Les profils spectraux des raies D1 et D2 du Rb et les distributions radiales des cnsités des atomes de Rb pour une lampe sphérique avec Rb-Ar 267 Pa à 387 K, sont obtenus théoriquement. Les analyses montrent que le degré d'auto-absorption peut être déduit de la température de la paroi de la lampe, c'est-à-dire, par le nombre des atomes dans l'état fondamental près de la puroi, quand les distributions radiales des densités des atomes excités et ceux dans l'état fondamental sont connues. Il semble aussi que les lignes spectrales d'émission et d'absorption sont déplacées relativement l'une par rapport à l'autre même dans la lampe et ce déplacement est estimé être environ 1,2 mk pour la lampe mentionnée ci-dessus. On a supposé que les distributions radiales des densités des atomes excités et ceux dans l'état fondamental augmentent à partir du centre de la lampe vers la paroi de façon quadratique. Le nombre des atomes excités au centre de la lampe est estimé être moins de 1/10 de celui près de la paroi et une zone d'environ 100 μm près de la paroi est occupée à peu près exclusivement par des atomes dans l'état fondamental.
Les profils spectraux des raies D1 et D2 du Rb et les distributions radiales des cnsités des atomes de Rb pour une lampe sphérique avec Rb-Ar 267 Pa à 387 K, sont obtenus théoriquement. Les analyses montrent que le degré d'auto-absorption peut être déduit de la température de la paroi de la lampe, c'est-à-dire, par le nombre des atomes dans l'état fondamental près de la puroi, quand les distributions radiales des densités des atomes excités et ceux dans l'état fondamental sont connues. Il semble aussi que les lignes spectrales d'émission et d'absorption sont déplacées relativement l'une par rapport à l'autre même dans la lampe et ce déplacement est estimé être environ 1,2 mk pour la lampe mentionnée ci-dessus. On a supposé que les distributions radiales des densités des atomes excités et ceux dans l'état fondamental augmentent à partir du centre de la lampe vers la paroi de façon quadratique. Le nombre des atomes excités au centre de la lampe est estimé être moins de 1/10 de celui près de la paroi et une zone d'environ 100 μm près de la paroi est occupée à peu près exclusivement par des atomes dans l'état fondamental.
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.
Lorsqu'un atome est porté dans un état excité par absorption de plusieurs photons, il est possible d'éliminer l'effet Doppler en choisissant une géométrie particulière pour les faisceaux Laser. Dans le cas des transitions à deux photons, on étudie la forme de la raie : on montre que les expériences sont possibles avec des puissances de Laser relativement faibles de l'ordre du watt et que les déplacements de fréquence causés par l'irradiation lumineuse restent négligeables. L'application essentielle de ces processus semble devoir être la spectroscopie fine de niveaux très excités d'un atome ainsi que l'étude de certains états métastables.
Les spectres d'absorption du rubidium et du caesium sont photographiés dans un champ électrique variant de 260 à 1 820 volts par centimètre. Le nombre des raies observables de la série principale diminue à mesure que le champ augmente et il apparaît, entre les raies principales des raies nouvelles appartenant aux transitions S—D et S—S, aussi bien sur le spectre de la composante σ que sur celui de la composante π. Nous observons un effet Stark quadratique pour les membres élevés de la série principale et un déplacement vers le côté des petites longueurs d'onde pour les raies interdites des combinaisons S—D et S—S .
Cet article s'inscrit dans le double contexte de la spectroscopie non linéaire des milieux atomiques et de la physique du refroidissement d'atomes neutres par laser. Il présente une étude détaillée des spectres de transmission d'une onde sonde interagissant avec une mélasse optique unidimensionnelle. Plus précisément, nous montrons que dans chacun des deux cas modèles des mélasses “” et “” (ainsi dénommées par référence à la configuration de polarisation des deux faisceaux lasers à l'origine du mécanisme de refroidissement), les spectres pompes-sonde présentent des structures résonnantes pouvant s'interpréter en termes de diffusion Raman ou Rayleigh stimulée, et apportant un grand nombre d'informations sur les propriétés physiques des mélasses optiques. Cet article s'articule autour de deux grandes parties. Destinée à faire ultérieurement ressortir la spécificité des processus de diffusion stimulée se produisant dans les mélasses optiques, la première est consacrée à une présentation générale des processus Raman et Rayleigh stimulés se produisant dans les milieux atomiques et moléculaires conventionnels. L'effet Raman stimulé, lié à l'existence de centres diffuseurs ayant des états d'énergies et de populations différentes, fait l'objet du paragraphe 2. Dans le cas des vapeurs atomiques, traditionnellement moins connu que celui des molécules, on met ainsi en évidence l'existence de transitions Raman stimulées entre sous-niveaux Zeeman ayant des populations et des déplacements lumineux différents, qui se manifestent sur le spectre de transmission d'une onde sonde sous la forme de résonances lorentziennes en absorption et en amplification ayant une largeur de l'ordre du taux de pompage optique. Le paragraphe 3 présente une étude plus détaillée de l'effet Rayleigh stimulé, associé à l'excitation d'observables non propagatives (c'est-à-dire dont la dynamique ne contient aucune fréquence propre d'évolution) dans le milieu diffuseur sous l'action de l'interférence entre un champ pompe et une onde sonde, et à l'existence d'un mécanisme conduisant à un déphasage de la modulation spatiale et temporelle des observables par rapport à l'excitation pompe-sonde. En considérant le cas le plus couramment répandu où le déphasage est lié à l'existence d'un mécanisme de relaxation dans le milieu diffuseur, et où la diffusion Rayleigh stimulée se manifeste généralement sous la forme de résonances dispersives ayant pour demi-largeur le taux de relaxation associé, nous dégageons trois critères de classification des mécanismes de diffusion Rayleigh stimulée portant sur les caractéristiques du milieu diffuseur, du processus de relaxation intervenant dans ce milieu, et du mécanisme d'excitation du milieu par l'onde sonde. Cette classification est alors utilisée d'une part dans le cas des milieux moléculaires denses, où l'on décrit successivement les effets “Rayleigh-wing” (lié à l'orientation de molécules anisotropes le long du champ électrique local), Rayleigh électrostrictif diffusif et Rayleigh thermodiffusif (dus à une modulation spatiale de la densité) ; et d'autre part dans le cas des vapeurs atomiques, où l'on distingue le cas des atomes à deux niveaux (pour lequel une interprétation de la résonance Rayleigh est donnée en termes d'interférence quantique entre processus de diffusion de photons), puis la situation des atomes possédant plusieurs sous-niveaux Zeeman dégénérés dans le niveau fondamental (où l'effet Rayleigh stimulé est lié au pompage optique et à la création d'observables atomiques). La seconde partie de cet article porte sur l'étude des processus Raman et Rayleigh stimulés dans les mélasses optiques unidimensionnelles, dont la grande originalité réside dans l'imbrication intime entre les degrés de liberté internes et externes des atomes, qui est à l'origine même des mécanismes de refroidissement. Le paragraphe 4 est consacré à l'étude des mélasses . On considère le cas d'une transition , et l'on se restreint aux situations pour lesquelles la partie dissipative du couplage atome-laser est négligeable devant la partie hamiltonienne (régime oscillant du refroidissement Sisyphe). On étudie les processus Raman stimulés entre niveaux vibrationnels quantifiés des atomes au fond des puits du potentiel optique associé aux déplacements lumineux des sous-niveaux Zeeman, et l'on met en évidence un phénomène d'allongement de la durée de vie des cohérences entre niveaux de vibration lié à la forte localisation spatiale des atomes (effet Lamb-Dicke). Des résonances Rayleigh stimulées très sensibles à la polarisation de la sonde sont également prédites au centre des spectres. Une interprétation de ces structures est donnée en termes de diffraction des faisceaux de refroidissement sur des réseaux de densité ou de magnétisation modulés temporellement par la sonde, et l'on montre que ces résonances donnent des informations sur les propriétés dynamiques du milieu, ainsi que sur l'ordre spatial anti-ferromagnétique des atomes. Des indications sur le traitement de transitions atomiques de moment cinétique plus élevé sont données, et l'on discute plus particulièrement le cas de la transition du césium, où l'on prédit un processus de renversement de la résonance Rayleigh lié à une dépendance résonnante des populations des niveaux vibrationnels en fonction de la profondeur des puits de potentiel. Le paragraphe 5 est consacré à l'étude des mélasses . On considère le cas d'une transition , et l'on se restreint aux situations pour lesquelles la distribution stationnaire d'impulsion est contenue dans le domaine de linéarité de la force de refroidissement. Dans ces conditions, il est possible de décrire la dynamique des degrés de liberté externes de l'atome au moyen d'une équation de Fokker-Planck, après élimination adiabatique des variables atomiques internes. On étudie d'une part les processus Raman stimulés entre sous-niveaux Zeeman mettant en évidence l'existence de différences de populations et de déplacements lumineux dans l'état fondamental, et d'autre part les processus Rayleigh stimulés donnant accès aux temps de relaxation des variables externes. On envisage deux cas de polarisation pour l'onde sonde, selon que le faisceau pompe avec lequel elle se copropage a une polarisation circulaire identique ou opposée à celle de la sonde. Dans le premier cas, on montre que les résonances Raman ne subissent pas d'élargissement inhomogène. Il est également montré qu'une résonance Rayleigh apparaît sur les spectres, due à la modulation temporelle de la force de refroidissement par la sonde, qui induit une modulation de la distribution d'impulsion atomique. Cette résonance a une largeur proportionnelle au coefficient de friction de la force de refroidissement. Dans le second cas, on met en évidence un processus d'élargissement inhomogène des résonances Raman, ainsi qu'une résonance centrale de type Raman induite par le recul ayant la forme d'une dérivée de gaussienne de largeur proportionnelle à la largeur Doppler de la mélasse. Finalement, le paragraphe 6 conclut l'article par un résumé des principaux développements enregistrés au cours des dernières années dans le domaine de la spectroscopie non linéaire des mélasses optiques.
L'excitation de la fluorescence anti-Stokes, au moyen d'une source monochromatique peut être due à trois mécanismes : les absorptions successsives, le transfert d'énergie et l'avalanche de photons. De l'étude théorique d'un modèle à trois niveaux, nous dégageons les traits spécifiques de chacun de ces mécanismes. L'avalanche de photons est caractérisée par l'existence d'un seuil pour la densité d'excitation avec, au delà de ce seuil, une brusque augmentation de l'intensité de la fluorescence anti-Stokes et par un temps de montée qui ne peut être plus long que la durée de vie du niveau réservoir, avec un point d'inflexion très marqué. Ce mécanisme est efficace du point de vue de l'inversion de population mais n'est pas séparable des deux autres mécanismes qui peuvent le favoriser, le contrarier ou même le bloquer. Ainsi l'avalanche peut-elle être amorcée grâce à l'existence d'une très faible absorption dans l'état fondamental mais bloquée lorsque cette absorption devient trop forte. Un système basé sur une absorption dans un état excité possède donc deux modes de fonctionnement : un mécanisme où les absorptions successives dominent et l'avalanche de photons. Le passage d'un mode à l'autre apparait progressivement lorsque l'absorption dans l'état excité augmente par rapport à l'absorption dans l'état fondamental. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus avec l'ion Tm3+ illustrent les processus d'absorption dans l'état excité dont l'avalanche de photons.
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