L'utilisation d'un modulateur spatial de lumiere (SLM), un element diffractif reprogrammable, a ete etudiee dans le contexte des experiences sur les atomes froids. Le SLM a permis de mettre en forme par diffraction en champ lointain un faisceau laser infrarouge creant un potentiel dipolaire dans un piege magneto-optique (MOT) d'atomes de Rubidium. Une etude detaillee des algorithmes numeriques permettant de calculer des hologrammes produisant des figures de diffraction arbitraires a ete realisee et les obstacles fondamentaux et technologiques a l'obtention de figures lisses ont ete identifies. L'utilisation d'hologrammes connus analytiquement a egalement ete etudiee, en particulier avec les hologrammes produisant une dislocation de phase au centre du faisceau. Des faisceaux de Laguerre-Gauss en forme d'anneau ont ainsi ete produits. L'absence d'intensite lumineuse au centre de tels faisceaux permet de realiser un guide dipolaire pour les atomes froids, dans lequel les atomes sont pieges dans une region ou le taux d'emission spontanee est minimum. Une evaluation quantitative des efficacites de guidage des atomes froids en fonction de differents parametres a ete effectuee (decalage en frequence et ordre radial du faisceau de Laguerre-Gauss, en utilisant les capacites de reprogrammation dynamique du SLM). D'autre part, une technique de commutation rapide du SLM a ete mise au point avec pour objectif de disposer d'un moyen de modifier en quelques microsecondes un potentiel dipolaire dans une experience de physique atomique.
Cette thèse porte sur le façonnage de lasers par holographie en vue de créer des potentiels dipolaires pour les atomes froids. Le dispositif expérimental utilisé pour façonner le laser et modifier sa phase est un modulateur spatial de lumière (SLM). Grâce à ce SLM, il est possible de fabriquer des faisceaux dont le centre est noir, appelés faisceaux creux. Ces derniers sont de bons candidats pour piéger des atomes froids lorsqu'ils sont utilisés avec un laser désaccordé vers le bleu. Les atomes sont alors attirés vers le centre noir du faisceau ce qui limite les pertes d'atomes par émission spontanée. Nous avons ainsi généré des modes de Laguerre-Gauss LG0l quasi-purs dans lesquels nous avons guidé des atomes froids. L'avantage de ces modes est que l'hologramme permettant de les produire, une hélice de phase, est analytique. Des résultats quantitatifs sur l'efficacité du guidage d'atomes dans ces modes ont été obtenus et comparés à un modèle calculant l'efficacité de capture. Dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à modifier l'hologramme en hélice analytiquement pour générer d'autres faisceaux creux. Afin de savoir quelle phase appliquer sur le SLM, nous avons développé un modèle pour connaître les caractéristiques du faisceau fabriqué en tout point de l'axe de propagation. Ce modèle est basé sur la décomposition du champ sur la base des modes de Laguerre-Gauss LGpl . Nous avons ainsi généré une ouverture dans la circonférence des Laguerre-Gauss et fabriqué des croix se transformant en polygones au cours de leur propagation. Ces potentiels permettent d'envisager de nouvelles expériences dont l'étude des systèmes chaotiques.
Cette thèse concerne la production et le contrôle d'hologrammes de haute qualité par un modulateur de phase à cristaux liquides (SLM) et l'utilisation de ces hologrammes pour la manipulation d'atomes froids. Ces hologrammes utilisés pour mettre en forme des faisceaux lasers et créer des potentiels dipolaires doivent être de bonne qualité. Or le SLM a des défauts qui peuvent les dégrader. Pour mesurer ces défauts nous avons développé une méthode reposant sur la mesure par polarimétrie de la biréfringence du SLM. La cartographie de biréfringence permet de mesurer l'hologramme en temps réel sans perturber l'expérience en cours. C'est donc une mesure in-situ. Une fois mesurés les défauts sont corrigés par une rétroaction sur la consigne donnée au SLM. Pour le démontrer nous avons créé un défaut artificiel avec un pointeur laser et nous l'avons réduit à /7 soit une amélioration de 42 %. Ensuite avec l'objectif d'appliquer des potentiels produit par un SLM aux atomes froids, j'ai dessiné, conçu puis réalisé en partie une expérience basée sur un jet d'atomes froids de rubidium issu d'un MOT-2D. Dans le chapitre correspondant je présente une étude de la faisabilité d'une expérience de guidage du jet d'atomes froids par un mode de Laguerre Gauss désaccordé vers le bleu de la transition. Nous avons montré que dans un tel guide le chauffage par émission spontanée est plus faible que dans un guide gaussien usuel désaccordé vers le rouge de la transition. De plus en réduisant la divergence naturelle du jet issu du MOT-2D nous devrions augmenter le flux d'atomes et améliorer l'efficacité de chargement d'un MOT-3D par un MOT-2D.
Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles.
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.
L'objet de cette these est l'etude theorique de la manipulation d'ensembles d'atomes froids par des champs laser. Le but est d'affiner le controle des degres de liberte externes et de proposer de nouveaux schemas d'optique atomique. Une premiere etape a consiste a modeliser une experience de lame separatrice a atomes froids agissant dans le champ gravitationnel. L'evolution des populations atomiques dans les potentiels lumineux dependant du temps est obtenue par resolution de l'equation de Schrodinger. Cette resolution est faite par propagation temporelle de paquets d'ondes translationnels. Des ameliorations de l'efficacite de la separatrice sont proposees ainsi qu'un schema de deflecteur d'atomes froids en chute libre. Le modele a ensuite ete etendu au cas des condensats de Bose-Einstein. L'equation relative a la dynamique de ce probleme est alors l'equation de Gross-Pitaevskii et sa resolution permet d'acceder a l'evolution de la fonction d'onde du condensat. Un schema de deflecteur a gaz degeneres a ete propose et son fonctionnement simule dans des conditions experimentales realistes. La derniere partie de la these a pour objet l'etude theorique de la condensation de Bose-Einstein dans des potentiels lumineux faconnes par des modulateurs spatiaux de lumiere (SLM). Les specificites de ces potentiels sont etudiees et une comparaison est faite entre ces potentiels particuliers et le potentiel harmonique generalement utilise dans les experiences de condensation. Cette etude repose sur des donnees experimentales realistes. Elle a permis de souligner l'interet de ces systemes pour l'obtention et la manipulation des gaz quantiques degeneres.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de
4×1010 atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de
7×109 atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.