Dans le but d'améliorer la sensibilité de la détection en spectroscopie de saturation, nous proposons d'associer deux méthodes : la contribution de plusieurs classes de vitesses au signal de saturation et la spectroscopie hétérodyne à très haute résolution. Le principe consiste à moduler en phase (ou en fréquence, ou en amplitude) le faisceau de sortie d'un laser monomode stabilisé en fréquence, puis à utiliser ce faisceau modulé dans une expérience de spectroscopie de saturation hétérodyne. La comparaison des résultats obtenus dans une même expérience avec et sans modulation du faisceau met en évidence le gain en sensibilité obtenu par cette méthode. Cette amélioration provient du fait qu'en spectroscopie de saturation conventionnelle on sélectionne une seule classe de vitesses, alors que dans la méthode proposée plusieurs classes de vitesses contribuent au signal.
Dans le but d'améliorer la sensibilité de la détection en spectroscopie de saturation, nous proposons d'associer deux méthodes : la contribution de plusieurs classes de vitesses au signal de saturation et la spectroscopie hétérodyne à très haute résolution. Le principe consiste à moduler en phase (ou en fréquence, ou en amplitude) le faisceau de sortie d'un laser monomode stabilisé en fréquence, puis à utiliser ce faisceau modulé dans une expérience de spectroscopie de saturation hétérodyne. La comparaison des résultats obtenus dans une même expérience avec et sans modulation du faisceau met en évidence le gain en sensibilité obtenu par cette méthode. Cette amélioration provient du fait qu'en spectroscopie de saturation conventionnelle on sélectionne une seule classe de vitesses, alors que dans la méthode proposée plusieurs classes de vitesses contribuent au signal.
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
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.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Les lasers femtoseconde sont des sources de très haute précision pour la métrologie. La possibilité de produire des états comprimés dans ce régime pourrait conduire à une amélioration des mesures physiques. Dans une première partie, j'introduirai une limite de sensibilité pour l'estimation de paramètres portés par le champ électromagnétique, utilisant des ressources gaussiennes quelconques. Il peut être montré qu'un état comprimé monomode, sur un mode bien défini, est optimal d'un point de vue expérimental. Je présenterai alors un schéma simple et général, utilisant une détection homodyne, qui permet de mesurer de façon optimale des paramètres portés par le champ électromagnétique. Dans une seconde partie, je présenterai les résultats expérimentaux que nous avons obtenus en utilisant un oscillateur paramétrique optique femtoseconde pompé de façon synchrone. J'exposerai la production d'états comprimés en intensité dans ce régime ainsi que la preuve du caractère multimode de la lumière produite. Ceci constitue une étape majeure pour la production d'états multimodes sur mesure en régime femtoseconde.
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 montrons que le milieu laser lui-meme peut etre utilise comme milieu non-lineaire pour realiser des melanges d'ondes. Au cours de ces interactions, plusieurs faisceaux coherents se propagent dans le milieu laser prealablement place en inversion de population. La figure d'interference formee par ces ondes module spatialement le gain de l'amplificateur par le phenomene de saturation du gain. Cette modulation du gain se comporte comme un hologramme de gain dynamique, sur lequel les ondes incidentes peuvent diffracter. Nous analysons tout d'abord le processus d'ecriture d'un reseau dynamique de gain par melange a deux ondes. Les phenomenes d'auto-diffraction et de redistribution energetique entre les faisceaux sont mis en evidence. Puis nous etudions le melange a quatre ondes dans lequel un faisceau conjugue en phase est engendre. Des modelisations originales de tous ces mecanismes non-lineaires en regime transitoire sont presentees. En particulier, ces modeles tiennent compte de la duree et de la forme temporelle des ondes, de l'amplification laser, des interferences de toutes les ondes entre-elles suivant leur polarisation et la modulation du gain qu'elles engendrent. Ces interactions non-lineaires sont demontres experimentalement dans des amplificateurs nd:yag pompes par des flashes avec des impulsions nanosecondes. Nous avons egalement demontre la possibilite de realiser du melange a quatre ondes multi-passages, en regime impulsionnel et continu, dans un amplificateur nd:yvo#4 compact, pompe par des diodes lasers ou par un laser ti:saphir. Nous demontrons que ces interactions non-lineaires dans le milieu laser offrent des possibilites extremement interessantes dans les domaines de l'holographie dynamique et de la conjugaison de phase. Nous presenterons des architectures lasers originales tout a l'etat solide utilisant des processus de melanges a quatre ondes dans l'amplificateur laser pour corriger les distorsions du faisceau