Ce mémoire s'inscrit dans le domaine du piégeage et du refroidissement radiatifs. Il présente la réalisation et l'étude d'un piège magnéto-optique dans une cellule à faible pression de vapeur de césium. Le remplissage du piège est décrit par un modèle Monte-Carlo sur une transition F = 0/F' = 1. Néanmoins une compréhension plus détaillée du fonctionnement du piège fait intervenir la structure des niveaux de l'atome, les nouveaux mécanismes de refroidissement sub-Doppler, ainsi que des effets de densité liés en particulier à la diffusion multiple de photons. Le piège réalisé est très profond (jusqu'à plusieurs Kelvin de profondeur) et permet d'obtenir de fortes densités d'atomes (quelques 10^10 à 10^12 atomes par cm3) à de très basses températures (5 à 100 μK). Nous présentons également une première utilisation de ces atomes froids pour une expérience d'optique non-linéaire mettant en évidence un nouvel effet Raman entre sous-niveaux du niveau fondamental déplacés par la lumière. Nous discutons finalement quelques applications potentielles d'un tel dispositif.
Ce mémoire s'inscrit dans le domaine du piégeage et du refroidissement radiatifs. Il présente la réalisation et l'étude d'un piège magnéto-optique dans une cellule à faible pression de vapeur de césium. Le remplissage du piège est décrit par un modèle Monte-Carlo sur une transition F = 0/F' = 1. Néanmoins une compréhension plus détaillée du fonctionnement du piège fait intervenir la structure des niveaux de l'atome, les nouveaux mécanismes de refroidissement sub-Doppler, ainsi que des effets de densité liés en particulier à la diffusion multiple de photons. Le piège réalisé est très profond (jusqu'à plusieurs Kelvin de profondeur) et permet d'obtenir de fortes densités d'atomes (quelques 10^10 à 10^12 atomes par cm3) à de très basses températures (5 à 100 μK). Nous présentons également une première utilisation de ces atomes froids pour une expérience d'optique non-linéaire mettant en évidence un nouvel effet Raman entre sous-niveaux du niveau fondamental déplacés par la lumière. Nous discutons finalement quelques applications potentielles d'un tel dispositif.
L'objet de cette thèse est l'étude du refroidissement et du piégeage d'atomes de cesium dans des structures lumineuses à faible taux de diffusion. Nous avons mis au point une mélasse optique dite grise dans laquelle le refroidissement est réalisé sur une transition de type Jf → Je = Jf - 1 à l'aide de faisceaux lumineux désaccordés sur le bleu de la transition atomique (fréquence du laser supérieure à la fréquence de la transition atomique). Les atomes étant pompés dans des états faiblement couplés à la lumière, le taux de diffusion de photons est réduit et la température minimale trois fois plus faible que dans une mélasse traditionnelle. Le confinement des atomes refroidis dans une mélasse grise est assuré par un piège dipolaire très désaccordé créé par un laser YAG: Nd3+. Dans une première étape les atomes sont piégés 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 mesuré une densité atomique de 2x10^12at/cm3 et l'épaisseur optique le long du faisceau piégeant est estimée à 500. Nous avons montré que dans cette géométrie anisotrope le chauffage par diffusion multiple de photons est fortement diminué. Dans un deuxième temps, nous avons créé un réseau optique très désaccordé de pas 29 microns en faisant l'image d'un réseau matériel sur les atomes par le faisceau YAG. Une image par absorption a permis une observation directe de la localisation des atomes dans cette structure périodique (taille du nuage atomique par site de l'ordre de 3 μm). Le réseau atomique est non lacunaire. Par effet Talbot ce confinement est tridimensionnel et conduit à des densités atomiques de l'ordre de 10^13 at/cm3 et des densités dans l'espace des phases de l'ordre de 10^-3. Le fort confinement et les densités atomiques importantes que nous avons obtenus ouvrent de nombreuses perspectives.
Dans ce mémoire sont présentées plusieurs méthodes de refroidissement d'atomes de césium confinés dans un piège optique à faible taux de diffusion, le piège dipolaire croisé. Le piège est constitué de deux faisceaux focalisés croisés issus d'un laser Nd:YAG. Les atomes, dans l'un des sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental, restent confinés au croisement des foyers pendant une à deux secondes. Les densités accessibles sont élevées 10^12 atomes/cm3 environ). Pour manipuler ces atomes, on utilise la transition Raman stimulée à deux photons entre les états hyperfins. Une nouvelle forme d'impulsion très efficace reposant sur un transfert adiabatique entre ces niveaux a été mise au point au cours de ce travail. Cette impulsion est utilisée dans toutes les expériences de refroidissement décrites dans cette thèse. Dans une première série d'expériences, on superpose au piège un réseau interférentiel unidimensionnel de pas comparable à la longueur d'onde optique. On peut résoudre la structure vibrationnelle induite avec les transitions Raman. Les atomes sont refroidis dans ce réseau par la méthode du refroidissement par bandes latérales initialement développée pour les ions et appliquée pour la première fois ici aux atomes neutres. On prépare ainsi un échantillon d'atomes froids avec 90% des atomes dans le niveau fondamental du réseau. Cette thèse présente également les résultats obtenus sur les atomes piégés par refroidissement Raman. Cette technique, très efficace à une dimension sur les atomes libres, est étendue à trois dimensions sur des atomes piégés, polarisés ou non. On a développé ici une méthode permettant simultanément de polariser et de refroidir les atomes en utilisant la transition Raman. On obtient des températures de l'ordre de 2 µK avec des densités atomiques de l'ordre de 10^12 atomes/cm3, ce qui représente un gain de trois à quatre ordres de grandeur par rapport à un piège magnéto-optique. On montre que la limite atteinte est due à la réabsorption par les atomes refroidis de photons résonnants issus du repompage. En réduisant volontairement la densité atomique, on limite la réabsorption, ce qui permet d'atteindre des températures encore plus basses (680 nK).
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 travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
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.
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.