Introduction aux lasers et à l'optique quantique

« La plupart des ouvrages qui paraissent sur les lasers se divisent en deux catégories : d'une part, ceux qui traitent en détail de la description quantique des interactions matière-rayonnement ; d'autre part, ceux qui insistent sur telle ou telle caractéristique des sources laser et sur les problèmes nouveaux qu'elles permettent d'aborder, comme l'optique non-linéaire, la fusion inertielle ou le transfert d'information. Gilbert Grynberg, Alain Aspect et Claude Fabre ont fait le pari qu'il était possible de combiner ces deux points de vue dans un même ouvrage et de présenter à leurs lecteurs, à la fois les concepts quantiques de base qui permettent de comprendre l'absorption et l'émission de lumière par les atomes, et les principes de fonctionnement des lasers, leurs caractéristiques essentielles et quelques exemples importants d'applications concrètes. Ils ont, je crois, magnifiquement tenu leur pari. »

Claude COHEN-TANNOUDJI, Prix Nobel de Physique 1997, Professeur au Collège de France (extrait de la préface).
Gilbert Grynberg est Directeur de Recherche au CNRS et Professeur à l'École Polytechnique.
Alain Aspect est Directeur de Recherche au CNRS et Professeur à l'École Polytechnique.
Claude Fabre est Professeur à l'Université Pierre et Marie Curie et Maitre de Conférences à l'École Polytechnique.

Leurs travaux de recherche, à l'École Normale Supérieure, à l'Institut d'Optique et à l'Université Pierre et Marie Curie, portent sur l'optique quantique, l'optique non linéaire, la physique atomique et la manipulation d'atomes par laser.

SOMMAIRE
Chapitre I - Processus d'interaction - Evolution des systèmes quantiques. A - Quelques rappels de mécanique quantique - B - Transition entre niveaux discrets sous l'effet d'une perturbation dépendant du temps -. C - Niveau discret couplé à un continuum - Règle d'or de Fermi - D - Conclusion. Compléments : I.1 - Autoionisation -. I.2 - Continuum de largeur variable.
Chapitre II - interaction d'un atome avec une onde électromagnétique classique. A - Processus d'interaction atome - champ électromagnétique - B - Hamiltonien d'interaction - C - Transition entre deux niveaux atomiques sous l'effet d'un champ électromagnétique oscillant - D - Absorption et émission induite entre deux niveaux de durée de vie finie - E - Amplification laser. Compléments : II.1 - Polarisation du rayonnement et transitions dipolaires électriques - Application à la résonance optique et au pompage optique - II.2 - matrice densité et équations de Bloch optiques - II.3 - Effet photoélectrique.
Chapitre III - les lasers. A - Conditions d'oscillation - B - Description des milieux amplificateurs - C - Propriétés spectrales des lasers - D - Lasers en impulsion -. E - Conclusion : pourquoi la lumière laser ? Compléments : III.1 - Cavité résonnante Fabry-Perot - iii.2 - faisceaux gaussiens - Modes transverses d'un laser - III.3 - le laser source d'énergie - III.4 - le laser source de lumière cohérente - III.5 - spectroscopie non-linéaire - III.6 - optique non-linéaire dans les milieux Kerr optiques - III.7 - non-linéarites du second ordre dans les milieux non centrosymétriques -. III.8 - oscillateur paramétrique optique -. III.9 - Largeur spectrale d'un laser : formule de Schawlow-Townes.
Chapitre IV - champs et charges en interaction - approche classique. A - Les équations de l'électrodynamique classique dans l'espace réciproque -. B - Composantes transverses et longitudinales des champs - C - Les potentiels électromagnétiques dans l'espace réciproque -. D - Energie et impulsion du champ de rayonnement - E - Energie et impulsion du système "champ + particules" - F - Conclusion. Complément IV.1 - modèle de l'électron élastiquement lié.
Chapitre V - quantification du rayonnement. A - Principe de la quantification du rayonnement - B - Etats stationnaires du rayonnement libre -. C - Rayonnement monomode - D - Signaux de photodétection - E - Conclusion : dualité onde-corpuscule pour la lumière. Compléments : V.1 - les états comprimés du rayonnement : un aperçu sur la réduction des fluctuations quantiques de la lumière - V.2 - etats à un photon.
Chapitre VI - interaction d'un atome avec un champ électromagnétique quantique. A - Hamiltonien d'interaction en jauge de Coulomb - B - Processus d'interaction - C - Emission spontanée - D - Diffusion d'un photon par un atome - E - Conclusion. Complément vi.1 - électrodynamique en cavité. Exercices.
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