La conversion de lumiere vers les hautes frequences s'effectue selon trois types de mecanismes d'excitation: absorptions successives de plusieurs photons, transfert d'energie entre les ions dans un etat excite et l'avalanche de photons. Ce dernier processus est un effet collectif base sur un transfert d'energie a partir d'un ion a l'etat excite vers un ion a l'etat fondamental. Sous certaines conditions, ces transferts peuvent conduire a une reaction en chaine entrainant une importante augmentation de l'intensite de la fluorescence anti-Stokes. L'objet de ce travail est l'etude systematique de la fluorescence anti-Stokes des ions de terres rares trivalents dans les cristaux du type fluorite. Les etudes que nous presentons ont ete effectuees en utilisant une excitation monochromatique autour de 650 nm fournie par un laser a colorant. Nous avons etudie plus particulierement les ions erbium et thulium dilues dans les monocristaux de KY3F10. Cette etude nous a permis de determiner les sous niveaux Stark des differents multiplets 2S+1LJ des ions Er3+ et Tm3+ a la temperature de l'azote liquide avec une tres bonne precision. Nous avons aussi expose les resultats relatifs a la dynamique de la fluorescence anti-Stokes en analysant la variation de l'intensite de la fluorescence en fonction de la puissance d'excitation et en effectuant des mesures de durees de vie. Nous rapportons aussi les resultats d'une etude spectroscopique et dynamique des emissions anti-Stokes du meme cristal de KY3F10 dope par des ions Tm3+ demontrant l'effet de sensibilisation des ions Er3+, presents a l'etat de traces, sur les raies d'absorption dans l'etat excite du Tm3+
La conversion de lumiere vers les hautes frequences s'effectue selon trois types de mecanismes d'excitation: absorptions successives de plusieurs photons, transfert d'energie entre les ions dans un etat excite et l'avalanche de photons. Ce dernier processus est un effet collectif base sur un transfert d'energie a partir d'un ion a l'etat excite vers un ion a l'etat fondamental. Sous certaines conditions, ces transferts peuvent conduire a une reaction en chaine entrainant une importante augmentation de l'intensite de la fluorescence anti-Stokes. L'objet de ce travail est l'etude systematique de la fluorescence anti-Stokes des ions de terres rares trivalents dans les cristaux du type fluorite. Les etudes que nous presentons ont ete effectuees en utilisant une excitation monochromatique autour de 650 nm fournie par un laser a colorant. Nous avons etudie plus particulierement les ions erbium et thulium dilues dans les monocristaux de KY3F10. Cette etude nous a permis de determiner les sous niveaux Stark des differents multiplets 2S+1LJ des ions Er3+ et Tm3+ a la temperature de l'azote liquide avec une tres bonne precision. Nous avons aussi expose les resultats relatifs a la dynamique de la fluorescence anti-Stokes en analysant la variation de l'intensite de la fluorescence en fonction de la puissance d'excitation et en effectuant des mesures de durees de vie. Nous rapportons aussi les resultats d'une etude spectroscopique et dynamique des emissions anti-Stokes du meme cristal de KY3F10 dope par des ions Tm3+ demontrant l'effet de sensibilisation des ions Er3+, presents a l'etat de traces, sur les raies d'absorption dans l'etat excite du Tm3+
Cette etude traite de la fluorescence bleue, observee vers 480 et 450 nm, dans des monocristaux de type fluorite: fluorures alcalino-terreux et fluorure de cadmium, dopes avec l'ion thulium trivalent et soumis a une excitation monochromatique rouge vers 650 nm. La source utilisee est un laser accordable a colorant fonctionnant en continu. Du fait de la compensation de charge, il existe, dans un cristal de type fluorite, une multitude de sites differents pour l'ion thulium, ce qui complique l'etude spectroscopique. La theorie des groupes de symetrie permet, dans les cas simples, de prevoir la symetrie des sites. Une telle conversion de lumiere vers les hautes frequences s'effectue selon trois types de mecanismes d'excitation: absorptions successives de plusieurs photons, transferts d'energie entre les ions dans un etat excite et avalanche de photons. Ce dernier processus est un effet collectif base sur un transfert d'energie a partir d'un ion a l'etat excite vers un ion a l'etat fondamental. Sous certaines conditions, ces transferts appeles relaxations croisees peuvent conduire a une sorte de reaction en chaine entrainant une importante et brusque augmentation de l'intensite de la fluorescence antistokes (phenomene de seuil). La determination du mecanisme d'excitation, importante pour la realisation de l'inversion de population, necessite une etude approfondie, tant en regime stationnaire, en fonction de la puissance excitatrice, qu'en regime dynamique: reponse a un echelon et arret brusque de l'excitation. Dans les trois fluorures alcalino-terreux, un mecanisme de type absorptions successives utilisant une absorption resonnante dans un etat excite metastable, a ete mis en evidence. Des relaxations croisees contribuent au peuplement des etats excites mais sont trop faibles pour declencher l'avalanche. Les sites responsables de ces emissions antistokes possedent des symetries de types cubique, trigonale et tetragonale, la compensation de charge etant realisee par un ion fluorure en position interstitielle. Dans le fluorure de cadmium, l'emission a 450 nm la plus intense presente toutes les caracteristiques de l'avalanche de photons. Le site responsable de cette emission est, sans doute, une association d'ions thulium
L'excitation de la fluorescence anti-Stokes, au moyen d'une source monochromatique peut être due à trois mécanismes : les absorptions successsives, le transfert d'énergie et l'avalanche de photons. De l'étude théorique d'un modèle à trois niveaux, nous dégageons les traits spécifiques de chacun de ces mécanismes. L'avalanche de photons est caractérisée par l'existence d'un seuil pour la densité d'excitation avec, au delà de ce seuil, une brusque augmentation de l'intensité de la fluorescence anti-Stokes et par un temps de montée qui ne peut être plus long que la durée de vie du niveau réservoir, avec un point d'inflexion très marqué. Ce mécanisme est efficace du point de vue de l'inversion de population mais n'est pas séparable des deux autres mécanismes qui peuvent le favoriser, le contrarier ou même le bloquer. Ainsi l'avalanche peut-elle être amorcée grâce à l'existence d'une très faible absorption dans l'état fondamental mais bloquée lorsque cette absorption devient trop forte. Un système basé sur une absorption dans un état excité possède donc deux modes de fonctionnement : un mécanisme où les absorptions successives dominent et l'avalanche de photons. Le passage d'un mode à l'autre apparait progressivement lorsque l'absorption dans l'état excité augmente par rapport à l'absorption dans l'état fondamental. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus avec l'ion Tm3+ illustrent les processus d'absorption dans l'état excité dont l'avalanche de photons.
Sous excitation sélective par laser à impulsions dans le premier niveau métastable 5D0 de l'ion Sm+2 incorporé dans les matrices BaCIF et SrCIF avec des concentrations diverses (0,1 ‰, 1 ‰, 5 ‰), nous avons observé à 4,4 K les fluorescences anti-Stokes issues des niveaux supérieurs 5D1 et 5D 2, situés respectivement à 1 339 et 3 280 cm-1 au-dessus de 5D0. L'analyse de l'évolution temporelle de ces émissions montre l'intervention de deux mécanismes distincts : (i) une absorption à partir de l'état excité 5D0 clairement mise en évidence par une expérience de double excitation, (ii) une addition de photons par transfert d'énergie (A.P.T.E.) dont l'existence est suggérée par l'effet de la concentration. La compétition entre les deux mécanismes apparaît nettement lors de l'examen de l'influence de l'intensité et de la longueur d'onde de la radiation excitatrice sur le profil des déclins de fluorescence. La résolution numérique des équations de populations prenant en compte les deux processus permet de reproduire l'ensemble des résultats expérimentaux. L'évaluation des contributions relatives des deux mécanismes conduit à considérer que le transfert d'énergie peut être à l'origine de 70 % de l'intensité de la fluorescence anti-Stokes dans le matériau BaClF:5 ‰ Sm+2 à faible énergie d'excitation, cette proportion diminuant considérablement lorsque la puissance du faisceau excitateur augmente.
Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nuage d’ions calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10⁻¹⁴ à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca⁺. Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de différents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable
La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.
Les propriétés de creusement de trou spectral, que l’on trouve à température cryogénique dans certains cristaux dopés aux ions de terres rares, offrent des possibilités prometteuses pour le traitement de signaux radiofréquence large bande. En effet ces propriétés permettent de programmer des fonctions de traitement radiofréquence dans le spectre d’absorption du cristal. Partant des premières démonstrations hors laboratoire d'un analyseur de spectre large bande reposant sur un cristal de Tm3+:YAG, l'objectif de ce travail de thèse est double: d'une part démontrer la versatilité de l'architecture utilisée en développant de nouvelles fonctions de traitement radiofréquence, et plus spécifiquement la fonction de filtrage, et d'autre part améliorer les performances de l'analyseur de spectre.Nous commençons par l'étude de la fonction de filtrage radiofréquence. Nous démontrons la première réalisation de la fonction de filtrage dans des cristaux dopés aux terre rares. Cette démonstration s'appuie sur l'architecture "arc-en-ciel" dans un cristal de Tm3+:YAG. Nous présentons une étude paramétrique afin d'optimiser les performances du filtre. Nous développons ensuite un modèle analytique décrivant la réponse du filtre en amplitude et en phase. Après optimisation du filtre, nous obtenons une réjection de 60~dB, avec une réjection de 45~dB à 50~MHz du bord du filtre, à l'état de l'art des filtres photoniques GHz.Dans un second temps, nous nous intéressons au montage historique de l'analyseur de spectre large bande. Le premier axe d'étude est dédié à la baisse de dynamique observée expérimentalement lorsque la bande d'analyse augmente. Nous identifions que cette baisse est liée à une élévation de température dans le cristal due aux excitations optiques. Nous nous attachons à mesurer le profil de température à l'intérieur du cristal par spectroscopie SHB, dans l'objectif de déterminer une configuration expérimentale favorable à une meilleure thermalisation du cristal. Dans le second axe d'étude dédié à l'analyseur spectral, nous nous intéressons à sa réponse fréquentielle. Nous étendons notre modèle de filtre radiofréquence pour l'adapter à cette configuration. Nous utilisons ce modèle pour comprendre les phénomènes pouvant mener un élargissement de la réponse de l'analyseur. Finalement nous appliquons notre modèle aux paramètres expérimentaux pour quantifier l'impact de ces phénomènes en pratique.