Nonlinear, Ultrafast and Quantum Optics - Département de Physique de l'Ecole Normale supérieure

Les atouts de la formation Programme, cours et calendrier M1 ICFP 2023-2024 Emploi du temps 2023-2024 Liste des cours Stages Programme, cours et calendrier M1 ICFP 2022-2023 Emploi du temps 2022-2023 Liste des cours Stages Programme, cours et calendrier M2 ICFP 2023-2024 Premier semestre Deuxième semestre CORRESPONDANTS PARCOURS MATIERE CONDENSEE CORRESPONDANTS PARCOURS SOFT MATTER AND BIOLOGICAL PHYSICS CORRESPONDANTS PARCOURS PHYSIQUE QUANTIQUE CORRESPONDANTS PARCOURS PHYSIQUE THEORIQUE Suggestions for course compositions depending on your interests "Physics Now" Seminars 2019/2020 "Physics Now" Seminars 2020/2021 "Physics Now" Seminars 2021/2022 "Physics Now" Seminars 2023/2024 "Physics Now" Seminars 2022/2023 Stages Calendar 2023-2024 Programme, cours et calendrier M2 ICFP 2022-2023 Premier semestre Deuxième semestre CORRESPONDANTS PARCOURS MATIERE CONDENSEE CORRESPONDANTS PARCOURS SOFT MATTER AND BIOLOGICAL PHYSICS CORRESPONDANTS PARCOURS PHYSIQUE QUANTIQUE CORRESPONDANTS PARCOURS PHYSIQUE THEORIQUE Suggestions for course compositions depending on your interests "Physics Now" Seminars 2019/2020 "Physics Now" Seminars 2020/2021 "Physics Now" Seminars 2021/2022 "Physics Now" Seminars 2022/2023 Stages Calendar 2022-2023 Critères d’admission Candidatures en ligne Information pour les étudiants Information pour les étudiants internationaux Droits d’inscription et bourses Insertion professionnelle Intranet Master Archives Erreur ( A supprimer) Programme, cours et calendrier M1 ICFP 2021-2022 Programme, cours et calendrier M1 ICFP 2022-2023 Programme, cours et calendrier M2 ICFP 2021-2022 Programme, cours et calendrier M2 ICFP 2020-2021 Programme, cours et calendrier M2 ICFP 2019-2020 Archives 2015-2016 Archives 2016-2017 Archives 2017-2018 Archives 2018-2019 Archives 2019-2020 Archives 2020-2021

Nonlinear, Ultrafast and Quantum Optics

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Faculty : François HACHE and Nicolas TREPS
Tutor :
ECTS credits : 3
Language of instruction : Anglais
Examination : Oral exam
Site web :

Description

Objective of this lecture is to study non-linear interaction between light and mater, from classical to quantum effects. The natural regime, even if non-exclusive, is the femtosecond regime, where effects are macroscopic and experiments are usually performed. Beyond giving the essential ingredients of non-linear and quantum optics, this lecture will focus on recent applications and experiments, spreading for microscopy and spectroscopy to non-classical state generation and quantum metrology.

PART I : Nonlinear Optics

1- Introduction

Course : Introduction to nonlinear optics Nonlinear susceptibilities Propagation equation
Training : Self-phase modulation, Solitons

2- Second order effects

Course :Two-wave mixing, Manley-Rowe relation Second harmonic generation (SHG) Phase-matching, quasi-phase matching
Training : Parametric gain, OPO’s, thresholds of SROPO and DROPO

3- Ultrashort pulses

Course : Short pulse generation : mode-locking Characterization methods Femtosecond spectroscopy Nonlinear microscopy
Training : Kerr-Lens Mode-Locking

4- Quantum calculation of nonlinear susceptibilities

Course : Liouville equation, perturbative response Calculation of χ(2)
Training Non résonnant χ(2)

5- Response-functions – Two-dimensional spectroscopy

Course : Rotating-wave approximation, resonant Feynman diagrams Pump-probe experiments
Training : Fluorescence / resonant Raman

6- Training Third-harmonic generation for Gaussian beams – Application to microscopy

PART II : Femtosecond quantum optics

1- Introduction

Course : Quantum nature of light and pioneer experiments Single and two photons experiments, EPR states

2- Multimode quantum electromagnetic field

Course : Field quantization (time and frequency domains) – Coherent states Multimode homodyne detection Continuous variable regime
Training : Position measurement and standard quantum limit

3- Non-classical states

Course : Gaussian states : squeezing and entanglement Wigner function and non-gaussian states
Training : Generation of a non-gaussian state, Kraus operators

4- Multimode entanglement in the frequency domain

Course : Introduction to symplectic algebra, Schmidt and Bloch Messiah decomposition Pulsed single mode single photons
Training : Parametric down conversion for multimode quantum states

5- The frequency comb : a metrological tool

Course : Frequency comb and metrology
Training : Quantum noise limited metrology with frequency combs

6- Time and frequency measurements

Course : Quantum Cramér Rao bound : ultimate quantum limit for metrology
Training : Pulse shaping for quantum coherent control

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