Les techniques de refroidissement d'atomes par laser dans les mélasses optiques conduisent à des "températures" minimales de quelques microkelvins. Dans ce régime ultra-froid, le mouvement des atomes n'est plus descriptible en termes d'une force de friction visqueuse et d'une diffusion en impulsion. Pour obtenir les limites du refroidissement, nous avons donc développé de nouvelles approches, dont la plus fructueuse traite quantiquement le mouvement atomique dans le potentiel créé par la lumière. Les mélasses sont étudiées pour les deux configurations laser modèles à une dimension, σ+ — σ- et Ox — Oy. Les atomes ont alors une impulsion quadratique moyenne minimale d'environ 6\hbar k, où \hbar k est la quantité de mouvement d'un photon laser.
Les techniques de refroidissement d'atomes par laser dans les mélasses optiques conduisent à des "températures" minimales de quelques microkelvins. Dans ce régime ultra-froid, le mouvement des atomes n'est plus descriptible en termes d'une force de friction visqueuse et d'une diffusion en impulsion. Pour obtenir les limites du refroidissement, nous avons donc développé de nouvelles approches, dont la plus fructueuse traite quantiquement le mouvement atomique dans le potentiel créé par la lumière. Les mélasses sont étudiées pour les deux configurations laser modèles à une dimension, σ+ — σ- et Ox — Oy. Les atomes ont alors une impulsion quadratique moyenne minimale d'environ 6\hbar k, où \hbar k est la quantité de mouvement d'un photon laser.
L'objet de cette thèse est l'étude de deux applications des atomes refroidis par laser. La première porte sur la production d'atomes refroidis à quelques microKelvins en microgravité. Un allongement considérable du temps de séjour des atomes dans un volume réduit a été ainsi démontré. La deuxième, plus fondamentale, met à profit les méthodes de l'optique non-linéaire pour étudier les mécanismes de refroidissement eux-mêmes. Les signaux de spectroscopies Raman et Rayleigh stimulées donnent accès à une mesure directe de la force subie par un atome dans une mélasse en "tire-bouchon"à une dimension. Ils permettent aussi, dans le cas des mélasses "Sisyphe"(à une, deux ou trois dimensions), la mise en évidence de la localisation des atomes au fond des puits du potentiel créé par la lumière. Ces derniers étant situés sur un réseau bien ordonné, l'image du milieu visqueux créé par les photons laser cède la place à l'image d'un cristal optique induit par la lumière.
Ce manuscrit présente différentes études expérimentales qui s'inscrivent dans le cadre d'une recherche dont l'objectif est la réalisation d'un “laser à atomes” continu et intense. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental qui permet de mettre en oeuvre le refroidissement par évaporation forcée d'un jet atomique guidé magnétiquement. Le gain observé, d'un facteur 10, sur la densité dans l'espace des phases est limité par la dynamique collisionnelle du jet. Pour améliorer les performances du refroidissement, il apparaît nécessaire de développer de nouvelles techniques expérimentales. Nous détaillons ainsi une nouvelle méthode d'évaporation très efficace, par mise en contact des atomes du jet avec une surface matérielle. Les autres études menées portent sur la production et la manipulation de nuages atomiques ultra-froids. La première consiste à ralentir des paquets atomiques par réflexion sur un miroir magnétique mobile. La seconde permet la capture et le refroidissement d'une succession de paquets atomiques dans un train de pièges de Ioffe-Pritchard. La dernière technique met en oeuvre un piège dipolaire, produit par un faisceau laser de forte puissance, afin de produire puis de mettre en mouvement des paquets atomiques ultra-froids très denses. Nous présentons enfin un nouveau protocole d'imagerie par absorption donnant accès à des mesures quantitatives et précises des nuages atomiques optiquement épais que nous produisons.
Les températures que l'on peut atteindre par refroidissement laser sub-recul d'atomes libres ne sont limitées que par le temps d'interaction. Cette thèse présente dans sa première partie une théorie du refroidissement sub-recul qui utilise les vols de Lévy, qui est confirmée par simulations Monte-Carlo et appliquée à la méthode du refroidissement Raman. Ce travail montre l'importance de la forme des impulsions Raman et donne la première expression quantitative de la température la plus basse que l'on peut atteindre avec une bonne efficacité dans un temps donné. En particulier, de simples impulsions carrées sont plus efficaces pour le refroidissement unidimensionnel que les impulsions Blackman utilisées auparavant. De plus, nous montrons comment la théorie et les simulations permettent de déterminer les valeurs optimales des paramètres tels que durée et désaccord des impulsions. Ces résultats nouveaux sont appliqués dans une expérience de refroidissement Raman unidimensionnel utilisant des atomes de césium. Le dispositif, qui utilise uniquement des diodes laser, comprend un piège magnéto-optique en cellule et deux lasers verrouillés en phase avec une différence de fréquence de 9.19 GHz pour exciter la transition Raman. En utilisant des impulsions carrées, on obtient une température unidimensionnelle de 2.8 nK avec une hauteur du pic à vitesse nulle qui est 10 fois celle de la distribution initiale. Nous avons atteint des températures encore plus basses, jusqu'à 0.8 nK, avec un gain légèrement inférieur. Ces résultats représentent à notre connaissance les plus basses températures atteintes par refroidissement laser. A ces températures, la fonction d'onde atomique est délocalisée sur plus de 10 longueurs d'onde optiques. Les applications d'un tel ensemble atomique ultrafroid vont de l'observation d'oscillations de Bloch d'atomes dans un potentiel périodique lumineux jusqu'à l'amélioration des horloges atomiques. Le refroidissement sub-recul d'atomes piégés dans un potentiel lumineux constitue une voie prometteuse pour la production d'un gaz quantique dégénéré avec des techniques purement optiques.
Le but de ce COUTS est de présenter les processus physiques 11 la base du conuôle de la position et de la vitesse des atomes avec des faisceaux laser.Le controle de la vitesse consiste en le refroidissement du mouvement du cenue de masse atomique, donc en un confinement des atomes dans l'espace des impulsions.Le pitgeage est un confinement des atomes dans l'espace des positions.La présentation adopttc repose sur le concept de "fon::es radiatives".Cc concept intervient lorsqu•on tlimine adiabatiquement les degrés de libertt atomiques internes, donc lorsque ceuxci relaxent en un temps COUrt devant les temps d•tvolution typiques de la vitesse atomique (voir § 1).Elle a l'avantage de corKIuîre il; une analyse simple du refroidissement et de donllCr accès rapidement au~ lois d'échelle importantes.Nous ulÎlisons le concept de forçes radiatives pour analyser le modèle le plus simple de refroidissement et de pitgeage, dan s le §2 (cas d'un ttat atomique fondamental de moment angulaire nul).Le mtcanisme de base eSt l'effet Doppler, et les !!nergies cinttiques les plus basses accessibles sont de l"ordrc de !Ir, où r est le \aux d'!!mission spontan!!e de l'!!tat excit!!.Expérimentaleme nt, des températures beaucoup plus basses que celles préditeS par le modèlc Doppler prtc&len t ont tt!! observtes.Un des mtcanismes de refroidissement mis en jeu est l'effet "Sisyphe", que nous ttudions au §3 sur un modèle simple 11 une d imension, qui a le mérite de donner l'ordre de grnrKIeur des résultats expérimentaux.Les !!nergies <:intriques les plus basses obtenues sont de l'ordre de l'énergie de recul (lIkd' 1 2M, où IIk L est l'impulsion d'un photon laser et M la masse d 'un atome.Finalement, au §4, nous abordons un domaine actuellement en essor, celui de l'optique atomique, en l'illusuanl par des réalisations de miroirs, de cavités et lames stparatrices pour ondes de matière. LES FONDEMENTS: DU QUANTIQUE AU SEMI-CLASSIQUENous donnons d'abord une description quantique, que l'on peut considtrer comme exacte, des problèmes de refroidissement.NolIS monuons ensuite comment obtenir d'utiles appro:<.imationssemi-<:lassiques 11 partir des 6quatÎons entièremenl quantiques.
L'objet de cette these est l'etude du refroidissement et du piegeage d'atomes de cesium dans des structures lumineuses a faible taux de diffusion. Nous avons mis au point une melasse optique dite grise dans laquelle le refroidissement est realise sur une transition de type j#f j#e = j#f 1 a l'aide de faisceaux lumineux desaccordes sur le bleu de la transition atomique (frequence du laser superieure a la frequence de la transition atomique). Les atomes etant pompes dans des etats faiblement couples a la lumiere, le taux de diffusion de photons est reduit et la temperature minimale trois fois plus faible que dans une melasse traditionnelle. Le confinement des atomes refroidis dans une melasse grise est assure par un piege dipolaire tres desaccorde cree par un laser yag : nd#3#+. Dans une premiere etape les atomes sont pieges dans un faisceau unique. Le nuage atomique a alors une structure cylindrique avec un fort confinement transverse (taille de l'ordre de six microns). Dans cette situation nous avons mesure une densite atomique de 2 10#1#2at/cm#3 et l'epaisseur optique le long du faisceau piegeant est estimee a 500. Nous avons montre que dans cette geometrie anisotrope le chauffage par diffusion multiple de photons est fortement diminue. Dans un deuxieme temps, nous avons cree un reseau optique tres desaccorde de pas 29 microns en faisant l'image d'un reseau materiel sur les atomes par le faisceau yag. Une image par absorption a permis une observation directe de la localisation des atomes dans cette structure periodique (taille du nuage atomique par site de 3 m). Le reseau atomique est non lacunaire. Par effet talbot ce confinement est tridimensionnel et conduit a des densites atomiques de l'ordre de 10#1#3 at / cm#3 et des densites dans l'espace des phases de 10##3. Le fort confinement et les densites atomiques importantes que nous avons obtenus ouvrent de nombreuses perspectives.
Ce mémoire présente de nouvelles approches expérimentales et théoriques du refroidissement laser sub-recul par résonances noires. L'énergie de recul est l'énergie cinétique communiquée à un atome initialement immobile par l'absorption ou l'émission d'un seul photon. C'est une échelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la première fois en 1988, sur un jet d'hélium métastable, grâce à la méthode des résonances noires sélectives en vitesse. Ce travail porte sur les développements de cette méthode, d'une part dans le régime des temps longs, d'autre part à plusieurs dimensions. Le nouveau schéma expérimental repose sur la réalisation d'un piège laser d'atomes d'hélium métastables ultrafroids, à partir duquel on lâche en chute libre le nuage d'atomes piégés, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnétiques ont été compensés à un milligauss près par des expériences d'effet Hanle mécanique. Les premières expériences effectuées avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantième de l'énergie de recul (100 nanokelvins) à une dimension. La limite du recul à deux dimensions a pu être franchie pour la première fois (un vingtième de l'énergie du recul, soit 200 nanokelvins) Sur le plan théorique, on a développé un nouveau type de simulations Monte-Carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la résolution des équations de Bloch optiques On a pu explorer ainsi le régime des temps longs. Ces simulations ont suggéré une approche statistique complètement nouvelle du problème, basée sur les statistiques de Lévy récemment introduites pour étudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture prédisant une décroissance de la température atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit également des résultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le rôle de la dimensionnalité.