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Thèse en métrologie quantique, Institut de Physique de Nice (CNRS), Nice (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR7010-LAULAB-002
Lieu de travail : NICE
Date de publication : mardi 1 octobre 2019
Nom du responsable scientifique : Tanzilli
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 12 novembre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le travail de de la thèse vise la mise en place deux bancs de caractérisation reposant chacun sur un interféromètre en lumière blanche « quantique » pour la mesure de la dispersion chromatique (DC) et de la différence d'indice (Delta(n)n).
La détection de la phase optique représente l'une des mesures les plus avancées en métrologie classique. Elle a permis, notamment, la détection directe des ondes gravitationnelles. La précision maximale pour la mesure d'une phase relative est donnée par la limite quantique standard, δφ~1⁄√N où N représente le nombre de photons utilisés pour la mesure. Du point de vue fondamental, cette limite peut être dépassée en utilisant de la lumière quantique, par exemple un état dit « N00N ». Si l'on considère un interféromètre, l'état N00N signifie qu'il y a N photons dans le bras 1, et aucun dans le bras 2, et en même temps aucun photon dans le bras 1 et N photons dans le bras 2. Les deux états N0 et 0N se superposent de manière cohérente en permanence, d'où le concept de « lumière quantique ». Il est possible de les faire interférer et, dans ce cas, on peut montrer par le calcul que la sensibilité au changement de phase est multipliée par N, et la précision sur une mesure de phase peut atteindre la limite de Heisenberg, δφ~1⁄N. Lors de cette thèse, nous chercherons à mettre en évidence l'apport de la métrologie quantique dans le cas d'un état N00N à deux photons (N=2), également intriqués en énergie et en temps d'émission, dont la gamme de fréquence est la plus étendue possible afin de réaliser des mesures à faibles temps de cohérence grâce à cette lumière quantique. Le concept a déjà été validé dans le cas de la mesure de la DC [Kasier18] au sein de l'équipe Photonique & Information Quantique (PIQ) de l'INPHYNI.
La thèse comportera 2 volets de recherche. Le 1er concerne le transfert du concept fondamental d'interférométrie quantique en lumière blanche basée sur les corrélations quantiques de photons intriqués vers le développement d'un véritable système de métrologie quantique (banc de mesure de la DC). Le second volet de cette thèse sera exploratoire, et vise le développement d'un instrument de mesure aux limites de précision (banc de mesure de Delta(n)). Nous envisageons le calendrier suivant :
1ère année consacrée à la DC : développement d'un prototype fonctionnel à échelle réelle répondant à des enjeux applicatifs.
Tâche 1 : jusqu'à présent, les mesures ont été faites dans le proche IR [Kaiser18], et aucune mesure n'existe dans le domaine du moyen-IR. Il sera nécessaire de changer la source de lumière quantique, qui correspond au cœur de l'expérience, pour des longueurs d'onde plus hautes (2000 nm).
Tâche 2 : Nous souhaitons rendre ce dispositif compact et plug-&-play afin de pouvoir effectuer des mesures de DC en temps réel. L'idéale consiste en effet à disposer le banc au plus près du process de fabrication afin de pouvoir ajuster en direct les conditions de fabrication et ainsi fabriquer l'échantillon en une seule étape. Mettre au point un dispositif de mesure de DC aussi précis et réactif serait une véritable révolution pour la fabrication de composants intégrés et à fibre.
2ème année consacrée à la mesure de Delta(n) : mise en place d'un instrument de mesure aux limites de précision.
Tâche 1 : l'état de l'art sur la mesure de différence d'indice se situe à 10-3 voire 10-4 en régime classique, nous prévoyons de mesurer Delta(n) ~ 10-5 voire 10-6 ce qui correspond aux limites que le process de fabrication peut maintenir. Nous commencerons par calibrer notre banc de mesure. Pour ce faire, nous prévoyons de réaliser des mesures d'échantillons constitués d'un même matériau (Delta(n) =0) afin d'estimer la précision de notre méthode. Nous devrons faire face à un certain nombre de difficultés, comme par exemple, l'influence du conditionnement de l'échantillon sur la mesure. Nous avons déjà quelques pistes de réflexion qui permettront de contourner ces problèmes.
Tâche 2 : l'ordre de grandeur des erreurs que nous cherchons à supprimer est du µm. Il est nécessaire alors que le traitement des données lui-même s'affranchisse de toute incertitude, c'est-à-dire que nous chercherons à exploiter directement les courbes expérimentales sans passer par l'utilisation de courbes d'ajustement. Cette étape sera cruciale dans la mise au point de notre méthode.
3ème année consacrée à la mise en pratique du banc de mesure Delta(n) appliqué à des échantillons provenant de notre collaborateur XLIM et pour la mise au point des sources laser cohérentes développées par l'ICB et le CELIA.
Pour cette 3ème année, nous souhaitons conserver une marge de manœuvre pour réagir face à d'éventuels problèmes liés au matériel ou toutes autres difficultés inhérentes aux expériences. En fonction de ces éventualités, la chronologie des tâches citées ci-dessus pourra bien entendu être ajustée. Nous souhaitons enfin réserver du temps pour que l'étudiant(e) puisse valoriser ses travaux dans des conférences et enfin rédiger son manuscrit.

Contexte de travail

Les sources photoniques cohérentes dont la gamme spectrale de fonctionnement se situe dans le proche infrarouge (IR, ~1550 nm) ont permis le développement d'un grand nombre d'innovations dans des domaines aussi variés que les télécommunications, la biologie ou encore la médecine. Il existe aujourd'hui un réel besoin d'étendre cette plage spectrale vers le moyen-IR en vue d'applications dans les domaines de la spectroscopie, de la protection de l'environnement, de la chimie et de la santé. La raison principale à cet intérêt grandissant est que la plupart des molécules possèdent des transitions dans le moyen-IR (>1800 nm) dont la section efficace d'absorption est plus élevée que dans le proche-IR (facteur 100 pour la molécule de CO2). Par exemple dans l'industrie, cette absorption du faisceau laser, dans le volume du matériau, entraîne un échauffement et une fusion dont on peut directement se servir pour effectuer une soudure sans besoin d'ajouter des pigments colorés ou autres additifs.
C'est dans ce contexte que beaucoup d'efforts sont consacrés au développement de sources cohérentes large spectre, dont la gamme de longueurs d'ondes s'étend de 1400 à 2800 nm. Deux voies principales sont explorées.
La première consiste à développer des sources cohérentes compactes basées sur des fibres optiques, fonctionnant en régime impulsionnel picoseconde et dont l'énergie par impulsion est de l'ordre du µJ, servant de « seeder » pour des systèmes laser émettant dans le moyen-IR. Plusieurs solutions sont aujourd'hui étudiées, notamment celle basées sur des amplificateurs paramétriques pompés par des lasers à fibre. La longueur d'onde de 2000 nm apporte un véritable renouveau aux domaines de la spectroscopie résolue en temps et la physique moléculaire dans le moyen-IR.
De manière similaire, les sources cohérentes basées sur des peignes de fréquences représentent une approche complémentaire extrêmement intéressante. Celles-ci sont caractérisées par un spectre discret dont les raies d'émission, étroites et référencées de manière absolue, en font des candidats adaptés pour la spectroscopie, comme l'a proposé récemment l'Institut Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS UMR 6303, Université de Bourgogne). Étendre cette stratégie dans le moyen-IR permettrait de sonder des molécules et/ou des transitions jusqu'alors inexplorées en raison du manque de sources de lumière cohérentes à ces longueurs d'ondes.
Le dénominateur commun à ces deux types de sources réside dans l'exploitation de fibres optiques micro-structurées au design original permettant d'obtenir des systèmes compacts, fiables et flexibles. En effet les caractéristiques de ces fibres, telles que la dispersion chromatique et le caractère monomode (indice de réfraction), sont ajustables à volonté en fonction de ses paramètres géométriques (dimension et espacement des trous d'air ou des inclusions). En contrepartie, de légères fluctuations transverses et longitudinales de ces paramètres opto-géométriques induisent une très forte répercussion sur les valeurs de la dispersion chromatique et de ses dérivées. Ces fluctuations conduisent ainsi à une non-maîtrise des effets non-linéaires au sein de ces fibres, nuisant au développement de peignes de fréquences large bande dans le moyen-IR. De la même manière, des différences d'indice de l'ordre de 10-5 peuvent être à l'origine d'instabilités modales, rendant rédhibitoire le développement de lasers à fibre.
En conséquence, le développement de ces fibres optiques spéciales requiert des caractéristiques optiques extrêmement fines et précises que seule une métrologie adaptée peut permettre de qualifier. Pour ce faire, le(a) doctorant(e) recruté-e sera en charge du développement conceptuel et expérimental d'instruments de mesure plug-&-play inédits exploitant les concepts de la photonique quantique et des propriétés de corrélation des états intriqués. Ces instruments visent à caractériser finement des fibres micro-structurées hautement non-linéaires dont les applications se situent dans le domaine de la spectroscopie et des lasers à fibre dans le moyen-IR. Plus spécifiquement, l'étudiant(e) sera la pierre angulaire d'une collaboration nationale entre 4 laboratoires CNRS, à savoir (i) l'institut XLIM (CNRS UMR 7252, Université de Limoges) en charge de la fabrication, (ii) le Centre des Lasers Intenses et Applications (CELIA, UMR CNRS 5107, Université de Bordeaux) pour le développement d'un laser intense à fibre (1 TW) cadencé au kHz (application : interaction lumière-matière, santé), (iii) l'ICB pour mettre au point une interface non-linéaire en longueur d'onde de peignes de fréquences (application : spectroscopie dans le moyen-IR) et l'INPHYNI pour la partie métrologie.

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