Optique quantique multimode : des images aux impulsions

This thesis is devoted to the theoretical and experimental study of multimode optical parametric oscillators (OPO) in the transverse and longitudinal domains. We first recall the common tools used to operate non-classical states of light, with a special emphasis on the concept of mode in the quantum description of the electromagnetic field. We recall the techhniques used to describe and manipulate experimentally the transverse (images) and longitudinal (pulses) modes, and compare the two cases. A certain number of analog variables arises, which can help transpose concepts from one domain to the other. We develop a general model for multimode OPOs, centered on the multimode description of the non-linear interaction in a parametric crystal. This lead to the possibility of generating multimode non-classical states, and can be applied for transverse or longitudinal multimode OPO. The theoretical developments are linked to several experiments achieved in this thesis. The first one is a study of the transmission and frequency doubling of images in a self-imaging cavity. Two different quantum imaging experiments are decribed: the first one is the generation of multimode squeezing in an OPO above threshold and the second one uses an OPO in a self-imaging cavity to produce image amplification and multimode squeezing. Finally, we describe the new experimental setup of a synchronously pumped OPO (SPOPO) which leads to the squeezing of a frequency comb.Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale d'oscillateurs paramétriques optiques (OPO) multimodes dans deux régimes: l'optique des images et l'optique des impulsions. On rappelle les outils utilisés habituellement pour décrire et manipuler les états non-classiques de la lumière, en insistant sur l'importance du concept de mode du champ dans sa description quantique, qu'il soit transverse ou longitudinal. On rappelle ensuite les techniques de manipulation des modes transverse (images) et des modes longitudinaux (impulsions) au niveau théorique et expérimental. L'accent est mis sur le rapprochement de ces deux domaines où l'on peut facilement identifier un grand nombre de variables similaires. Un modèle général des OPO multimodes est développé, s'appuyant sur un traitement multimode de la conversion paramétrique dans un cristal non-linéaire d'ordre deux. Ce modèle conduit à des états non-classiques multimodes, intéressants pour l'information quantique, et peut être appliqué aux cas d'un OPO dans une cavité dégénérée pour les modes transverses, et d'un OPO pompé en modes synchrones (SPOPO). Tous ces développements théoriques s'orientent vers plusieurs expériences d'optique multimode décrites dans ce manuscrit. La première est une étude de la transmission et le doublage de fréquence d'images dans une cavité auto-imageante. Deux expériences d'imagerie quantique sont ensuite décrites: l'une conduit à une réduction de bruit multimode dans un OPO au dessus du seuil et la seconde utilise un OPO dans une cavité auto-imageante et permet la production et la caractérisation d'un état trimode sous le seuil de l'OPO. Enfin, on décrit la mise en place expérimentale d'un SPOPO qui conduit à des premiers résultats de réduction de bruit sur un peigne de fréquence