Etude théorique et expérimentale des résonances de galerie de microsphères de silice: pièges à photons pour des expériences d'électrodynamique en cavité

This thesis is devoted to the study of very high Q whispering gallery modes in silica microspheres, about 100μm in diameter. For these resonances the electromagnetic field propagates along an equatorial surface ring with tranverse dimensions of the order of the wavelength. These guided modes have very low losses. They exhibit a remarkable combination of strong localization of the field in a small volume and very long storage times for the photons. These two properties render these microspheres ideal as optical resonators for practical applications as well as for cavity QED experiments. This manuscript starts with a general presentation of these resonances. The experimental techniques used to observe the resonances by laser spectroscopy are then discussed, and several projects in applied and fundamental physics are analysed. Furthermore, using these modes to phase-lock a diode laser or to make new microlasers are particulary attractive. An experiment where an atomic beam is deflected by passing through the evanescent field of a whispering gallery mode is also discussed. Such an experiment would allow to demonstrate the quantized nature of a few-photon-field and to measure, by a dispersive mechanism, optical fields created by a small number of photons.Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optique