On étudie les effets de la diffusion multiple de la lumière de résonance optique sur les résultats des mesures de durées de vie des niveaux atomiques excités. Dans ce premier article, on développe un formalisme permettant de tenir compte des effets du champ de rayonnement sur les états excités des atomes. On retrouve par cette méthode les résultats classiques concernant le cas d'un seul atome (diffusion simple). En l'appliquant au cas de 2 atomes, on trouve que les équations d'évolution des amplitudes de probabilité des états excités sont couplées par des coefficients qui correspondent physiquement au passage de l'excitation d'un atome à un autre par l'intermédiaire d'un photon optique (diffusion multiple).
On étudie les effets de la diffusion multiple de la lumière de résonance optique sur les résultats des mesures de durées de vie des niveaux atomiques excités. Dans ce premier article, on développe un formalisme permettant de tenir compte des effets du champ de rayonnement sur les états excités des atomes. On retrouve par cette méthode les résultats classiques concernant le cas d'un seul atome (diffusion simple). En l'appliquant au cas de 2 atomes, on trouve que les équations d'évolution des amplitudes de probabilité des états excités sont couplées par des coefficients qui correspondent physiquement au passage de l'excitation d'un atome à un autre par l'intermédiaire d'un photon optique (diffusion multiple).
On applique au cas des M atomes d'une vapeur les résultats obtenus dans une publication précédente sur le problème de la diffusion multiple de la lumière de résonance optique. On résoud les équations d'évolution des amplitudes de probabilité des états excités par approximations successives par rapport aux termes de couplage représentant la diffusion multiple. Des approximations d'ordre géométrique permettent de sommer les séries obtenues et d'exprimer les résultats en fonction d'un seul paramètre x ; x représente la probabilité pour qu'un photon émis par un des M atomes soit réabsorbé par un autre avant de sortir de la cellule à résonance. La durée de vie apparente du niveaux excité (« durée de cohérence »), le taux de polarisation de la lumière de résonance, le temps d'emprisonnement du rayonnement sont exprimés en fonction de x pour les différents sous-niveaux hyperfins des isotopes du mercure. On discute enfin les diverses approximations faites dans le calcul.
Les résultats de la théorie développée dans deux publications précédentes ont été vérifiés expérimentalement dans le cas de la diffusion multiple des photons de la raie 2 537 Å (6 1S0 — 6 3P1) par les atomes de mercure. En particulier, le taux de polarisation de la lumière de résonance optiqùe et la durée de vie apparente ou durée de cohérence du niveau 6 3P1 ont été mesurés, dans le cas de l'excitation sélective d'un isotope pair ou de l'un des niveaux hyperfins des isotopes impairs, en fonction du nombre d'atomes par cm3 diffusant le rayonnement, pour des conditions géométriques déterminées. L'influence des conditions géométriques a été également étudiée, ainsi que la largeur et la forme des raies de résonance magnétique dans le cas de la diffusion double. Les résultats expérimentaux sont en général en bon accord avec les prévisions théoriques.
Ce travail de thèse comporte deux parties distinctes, concernant la diffusion d'ondes en milieu atomique. La première partie étudie le problème des niveaux excités d'un atome non-hydrogenoide en champ extérieur. Ce système est très similaire au cas de l'hydrogène dans le même champ extérieur, mais est plus complexe à cause de la diffusion de l'onde électronique sur le coeur ionique non-hydrogenoide. On montre dans cette première partie que la présence du coeur ionique est mathématiquement équivalente à celle d'un ou plusieurs diffuseurs ponctuels. Ceci permet d'obtenir une équation qui, d'une part, autorise un calcul efficace des niveaux d'énergie du système à partir de ceux pour l'atome d'hydrogène dans le même champ extérieur, et qui d'autre part mène à la prédiction des propriétés statistiques des niveaux d'énergie du système, en fonction de celles du système hydrogenoide correspondant. La deuxième partie est consacrée au problème de la diffusion multiple d'une onde lumineuse en milieu atomique, et en particulier à l'étude de l'augmentation cohérente de la rétrodiffusion par un gaz d'atomes refroidis. L'augmentation cohérente de la rétrodiffusion est un effet d'interférence entre des paires de chemins de diffusion multiple, et est un phénomène bien étudié pour des diffuseurs classiques. Dans cette deuxième partie, nous montrons que la prise en compte de la structure interne atomique est essentielle pour la compréhension de la rétrodiffusion cohérente par un milieu atomique, et mène à une diminution significative des facteurs d'augmentation observables. Un calcul explicite de la diffusion simple et de la diffusion double par des atomes est donné, et les résultats sont comparés à des données expérimentales récentes.
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 mesures par diverses méthodes (résonance magnétique ou dépolarisation magnétique) de la durée de vie τ du niveau 6 3P1 du mercure conduisent en réalité à une « durée de cohérence » T plus longue que τ, tendant vers τ aux très basses pressions de vapeur. Ce phénomène est dû à la diffusion multiple des photons de résonance optique par les atomes de mercure. Celle-ci se produit de façon indépendante pour chaque composante hyperfine de la raie 2 537 Å ; elle est responsable également de la dépolarisation de la raie de résonance optique quand la pression de vapeur augmente. La théorie permet de prévoir des relations entre la durée de cohérence et le taux de polarisation pour une composante hyperfine d'un isotope déterminé, ou entre les durées de cohérence relative. aux différentes composantes hyperfines. Elle donne aussi la forme théorique des raies de résonance magnétique dans le cas où on isole les photons diffusés deux fois par les atomes de mercure. Les résultats expérimentaux sont en accord satisfaisant avec les prévisions théoriques.
Diffusion de lumière collective dans des ensembles ordonnés d'atomes de dysprosium Cette thèse porte sur le développement d'une expérience de pince optique utilisant des atomes de dysprosium et sur la mise en œuvre de protocoles expérimentaux pour étudier la diffusion collective de la lumière. Lorsque les atomes sont excités par une lumière résonante, ils peuvent émettre des champs électromagnétiques qui médient les interactions dipôle-dipôle résonnantes entre eux. Lorsqu'elles sont suffisamment fortes, ces interactions modifient la réponse atomique au champ d'excitation. Pour atteindre ce régime, il faut des distances interatomiques comparables à la longueur d'onde optique. Ce travail présente les techniques expérimentales développées pour atteindre cet objectif.La première partie de la thèse décrit la plateforme expérimentale conçue pour piéger et imager pour la première fois des atomes de dysprosium individuels dans des réseaux de pinces optiques. Afin de permettre l'observation de la diffusion collective de la lumière, nous avons développé des méthodes permettant de confiner étroitement les atomes, réduisant ainsi le désordre positionnel, ce qui est une condition essentielle pour des interactions dipôle-dipôle contrôlables.En exploitant la complexité de la structure atomique du dysprosium, nous avons développé une méthode permettant de lire l'état interne de chaque atome dans le réseau. Cette capacité nous a permis d'étudier les effets à l'état stationnaire des interactions médiées par la lumière dans le régime optique linéaire et dans le régime non linéaire, où la nature à deux niveaux des atomes devient importante. Nous avons notamment mesuré les décalages de la fréquence de résonance atomique induits par les interactions dipôle-dipôle résonnantes. Tirant parti de la flexibilité des réseaux de pinces optiques, nous avons étudié comment la géométrie du système influence ces interactions. À l'aide de la spectroscopie de Ramsey, nous avons ensuite étudié la dynamique temporelle des décalages de fréquence.Afin d'obtenir des effets collectifs plus prononcés, nous nous sommes ensuite concentrés sur la réduction du désordre positionnel grâce au refroidissement par bande latérale sur une transition à largeur de raie étroite. Les performances de ce protocole de refroidissement ont été caractérisées en mesurant le nombre moyen d'occupations cinétiques à l'aide de la thermométrie Raman.La dernière partie de la thèse présente les améliorations apportées au dispositif expérimental, notamment l'installation d'un objectif de microscope à haute ouverture numérique (NA = 0.7) et l'ajout d'un deuxième réseau de pinces. Ces améliorations permettront de réaliser à l'avenir des expériences avec des séparations interatomiques bien inférieures à la longueur d'onde optique, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour l'ingénierie des interactions lumière-matière.