme d'autoionisation Penning induite par relaxation de spin. Nous montrons que cette hypothèse implique qu'il y ait un état quasi-lié proche de dissociation dans le potentiel d'interaction singulet entre atomes métastables pour rendre compte des expériences.

This is a mathematical study of certain aspects of the interacting electron system in very high perpendicular magnetic field. We analyse restrictions imposed upon the density correlation functions of this system and propose a set of sum rules which they must obey. We study the possibility of building a bosonisation scheme for the projected density operators in the lowest Landau level. We suggest a second order bosonisation, along with an approximation scheme, which may be useful for carrying out calculations in the lowest Landau level. We analyse the possible ground states of the system. We suggest a set of variational wavefunctions which can have lower energy than the Laughlin state for sufficiently soft interaction potentials. We study the collective excitations of the system, paying particular attention to its symmetries. We suggest a set of variational excited states and discuss their applicability to finite as well as infinite systems.

Photons have proven to be an effective test-bed for the fundamental concepts and elements of quantum-enhanced technologies. As systems become increasingly complex, however, practical considerations make the traditional approach of bulk optics and free-space propagation progressively more difficult. The major obstacles are the physical space necessary to realise and operate such a complex system, its stability, and maintaining low losses. In order to address these issues, quantum optical technologies can take a cue from their classical counterparts and look towards an integrated architecture to provide miniaturisation, greatly enhanced stability, less alignment, and low loss interfaces between different system components. In this thesis the feasibility of chip-based waveguides as a platform for metrology and information processing will be explored. In Part I, the necessary criteria for a metrology system to out-perform its classical counterpart will be investigated. It will be found that loss is a major barrier to this aim and, critically, that it is unlikely to have been achieved to date by any experiment which consumes resources of a fixed photon number. The issue of loss will be addressed by developing a scalable heralded source of a class of entangled photonic states which are both robust to losses and practically feasible to prepare. A novel tomographic technique will be developed to characterize these states and it will be explicitly demonstrated how it is possible to beat some bounds on classical performance without being able to out-perform a comparable classical system. Finally, a proof of principle demonstration of a waveguide-based interferometer with an integrated phase-shifter will be undertaken. It will be shown that the device preserves quantum interference, making it suitable for use in quantum-enhanced metrology applications. In Part II, integrated optics in the context of information processing will be discussed. First, a novel characterization technique will be developed which enables the behaviour of complex circuits to be predicted. The technique is independent of loss in the device being characterized. A method of simulating these circuits will be outlined that takes advantage of the computational speed-up available from parallelisation and sparse matrix operations. A key increase in complexity for integrated photonic systems will be demonstrated by showing quantum interference of three photons from two separate sources in eight spatial modes. The resulting interference has a visibility which beats all possible classical interference visibilities for similar circuits. Finally, a fully integrated waveguide-coupled photon-number-resolving detector will be developed and demonstrated. This proof of concept demonstration will show good resolution of different photon number events. The device will be modelled and routes to high efficiency operation will be explored.

The commissioning and development of a laser-wire transverse electron beam profile monitor at the Accelerator Test Facility 2 in Japan is presented. The experimental setup used including a gigawatt laser system is detailed and characterised. Results from data taking in December 2010 are presented detailing the use of the laser-wire to tune the electron beam. In conjunction with this, the use of a fibre-based laser system as a suitable laser source for a laser-wire is discussed. A test bed fibre laser system was constructed to investigate the suitability of fibre lasers and the results are presented demonstrating high efficiency and excellent spatial quality. From this, a laser system capable of high resolution and high repetition intra-train scanning for demonstration at the Accelerator Test Facility 2 was designed, constructed and characterised. A commercial fibre laser system was extended using a photonic crystal fibre where periodic amplification designed to match the duty cycle of an accelerator was used advantageously to achieve higher than normal pulse energies. The results and techniques developed to measure them are presented.

The effective theory of gravity coupled to matter represents a fully consistent low energy theory of quantum gravity coupled to the known particles and forces of the standard model. In recent years this framework has been extensively used to make physical predictions of phenomena in high energy physics and cosmology. In this thesis we use theoretical tools and experimental data to place constraints on various popular models which utilise this framework. We speciffically derive unitarity bounds in grand unified theories, models of low scale quantum gravity, models with extra dimensions and models of Higgs inflation. We also derive a bound on the size of the Higgs boson's non-minimal coupling to gravity. This represents an important area of research because it helps us to better understand the theories and models that many physicists are currently working on and crucially it can inform us where we can reliably use the effective theory approach and where it breaks down.