Etude des effets de pression de radiation et des limites quantiques du couplage optomécanique

In quantum mechanics, the measurement is responsible for a back-action on the measured system, which generally limits the measurement sensitivity. It is so for interferometric measurement, where the mirrors of the interferometer are likely to move under the effect of the radiation pressure exerted by the light. We present an experiment dedicated to the study of these limits, based upon a ultrasensitive detection of the displacements of a moving mirror, which is inserted in a Fabry-Perot cavity. With the improvements we brought to our setup, we have been able to observe correlations between a classical intensity noise and the phase of the measurement beam, that are induced by the optomechanical coupling with the moving mirror. We describe the experimental conditions that have to be gathered to extend these experiments down to the quantum level, in order to observe the optomechanical correlations caused by the quantum fluctuations of radiation pressure, but also to be able to perform a quantum non demolition measurement of light by purely mechanical means. We also present several consequences of radiation pressure that our setup allowed us to highlight: cancellation of the back-action in length or force measurements, laser cooling of the mirror in a detuned cavity, and finally a dynamical effect of the back-action, that leads to signal amplification by setting the mirror into motion. This effect, predicted in the framework of the interferometric detection of gravitational waves, should allow a sensitivity improvement beyond the standard quantum limit, which should be reached in the second generation gravitational antennae.En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Nous présentons une expérience visant à mettre en évidence ces limites, basée sur la détection ultra-sensible des déplacements d'un miroir mobile inséré dans une cavité Fabry-Perot de très grande finesse. Grâce aux améliorations que nous avons apportées à ce dispositif, nous avons observé des corrélations entre un bruit classique d'intensité et la phase de faisceaux lumineux, induites par couplage optomécanique avec le miroir mobile. Nous décrivons les conditions expérimentales nécessaires pour prolonger ces expériences au niveau quantique, afin d'observer les corrélations optomécaniques produites par les fluctuations quantiques de la pression de radiation, mais aussi pour réaliser une mesure quantique non destructive de la lumière par des moyens purement mécaniques. Nous présentons également plusieurs conséquences de la pression de radiation que notre montage nous a permis de mettre en évidence : annulation de l'action en retour dans les mesures de longueur ou de force, refroidissement laser du miroir dans une cavité désaccordée, et enfin un effet dynamique de l'action en retour qui conduit à l'amplification d'un signal par la mise en mouvement du miroir. Cet effet, prédit dans le cadre de la détection interférométrique des ondes gravitationnelles, devrait permettre d'améliorer la sensibilité au-delà de la limite quantique standard, qui devrait être atteinte dans les antennes gravitationnelles de seconde génération