Nous démontrons que l'utilisation d'une géométrie à faisceaux superposés permet d'accroître considérablement la durée de l'interaction entre une onde laser et les ions d'un faisceau accéléré sans perdre pour autant les avantages traditionnels des faisceaux rapides (accord Doppler, absence de collisions, résolution en temps). Afin d'illustrer les possibilités de cette technique, nous avons réalisé expérimentalement le pompage optique des faisceaux de divers isotopes de Ba+, que nous avons pu étudier en transitoire à l'aide de deux voies de détection totalement indépendantes. Les effets de saturation observés en excitation laser monomode sont interprétés rigoureusement à l'aide d'un modèle simple à trois niveaux. Diverses applications possibles de cette technique sont discutées avec une importance particulière attribuée à celles qui concernent la spectroscopie des ions (atomiques ou moléculaires) monochargés.
Nous démontrons que l'utilisation d'une géométrie à faisceaux superposés permet d'accroître considérablement la durée de l'interaction entre une onde laser et les ions d'un faisceau accéléré sans perdre pour autant les avantages traditionnels des faisceaux rapides (accord Doppler, absence de collisions, résolution en temps). Afin d'illustrer les possibilités de cette technique, nous avons réalisé expérimentalement le pompage optique des faisceaux de divers isotopes de Ba+, que nous avons pu étudier en transitoire à l'aide de deux voies de détection totalement indépendantes. Les effets de saturation observés en excitation laser monomode sont interprétés rigoureusement à l'aide d'un modèle simple à trois niveaux. Diverses applications possibles de cette technique sont discutées avec une importance particulière attribuée à celles qui concernent la spectroscopie des ions (atomiques ou moléculaires) monochargés.
Cette these decrit l'etude de l'absorption lumineuse d'une vapeur resonnante contenue dans une enceinte de geometrie presque bidmensionnelle : la duree de vol libre des atomes est imposee par collision avec les parois et devient tres anisotrope. Pour un faisceau optique de diametre grand devant l'epaisseur (l) de vapeur, le temps d'interaction des atomes avec le champ lumineux, et depend seulement de la direction de propagation atomique : seuls ceux a incidence rasante des parois sont en regime stationnaire et si l'irradiation est a incidence normale il apparait de resonances sub doppler dans le spectre d'absorption. La partie theorique du premier chapitre modelise le regime transitoire du pompage optique (processus incoherent non lineaire) sur un systeme atomique a trois niveaux et etudie la distribution de vitesse des atomes ainsi selectionnes qui peut etre superlente. Sa partie experimentale caracterise les resonances sub doppler apparues dans le spectre d'absorption d'un faisceau laser de diametre grand (3mm) devant l'epaisseur (de 10 a 100m) de la vapeur de cs sondee (transition d#2 a =852nm). La partie theorique du second chapitre etudie le regime transitoire du dipole optique sur un systeme atomique a deux niveaux : des resonances sub doppler apparaissent egalement, mais associees a une echelle de temps plus courte. Le montage experimental est analogue a celui du premier chapitre, avec une intensite lumineuse incidente extremement faible (i > les resultats de rh. Dicke dans le domaine micro-onde avec l=/2. Le troisieme chapitre relate une etude experimentale d'absorption saturee en cellule mince qui permet de sonder separement la reponse optique des differentes classes de vitesse atomiques. Le dernier chapitre presente une experience de spectroscopie raman dont le but est l'etude de la selection de vitesse en vapeur confinee.
La première partie est un survol historique de l'introduction des lasers au laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l'ENS et particulièrement des premières expériences de pompage optique avec un laser multimode. Les trois caractéristiques nouvelles (émission stimulée, cohérence de la lumière et saturations) sont mises en lumière. Les paragraphes 2 et 3 présentent les particularités du pompage optique par un laser monomode (sélection des vitesses atomiques) et de la technique d'absorption saturée résolue en temps. Cette dernière technique est appliquée à l'étude des collisions élastiques (détermination du « noyau de collision ») et de la cohérence Raman entre niveaux métastables. La dernière partie présente, de façon résumée, un calcul semiperturbatif des transitoires de pompage optique sélectif en vitesse (VSOP).
La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.
La méthode du pompage optique sélectif en vitesses permet d'induire à l'aide d'un laser monomode accordable des corrélations entre la vitesse des atomes dans une cellule et les observables créées par pompage optique. En utilisant un ou plusieurs faisceaux de pompage et un faisceau de détection, tous issus du même laser, on peut sélectionner les atomes ayant une ou plusieurs composantes de leur vitesse quasi nulles. Nous avons réalisé des expériences de ce type sur les métastables du néon. En particulier, en utilisant trois faisceaux de pompage non coplanaires, nous avons obtenu des signaux dus aux atomes quasi immobiles.
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.
Parmi les trois types de lasers existants, les lasers conventionnels, les lasers a electrons libres (lel) et les lasers sans inversion, ces deux derniers sont particulierement interessants pour les courtes longueurs d'onde, lorsqu'il est difficile d'obtenir une inversion de population. Dans les lel, un regime de fonctionnement a fort gain a ete predit dans lequel les electrons se regroupent en paquets a l'echelle de la longueur d'onde. Mais ce regime n'ayant pas ete observe experimentalement, l'idee d'utiliser non plus un faisceau d'electrons mais un faisceau atomique comme milieu amplificateur a ete suggeree. Une vapeur atomique dans une onde stationnaire composee d'une onde de faible intensite (sonde) et d'une onde d'intensite plus forte (pompe), est soumise a un potentiel lumineux. Pour certains regimes de parametres, une instabilite qui amplifie la sonde et le potentiel apparait, via la formation d'un reseau de densite atomique, en redistribuant des photons entre la pompe et la sonde. Le nouveau type de laser qui en decoule se rapproche du mode de fonctionnement du lel. Dans cette these, nous avons etudie les proprietes physiques de ce systeme. Nous avons simule numeriquement un modele afin de mieux comprendre le mecanisme de l'instabilite. Cette etude nous a permis de mettre en evidence une dynamique collective d'agregation dans l'espace des vitesses. Nous avons de plus conduit une serie d'experiences de spectroscopie pompe-sonde, en presence et en l'absence d'une cavite en anneau sur le faisceau de sonde. Au dela d'un certain seuil, la sonde en cavite est amplifiee, pompe et sonde ayant la meme frequence. Le modele simule permet d'expliquer ce gain net. Enfin nous avons compare les spectres de transmission de la sonde sans cavite a des simulations numeriques d'absorption saturee, qui semblent en bon accord. Les raisons qui expliqueraient la necessite d'une cavite pour observer l'instabilite sont enfin discutees.