On étudie les phénomènes résonnants observés sur la lumière de fluorescence issue d'un ensemble unique et complet de sous-niveaux Zeeman équidistants d'une vapeur atomique excitée. Ces effets sont exprimés en fonction de la lumière émise en champ nul, indépendamment du procédé d'excitation et du moment cinétique des niveaux. On considère successivement le cas où le niveau duquel est issue la lumière observée est excité directement à partir du fondamental, puis le cas d'une désexcitation par cascade. En présence d'un champ de radiofréquence, les équations des diverses courbes de résonance sont obtenues sans avoir à résoudre d'équations couplées.
On étudie les phénomènes résonnants observés sur la lumière de fluorescence issue d'un ensemble unique et complet de sous-niveaux Zeeman équidistants d'une vapeur atomique excitée. Ces effets sont exprimés en fonction de la lumière émise en champ nul, indépendamment du procédé d'excitation et du moment cinétique des niveaux. On considère successivement le cas où le niveau duquel est issue la lumière observée est excité directement à partir du fondamental, puis le cas d'une désexcitation par cascade. En présence d'un champ de radiofréquence, les équations des diverses courbes de résonance sont obtenues sans avoir à résoudre d'équations couplées.
La lumière absorbée par une vapeur atomique soumise à un pompage optique transversal varie de manière résonnante lorsqu'on balaie le champ magnétique statique au voisinage du point de croisement en champ nul des sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental (effet Hanle). Des résonances analogues apparaissent lorsqu'on effectue le pompage optique transversal de la vapeur atomique dans un champ modulé en amplitude (résonances paramétriques). La très grande finesse des raies ainsi observées sur les atomes alcalins les rend très intéressantes pour la détection et la mesure des champs magnétiques très faibles. On discute les propriétés de ces deux types de résonances et on met en évidence les avantages qu'il y a à utiliser les résonances paramétriques.
En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomes-atomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomesatomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. Divers progrès de la technologie ont permis d'étendre ces méthodes vers des états moléculaires excités, l'anisotropie de l'excitation étant produite soit par voie optique (coïncidence avec une raie atomique, radiation laser, bande moléculaire), soit par excitation électronique, des travaux expérimentaux et théoriques ayant montré cette possibilité [2], [3]. Des expériences ont été réalisées sur H2 [4], NO [5], OH [6], Na2 [7], CS [8], I2 [9]. Quelques exemples sont détaillés afin de montrer les possibilités de la méthode : – L'effet Hanle (dépolarisation magnétique) fournit la valeur du produit gτ (g facteur de Landé, τ durée de vie) dans la mesure où des effets de découplage n'interviennent pas. La discussion est présentée dans le cas des niveaux A2Σ + (ν = 1,K' = 1) J' = 25/2 et J' = 27/2 de NO [5] et de niveaux de I2 [9] excités par voie optique. – Par excitation électronique des travaux ont été faits sur les états électroniques excités 2 p 2 p 1K, 1 s 3 d Σ +g, 1 s 3 p Πu de H2 [4]. L'étude critique de la position et de la forme de raie de la résonance magnétique, ainsi que celle des effets de cascade éventuels, a permis d'évaluer l'écart de structure fine J = 2 ↔ J = 1 trouvé égal à 174 ±10 MHz de l'état 1 s 2 p Πu, K' = 1, ν' = 0 [10]. L'élargissement des courbes de dépolarisation magnétique en fonction de la pression permet d'obtenir des renseignements sur les processus de collision état fondamental-état excité et d'en déterminer les sections efficaces et la durée de vie radiative du niveau. – L'étude de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière émise en présence d'un champ magnétique et d'un champ électrique a été faite dans le cas du niveau A 1Π ν' = 0, pour différentes valeurs de J dans CS [8]. L'étude critique des résultats des différentes expériences (transitions dipolaires électriques de radiofréquence en présence ou non de champ électrique statique, dépolarisation magnétique, dépolarisation en présence de champ électrique, croisements de niveaux en présence de champs électrique et magnétique) a conduit aux valeurs du A doubling, du moment dipolaire électrique et à la durée de vie des états étudiés. L'utilisation, en particulier, de laser à longueur d'onde variable devra permettre l'extension des méthodes d'excitation optique [11], et l'emploi de dispositifs interférentiels pour isoler les transitions étudiées permettra de généraliser à d'autres molécules [12] l'emploi de la méthode d'excitation électronique.
La polarisation de la lumière émise par un atome à la suite d'une excitation optique par échelons a été étudiée en fonction de la polarisation des radiations excitatrices. Si l'atome est placé dans un champ magnétique nul, du fait de la symétrie, il ne s'introduit dans l'expression des lois que 11 constantes indépendantes, qu'il est facile de calculer à partir des probabilités de passage. Ces lois se retrouvent à l'aide d'une hypothèse, généralisation de celle faite à propos de la résonance optique sur la cohérence des vibrations émises et une modification intuitive de cette hypothèse dans le cas où le champ cesse d'être nul permet de trouver une expression de l'influence du champ magnétique. Une application en a été faite au cas de rémission par échelons.
Ce manuscrit s'intéresse aux phénomènes de transport de la lumière en milieux désordonnés non linéaires, dans lesquels la lumière est susceptible de subir une redistribution en fréquence lors de la diffusion. Plus spécifiquement, il étudie la possibilité d'utiliser des vapeurs atomiques éclairées à résonance pour caractériser deux régimes singuliers de transport : le laser aléatoire et les vols de Lévy des photons. Nous commençons par introduire un formalisme standard d'étude du transport de la lumière dans une vapeur atomique diluée. Les équations de Bloch optiques décrivent la réponse d'un atome à un champ extérieur cohérent; elles permettent d'obtenir les sections efficaces qui caractérisent la marche aléatoire de la lumière dans le milieu. Le plus souvent, celle-ci peut être décrite par une équation de la diffusion. En présence de gain, l'équation de la diffusion prévoit un emballement de l'intensité diffuse lorsque l'échantillon dépasse une taille critique: c'est le laser aléatoire. La seconde partie de ce manuscrit étudie par une double approche théorique et expérimentale la possibilité d'obtenir du gain dans un nuage d'atomes froids, en le soumettant à un pompage optique externe; puis de le combiner à la diffusion pour obtenir un laser aléatoire. Dans la configuration de gain Raman hyperfin, qui ressort comme la meilleure candidate à cette fin, l'impact du rayonnement diffus piégé au sein du milieu sur l'émission de l'échantillon est clairement mis en évidence. La plupart des effets observées peuvent être expliquées par un modèle de piégeage radiatif, en l'absence de gain; certaines observations, cependant, pourraient être attribuées à un laser aléatoire. Dans une dernière partie, nous nous intéressons aux vapeurs atomiques chaudes dans lesquelles une redistribution en fréquence intervient du fait de l'effet Doppler y compris en milieu passif. Le phénomène crée des photons fortement désaccordés par rapport à la résonance atomique, qui sont faiblement diffusés et peuvent parcourir de longues distances dans le milieu. Ces évènements rares de grande amplitude brisent les hypothèses du modèle diffusif. Nous présentons ici un dispositif qui permet une mesure directe de la distribution de la taille des pas des photons dans une vapeur chaude de rubidium. Le résultat obtenu est caractéristique d'un régime de diffusion anormale dit de vols de Lévy.
Les énergies typiques de l’interaction dipolaire entre atomes de Rydberg sont plusieurs ordres de grandeur au-dessus des énergies d’interaction d’atomes et molécules dans le niveau fondamental. Une échelle de distance de plusieurs micromètres découle de cette interaction, ce qui est à l’origine du phénomène de blocage dipolaire, ou la suppression d’excitations d’atomes de Rydberg dans des nuages atomiques denses. Dans une première partie de cette thèse, nous étudions l’application de ce phénomène à l’excitation déterministe d’un atome unique à partir d’un condensat de Bose-Einstein piégé magnétiquement devant une puce à atomes. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’interaction dipolaire d’ensembles denses d’atomes de Rydberg par spectroscopie microonde des transitions vers les niveaux de Rydberg proches en énergie. Ces ensembles sont créés par excitation laser à partir d’un nuage froid d’atomes de Rb87 dans l’état fondamental. Les spectres des transitions microonde sont élargis et déplacés par l’interaction dipolaire. L’étude de ces spectres permet ainsi d’inférer plusieurs aspects de la distribution spatiale des atomes de Rydberg créés, ce qui révèle différents processus d’excitation selon que la lumière laser est à résonance ou désaccordée. L’évolution mécanique du nuage d’atomes de Rydberg en fonction de leur interaction répulsive a aussi été observée, grâce à une série de spectres microonde à différents délais de l’excitation. Nous montrons ainsi que, pour des échelles temporelles supérieures à 10µs, leur mouvement doit être pris en compte pour la compréhension de la dynamique d’excitation de Rydberg dans des nuages atomiques denses.
Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.