Un inconvénient important du pompage optique indirect de l'hélium-3 traditionnel est qu'il opère à des pressions faibles qui ne sont en particulier pas favorables aux applications médicales d'IRM nécessitant la production d'hélium-3 gazeux très polarisé et dense : une voie prometteuse est d'utiliser un fort champ magnétique qui permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression. Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.
Un inconvénient important du pompage optique indirect de l'hélium-3 traditionnel est qu'il opère à des pressions faibles qui ne sont en particulier pas favorables aux applications médicales d'IRM nécessitant la production d'hélium-3 gazeux très polarisé et dense : une voie prometteuse est d'utiliser un fort champ magnétique qui permet d'opérer plus efficacement à plus forte pression. Dans une première partie nous faisons apparaître l'importance des corrélations entre vitesse et orientation nucléaire pour les atomes excités présents dans le plasma et soumis à la lumière de pompage optique à 1083 nm. Nous avons étudié leur effet sur l'efficacité du pompage optique tant au moyen d'un modèle détaillé que par des mesures expérimentales systématiques. Nous montrons la grande importance des caractéristiques spectrales fines des lasers à 1083 nm. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons plus spécifiquement à des conditions non standard de pompage optique, en présence d'un fort champ magnétique et à forte pression. Nous avons réalisé une étude spectroscopique détaillée de l'effet Zeeman de la transition à 1083 nm de l'hélium qui permet d'identifier précisément les positions de ces transitions et leurs intensités, ce qui nous a permis de mettre au point une technique originale de mesure optique de la polarisation nucléaire en champ quelconque. Nous avons démontré que la présence de lumière à 1083 nm augmente significativement la population de molécules métastables au sein d'un plasma d'hélium, en particulier à forte pression.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
Dans un premier temps, nous avons applique l'effet optogalvanique a la detection des resonances magnetiques induites par modulation de l'intensite du faisceau de pompage. Les signaux de resonance sont interpretes a l'aide des equations du pompage optique et en supposant que la production d'electrons dans la cellule est principalement gouvernee par les collisions ionisantes entre atomes metastables (singulet et triplet). Une diode laser developpee pour le pompage optique de l'helium est recemment apparue sur le marche. La possibilite de moduler avec une grande amplitude la frequence emise par un laser a semi-conducteur, simplement en modulant le courant d'alimentation, nous a permis d'etudier un nouveau type de pompage optique: le pompage optique en lumiere modulee en frequence. Pour interpreter les signaux obtenus, nous avons developpe un modele theorique simple et neanmoins convainquant. La modulation de l'intensite lumineuse residuelle, introduite par la modulation du courant de commande de la diode laser, est prise en compte et rend compte des deplacements de resonance mesures. Enfin nous presentons les caracteristiques techniques et les performances de la maquette du magnetometre portable dont nous achevons la construction. Un faisceau de fibres est utilise pour separer la sonde de mesure de la diode laser. Nous montrons clairement que la sensibilite du magnetometre est alors beaucoup moins degradee qu'avec une fibre optique unique
La mesure du champ magnétique terrestre avec des satellites réduits en volume –des cube-sats ou des nano-sats– requière de des magnétomètres à pompage optique de volume plus réduit et pouvant être opérés en gradiomètre sans diaphonie entre capteurs. Pour répondre à ce besoin, nous avons travaillé sur des architectures de magnétomètres atomiques tout-optiques. Dans ce manuscrit, nous présentons une architecture de magnétomètre scalaire tout-optique isotrope basée l’hélium-4 métastable pompé en alignement. Cette architecture repose sur la combinaison d’un champ magnétique radiofréquence créé optiquement par l’effet de light-shift vectoriel et d’une modulation de l’intensité du faisceau de pompe. Les premiers tests expérimentaux de cette configuration ont démontré l’existence d’un point de travail permettant l’opération isotrope. Les premières estimations de bruit et de justesse de cette configuration laissent espérer des performances équivalentes à celles obtenues sur les magnétomètres scalaires isotropes réalisés par le CEA-Leti pour la mission Swarm.Les architectures tout-optique apporteraient également une réponse à des besoins existants dans le domaine de l’imagerie magnétique médicale. En effet la mise en réseau des capteurs actuels entraine des problèmes de diaphonie entre magnétomètres voisins. Dans un deuxième volet de cette thèse nous nous sommes donc intéressés aux magnétomètres tout-optique dédiés à la mesure de champs magnétiques de faibles amplitudes. En explorant les configurations de magnétomètres Hanle basés sur l’alignement atomique, nous avons identifié un schéma qui permet d’avoir accès à deux composantes du champ magnétique en utilisant un seul accès optique à la cellule de gaz. Cette solution a été testée expérimentalement. Nous étudions théoriquement une extension de cette configuration qui permet de mesurer les trois composantes du champ magnétique en utilisant pour le pompage optique une lumière partiellement dépolarisée.
I) Dans notre travail sur les condensats, souvent motivé par des expériences, nous nous sommes intéressés à deux aspects. Le premier lié à la cohérence de phase du condensat et le deuxième lié au caractère multimode du champ atomique lorsque la température du système est non nulle. Nous avons étudié l'effet des pertes de particules sur le brouillage et les résurgences de phase par la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo. Nous avons étudié la dynamique spatiale et de phase dans un mélange de deux condensats par des méthodes analytiques et numériques à l'aide de l'équation de Gross-Pitaevskii. Nous avons proposé et mis en oeuvre une méthode stochastique pour échantillonner la distribution de Wigner d'équilibre d'un champ atomique à une température non nulle dans le cadre de l'approximation de Bogoliubov; ceci peut servir de point de départ pour une évolution dynamique de type champ classique qui, elle, va au-delà de l'approche de Bogoliubov. Par des simulations 3D de champ classique, nous avons ainsi montré la formation d'un réseau de vortex dans un condensat tournant, sans l'introduction de termes d'amortissement dans l'équation de Schrodinger non linéaire. II) Selon la méthode actuellement utilisée, l'hélium 3 est pompé par échange de métastabilité à faible pression (< 1mbar) ce qui nécessite un phase délicate de compression sans perte de polarisation avant que le gaz puisse être utilisé pour l'imagerie. Par une étude expérimentale et théorique systématique, nous avons montré qu'effectuer le pompage en présence d'un champ magnétique fort, de 1.5 Tesla, permet de supprimer des canaux de relaxation de la polarisation nucléaire et d'étendre ainsi le domaine d'applicabilité du pompage de l'hélium par échange de métastabilité à des pressions presque 100 fois plus élevées que celles usuelles, ce qui devrait simplifier considérablement l'étape de compression du gaz.
Nous présentons une étude détaillée des magnétomètres hélium 4 à pompage optique en alignement. Ces capteurs fonctionnent intrinsèquement dans un régime de champ magnétique faible (B≲150 nT), mais leur gamme de fonctionnement peut être grandement étendue en utilisant une boucle de compensation du champ.En réutilisant les théories du pompage optique et de l’atome habillé développées dans les années 60, nous obtenons les expressions détaillées des signaux optiques de nos magnétomètres pour les trois raies D_0, D_1 et D_2. Nous étudions ainsi les différentes architectures de capteurs qui peuvent être réalisées, en prenant soin de détailler les deux modes de mesure permis par l’alignement (absorption et biréfringence linéaire). Nous mettons ainsi en avant des nouvelles architectures innovantes des magnétomètres à effet Hanle, en faisant notamment apparaître la possibilité de réaliser une mesure avec un seul accès optique. Nous détaillons également l’étude des magnétomètres à résonance paramétrique dans les deux configurations de mesure permises par l’alignement. Systématiquement nous appuyons nos résultats théoriques via des validations expérimentales.Enfin nous détaillons les sources intrinsèques d’imperfections (effet indésirable du faisceau sonde, light-shift …) et de bruits des capteurs. Cela nous permet de mettre en avant les points forts et faibles des architectures, ainsi que d’étudier leurs performances en terme de sensibilité.