Bruit quantique dans les lasers

Résumé
Dans de nombreuses applications, les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle crucial. Le « bruit » incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système. L'exemple extrême en la matière est fourni par les détecteurs interféromériques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal à mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilité. Pour l'essentiel, le bruit dans les lasers est d'origine « technique », c'est-à-dire qu'il est lié à des fluctuations difficilement maîtrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage...). Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques. Mais il est utile de savoir si ces efforts sont appelés à se heurter tôt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro. L'objet de ce cours est d'exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser. Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous traiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3). Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats expérimentaux relatifs aux « lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit inférieur au bruit de grenaille ou « noise ».