Squeezing in the many atom resonance fluorescence emitted in the forward direction : application to photon noise reduction

Abstract
We show theoretically that the resonance fluorescence field radiated in the forward direction by an ensemble of many atoms exhibits squeezing. In a full quantum treatment we quantitatively evaluate this squeezing and the photon noise reduction which can be obtained by entering this squeezed field in a homodyne or heterodyne detector. The study is restricted to a dilute and thin atomic medium containing motionless two-level atoms but it includes all the cases of weak and saturating excitation, resonant and detuned excitation, homodyne and heterodyne detection. Our results show the importance of taking into account the field coherence properties for a correct evaluation of photon noise reduction.

Résumé
Nous montrons que les fluctuations du champ dans la fluorescence de résonance émise vers 1'avant par un grand nombre d'atomes sont plus petites que celles du vide de rayonnement. Nous calculons, par un traitement quantique du champ et des atomes, cette « compression » des fluctuations et la réduction du bruit de photons qu'il est possible d'obtenir en entrant ce champ dans un détecteur homodyne ou hétérodyne. Cette étude théorique est restreinte à un milieu atomique mince et dilué, composé d'atomes à deux niveaux immobiles. Cependant nous étudions tous les cas d'excitation faible ou saturante, résonnante ou non résonnante et de détection homodyne ou hétérodyne. Nos résultats montrent qu'il est important de prendre en compte les propriétés de cohérence spatiotemporelle du champ pour évaluer correctement la réduction du bruit de photons.