Dissertationen zum Thema „Moment angulaire orbital des quarks“

Premier aspect : Modélisation des GPDs via les fonctions d'onde du cône de lumière (FOCLs)L'étude améliore les moyens de trouver les fluctuations des nucléons en terme de quarks d'helicité définie. Elle utilise une représentation des distributions généralisées de partons (GPD) fondée sur des FOCLs de moment angulaire orbital de quark défini. Ces FOCLs sont importantes dans les développements de Fock des états hadroniques et sont des projections d'amplitudes à trois quarks. Les projections 3D du cône de lumière de ces amplitudes sont utilisées pour restaurer une interprétation probabiliste. Les amplitudes à trois quarks à projeter, à leur tour, sont des fonctions d'onde définies par des éléments de matrice de nucléon hors diagonale, ce qui permet d'obtenir des LFWF de nucléon de divers moments angulaires orbitaux définis (OAM).Avec ces FOCLs d'hélicité de quark définie, l'étude calcule les GPD par recouvrement. Cette approche permet d'isoler les contributions d'OAM défini aux GPDs des nucléons, aux fonctions de distribution des partons, aux facteurs de forme électromagnétiques et au rayon électrique du nucléon. L'importance de ce travail réside dans son potentiel à cartographier les contributions des états OAM de quark distincts à la structure du nucléon. Second aspect : repondération bayésienne des répliques de GPD en utilisant des données de simulation factice. Une étude systématique est présentée pour démontrer l'impact des données QCD sur réseau sur l'extraction des GPDs. Pour ce faire, un ensemble préalablement développé de modèles de GPDs basés sur des techniques d'apprentissage automatique est utilisé. La modélisation sous-jacente respecte les exigences théoriques, notamment la polynomialité, une forme de contrainte de positivité et des limites connues. Une attention particulière est accordée à l'estimation de l'incertitude découlant de la connexion complexe entre les GPDs et les processus expérimentaux, notamment la diffusion Compton à grande virtualité. Des données de QCD sur réseau factices sont stratégiquement incluses dans un cadre bayésien, réduisant l'incertitude associée aux modèles. L'accent est mis sur l'évaluation de l'impact de la précision, de la corrélation et de la couverture cinématique des données de simulation sur la réduction de l'incertitude, en particulier à obliquité modérée. Cela permet d'établir un lien entre les praticiens de la QCD sur réseau et la modélisation GPDs en examinant les contraintes sur les données simulées nécessaires pour maximiser la réduction de l'incertitude du côté de la modélisation des GPDs. En résumé, cette thèse de doctorat présente une exploration doublement axée sur la dynamique des quarks au sein de la structure nucléonique. Le premier aspect affine la modélisation des GPDs via les fonctions d'onde du cône de lumière (FOCLs), isolant les fluctuations de la projection d'hélicité des quarks et cartographiant la structure multidimensionnelle du nucléon. En complément, le deuxième aspect réalise une étude d'impact, incorporant des données de réseau factices pour contraindre la modélisation préalable des GPDs effectuée précédemment. Utilisant un cadre bayésien, ce travail affine les incertitudes résultant d'un modèle, éclairant ainsi les utilisations possibles des études de QCD sur réseau destinées à alimenter la modélisation des GPDs en combinaison et en complément des données expérimentales actuelles à venir
This PhD thesis encompasses two distinct yet interrelated aspects that contribute to the understanding of quark dynamics within the nucleon structure.First Aspect: GPD Modeling via LFWFsThe study improves ways to find quark helicity projection nucleon fluctuations. It uses a representation of Generalized Parton Distributions (GPDs) with definite quark orbital angular momentum Light Front Wave Functions (LFWFs). These LFWFs are important in Fock expansions of hadronic states, and are projections of three-quark amplitudes . The 3D light cone projections of such amplitudes are used to restore a probabilistic interpretation. The three-quark nucleon amplitudes to be projected, in turn, are wave functions defined through off-diagonal nucleon matrix elements, leading to the derivation of nucleon LFWFs of various definite orbital angular momenta (OAM).With these definite quark helicity LFWFs, the study calculates GPDs as combinations of their overlaps. This approach facilitates isolation of definite OAM contributions to nucleon GPDs, Parton Distribution Functions (PDFs), Electromagnetic Form Factors (FFs), and the electric nucleon radius. The significance of this work lies in its potential to map the contributions of distinct quark OAM states to nucleon structure.Second Aspect: Bayesian Reweighting of GPD Replicas Using Mock Lattice DataA systematic study is presented to demonstrate the impact of lattice QCD data on the extraction of GPDs. To achieve this, a previously developed set of GPD models based on machine learning techniques is employed. The underlying modeling adheres to theoretical requirements, including polynomiality, a form of positivity constraint, and known limits. Special attention is given to estimate uncertainty arising from the challenging connection between GPDs and experimental processes, notably deeply virtual Compton scattering (DVCS).Mock lattice QCD data inputs are strategically included in a Bayesian framework, reducing the uncertainty associated with the models. Emphasis is placed on assessing the impact of precision, correlation, and kinematic coverage of lattice data on uncertainty reduction, particularly at moderate skewness. This allows for a connection between lattice QCD practitioners and GPD modeling by investigating the constraints on lattice data necessary for the greatest reduction of uncertainty on the modeling side of nucleon GPD physics.In summary, this PhD thesis presents a dual-focused exploration of quark dynamics within the nucleon structure. The first aspect refines GPD modeling through LFWFs, isolating quark helicity projection nucleon fluctuations and delineating the multidimensional structure of the nucleon. Complementing this, the second aspect conducts an impact study, incorporating mock lattice data to constrain prior GPD modeling by colleagues of the candidate. Utilizing a Bayesian framework, the study refines uncertainties resulting from a prior model based on Goloskov and Kroll's phenomenological approach, and in doing so elucidates possible uses of directed lattice QCD studies intended to feed GPD modeling in combination and complement to current and future experimental data

Despite his discovery in the early twentieth century, the Orbital Angular Momentum (OAM) is an electromagnetic wave property unexploited yet. Since the 1990s, it has been firstly used in Optics with paraxial or Gaussian beams. On the contrary to the Spin Angular Momentum which has two orthogonal states, the Orbital Angular Momentum has theoretically infinite orthogonal states. Recently, this property has been studied with experiments in the radiofrequency domain which arouse the interest for these kinds of waves. Indeed, the Orbital Angular Momentum, as an information encoding medium, has been highly considered in optical links. In the telecommunication community, it shows the perspective of improving the link capacity with equivalent spectral occupation. In a highly controversial context, the objective of this work is to study the fundamental properties of the Orbital Angular Momentum to learn the basic properties of waves carrying Orbital Angular Momentum, called electromagnetic vortexes. It will permit to finally determine the potentials and the limits of his use. This first step gave two ways of study. On the one hand, we bring our contribution in improving the existent works on the estimation theory of the order of Orbital Angular Momentum. On the other hand, the link budget of a wave carrying Orbital Angular Momentum is proposed with an asymptotic study to end with an original formulation. It shows the equivalent terms of gains and losses which can help the pre-conception of a communication system using Orbital Angular Momentum. This formulation is validated in simulation and with an experimental prototype of a system with four Orbital Angular Momentum communication channels, realized with the support of the CNES. Finally, this manuscript ends with discussions on the many possibilities given by the Orbital Angular Momentum
Malgré sa découverte au début du XXe siècle, le Moment Angulaire Orbital (OAM) est une propriété de l'onde encore inexploitée actuellement. Au cours des années 1990, les premières utilisations pratiques du Moment Angulaire Orbital d'une onde électromagnétique ont vu le jour dans le domaine optique. Il s'agissait alors de faisceaux collimatés ou gaussiens. Contrairement au Moment Angulaire de Spin qui ne possède que deux états orthogonaux, il existe en principe une infinité d'états pour le Moment Angulaire Orbital. On peut également exhiber pour eux des propriétés algébriques d'orthogonalité. Les récentes expériences qui mettent en oeuvre cette propriété dans le domaine des hyperfréquences ont suscité un intérêt pour ces ondes. En effet, l'utilisation du Moment Angulaire Orbital, en tant qu'élément de codage de l'information, a été récemment investiguée dans le domaine des liaisons optiques. Au sein de la communauté des télécommunications, elle laisse notamment apparaître des perspectives d'accroissement des capacités de transmission, à occupation spectrale équivalente. Nous proposons dans cette thèse l'étude des concepts fondamentaux, en appui sur l'état de l'art, pour poser les bases de la compréhension de ces ondes si particulières, également appelées vortex électromagnétiques. Malgré la très vive controverse actuelle autour de ce sujet, l'objectif de ces travaux est de dresser un premier bilan des aspects fondamentaux sur le Moment Angulaire Orbital et de statuer sur les potentialités et les limites de son utilisation. Nous avons défini deux axes d’étude pour atteindre ces objectifs. D'une part, nous apportons une contribution en approfondissant les travaux existants sur la théorie de l'estimation locale de l'ordre du Moment Angulaire Orbital. D'autre part, la problématique du bilan de liaison d'une onde porteuse de Moment Angulaire Orbital est largement étudiée. Un développement asymptotique est proposé pour aboutir à une formulation originale faisant apparaître des termes équivalents de gains et de pertes. Cette formulation, permettant de pré-dimensionner un système de communication à Moment Angulaire Orbital, est validée en simulation et expérimentalement à l'aide d'un prototype de système de communication à quatre canaux de Moment Angulaire Orbital, conçu et réalisé avec le soutien du CNES. Enfin, prenant part à un travail amont sur le Moment Angulaire Orbital, ce manuscrit s'achève sur des discussions quant aux potentialités multiples liées à cette propriété

Ce travail de thèse traite des effets mécaniques rotationnels résultant de l'interaction son-matière en présence de transfert de moment angulaire de nature orbitale. Deux approches expérimentales sont mis en œuvre, toutes deux utilisant des ondes ultrasonores se propageant dans l'air et des objets de taille centimètrique obtenus par impression 3D imprimés et se comportant comme des miroirs structurés imprimant un profil de phase hélicoïdal au champ réfléchi. Le résultat principal consiste en la mesure directe quantitative du moment angulaire orbital porté par un faisceau vortex via deux approches indépendantes. La première est basée sur l’utilisation d’un miroir hélicoïdal placé à l’interface air-eau, et la seconde repose sur le développement d'un oscillateur mécanique de torsion forcé par le transfert de moment angulaire
We study the rotational mechanical effects resulting from sound-matter interaction in the presence of orbital angular momentum transfer. A set of experimental realizations are implemented by using ultrasonic waves propagating in the air and 3D printed centimeter-sized objects acting as structured mirrors imparting a helical phase profile to the reflected wave. The main result consists of the quantitative direct measurement of the orbital angular momentum carried by acoustic vortex beams via two independent approaches. The first one is based on the use of a freely rotating helical mirror placed at air-water interface, and the second one relies on the development of a torsional mechanical oscillator driven by acoustic orbital angular momentum

Les fibres optiques (qu’elles soient à saut ou à gradient d'indice) sont largement utilisées pour les liaisons longue (intercontinentale, dorsale optique terrestre) et courte portée (centre de données, réseau d'accès). Certaines fibres, appelées fibres optiques de spécialité, jouent également un rôle important dans d'autres domaines telles que la médecine (endoscopie par exemple), les capteurs, les applications au laser, etc. La multiplication constante des services Internet combinée à la croissance du nombre d'utilisateurs rend nécessaire l'augmentation de la capacité actuelle des réseaux à fibres optiques. Les fibres aujourd’hui installées et utilisées pour les transmissions à très haut débit utilisent uniquement le mode fondamental (noté LP01, dans l'approximation de faible guidage) pour transmettre les informations : on parle de fibres optiques monomodes. Comme ils atteignent maintenant la limite non-linéaire de Shannon, une des idées pour augmenter la capacité des réseaux optiques consiste à mettre en œuvre le multiplexage spatial (SDM) et à utiliser simultanément différents modes dans une fibre dite légèrement multimode (supportant généralement quelques dizaines de modes) ou une fibre multi-cœurs. Depuis 2010, plusieurs études ont été développées dans ce sens, principalement sur les fibres supportant les modes LP (Linéairement Polarisés) et, plus récemment, les modes OAM (moment angulaire orbital), c’est-à-dire des modes à polarisation circulaire et à phase hélicoïdale. Dans ce dernier cas, les propriétés de phase et de polarisation sont supposées limiter le couplage entre les modes. Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de fibres OAM présentant un couplage faible entre modes, pour une application au transport de données mais également pour une étude en photonique non-linéaire. Certaines des fibres étudiées sont des fibres à cœur annulaire fabriquées selon les méthodes de fabrication conventionnelles, présentant des rayons interne / externe et des indices d’anneau optimisés. Nous avons fabriqué de telles fibres à cœur annulaire toute solide dans le but de les appliquer pour une transmission MIMO simple en utilisant des modes OAM comme des canaux indépendants. Cependant, nous avons également conçu et fabriqué la première fibre à cristal photonique (PCF) avec un cœur annulaire quasi-circulaire, à faible perte par confinement et adaptée au guidage des modes OAM. Nous avons montré expérimentalement que les fibres fabriquées supportent les modes OAM et leurs matrices de transmission ont été mesurées. Nous avons également effectué des expérimentations préliminaires sur le décalage solitonique dans la fibre PCF supportant les modes OAM
Optical fibers (step index and graded-index ones) are widely used for long-haul (intercontinental, terrestrial optical backbone) and short-reach (datacenter, access network) links. Some fibers called specialty optical fibers also play an important role in other applications like medicine (endoscopy for example), sensing, laser applications etc. The constant rise of Internet services combined to the growth of the number of Internet users makes it necessary to increase the current capacity of optical fiber networks. The fibers commercially used today for very high data rate transmissions use only the fundamental mode (denoted LP01, in the weakly guiding approximation) to transmit the information: there are known as single-mode fibers. As they are now reaching the so-called nonlinear Shannon limit, one of the ideas for increasing the capacity of fiber networks is to implement space-division multiplexing (SDM) and then simultaneously use different modes in a so-called few-mode fiber (fiber supporting typically dozens of modes) or a multicore fiber. Since 2010, several studies have been developed in this direction, mainly on fibers supporting LP (Linearly Polarized) modes and more recently OAM (Orbital Angular Momentum) modes, i.e. modes with helical phase and circular polarization. In this last case, phase and polarization properties are supposed to limit the coupling between modes. This PhD work deals with the design and the realization of OAM fibers presenting weak coupling between modes, for application to data transport but also for study in nonlinear photonics. Some of the fibers studied are annular core fibers made by conventional manufacturing methods, having internal / external radii and optimized ring refractive indices. We fabricated such all-solid ring-core fibers with the aim to apply them for simple MIMO transmission using OAM modes as independent channels. However, we also designed and manufactured the first photonic crystal fiber (PCF) with close-to-circular ring-core, low confinement loss and suitable for OAM mode guidance. We experimentally show that the fabricated fibers support OAM modes, and their transmission matrices have been measured. We also performed preliminary solitonic shifting experimentations in PCF fiber supporting OAM

Les fibres optiques (qu’elles soient à saut ou à gradient d'indice) sont largement utilisées pour les liaisons longue (intercontinentale, dorsale optique terrestre) et courte portée (centre de données, réseau d'accès). Certaines fibres, appelées fibres optiques de spécialité, jouent également un rôle important dans d'autres domaines telles que la médecine (endoscopie par exemple), les capteurs, les applications au laser, etc. La multiplication constante des services Internet combinée à la croissance du nombre d'utilisateurs rend nécessaire l'augmentation de la capacité actuelle des réseaux à fibres optiques. Les fibres aujourd’hui installées et utilisées pour les transmissions à très haut débit utilisent uniquement le mode fondamental (noté LP01, dans l'approximation de faible guidage) pour transmettre les informations : on parle de fibres optiques monomodes. Comme ils atteignent maintenant la limite non-linéaire de Shannon, une des idées pour augmenter la capacité des réseaux optiques consiste à mettre en œuvre le multiplexage spatial (SDM) et à utiliser simultanément différents modes dans une fibre dite légèrement multimode (supportant généralement quelques dizaines de modes) ou une fibre multi-cœurs. Depuis 2010, plusieurs études ont été développées dans ce sens, principalement sur les fibres supportant les modes LP (Linéairement Polarisés) et, plus récemment, les modes OAM (moment angulaire orbital), c’est-à-dire des modes à polarisation circulaire et à phase hélicoïdale. Dans ce dernier cas, les propriétés de phase et de polarisation sont supposées limiter le couplage entre les modes. Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de fibres OAM présentant un couplage faible entre modes, pour une application au transport de données mais également pour une étude en photonique non-linéaire. Certaines des fibres étudiées sont des fibres à cœur annulaire fabriquées selon les méthodes de fabrication conventionnelles, présentant des rayons interne / externe et des indices d’anneau optimisés. Nous avons fabriqué de telles fibres à cœur annulaire toute solide dans le but de les appliquer pour une transmission MIMO simple en utilisant des modes OAM comme des canaux indépendants. Cependant, nous avons également conçu et fabriqué la première fibre à cristal photonique (PCF) avec un cœur annulaire quasi-circulaire, à faible perte par confinement et adaptée au guidage des modes OAM. Nous avons montré expérimentalement que les fibres fabriquées supportent les modes OAM et leurs matrices de transmission ont été mesurées. Nous avons également effectué des expérimentations préliminaires sur le décalage solitonique dans la fibre PCF supportant les modes OAM
Optical fibers (step index and graded-index ones) are widely used for long-haul (intercontinental, terrestrial optical backbone) and short-reach (datacenter, access network) links. Some fibers called specialty optical fibers also play an important role in other applications like medicine (endoscopy for example), sensing, laser applications etc. The constant rise of Internet services combined to the growth of the number of Internet users makes it necessary to increase the current capacity of optical fiber networks. The fibers commercially used today for very high data rate transmissions use only the fundamental mode (denoted LP01, in the weakly guiding approximation) to transmit the information: there are known as single-mode fibers. As they are now reaching the so-called nonlinear Shannon limit, one of the ideas for increasing the capacity of fiber networks is to implement space-division multiplexing (SDM) and then simultaneously use different modes in a so-called few-mode fiber (fiber supporting typically dozens of modes) or a multicore fiber. Since 2010, several studies have been developed in this direction, mainly on fibers supporting LP (Linearly Polarized) modes and more recently OAM (Orbital Angular Momentum) modes, i.e. modes with helical phase and circular polarization. In this last case, phase and polarization properties are supposed to limit the coupling between modes. This PhD work deals with the design and the realization of OAM fibers presenting weak coupling between modes, for application to data transport but also for study in nonlinear photonics. Some of the fibers studied are annular core fibers made by conventional manufacturing methods, having internal / external radii and optimized ring refractive indices. We fabricated such all-solid ring-core fibers with the aim to apply them for simple MIMO transmission using OAM modes as independent channels. However, we also designed and manufactured the first photonic crystal fiber (PCF) with close-to-circular ring-core, low confinement loss and suitable for OAM mode guidance. We experimentally show that the fabricated fibers support OAM modes, and their transmission matrices have been measured. We also performed preliminary solitonic shifting experimentations in PCF fiber supporting OAM

Une onde électromagnétique est définie par son amplitude, son vecteur d'onde, sa fréquence et son moment angulaire. Ce dernier peut être séparé en deux parties : la polarisation (associée au moment angulaire de spin), et le moment angulaire orbital. Ce dernier n'a vraiment été étudié qu'à partir de ces dernières années. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur ce moment angulaire orbital. Des prototypes ont ainsi été réalisés, et des outils d'analyse ont été développés. Dans un premier temps, une étude du transfert de ce moment angulaire orbital à un objet macroscopique, à la fréquence de 870 MHz, est présentée. Une interprétation du mécanisme de transfert est ensuite proposée, supportée par le calcul des équations de champs et des simulations électromagnétiques. Dans un second temps, la conception et la réalisation de deux antennes, pouvant générer une onde possédant un moment angulaire orbital, sont présentées. Ces deux antennes utilisent une lame de phase avec une loi à dépendance angulaire. La première est une lame de phase dite « spirale », à permittivité constante et à hauteur variable. La seconde est une lame à gradient d'indice, à permittivité variable et à hauteur constante. Ces deux antennes ont été simulées, puis mesurées au sein de la chambre anéchoïque CHEOPS (DGA-MI, Bruz). Des cartographies sur un plan du champ ont ainsi été obtenues. Dans un dernier temps, la réflexion sur des surfaces courbes et planes, et l'influence de l'échantillonnage sur l'estimation des modes d'OAM, ont été étudiées. En ce qui concerne la réflexion, les résultats de simulations sont prometteurs, et semblent indiquer l'existence d'une relation entre les déformations du faisceau réfléchi et le type de surface. Pour l'estimation des modes d'OAM, les valeurs de champs sont extraites sur un cercle. Différents paramètres (positionnement et rayon du cercle) ont été considérés, et une méthode d'estimation des modes d'OAM sur une large bande de fréquence est proposée
An electromagnetic wave is defined by its amplitude, its wave vector, its frequency and its angular momentum. This momentum can be decomposed into two components: polarization (associated to spin angular momentum), and orbital angular momentum. The later has not been investigated thoroughly until the last few years. To deepen the knowledge on orbital angular momentum, both prototypes and analysis tools have been developed in this thesis. First, study of orbital angular momentum transfer to a macroscopic object, at a frequency of 870 MHz, is presented. An interpretation of the transfer mechanism is then proposed, supported by the calculation of field equations and electromagnetic simulations. Secondly, the conception and the realization of two antennas able to generate an EM wave with orbital angular momentum are presented. These antennas use phase plates with an angular dependent law. The first one is a “spiral” phase plate, with constant permittivity and variable height. The second one has variable permittivity and constant height. Both have been simulated and characterized in CHEOPS anechoic chamber (DGA-MI, Bruz). Measurements of magnitude and phase, on a plane, have been obtained. Lastly, total reflection on planar and curved surfaces and influence of sampling on OAM modes estimation were investigated. Simulation results of reflected waves are promising and show a relationship between the induced deformations and the object reflected on. As for OAM modes estimation, study has been performed using an extraction circle on the wave front. Several parameters (center of the circle, radius) have been considered, and a method for OAM modes estimation on a large bandwidth is proposed

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

Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital
It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity

Ce manuscrit présente le travail de thèse CIFRE/Amplitude réalisé pour mettre en place sur la ligne XUV de LASERIX une expérience de génération d'harmoniques par un faisceau infrarouge de pompe portant un moment angulaire non nul produit par ajout d'une lame de phase. L'originalité de notre démarche a été de générer les harmoniques dans une cellule de gaz relativement longue (de l'ordre de 10mm) et de caractériser les vortex optiques de l’harmonique 25 par un Hartmann Extreme Ultraviolet. Nous avons démontré que la sensibilité du détecteur et la fiabilité du traitement logiciel des données permettait de vérifier que l'harmonique 25 porte typiquement un moment angulaire de 25, conforme aux prédictions. L'analyse plus poussée des données expérimentales a permis de mettre en évidence le caractère intrinsèquement multimode des faisceaux produits. Elle a aussi permis de montrer le rôle de l'astigmatisme résiduel, même très faible du faisceau infrarouge de pompe dans la forme bi-lobale des vortex harmoniques produits. Forme que l'on a pu étudier et corriger grâce à une boucle de correction du front d'onde du laser de pompe. Le travail s'appuie sur des codes de propagation et de diffraction de faisceaux portant des moments angulaires non nuls, que ce soit dans l'XUV ou l'infrarouge. Ils permettent de quantifier le caractère multimode, en termes de modes LG, des faisceaux infrarouges traversant une lame de phase supposée d'abord parfaite, puis réelle. Puis en utilisant le modèle de l'atome unique de la GHOE que le processus non linéaire non perturbatif induisait intrinsèquement de nouveaux modes LG radiaux. L'objectif de tout ce travail pour l'équipe LASERIX était de démontrer la capacité d'un plasma amplificateur de type laser X pompé en cible solide à amplifier un vortex harmonique à la bonne longueur d'onde, tout en conservant sa structure modale et en tous cas la charge portée par le faisceau. Une collaboration avec Eduardo Oliva de Madrid qui réalise des simulations de type Maxwell Bloch montre que cela est possible du point de vue de la physique fondamentale de l'amplification dans ce domaine de longueurs d'onde
This document presents the CIFRE/Amplitude thesis work carried out to set up on the LASERIX XUV line an experiment of high harmonic generation by a pump infrared beam carrying a non-zero orbital angular momentum produced by adding a phase plate on the beam path. The originality of our approach was to generate the harmonics in a relatively long gas cell (around 10mm) and to characterize the optical vortices of harmonic 25 by a Extreme Ultraviolet Hartmann. We demonstrated that the sensitivity of the detector and the reliability of the software processing of the data made it possible to verify that harmonic 25 typically carries an orbital angular momentum of 25, as theoretically predicted. Further analysis of the experimental data allowed us to quantitatively demonstrate the intrinsically multimode nature of the produced beams. I have therefore detailed the different methods of analysis proposed in the literature, I could compare their reliability and their relevance to describe the physical phenomenon at work. I also studied in detail the robustness and convergence of the analytical methods applied to beams with typical orbital angular momenta as high as l=25. The analysis of the data allowed me to show the role of even very weak residual astigmatism contained in the pump infrared beam to produce the bi-lobal shape of the vortices. This characteristic shape was also obtained by other teams. One way to regain a truly annular shape is to set up an active optimization loop of the pump laser wavefront. I have also developed propagation and diffraction calculations of beams carrying non-zero orbital angular momenta, whether in EUV or infrared. This allowed me to quantify the multimode character, in terms of LG modes, of the infrared beams passing through a phase plate that was first assumed to be perfect, then real. Then I showed using the single atom model for harmonic generation that this non-linear, non-perturbative process intrinsically induced new radial LG modes. Finally, the objective of all this work for the LASERIX team was to demonstrate the ability of an X-ray laser amplifier plasma pumped from a solid target to amplify a harmonic vortex at the right wavelength, while maintaining its modal structure and in any case the charge carried by the beam. A collaboration with Eduardo Oliva from Madrid, who carries out Maxwell Bloch simulations, shows that this is possible from the point of view of the fundamental physics of the amplification in this wavelength range

Les besoins toujours croissants en terme de transfert de données numériques poussent au développement de nouvelles technologies pour accroître la capacité des réseaux, notamment en ce qui concerne les réseaux de fibre optique. Parmi ces nouvelles technologies, le multiplexage spatial permet de multiplier la capacité des liens optiques actuels. Nous nous intéressons particulièrement à une forme de multiplexage spatial utilisant le moment cinétique orbital de la lumière comme base orthogonale pour séparer un certain nombre de canaux. Nous présentons d’abord les notions d’électromagnétisme et de physique nécessaires à la compréhension des développements ultérieurs. Les équations de Maxwell sont dérivées afin d’expliquer les modes scalaires et vectoriels de la fibre optique. Nous présentons également d’autres propriétés modales, soit la coupure des modes, et les indices de groupe et de dispersion. La notion de moment cinétique orbital est ensuite introduite, avec plus particulièrement ses applications dans le domaine des télécommunications. Dans une seconde partie, nous proposons la carte modale comme un outil pour aider au design des fibres optiques à quelques modes. Nous développons la solution vectorielle des équations de coupure des modes pour les fibres en anneau, puis nous généralisons ces équations pour tous les profils de fibres à trois couches. Enfin, nous donnons quelques exemples d’application de la carte modale. Dans la troisième partie, nous présentons des designs de fibres pour la transmission des modes avec un moment cinétique orbital. Les outils développés dans la seconde partie sont utilisés pour effectuer ces designs. Un premier design de fibre, caractérisé par un centre creux, est étudié et démontré. Puis un second design, une famille de fibres avec un profil en anneau, est étudié. Des mesures d’indice effectif et d’indice de groupe sont effectuées sur ces fibres. Les outils et les fibres développés auront permis une meilleure compréhension de la transmission dans la fibre optique des modes ayant un moment cinétique orbital. Nous espérons que ces avancements aideront à développer prochainement des systèmes de communications performants utilisant le multiplexage spatial.
The always increasing need for digital data bandwidth pushes the development of emerging technologies to increase network capacity, especially for optical fiber infrastructures. Among those technologies, spatial multiplexing is a promising way to multiply the capacity of current optical links. In this thesis, we are particularly interested in current spatial multiplexing using the orbital angular momentum of light as an orthogonal basis to distinguish between a few optical channels. We first introduce notions from electromagnetism and physic needed for the understanding of the later developments. We derive Maxwell’s equations describing scalar and vector modes of optical fiber. We also present other modal properties like mode cutoff, group index, and dispersion. Orbital angular momentum is briefly explained, with emphasis on its applications to optical communications. In the second part, we propose the modal map as a tool that can help in the design of few mode fibers. We develop the vectorial solution of the ring-core fiber cutoff equation, then we extend those equations to all varieties of three-layer fiber profiles. Finally, we give some examples of the use of the modal map. In the third part of this thesis, we propose few fiber designs for the transmission of modes with an orbital angular momentum. The tools that were developed in the second part of this thesis are now used in the design process of those fibers. A first fiber design, characterized by a hollow center, is studied and demonstrated. Then a second design, a family of ring-core fibers, is studied. Effective indexes and group indexes are measured on the fabricated fibers, and compared to numerical simulations. The tools and the fibers developed in this thesis allowed a deeper comprehension of the transmission of orbital angular momentum modes in fiber. We hope that those achievements will help in the development of next generation optical communication systems using spatial multiplexing.

Dans une première partie introductive, nous rappelons la description théorique de la propagation de faisceaux optiques en terme des modes solutions de l'équation de propagation dans l'approximation paraxialle. Dans ce cadre, nous présentons les notions de moment cinétique transporté par les faisceaux lumineux, et de sa décomposition en moment cinétique intrinsèque (ou spin) et en moment angulaire.La seconde partie est consacrée au codage de l'information dans les degrés de libertés de polarisation et de modes transverses des faisceaux optiques. Les modes spin-orbites sont définis et un dispositif expérimental optique pour produire ces modes est présenté. Les modes spin-orbites sont alors exploités pour implémenter un protocole de distribution de clés BB84 ne nécessitant pas le partage à priori d'une base de référence.Dans une troisième partie, nous proposons un critère de type inégalité de Bell, qui constitue une condition suffisante pour caractériser la non-séparabilité en spin-orbite d'un faisceau optique classique. Nous montrons ensuite que la notion de modes spin-orbite séparable ou non-séparable constitue une analogie pertinente avec la notion d'intrication d'états quantiques et permet l'étude de certaines de ses propriétés fondamentales. Enfin, une implémentation expérimentale de cette simulation de tests de Bell avec des faisceaux optiques classiques est présentée, ainsi que sa description détaillée dans le cadre de l'optique quantique.Dans une dernière partie, nous nous intéressons à des inégalités de Bell, pour des états quantiques de systèmes quantiques à deux parties, qui sont caractérisées chacune par une variable continue de type angulaire (périodique). Nous montrons comment détecter la non-localité sur ce type de système, avec des inégalités qui sont similaires aux inégalités CHSH; inégalités qui avaient été développées originellement pour des systèmes de type spin 1/2. Nos inégalités, sont construites à partir de la mesure de la corrélation de fonctions angulaires. Nous montrons qu'elles sont en fait la superposition continue d'inégalités CHSH de type spin 1/2. Nous envisageons une possible implémentation expérimentale, où les corrélations mesurées sont les corrélations angulaires du profil transverse des photons intriqués
We shall present a theoretical description of paraxial beams, showing the propagation modes that arise from the solution of the paraxial equation in free space. We then discuss the angular momentum carried by light beams, with its decomposition in spin and orbital angular momentum and its quantization. We present the polarization and transverse modes of a beam as potential degrees of freedom to encode information. We define the Spin-Orbit modes and explain the experimental methods to produce such modes. We then apply the Spin-Orbit modes to perform a BB84 quantum key distribution protocol without a shared reference frame.We propose a Bell-like inequality criterion as a sufficient condition for the spin-orbit non-separability of a classical laser beam. We show that the notion of separable and non-separable spin-orbit modes in classical optics builds a useful analogy with entangled quantum states, allowing for the study of some of their important mathematical properties. We present a detailed quantum optical description of the experiment in which a comprehensive range of quantum states are considered.Following the study of Bell's inequalities we consider bipartite quantum systems characterized by a continuous angular variable θ. We show how to reveal non-locality on this type of system using inequalities similar to CHSH ones, originally derived for bipartite spin 1/2 like systems. Such inequalities involve correlated measurement of continuous angular functions and are equivalent to the continuous superposition of CHSH inequalities acting on two-dimensional subspaces of the infinite dimensional Hilbert space. As an example, we discuss in detail one application of our results, which consists in measuring orientation correlations on the transverse profile of entangled photons

Des interactions entre la matière et la lumière sont à l'origine de phénomènes opto-mécaniques. L'une des caractéristiques distinctives de l'interaction lumière-matière est l'interaction spin-orbite de la lumière. Cette dernière s'étudie au sein d'un domaine de recherche émergent consacré à l'étude des effets opto-mécaniques en présence de l'interaction entre la polarisation et des degrés de liberté spatiaux de la lumière. En particulier, ce travail vise à observer directement la manifestation (i) des forces latérales et (ii) des couples optiques gauches qui sont des effets opto-mécaniques contre-intuitifs. On utilise pour cela des milieux non homogènes et anisotropes comme ingrédients essentiels à la fabrication d’éléments optiques spin-orbite. Nous rapportons tout d'abord, les tentatives d’observations expérimentales directes, à partir des résultats préliminaires obtenus préalablement dans notre groupe de recherche. Nous présentons ensuite de nouvelles propositions d'expérimentations ainsi qu'une généralisation adaptée au cas des forces latérales. Par conséquent, nous rapportons d’une observation directe à l’échelle du millimètre des forces latérales optiques et des couples optiques gauches dépendantes du spin en effectuant une étude complète. Il ressort de l'analyse des deux phénomènes que leurs vitesses peuvent être augmentées en réduisant l'inertie ou la taille des éléments optiques spin-orbite au point de rendre les phénomènes significatifs à l'échelle microscopique et intéressants pour les applications technologiques. Nous faisons un rapport chronologique de notre travail expérimental consistant à observer le moment de force orienté à gauche à l'échelle du micromètre en utilisant des versions miniaturisées des échantillons précédents. Comme la dernière tentative n’était pas concluante, nous finissons par proposer de nouvelles stratégies prometteuses pour manipuler de tels micro-objets
Interactions between light and matter cause optomechanical phenomena, where a distinctive feature of light-matter interaction, namely, the spin-orbit interaction of light, takes place within an emerging research area dedicated to the study of optomechanical effects in the presence of the interplay between polarization and spatial degrees of freedom of light. In particular, this work aims to directly observe the manifestation of (i) lateral forces and (ii) left-handed torques, which are counterintuitive optomechanical effects, by using inhomogeneous and anisotropic media as a critical ingredient for the manufacture of spin-orbit optical elements. Hence, we report on their direct experimental observations attempts, starting from the preliminary results obtained in our group before this work, and then present our new proposals and further generalization to the case of lateral forces. Consequently, we report on a millimeter-scale direct observation of optical spin-dependent lateral forces and left-handed torques with a full study. From the analysis of both phenomena, it turns out that their speed can be increased by reducing the spin-orbit optical elements inertia or size, making the phenomena relevant at microscopic-scale and interesting for technological applications. Thus, we account for our experimental journey chronologically, to observe the left-handed torque at micrometer-scale with samples that correspond to miniaturized versions of previous ones. Since the last results were inconclusive, we finish by proposing new strategies of manipulation of such micro-elements with promising implementation

La thèse explore l'étude de la propagation et de l'interaction des faisceaux de Bessel non conventionnels dans un cristal photoréfractif (PR), en se penchant sur les technologies clés des communications optiques avancées. Cette thèse se divise en deux parties : la photo-inscription des guides d'ondes et la modulation des modes OAM. Premièrement, notre étude démontre qu'un seul faisceau de Bessel diffractant peut inscrire plusieurs guides d'ondes couplés dans le cristal PR en raison de ses profils en anneaux. En manipulant les paramètres optiques de notre plateforme optique, il est possible d'obtenir un contrôle flexible. Ces configurations permettent la réalisation de fonctions de routage complexe en optique. De plus, l'introduction d'un deuxième faisceau contra- propageant permet d'induire des guides d'ondes dynamiques, démontrant ainsi la possibilité de contrôle dans différents régimes. Deuxièmement, il est démontré que l'OAM d'un faisceau de Bessel polarisé de manière arbitraire peut être continuellement modulé par un champ électrique appliqué au matériau PR pour activer sa non-linéarité. Ensuite, des paramètres optimaux sont confirmés pour une plage de modulation en régime stable. Nous montrons également que l'OAM peut être modulé dans des conditions de non-linéarité très élevées, permettant ainsi d'étendre l'intervalle de modulation. Ces résultats offrent des perspectives prometteuses pour le développement de nouvelles technologies dans les domaines des composants passifs et dynamiques pour les communications tout-optiques ou quantiques
The thesis focuses on the propagation of Bessel beams in a photorefractive crystal, involving technologies used in advanced optical communications, such as the all-optical router, switcher, mode multiplexing and demultiplexing using orbital angular momentum (OAM). The work is in two parts: the photo-inscription of waveguides and the modulation of OAM modes. In the first part, we demonstrate numerically and experimentally that a single diffracting Bessel beam can induce complex waveguides under the PR effect. In addition, by manipulating the parameters of our optical platform, we achieve flexible control of the induced waveguides’ characteristics. By testing these photo-induced waveguides using Gaussian probe beams, we confirm their complex routing functions. Furthermore, by introducing the second counter-propagating beam, we induce dynamic waveguides and demonstrate the control in any regime. In the second part, we demonstrated in simulations and experiments that the OAM of an arbitrarily polarized Bessel beam can be continuously modulated in the PR crystal by the applied electric field. By discussing parameter, we confirm optimal parameters to obtain the broadest modulation range in the steady state. We propose temporal plateaux long enough on which the OAM exceeds its initial value, thus enabling the extension of the OAM modulation range, even in the unstable regime. All the results in this thesis open up promising prospects for developing new technologies in all-optical or quantum communications

Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux dispositifs semi-conducteurs intégrés et de méthodes pour la génération et la manipulation d'états lumineux de haute dimension. Nous présentons l'étude d'un guide d'onde AlGaAs utilisant un processus de conversion paramétrique spontanée de type II en régime de pompage monochromatique, s’intéressant en particulier à l'amplitude spectrale jointe de l'état émis. La source fonctionne à température ambiante, émet des paires de photons dans le domaine des télécommunications et est compatible avec l'injection électrique. La génération d'états biphotoniques à large bande est démontrée expérimentalement par la reconstruction de l'intensité spectrale jointe et par une expérience de Hong-Ou-Mandel indiquant que les photons signal et complémentaire sont émis sur une large bande spectrale (170 nm) et avec un haut degré d'indiscernabilité (V=0,86). De plus, nous montrons que l'effet de cavité dû à la réflectivité des facettes des guides d'onde conduit à la production de peignes de fréquence à deux photons. Cette plateforme est utilisée pour démontrer une méthode originale de génération et de contrôle de la symétrie des états peignes exploitant les effets de cavité et un retard imposé entre les deux photons de chaque paire. Plus spécifiquement, nous montrons qu'un réglage fin de la fréquence de la pompe permet de générer des états peignes résonnants et anti-résonants permettant de manipuler la symétrie de la fonction d'onde. La méthode peut être adaptée et appliquée à une grande variété de systèmes, massifs ou intégrés, augmentant ainsi leur flexibilité et la richesse des états générés en vue de la mise en œuvre de nouveaux protocoles d'information quantique. En outre, nous démontrons la réalisation d'un guide d'onde AlGaAs pour la génération de faisceaux lumineux portant un moment angulaire de spin et présentons la conception d'un dispositif pour la génération d'un faisceau lumineux portant un moment orbital angulaire de premier ordre
This thesis is devoted to the development of novel integrated semiconductor devices and methods for the generation and manipulation of high-dimensional states of light. We report on the study of an AlGaAs waveguide implementing type-II spontaneous parametric down conversion process in a monochromatic pump regime, with a focus on the joint spectral amplitude of the emitted biphoton state. The source works at room temperature, emits photon pairs in the telecom range and is compliant with electrical injection. The generation of broadband biphoton states is experimentally demonstrated via the reconstruction of the joint spectral intensity and via a Hong-Ou-Mandel experiment indicating that signal and idler photons are emitted over a large bandwidth (170nm) and with a high degree of indistinguishability (V=0.86). Moreover, we show that the cavity effect due to waveguide facets reflectivity leads to the production of biphoton frequency-comb states. This platform is used to demonstrate an original method to generate and control the symmetry of biphoton frequency combs exploiting cavity effects and a delay between the two photons of each pair. More specifically, we show that a fine tuning of the pump frequency enables the generation of resonant and anti-resonant comb states allowing to manipulate the wavefunction symmetry. The method can be adapted and applied to a large variety of systems, either bulk or integrated, thus increasing their flexibility and the richness of the generated states in view of implementation of new quantum information protocols.In addition, we demonstrate the realization of an AlGaAs ridge waveguide for the generation of light beams with tailored phase and polarization distributions, carrying spin angular momentum, and present the design of a device for the generation of a twisted light beam, carrying first order orbital angular momentum

Le moment orbital angulaire (OAM) de la lumière est une grandeur quantifiée associée à la phase d’un vortex optique et est actuellement une des variables explorées pour les technologies quantiques.Dans ce contexte, cette thèse étudie expérimentalement la conversion de vortex optiques par une vapeur de rubidium, via la transition Raman stimulée à deux photons 5S₁/₂ − 5D₅/₂. Quand les atomes sont soumis à deux lasers respectivement à 780 nm et 776 nm, ils génèrent des rayonnements cohérents, infrarouge à 5,23 μm et bleu à 420 nm. On examine le rayonnement bleu lorsque l’un des lasers ou les deux sont des vortex, en particulier des modes de Laguerre-Gauss. Dans une première partie nous montrons que si l’OAM est porté par le laser à 776 nm, alors le rayonnement bleu émis porte un OAM qui respecte l’accord de phase azimutale et de phase de Gouy. Nous montrons aussi que la conversion est efficace sur une grande plage d’OAM allant de -50 à +50, que l’efficacité est gouvernée par le produit des intensités des lasers incidents et que le rayonnement bleu se comporte comme un mode de Laguerre-Gauss pur. Dans une deuxième partie nous montrons qu’il est possible de convertir une superposition de vortex ou une paire de vortex coaxiaux et que l’OAM du rayonnement bleu émis obéit à la règle de somme des OAM incidents. Pour les cas étudiés, nous proposons un modèle de mélange à quatre ondes qui établit les règles de sélection du processus de conversion d’OAM. Ce travail ouvre la voie vers la conversion d’OAM utilisant des transitions vers des niveaux atomiques plus élevés
The orbital angular momentum of light (OAM) is a quantized quantity arising from the azimuthal phase carried by optical vortices and is well-known for quantum technology applications. Its set of values is theoretically infinite.In this context this thesis experimentally study the conversion of optical vortices in a rubidium vapor through the 5S₁/₂ − 5D₅/₂ stimulated Raman transition. When the atoms are illuminated with laser beams at 780 nm and 776 nm they generate two coherent light beams at 5,23 μm and 420 nm. We investigate the blue light when one laser or both are optical vortices, in particular Laguerre-Gaussian modes. In a first part we show that if the laser at 776 nm carries an OAM the blue light is an optical vortex with an OAM which respects azimutal and Gouy phase matchings. We further show that the conversion is efficient on a large set of OAM from -50 to +50, that the efficiency is governed by the product of the input laser intensities and that the blue light behaves like a pure Laguerre-Gaussian mode. In a second part we demonstrate the conversion of a vortex superposition or a pair of coaxial vortices and that the OAM of the emitted light obeys the conservation rule of total OAM. For each studied case we propose a four wave mixing model establishing selection rules for the conversion process. This work opens possibilities towards OAM conversion using higher atomic levels

Le contrôle de l'interaction entre la lumière et la matière est d'une importance capitale dans de nombreuses technologies modernes, avec des applications allant de la détection, aux télécommunications et à l'information quantique. Les résonateurs nanophotoniques permettent d'améliorer cette interaction par le confinement et le stockage du champ lumineux.Cette thèse étudie l'hybridation des modes propres des nano et microrésonateurs, et en particulier les propriétés de résonateurs hybrides composés d'une cavité diélectrique et de nanoantennes plasmoniques. Les résonateurs photoniques présentent toujours des pertes, en particulier par rayonnement, et ainsi, ne peuvent être bien décrits que dans le cadre de la théorie des modes quasi-normaux (quasinormal modes - QNM). Nous confirmons la pertinence de telles théories en étudiant numériquement et expérimentalement la perturbation de cavités diélectriques à facteurs de qualité élevés.Ensuite, nous proposons une théorie permettant d’étudier l'hybridation de plusieurs résonateurs pour ainsi prédire les propriétés de l’ensemble. Dans le cas d’hybrides antenne-cavité, des travaux antérieurs ont démontré le grand potentiel de ce type de résonateurs pour améliorer l'interaction lumière-matière au-delà de ce qui accessible avec leurs composants pris individuellement. Nous montrons ici, par le biais de travaux théoriques et expérimentaux, que ces résonateurs offrent également des degrés de contrôle supplémentaires sur les propriétés de la lumière émise, telles que la directionnalité, ou encore l’émission d’ondes présentant un moment angulaire orbital pur. Enfin, nous étudions les performances de tels résonateurs hybrides dans le cadre de l'optomécanique moléculaire. En effet, nous montrons qu'ils constituent une excellente plateforme pour augmenter la diffusion Raman, tout en offrant des canaux d’excitation et d’émission dont les propriétés peuvent-être contrôlées, pour les signaux de pompe et Raman
The control of the interaction between light and matter is of paramount importance in many modern technologies, with applications ranging from sensing to telecommunication and quantum information. Nanophotonic resonators allow to enhance this interaction by the storage and confinement of the light field.This thesis studies the hybridization of eigenmodes of nano- and microresonators, and in particular the properties of hybrid resonators composed of a dielectric cavity and plasmonic nanoantennas. Due to their lossy nature, in particular radiation, photonic resonators can only be well described in the framework of quasinormal modes theory (QNM). We confirm the relevance of such theories by investigating the physics of the perturbation of high-Q dielectric cavities aided by numerical and experimental works.Then we propose a theory to study the hybridization of multiple resonators and predict the properties of the ensemble. In the context of antenna-cavity hybrids, previous works have demonstrated the great potential of such resonators to enhance light-matter interaction further than what is achieved with their components taken individually. Here we show, with theoretical and experimental works that such resonators also offer additional degrees of control over the properties of the emitted light, such as directionality or beams carrying a pure orbital angular momentum. We furthermore investigate the performances of such hybrid resonators in the context of molecular optomechanics. Indeed, we show they can be an excellent platform to enhance Raman scattering, while simultaneously offering input and output channels with controllable properties for the pump and Raman signals

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

Les mémoires quantiques sont un élément essentiel dans le domaine de l'information quantique, en particulier pour la mise en oeuvre de communications quantiques sur de longues distances. Une mémoire quantique a pour but de stocker un état quantique de la lumière, comme par exemple un bit quantique (qubit), et de le réémettre après un délai donné. Les ensembles atomiques sont de bons candidats pour construire de telles mémoires quantiques, car il est possible d'obtenir de fort couplage lumière-matière dans le cas d'un grand nombre d'atomes. De plus, la notion d'effet collectif, qui est renforcé pour de large profondeur optique, permet en principe une efficacité de stockage proche de l'unité. Ainsi, dans cette thèse, un piège magnéto-optique de césium à forte densité optique est utilisé pour l'implémentation d'un protocole de mémoire quantique basé sur la transparence induite électromagnétiquement (EIT). Tout d'abord, le phénomène EIT est étudié à travers un critère de discrimination entre les modèles d'EIT et de séparation Autler-Townes. Nous rapportons ensuite la mise en oeuvre d'une mémoire basée sur l'EIT pour des qubits photoniques encodés en moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Une mémoire réversible pour des modes de Laguerre-Gauss est réalisée, et nous démontrons que la mémoire optique préserve le sens de la structure hélicoïdale au niveau du photon unique. Ensuite, une tomographie quantique complète des états réémis est effectuée, donnant des fidélités au-dessus de la limite classique. Cela montre que notre mémoire optique fonctionne dans le régime quantique. Enfin, nous présentons la mise en oeuvre du protocole dit DLCZ dans notre ensemble d'atomes froids, permettant la génération de photons uniques annoncés. Une détection homodyne nous permet de réaliser la tomographie quantique de l'état photonique ainsi créé.

Les distributions généralisées de partons (GPDs) sont des fonctions universelles permettant une meilleure compréhension des propriétés des nucléons en termes de quarks et de gluons. La diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) est le processus le pus simple permettant leur mesure. En particulier, le DVCS sur le neutron est sensible à la GPD E qui est la moins contrainte à ce jour et dont la connaissance s'avère indispensable pour accéder au moment angulaire des quarks. La première expérience dédiée au DVCS sur le neutron a eu lieu fin 2004 au Hall A du Jefferson Lab. La haute luminosité de l'expérience et le taux de bruit de fond qui en découle ont nécessité le développement d'équipements spécifiques qui sont décrits. Les méthodes d'analyse utilisées sont présentées et les résultats de l'expérience conduisant à des contraintes préliminaires sur la GPD E sont discutés.

Depuis de récentes années de nouveaux composants optiques ont fait leur apparition. Ces composants connus sous les noms de « Méta-optiques » ou encore « Métasurfaces », rendent possible le contrôle et la mise en forme du front d’onde de la lumière permettant alors de mettre en forme n’importe quel faisceau incident et ainsi créer des fonctionnalités optiques classiques telles que focaliser ou dévier la lumière, ou alors des fonctionnalités aux propriétés surprenantes telle que la réalisation de métahologramme dépendant en polarisation. En effet, grâce à l’arrangement périodique de résonateurs de dimensions géométriques sous-longueur d’onde, il est alors possible d’obtenir un contrôle local arbitraire du faisceau incident. Néanmoins, même si de nombreuses applications ont pu être démontré dans la communauté, seuls quelques matériaux se retrouvent être compatibles pour le développement industriel de ces composants. De plus, afin de passer de composant passif à actif, pour la réalisation de composant dynamique, il est nécessaire de passer de matériau diélectrique à matériau semi-conducteur. C’est pourquoi dans ces travaux, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’un matériau semi-conducteur qui est le Nitrure de Gallium pour la réalisation de composants métasurfaciques. Nous présentons alors dans un premier temps une étude numérique des nanostructures utilisées lors de ces travaux. Puis nous montrons comment est réalisée la conception de nos méta-optiques en présentant la méthode de design et les procédés de nanofabrications employés, notamment une nouvelle technique de gravure, compatible uniquement avec les matériaux cristallins et préservant leurs propriétés optiques. Nous exposons ensuite différentes applications où nos composants sont utilisés telles que : la réalisation de métalentilles de large ouverture numérique et de large surface, l’optimisation de réseaux métasurfaciques permettant d’atteindre des efficacités de diffraction supérieur à 80% ou encore la réalisation expérimentale de méta-hologramme permettant de conserver l’information du moment angulaire orbitale du faisceau incident
In the past years, new optical components have appeared. These components, known as "meta-optics" or "metasurfaces", made it possible to control and to shape the wavefront of the light. This allows the control of any incident beam and the creation of conventional optical functionalities, such as focusing or deflecting the light, or functionalities with additional features such as the possibility of creating polarization-dependent meta-holograms. Indeed, thanks to the periodic arrangement of resonators with sub-wavelength geometric dimensions, it is possible to obtain an arbitrary local control of the incident beam. Nevertheless, even though many applications have been demonstrated in the community, only a few materials are found to be compatible for the industrial development of these components. In addition, in order to pass from passive to active components for the fabrication of dynamic devices, it is necessary to switch from dielectric materials to semiconductor materials. For these reasons, we are interested in the use of a semiconductor material, Gallium Nitride, for the development of metasurface components. We first present a numerical study of the nanostructures used during this work. Then, we show how the design of our meta-optics is done by presenting the numerical conception method and nanofabrication processes used, which includes a new etching technique compatible only with crystalline materials while preserving their optical properties. Finally, we suggest different applications where our components can be used, such as: the development of metalenses with high numerical aperture and large surface; the optimization of metasurface high contrast gratings allowing to reach diffraction efficiencies higher than 80%; or the fabrication of meta-holograms preserving the information of the orbital angular momentum of the incident beam