Ce travail porte sur le piegeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en metrologie des frequences. L'ion calcium possede une transition quadripolaire electrique a 729 nm de facteur de qualite superieur a 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un etalon de frequence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confines dans un piege radiofrequence de Paul-Straubel et sont detectes par la lumiere de fluorescence qu'ils emettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'etude des proprietes spectrales de leur mouvement est faite par application au piege d'une petite tension alternative. Les frequences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut etre obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de decrire le diagramme de stabilite du piege reel. Les lasers de l'experience doivent avoir des frequences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est realise en l'injectant dans une cavite Fabry-Perot en meme temps qu'un laser a 852 nm stabilise en frequence sur le cesium par une technique d'absorption saturee. La cavite permet le transfert de la stabilite de ce dernier laser vers le laser de l'experience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'ejecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors place au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les electrodes de compensation. Ceci reduit son micromouvement. L'efficacite de l'operation est observee par la technique de correlation de champ RF-photon.
Ce travail porte sur le piegeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en metrologie des frequences. L'ion calcium possede une transition quadripolaire electrique a 729 nm de facteur de qualite superieur a 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un etalon de frequence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confines dans un piege radiofrequence de Paul-Straubel et sont detectes par la lumiere de fluorescence qu'ils emettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'etude des proprietes spectrales de leur mouvement est faite par application au piege d'une petite tension alternative. Les frequences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut etre obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de decrire le diagramme de stabilite du piege reel. Les lasers de l'experience doivent avoir des frequences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est realise en l'injectant dans une cavite Fabry-Perot en meme temps qu'un laser a 852 nm stabilise en frequence sur le cesium par une technique d'absorption saturee. La cavite permet le transfert de la stabilite de ce dernier laser vers le laser de l'experience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'ejecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors place au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les electrodes de compensation. Ceci reduit son micromouvement. L'efficacite de l'operation est observee par la technique de correlation de champ RF-photon.
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion unique de calcium confiné dans un piège de Paul. Après avoir passé en revue les différents types d'étalons de fréquence dans le domaine optique actuellement développés (atomes neutres en piège magnéto-optique, atomes neutres dans un réseau optique et ions piégés), l'accent est mis sur le concept d'horloge a ion unique confiné dans une piège radiofréquence. Les notions de piégeage des ions, de refroidissement laser, d'effet systématique et les techniques d'asservissement laser y sont étudiées en détail. Les aspect expérimentaux sont ensuite présentés, en insistant particulièrement sur les deux pièges utilisés au cours des expériences ainsi que sur le protocole expérimental qui détermine le cahier des charges du laser d'horloge. Afin de réaliser un étalon de fréquence optique il faut posséder une source laser dont les propriétés spectrales soient meilleures ou identiques à celle de la transition atomique afin de tirer pleinement profit du facteur de qualité de la transition atomique. L'ensemble des systèmes d'asservissement du laser, lui permettant d'atteindre ces performances, sont décrits. Dans une première partie, l'asservissement du laser sur une cavité Invar de pré-stabilisation est présenté. On peut ainsi atteindre une largeur de raie du laser de l'ordre de 1 kHz. Dans une seconde partie la réalisation et le montage de l'asservissement sur une cavité ULE de haute finesse est détaillé. En utilisant ce dernier étage nous avons estimé la largeur de raie du laser à 120 mHz. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'utilisation d'une technique d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité des faisceaux laser et ainsi réduire le bruit de fond du système de détection des ions, qui a pour conséquence de dégrader la stabilité du système.
Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion calcium unique confiné dans un piège de Paul-Straubel. La première partie du manuscrit est consacrée au piégeage et au refroidissement laser des ions. Les trois sources lasers (397 nm, 866 nm et 729 nm) utilisées dans l'expérience sont étudiées en détail. Pour atteindre le régime de Lamb-Dicke et ainsi éliminer l'élargissement par effet Doppler du premier ordre, il est indispensable de réduire le mouvement de l'ion. Différentes techniques de réduction du micromouvement sont exposées, en particulier une nouvelle méthode basée sur l'observation de résonances noires a été mise en place. Des simulations numériques utilisant la matrice densité permettent d'expliquer les observations expérimentales. Une deuxième partie décrit les expériences réalisées pour déterminer les durées de vie des niveaux D3/2 et D5/2 de l'ion calcium 40. La mesure de la durée de vie du niveau D5/2 est une étape importante puisqu'elle permet de contrôler et de réduire les effets qui pourraient élargir la transition d'horloge. La dernière partie de ce mémoire est dédiée à l'évaluation théorique des effets systématiques pouvant affecter la fréquence du futur étalon. Un étalon de fréquence optique basé sur la transition S1/2,F=4,m_F=0 ---> D5/2,F=6,m_F=0 de l'ion 43Ca+ pourra atteindre une exactitude de 4*10^(-16).
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
Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’un projet qui vise à explorer les facteurs limitants des performances d’une horloge à ions dans le domaine des fréquences micro-onde. Ce travail repose sur l’observation et la manipulation d’un grand nuage d’ions dans des potentiels de géométries différentes. Le but est l’analyse et le transport d’un grand nuage pouvant dépasser 10^6 ions dans un piège radio-fréquence linéaire à plusieurs zones. Dans notre groupe, nous disposons d’un piège à trois zones destiné au piégeage d’ions calcium : deux parties quadrupolaires et une partie octupolaire montées en ligne. Les ions sont créés dans la première partie quadrupolaire par photo-ionisation et refroidis par laser le long de l’axe de symétrie du piège. Nous avons d’abord étudié comment créer dans la première partie du piège un grand nuage. La limite actuelle des paramètres de confinement et de refroidissement laser permet de confiner et de détecter des nuages de taille maximale de 1, 2.105 ions. Ensuite grâce à un protocole de transport optimisé, ces ions sont transportés dans la deuxième partie du piège puis dans l’octupole avec une efficacité pouvant atteindre 100% pour des tailles de nuage dépassant les 105 ions. Tous les protocoles de transport sont au moins un facteur 10^3 plus rapide que le transport adiabatique. Une analyse du nombre d’ions quittant le piège d’origine en fonction de la durée du transport montre une alternance entre une grande probabilité de départ et une probabilité nulle. De plus, ce comportement révèle une différence entre les deux sens du transport. Nous exploitons cette asymétrie pour ajouter des ions dans le deuxième ou troisième piège sans perte du nuage initialement pré- sent. Cette technique d’accumulation a permis d’augmenter le nombre d’ions piégés mesuré à 2, 5.10^5 ions dans le deuxième et troisième piège. Des paramètres du système tels que la puissance laser disponible pour le refroidissement et l’extension des dimensions du nuage semblent être les facteurs limitant ce nombre. Enfin, dans le piège octupolaire, l’observa- tion de la fluorescence induite des ions montre que, soumis au refroidissement laser, les ions s’organisent dans trois puits de potentiel distincts. Ceci est en contradiction avec la structure creuse prévue par le modèle fluide analytique et les simulations de dynamique moléculaire. La cause de cette différence est un minuscule défaut d’environ 1% dans la symétrie octupolaire des barreaux qui conduit à des minima locaux harmoniques dans le puits de potentiel multipolaire. Ce travail participe à l’amélioration de la stabilité des hor- loges micro-onde à ions en fournissant des pistes pour augmenter la taille des nuages froids piégés, pour transporter rapidement de grands nuages en phase gazeuse et en mettant en évidence la sensibilité de l’organisation des ions refroidis par laser aux défauts de symétrie dans les multipoles.
L'objet de ce travail est la realisation d'une source laser a 729 nm en vue de faire un etalon de frequence atomique dans le domaine optique. La reference atomique est donnee par un ion calcium confine dans un piege radio-frequence. En effet, l'ion ca#+ possede un niveau #2d#5#/#2 metastable. La transition #2s#1#/#2 - #2d#5#/#2 a 729 nm presente donc un facteur de qualite excellent (environ 10#1#5). L'objectif de l'experience est d'asservir un laser sur cette transition. Dans ce memoire, nous presentons les differentes etapes de la realisation du laser a 729 nm. La premiere consiste a faire emettre a 729 nm une diode laser commerciale oscillant a 750 nm, a l'aide d'un fort refroidissement (vers -90c). La seconde etape consiste a placer cette diode en cavite etendue afin de faire un preaffinement spectral et de pouvoir selectionner finement la longueur d'onde. Les problemes de stabilite mecanique des cavites etendues classiques ont ete resolus grace a une technique d'auto-alignement: differents types de cavites etendues auto-alignees sont decrites. Enfin, nous decrivons l'asservissement par la technique de pound-drever d'une diode laser montee en cavite etendue. Le fabry-perot qui sert de reference est en materiau ule, ses miroirs sont fixes par adherence moleculaire et il est place sous vide, ce qui garantit une excellente stabilite a court et moyen terme. Sa finesse est superieure a 15000. La densite spectrale de bruit de frequence du laser asservi presente un niveau extremement faible sur une large bande: la bande passante de l'asservissement est de 2,5 mhz et la densite spectrale de bruit de frequence est inferieure a 0,16 hz#2/hz pour les frequences inferieures a 4 khz. La largeur de raie evaluee a partir de cette densite spectrale est de l'ordre de 0,5 hz