L'emploi des lasers organiques à molécules fluorescentes à fréquence accordable est particulièrement bien adapté à l'excitation des résonances atomiques. On décrit un montage donnant une largeur de raie d'émission laser voisine de la largeur des raies D 1 et D2 du sodium à 160 °C. On observe le spectre de résonance du sodium excité par des raies de 1 Å et de 0,1 Å de largeur à mi-hauteur.
L'emploi des lasers organiques à molécules fluorescentes à fréquence accordable est particulièrement bien adapté à l'excitation des résonances atomiques. On décrit un montage donnant une largeur de raie d'émission laser voisine de la largeur des raies D 1 et D2 du sodium à 160 °C. On observe le spectre de résonance du sodium excité par des raies de 1 Å et de 0,1 Å de largeur à mi-hauteur.
Spectroscopie de bruit avec de grands nuages d'atomes froids Nuage d'atomes de rubidium refroidi par laser. Ces mesures fournissent des informations sur la sourceet sur le milieu de propagation. Je considère une configuration particulière en transmission, le laserse propageant au travers du nuage atomique. Cette géométrie est pertinente pour étudier différentespropriétés, comme le mouvement des atomes. Cependant, le bruit intrinsèque du laser a unecontribution importante sur les spectres de bruit. Ce bruit technique peut alors devenir gênant pourextraire le signal étudié et une bonne compréhension du phénomène est donc essentielle.Expérimentalement, les spectres de bruit en intensité montrent un comportement différent auxfréquences basses et hautes. Alors que l'on observe la conversion "standard" du bruit de fréquence enbruit d'intensité pour les fréquences basses, la résonance atomique correspondant à un discriminateurde fréquence, des différences apparaissent à hautes fréquences. Nous montrons qu'une approche dechamp moyen, en associant une susceptibilité électrique au nuage atomique, est suffisante pourexpliquer les observations. Partant de ce modèle, les spectres permettent d'extraire des informationsquantitatives sur le laser et sur le nuage atomique. Ceci est connu sous le nom de spectroscopie debruit.La perspective est d'utiliser ces mesures de bruit afin d'obtenir une signature claire du laser aléatoireà atomes froids en étudiant la cohérence temporelle de la lumière émise. Cette thèse expose unerevue du phénomène de laser aléatoire, en particulier sur le laser à atomes froids et ses propriétés decohérence
Durant ce travail de these, nous avons determine les sources de bruit affectant la lumiere de fluorescence emise par un jet atomique sous l'action d'un rayonnement laser. Un modele theorique a ete developpe, prenant en compte les sources de bruit suivantes: bruit de grenaille du jet atomique, bruit de photons, bruit de frequence du laser, bruit de partage associe a la detection imparfaite des photons de fluorescence. Le modele apporte des predictions concernant: les domaines de preponderance des differentes sources de bruit; la statistique des photons de fluorescence emis par un seul atome; les correlations, via les fluctuations de phase du laser, des emissions de photons par deux atomes differents; le rapport signal sur bruit avec lequel la lumiere de fluorescence est detectee. Ces predictions ont ete experimentalement verifiees grace a un montage comprenant en particulier, une source laser de largeur spectrale continument variable qui est decrite en detail
Nuage d'atomes de rubidium refroidi par laser. Ces mesures fournissent des informations sur la sourceet sur le milieu de propagation. Je considere une configuration particuliere en transmission, le laserse propageant au travers du nuage atomique. Cette geometrie est pertinente pour etudier differentesproprietes, comme le mouvement des atomes. Cependant, le bruit intrinseque du laser a unecontribution importante sur les spectres de bruit. Ce bruit technique peut alors devenir genant pourextraire le signal etudie et une bonne comprehension du phenomene est donc essentielle.Experimentalement, les spectres de bruit en intensite montrent un comportement different auxfrequences basses et hautes. Alors que l'on observe la conversion standard du bruit de frequence enbruit d'intensite pour les frequences basses, la resonance atomique correspondant a un discriminateurde frequence, des differences apparaissent a hautes frequences. Nous montrons qu'une approche dechamp moyen, en associant une susceptibilite electrique au nuage atomique, est suffisante pourexpliquer les observations. Partant de ce modele, les spectres permettent d'extraire des informationsquantitatives sur le laser et sur le nuage atomique. Ceci est connu sous le nom de spectroscopie debruit.La perspective est d'utiliser ces mesures de bruit afin d'obtenir une signature claire du laser aleatoirea atomes froids en etudiant la coherence temporelle de la lumiere emise. Cette these expose unerevue du phenomene de laser aleatoire, en particulier sur le laser a atomes froids et ses proprietes decoherence
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
On montre que la méthode de l’atome habillé peut être généralisée à l’étude d’expériences en vapeur, expériences dans lesquelles l’effet Doppler joue un rôle important. Cette généralisation repose sur l’introduction de “diagrammes de fréquence” donnant, en fonction de sa vitesse, les fréquences émises par l’atome dans son référentiel propre. Une construction graphique simple permet alors d’effectuer la sommation sur les vitesses. Elle met clairement en évidence l’existence de structures sub-Doppler, ayant une largeur de Tordre de la largeur homogène, dues à la compensation de l’effet Doppler à l’émission par la variation en fonction de la vitesse des déplacements lumineux. Appliquée à la saturation d’un système à deux niveaux, cette méthode graphique permet de retrouver rapidement les caractéristiques bien connues du doublet Autler-Townes en vapeur, mais aussi de prévoir des structures nouvelles (doublet fortement dissymétrique ou même triplet ou quadruplet) pour des excitations lumineuses suffisamment intenses. On étudie ensuite une configuration où trois niveaux sont couplés au laser, configuration plus favorable à la mise en évidence de l’effet de compensation. On montre enfin que la méthode bien connue de calcul des spectres de vapeur par intégration algébrique (méthode des résidus) peut être interprétée comme une généralisation au plan complexe de la construction graphique.
L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint :les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un sointrès particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer desmesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ontaussi été fiabilisés.Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avonsdéveloppé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultatsexpérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages parrapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation àun photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’incluredes phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point(par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la priseen compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser.Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans lecadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui neprend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium,qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte parun paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deuxphotons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6).L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence lesquatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficaceà deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible àl’aide des résultats expérimentaux.Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour laproduction d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celuidonné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale,le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur àcelui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UVpour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nmau jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il nefaudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt.262Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement defluorescence.Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètressuivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur ledétecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retournéle plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux estlimité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée parla diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dansle régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique,et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Aucontraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépendde la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pasidentiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence parrapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS.L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère.Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et enignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer quele flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé,sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour latransmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyende 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, lesastronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Cecinous parait difficilement réalisable.