Des cavités à ondes acoustiques jusqu'à l'optomécanique

This PhD work continues and reinforces recentinvestigations on bulk acoustic wave resonators atcryogenic temperature (typically 4 Kelvins). In suchoperating conditions their unique properties open upnew applications in different fields, from ultra-stableoscillators to hybrid quantum systems. For all theseareas of research, new low-loss devices can play agame changing role. This work, which is orientedtowards optomechanics, explores the possibilities oflight-based actuation of an acoustical cavity with thehorizon of building a cryogenic oscillator with such acavity. Without loss of generality, the selected cavityis a quartz crystal resonator, adapted to the usagerequirements with cryogenic environment. The firstpart of this thesis focuses on the theoretical andexperimental study of optical Fabry-Perot cavitieswith absorptive mirrors, most notably with a novelmethod to extract the index of refraction of thinmetallic films based on their particular propertieswhen used in an optical cavity, i.e. a broadenedFull Width at Half Maximum with respect to thenon-absorptive case, as well as a frequency shiftbetween the transmitted and the reflected peaks.In the second part, an analysis is performed ondifferent means of mechanical actuation by light,i.e.by the photothermal force, the radiationpressure force and the electrostrictive force. Anexperimental study of the former demonstrates inparticular the feasability of photothermal actuationat frequencies exceeding some Megahertz. Theconclusion opens gives way to some perspectives,and specifically about other geometries which maypotentially optimize the optomechanical coupling.Ce travail de thèse est destiné à poursuivre etrenforcer les travaux démarrés récemment surle comportement des résonateurs acoustiques àonde de volume piégée à basses températures(typiquement 4 Kelvins). Dans ces conditions defonctionnement, leur propriété unique ouvre eneffet des perspectives d’applications nouvelles dansdifférents domaines, depuis les oscillateurs ultra-stables jusqu’aux systèmes quantiques hybrides.Dans toutes ces thématiques de recherche, cescavités à faibles pertes peuvent jouer un rôledéterminant. Ce travail orienté vers l’optomécaniqueexplore les possibilités d’excitation d’une cavitéacoustique par la lumière, avec pour horizonla conception d’un oscillateur cryogénique avecune telle cavité.Sans perdre en généralité,la cavité choisie est un résonateur à quartzadapté aux conditions d’utilisation cryogéniques.La première partie de cette thèse se concentreUniversité Bourgogne Franche-Comté32, avenue de l’Observatoire25000 Besançon, Francedonc naturellement sur l’étude théorique etexpérimentale des cavités optiques Fabry-Perot àmiroirs absorbants métalliques, avec notammentune nouvelle méthode pour extraire l’indice derefraction des couches fines metalliques grâce àleurs propriétés particulières lors d’un utilisationen cavité optique, i.e. une largeur à mi-hauteurélargie par rapport au cas non-absorbant, ainsiqu’un décalage en fréquence entre les pics transmiset réfléchis. La deuxième partie analyse diversmécanismes d’excitation mécanique par la lumière,tels que l’excitation photothermique, la pressionde radiation et la force électrostrictive.Uneétude expérimentale démontre en particulier lafaisabilité de l’excitation photothermique à desfréquences supérieures au MHz. La conclusionouvre sur des perspectives, en particulier d’autresgéometries optimisant potentiellement le couplageoptomécanique