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Étude de l'absorption saturée dans un jet supersonique d'iode soumis à deux champs laser séparés

Anne Thenaisie

Published Jan 1, 1987• 0 citations
OpenAlex

Abstract

On decrit le montage experimental: etudes et ameliorations apportees au spectrometre de Villetaneuse (realisation d'un systeme de balayage en frequence des lasers par boucle de verrouillage de phase), on rapporte les premiers resultats (notamment une raie de 100 khz de largeur) et l'etude theorique des formes de raies d'absorption saturee

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Spectroscopie d'absorption saturée à ultra haute résolution par sélection de molécules lentes et détection hétérodyne

F. Guernet

Le spectrometre infra rouge a absorption saturee du Laboratoire de Physique des Lasers de Villetaneuse permet d'obtenir une resolution d'environ 1kHz en utilisant des lasers CO2 ultra stables a 10 [micro]m. La resolution obtenue reste principalement limitee par le temps d'interaction coherente fini des molecules avec l'onde lumineuse. L'augmentation de ce temps necessite une section optique des molecules lentes. Cela se passe par l'utilisation de champs lasers plus faibles et par la diminution de la pression dans la cuve d'absorption. L'abaissement de ces deux parmetres entraine une forte diminution du signal detecte. Nous avons mis au point une methode de detection heterodyne qui nous permet d'atteindre pratiquement le bruit de photons pour une puissance laser inferieure a 1 [micro]W. A l'aide d'une modulation haute frequence, une demi largeur de 230 Hz pour une resonance de OsO4 a ete atteinte a 2 10[puissance -6] Torrs. Nous avons du detecter un signal de 10[puissance -14]W environ sur un faisceau de 3 10[puissance -8]W. L'adjonction d'une seconde modulation basse frequence assure l'elimination du bruit basse frequence residuel. En outre, elle permet d'observer la derivee seconde du signal de saturation ce qui s'accompagne d'un affinement spectaculaire de la raie (80 Hz pour la derivee seconde a 3 10[puissance -6 Torrs). Ce signal met en jeu les seules molecules lentes(=5 m/s) et constitue un progres d'un ordre de grandeur du pouvoir de resolution de l'instrument. Cette methode a permis de resoudre 7 composantes hyperfines d'une structure de 5 kHz d'une raie de SF6

•Jan 1, 1993•0 citations

Observation d'une transition a deux photons de l'ion mercure confine dans une trappe radiofrequence : stabilisation du laser d'excitation

M. Houssin

L'etude de la transition a deux photons entre le niveau fondamental et le premier etat excite, metastable, de l'ion mercure piege dans une trappe radiofrequence presente un double interet. Outre l'utilisation metrologique de cette raie a cause de sa faible largeur, elle permet une meilleure connaissance des proprietes energetiques de la particule. Afin de les interroger, les ions sont confines dans une trappe de paul. En superposant des champs electriques continu et sinusoidal bien choisis, on cree au centre de la trappe un puits de potentiel ou 5 millions d'ions sont pieges. L'excitation de la transition est obtenue a l'aide d'un laser a colorant, dont les performances spectrales doivent etre tres bonnes. C'est pourquoi la frequence du laser est asservie sur un mode resonnant d'une cavite fabry perot stable a court et moyen terme et de grande finesse. L'electronique est tres rapide. Pour le long terme, la longueur de la cavite est asservie sur une transition hyperfine de l'iode, resolue par une technique d'absorption saturee heterodyne. Le laser reste plusieurs heures sur le meme mode et son jitter est reduit a moins de 4 hkz. L'interrogation des ions se fait par une technique de double resonance. Les ions sont eclaires par une lampe au mercure et on detecte la fluorescence qu'ils reemettent a 194 nm. Quand la transition a deux photons est resonnante on observe un trou dans cette fluorescence. L'etude theorique de la transition prevoit un profil dissymetrique d'une largeur de quelques khz, decale vers le rouge. La largeur a mi-hauteur de ce signal convolue avec le profil laser permet de determiner la temperature des ions mercure confines

•Jan 1, 1989•0 citations

Influence du bruit de phase d'une diode laser sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique

Messaoud J. Bahoura

Le travail de cette these consiste a etudier theoriquement et experimentalement l'influence du bruit de phase d'un laser a semi-conducteurs sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique. Trois references sont choisies : un interferometre de mach-zender, une cavite fabry-perot et une vapeur atomique. Afin de tester les limites de certains modeles usuels de description des fluctuations de phase du laser, j'utilise une theorie generale impliquant l'interferometre de mach-zender et basee sur le modele du champ laser a diffusion de phase sans restriction sur les valeurs relatives des largeurs de raies du laser et de la reference. Je montre que le processus de modulation-demodulation, en presence du bruit de phase du laser, genere deux types d'exces de bruit par rapport au bruit de grenaille de photons : bruit de conversion et bruit d'intermodulation. Ces exces de bruit s'ajoutent au signal d'erreur et limitent la stabilite du laser asservi. Les predictions theoriques confirmees par des resultats experimentaux montrent que la reponse frequentielle d'un systeme atomique a deux niveaux en regime de faible saturation interroge par un champ laser bruyant est identique a celle d'une cavite fabry-perot eclairee par le meme laser. Je montre que dans les conditions typiques d'asservissement la purete spectrale du laser asservi est principalement limitee par l'exces de bruit d'intermodulation. Cet effet, initialement mis en evidence dans le domaine micro-onde, peut etre reduit avec un choix convenable de la configuration de detection et de la frequence de modulation. Ainsi une source laser de haute purete spectrale compatible avec nos applications peut etre realisee. Les resultats de ce memoire peuvent mener a d'interessantes etudes sur les phenomenes de bruit dans les domaines de la metrologie des frequences, la spectroscopie a haute resolution, le refroidissement d'atomes par laser et le pompage optique.

•Jan 1, 1998•2 citations

Continuum Stark spectroscopy

L. F. DiMauro, T. H. Bergeman, Patrick J. McNicholl +1 more

Nous présentons l'étude expérimentale et théorique de la photoionisation par échelon via l'état 3P du sodium dans des champs électriques jusqu'à 3,90 kV/cm. L'appareillage utilise un jet atomique et l'excitation est réalisée à l'aide de deux lasers pulsés dont les faisceaux sont orthogonaux au jet atomique. Le premier laser à 589 nm permet l'excitation des niveaux P. Le second laser autour de 409 nm permet la photoionisation autour de la limite d'ionisation Eo, en champ nul. Nous avons observé des ondulations de grande largeur dans le courant photoélectrique au-delà de Eo. Leur largeur décroit lorsque l'énergie décroit. Dans certains cas elles s'affinent en des raies bien définies mais asymétriques correspondant aux états de Rydberg déplacés par effet Stark. Nous avons calculé la densité de force d'oscillateur pour ces transitions en utilisant des fonctions d'ondes hydrogénoïdes modifiées. L'accord avec les résultats expérimentaux est excellent. Nous avons considéré les asymétries comme le résultat d'interférences de Fano entre la partie quasi-discrète du spectre et les canaux d'ionisation. En utilisant des potentiels du coeur appropriés, et en tenant compte du couplage entre états discrets-continus et continus-continus induits par l'interaction avec le coeur, nous avons obtenu des valeurs q et Ɖ des paramètres de Fano en bon accord avec nos mesures.

Journal de physique•Nov 1, 1982•0 citations

Etude l'inversion de population par passage adiabatique rapide

Claire Gastineau

La realisation de l'excitation totale d'un milieu presente de nombreux interets pour les etudes spectroscopiques ou pour l'amelioration du rendement des processus d'excitation selectifs. Le passage adiabatique rapide, obtenu par un balayage lineaire de la frequence du laser pendant la duree de l'interaction, permet de realiser une inversion de population sur un systeme a deux niveaux. Dans ce memoire, nous realisons une etude du phenomene sur du cerium produit dans un jet atomique. Nous travaillons dans le domaine spectral du visible avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. La modulation lineaire est obtenue par effet electro-optique dans un cristal. La population du niveau excitee est detectee par photoionisation. Apres des etudes preliminaires (calculs numeriques pour prevoir les performances du modulateur de frequence et caracterisations experimentales du modulateur et des lasers), nous realisons une etude experimentale du transfert de population par passage adiabatique rapide en fonction de deux parametres importants: la frequence de rabi et la vitesse du balayage en frequence. Nous comparons les observations experimentales et les resultats des simulations numeriques. Nous introduisons dans ces dernieres un modele d'incoherence du laser qui permet de mieux rendre compte de l'experience

•Jan 1, 1995•0 citations

Importance des proprietes spectrales des lasers pour les performances des horloges atomiques a pompage optique

Gaëlle Lucas-Leclin

Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.

•Jan 1, 1998•1 citation
On decrit le montage experimental: etudes et ameliorations apportees au spectrometre de Villetaneuse (realisation d'un systeme de balayage en frequence des lasers par boucle de verrouillage de phase), on rapporte les premiers resultats (notamment une raie de 100 khz de largeur) et l'etude theorique des formes de raies d'absorption saturee
Le spectrometre infra rouge a absorption saturee du Laboratoire de Physique des Lasers de Villetaneuse permet d'obtenir une resolution d'environ 1kHz en utilisant des lasers CO2 ultra stables a 10 [micro]m. La resolution obtenue reste principalement limitee par le temps d'interaction coherente fini des molecules avec l'onde lumineuse. L'augmentation de ce temps necessite une section optique des molecules lentes. Cela se passe par l'utilisation de champs lasers plus faibles et par la diminution de la pression dans la cuve d'absorption. L'abaissement de ces deux parmetres entraine une forte diminution du signal detecte. Nous avons mis au point une methode de detection heterodyne qui nous permet d'atteindre pratiquement le bruit de photons pour une puissance laser inferieure a 1 [micro]W. A l'aide d'une modulation haute frequence, une demi largeur de 230 Hz pour une resonance de OsO4 a ete atteinte a 2 10[puissance -6] Torrs. Nous avons du detecter un signal de 10[puissance -14]W environ sur un faisceau de 3 10[puissance -8]W. L'adjonction d'une seconde modulation basse frequence assure l'elimination du bruit basse frequence residuel. En outre, elle permet d'observer la derivee seconde du signal de saturation ce qui s'accompagne d'un affinement spectaculaire de la raie (80 Hz pour la derivee seconde a 3 10[puissance -6 Torrs). Ce signal met en jeu les seules molecules lentes(=5 m/s) et constitue un progres d'un ordre de grandeur du pouvoir de resolution de l'instrument. Cette methode a permis de resoudre 7 composantes hyperfines d'une structure de 5 kHz d'une raie de SF6
L'etude de la transition a deux photons entre le niveau fondamental et le premier etat excite, metastable, de l'ion mercure piege dans une trappe radiofrequence presente un double interet. Outre l'utilisation metrologique de cette raie a cause de sa faible largeur, elle permet une meilleure connaissance des proprietes energetiques de la particule. Afin de les interroger, les ions sont confines dans une trappe de paul. En superposant des champs electriques continu et sinusoidal bien choisis, on cree au centre de la trappe un puits de potentiel ou 5 millions d'ions sont pieges. L'excitation de la transition est obtenue a l'aide d'un laser a colorant, dont les performances spectrales doivent etre tres bonnes. C'est pourquoi la frequence du laser est asservie sur un mode resonnant d'une cavite fabry perot stable a court et moyen terme et de grande finesse. L'electronique est tres rapide. Pour le long terme, la longueur de la cavite est asservie sur une transition hyperfine de l'iode, resolue par une technique d'absorption saturee heterodyne. Le laser reste plusieurs heures sur le meme mode et son jitter est reduit a moins de 4 hkz. L'interrogation des ions se fait par une technique de double resonance. Les ions sont eclaires par une lampe au mercure et on detecte la fluorescence qu'ils reemettent a 194 nm. Quand la transition a deux photons est resonnante on observe un trou dans cette fluorescence. L'etude theorique de la transition prevoit un profil dissymetrique d'une largeur de quelques khz, decale vers le rouge. La largeur a mi-hauteur de ce signal convolue avec le profil laser permet de determiner la temperature des ions mercure confines
Le travail de cette these consiste a etudier theoriquement et experimentalement l'influence du bruit de phase d'un laser a semi-conducteurs sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique. Trois references sont choisies : un interferometre de mach-zender, une cavite fabry-perot et une vapeur atomique. Afin de tester les limites de certains modeles usuels de description des fluctuations de phase du laser, j'utilise une theorie generale impliquant l'interferometre de mach-zender et basee sur le modele du champ laser a diffusion de phase sans restriction sur les valeurs relatives des largeurs de raies du laser et de la reference. Je montre que le processus de modulation-demodulation, en presence du bruit de phase du laser, genere deux types d'exces de bruit par rapport au bruit de grenaille de photons : bruit de conversion et bruit d'intermodulation. Ces exces de bruit s'ajoutent au signal d'erreur et limitent la stabilite du laser asservi. Les predictions theoriques confirmees par des resultats experimentaux montrent que la reponse frequentielle d'un systeme atomique a deux niveaux en regime de faible saturation interroge par un champ laser bruyant est identique a celle d'une cavite fabry-perot eclairee par le meme laser. Je montre que dans les conditions typiques d'asservissement la purete spectrale du laser asservi est principalement limitee par l'exces de bruit d'intermodulation. Cet effet, initialement mis en evidence dans le domaine micro-onde, peut etre reduit avec un choix convenable de la configuration de detection et de la frequence de modulation. Ainsi une source laser de haute purete spectrale compatible avec nos applications peut etre realisee. Les resultats de ce memoire peuvent mener a d'interessantes etudes sur les phenomenes de bruit dans les domaines de la metrologie des frequences, la spectroscopie a haute resolution, le refroidissement d'atomes par laser et le pompage optique.
Nous présentons l'étude expérimentale et théorique de la photoionisation par échelon via l'état 3P du sodium dans des champs électriques jusqu'à 3,90 kV/cm. L'appareillage utilise un jet atomique et l'excitation est réalisée à l'aide de deux lasers pulsés dont les faisceaux sont orthogonaux au jet atomique. Le premier laser à 589 nm permet l'excitation des niveaux P. Le second laser autour de 409 nm permet la photoionisation autour de la limite d'ionisation Eo, en champ nul. Nous avons observé des ondulations de grande largeur dans le courant photoélectrique au-delà de Eo. Leur largeur décroit lorsque l'énergie décroit. Dans certains cas elles s'affinent en des raies bien définies mais asymétriques correspondant aux états de Rydberg déplacés par effet Stark. Nous avons calculé la densité de force d'oscillateur pour ces transitions en utilisant des fonctions d'ondes hydrogénoïdes modifiées. L'accord avec les résultats expérimentaux est excellent. Nous avons considéré les asymétries comme le résultat d'interférences de Fano entre la partie quasi-discrète du spectre et les canaux d'ionisation. En utilisant des potentiels du coeur appropriés, et en tenant compte du couplage entre états discrets-continus et continus-continus induits par l'interaction avec le coeur, nous avons obtenu des valeurs q et Ɖ des paramètres de Fano en bon accord avec nos mesures.
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Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.