Cette these decrit les progres et techniques realisees pour obtenir un couplage efficace d'atomes froids 85Rb dans une fibre optique en cristaux photonique a coeur vide et utilisant un guidage atomique a l'aide d'un faisceau laser creux de premier ordre decale en frequence vers le bleu. Dans le systeme propose, la faible diffraction de ce faisceau de premier ordre lui permet d'agir comme un entonnoir optique a potentiel repulsif servant a guider les atomes froids,avec l'aide de la gravite, dans le coeur de la fibre optique. L'utilisation d'une fibre optique a
faible perte, plutot qu'un capillaire permet de developper le potentiel de guider les atomes sur une trajectoire arbitraire et des distances a l'echelle du laboratoire. Ceci permettrait ainsi plusieurs nouvelles applications en nanofabrication et en metrologie optique.
Pour realiser cet objectif, un piege Magneto-Optique de 85Rb a ete bâtit de zero et en utilisant les techniques les plus avancees de refroidissement laser par gradient de polarisation a permis d'atteindre regulierement des temperatures de 9K dans une melasse optique contenant
10 7 atomes. Ces atomes froids furent guides au-dela de 23 cm dans un faisceau creux collime et decale vers le bleu et au travers de ce faisceau focalise de maniere a reproduire les conditions d'entree dans une fibre optique tout en permettant une observation precise des dynamiques de couplage. Trois classes d'atomes furent observees : perdus, pieges et guides. Les dynamiques de ce systeme ainsi que les conditions optimales de couplage ont ete identifies grâce au modele physique numerique ayant ete developpee.
Une nouvelle approche au probleme de la modelisation de la dynamique des atomes froids dans l'entonnoir optique a ete developpee au cours de cette these. Ce nouveau modele a
permis de reproduire la dynamique des atomes observes dans l'experience mais a aussi pu etre applique dans la simulation d'atomes froids dans le piege Magneto-Optique et a la prediction des temperatures atteintes dans diverses conditions experimentales. Ceci a ete realise grâce a
la modelisation 3D des composantes conservatives and non-conservatives des forces optiques agissant sur les atomes. L'implementation des mecanismes d'echauffement connu des atomes :la diffusion de lumiere et de leur quantite de mouvement, fut aussi cruciale a cette fin. Ce modele nous a aide a identifier les meilleures conditions de couplage dans ce systeme,corrobore par l'experience, et qu'il existait un potentiel optique optimal, pour une distance de couplage determine, qu'il ne fallait pas depasser.
Un faisceau LG01, monomode et de haute purete fut genere avec une efficacite superieure a 50% en utilisant un hologramme a valeurs complexes genere par ordinateur et rendu grâce a un modulateur de phase spatiale a base de cristaux liquides.----------Abstract This thesis describes advances and techniques toward the efficient coupling of cold 85Rb atoms into a low loss hollow core photonic crystal fibre using a blue-detuned first order hollow beam. In the proposed system, the low diffraction of the blue-detuned first order hollow beam acts as a repulsive potential optical funnel that allows the coupling of cold atoms under the influence of gravity into the fibre's hollow core. Using a low loss fibre with a blue detuned hollow beam shows potential for guiding atoms over an arbitrary path and longer distances on the laboratory scale, which would enable several new applications in nanofabrication and optical metrology.
To realize this objective, a Magneto-Optical Trap of 85Rb was built from scratch and by using advanced polarization gradient cooling techniques was turned into a 9 K cold optical molasses containing 107 atoms. These cold atoms were guided over 23 cm in a collimated blue detuned hollow beam tunnel and through a focused hollow beam mimicking as closely as possible the coupling conditions for a hollow core optical fibre. Three classes of atoms were observed: lost, trapped and guided atoms. The dynamics of the system as well as the optimal coupling conditions were identifed through the use of a numerical model. A novel approach to modelling cold atom dynamics in an optical funnel was developed during the course of this thesis. This new model was not only able to reproduce the dynamics of atoms in the experiment but also simulate dense cold atoms cooled into the MOT and predict final temperatures attained. This was achieved by 3D modelling of the conservative and non-conservative components of optical forces acting on atoms but also through the implementation of known heat mechanisms: light scattering and momentum diffusion. The
model identifed the best coupling conditions of this system, confirmed by experiment, and an optimal light potential for a given distance of coupling that must not be exceeded. A single mode, high purity, LG01 beam was generated with over 50% conversion efficiency
from a Gaussian mode using a complex-valued computer generated hologram (CGH) rendered
on a phase-only liquid-crystal spatial light modulator (SLM). A system-wide 35% conversion efficiency was achieved from the laser output to the vacuum chamber input.
Several micro-structured polymer optical fibres and silica hollow-core band-gap photonic crystal fibres with Kagome claddings were evaluated. A single defect, large hollow core
(50m diameter) Kagome cladding fibre was identified as a suitable solution for guiding cold 85Rb atoms.
Cette these decrit les progres et techniques realisees pour obtenir un couplage efficace d'atomes froids 85Rb dans une fibre optique en cristaux photonique a coeur vide et utilisant un guidage atomique a l'aide d'un faisceau laser creux de premier ordre decale en frequence vers le bleu. Dans le systeme propose, la faible diffraction de ce faisceau de premier ordre lui permet d'agir comme un entonnoir optique a potentiel repulsif servant a guider les atomes froids,avec l'aide de la gravite, dans le coeur de la fibre optique. L'utilisation d'une fibre optique a
faible perte, plutot qu'un capillaire permet de developper le potentiel de guider les atomes sur une trajectoire arbitraire et des distances a l'echelle du laboratoire. Ceci permettrait ainsi plusieurs nouvelles applications en nanofabrication et en metrologie optique.
Pour realiser cet objectif, un piege Magneto-Optique de 85Rb a ete bâtit de zero et en utilisant les techniques les plus avancees de refroidissement laser par gradient de polarisation a permis d'atteindre regulierement des temperatures de 9K dans une melasse optique contenant
10 7 atomes. Ces atomes froids furent guides au-dela de 23 cm dans un faisceau creux collime et decale vers le bleu et au travers de ce faisceau focalise de maniere a reproduire les conditions d'entree dans une fibre optique tout en permettant une observation precise des dynamiques de couplage. Trois classes d'atomes furent observees : perdus, pieges et guides. Les dynamiques de ce systeme ainsi que les conditions optimales de couplage ont ete identifies grâce au modele physique numerique ayant ete developpee.
Une nouvelle approche au probleme de la modelisation de la dynamique des atomes froids dans l'entonnoir optique a ete developpee au cours de cette these. Ce nouveau modele a
permis de reproduire la dynamique des atomes observes dans l'experience mais a aussi pu etre applique dans la simulation d'atomes froids dans le piege Magneto-Optique et a la prediction des temperatures atteintes dans diverses conditions experimentales. Ceci a ete realise grâce a
la modelisation 3D des composantes conservatives and non-conservatives des forces optiques agissant sur les atomes. L'implementation des mecanismes d'echauffement connu des atomes :la diffusion de lumiere et de leur quantite de mouvement, fut aussi cruciale a cette fin. Ce modele nous a aide a identifier les meilleures conditions de couplage dans ce systeme,corrobore par l'experience, et qu'il existait un potentiel optique optimal, pour une distance de couplage determine, qu'il ne fallait pas depasser.
Un faisceau LG01, monomode et de haute purete fut genere avec une efficacite superieure a 50% en utilisant un hologramme a valeurs complexes genere par ordinateur et rendu grâce a un modulateur de phase spatiale a base de cristaux liquides.----------Abstract This thesis describes advances and techniques toward the efficient coupling of cold 85Rb atoms into a low loss hollow core photonic crystal fibre using a blue-detuned first order hollow beam. In the proposed system, the low diffraction of the blue-detuned first order hollow beam acts as a repulsive potential optical funnel that allows the coupling of cold atoms under the influence of gravity into the fibre's hollow core. Using a low loss fibre with a blue detuned hollow beam shows potential for guiding atoms over an arbitrary path and longer distances on the laboratory scale, which would enable several new applications in nanofabrication and optical metrology.
To realize this objective, a Magneto-Optical Trap of 85Rb was built from scratch and by using advanced polarization gradient cooling techniques was turned into a 9 K cold optical molasses containing 107 atoms. These cold atoms were guided over 23 cm in a collimated blue detuned hollow beam tunnel and through a focused hollow beam mimicking as closely as possible the coupling conditions for a hollow core optical fibre. Three classes of atoms were observed: lost, trapped and guided atoms. The dynamics of the system as well as the optimal coupling conditions were identifed through the use of a numerical model. A novel approach to modelling cold atom dynamics in an optical funnel was developed during the course of this thesis. This new model was not only able to reproduce the dynamics of atoms in the experiment but also simulate dense cold atoms cooled into the MOT and predict final temperatures attained. This was achieved by 3D modelling of the conservative and non-conservative components of optical forces acting on atoms but also through the implementation of known heat mechanisms: light scattering and momentum diffusion. The
model identifed the best coupling conditions of this system, confirmed by experiment, and an optimal light potential for a given distance of coupling that must not be exceeded. A single mode, high purity, LG01 beam was generated with over 50% conversion efficiency
from a Gaussian mode using a complex-valued computer generated hologram (CGH) rendered
on a phase-only liquid-crystal spatial light modulator (SLM). A system-wide 35% conversion efficiency was achieved from the laser output to the vacuum chamber input.
Several micro-structured polymer optical fibres and silica hollow-core band-gap photonic crystal fibres with Kagome claddings were evaluated. A single defect, large hollow core
(50m diameter) Kagome cladding fibre was identified as a suitable solution for guiding cold 85Rb atoms.
Réalisation d’une expérience d’atomes froids dans une fibre à coeur creux : vers la cristallisation spontanée Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée.
Ce manuscrit présente différents aspects expérimentaux et théoriques concernant un système propre à l'optique atomique : le laser à atomes. Dans notre expérience, celui-ci est issu d'un condensat de Bose-Einstein de Rubidium 87. Aussi, dans un premier temps, nous détaillons les différentes techniques de refroidissement que nous mettons en oeuvre pour obtenir cette source atomique cohérente dans un piège ferromagnétique hybride. Les lasers à atomes que nous réalisons sont extraits du nuage condensé par radiofréquence, et se propagent verticalement sous l'effet de la gravité. Une spécificité de notre expérience réside dans le fort confinement magnétique utilisé, ce qui a pour conséquence de rendre importantes les interactions collisionnelles entre le laser et le condensat-source. Nous montrons que ceci a une influence, non seulement sur la dynamique de couplage du laser, mais aussi sur sa propagation. Nous observons en effet une structure transverse du faisceau laser contenant des caustiques. En utilisant des méthodes initialement développées pour l'optique photonique (approximation iconale, intégrale de Fresnel-Kirchhoff, matrices ABCD), nous calculons la fonction d'onde du laser à atomes. De plus, nous caractérisons la propagation de l'onde de matière dans le régime paraxial à l'aide du facteur de qualité M2. Enfin, nous rapportons la réalisation d'un laser à atomes guidé par un potentiel optique horizontal, ce qui nous permet d'annuler l'accélération due à la gravité de telle façon à ce que la longueur d'onde de De Broglie reste constante tout au long de la propagation.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
Plateforme expérimentale pour l’optique atomique et refroidissement d'atomes intra-fibre creuse Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs.
Nous avons realise et demontre trois elements d'optique atomique: un guide et une separatrice qui utilisent la force dipolaire, et un miroir concave qui utilise la force magnetique. Ces elements ont ete appliques a des atomes 87-Rb initialement refroidis a 10 mK dans une melasse optique. Le guide est realise avec un faisceau laser Nd:YAG tres desaccorde de la resonance atomique et cree un piege dipolaire 2D. Lorsque le nuage atomique est libere de la melasse optique, il tombe sous l'effet de la gravite, et a cause du guide dipolaire une partie des atomes reste confinee dans le faisceau laser de guidage. L'efficacite du guide obtenue est d'environ 40% sur une distance de 30 cm. De plus, comme le faisceau de guidage est focalise, une compression du nuage a lieu, et dans la partie de defocalisation du faisceau, on observe un refroidissement adiabatique du nuage jusqu'a environ 2 mK, ce qui correspond a un abaissement de la temperature des atomes d'un facteur 5 [1]. Les resultats sont interpretes a l'aide d'un modele numerique qui utilise une methode statistique de type Monte Carlo. On a observe experimentalement et montre par les calculs numeriques qu'on peut fabriquer un nuage atomique en forme d'anneau si on introduit dans le guide dipolaire des atomes de moment cinetique moyen non nul et si le guide est utilise en mode impulsionnel. La separatrice utilise deux guides dipolaires qui se croisent: l'un est suivant la verticale et l'autre suivant la direction oblique fait un angle de 0. 12 radian avec la verticale. Les atomes sont guides initialement dans le guide vertical. Lorsqu'ils ont chute de quelques millimetres, le guide oblique est alors soudainement allume. Le couplage cree au point de croisement des guides permet un transfert des atomes du guide vertical vers le guide oblique. L'observation a environ 10 mm en dessous de la position du piege magneto-optique, montre une separation du nuage de l'ordre de quelques millimetres, avec une efficacite de transfert de l'ordre de 30% [2]. Nous avons montre par le calcul qu'une sequence temporelle du guide oblique bien choisie, permettrait d'augmenter l'efficacite de la separatrice d'environ 50%. Le miroir concave utilise le champ magnetique d'un quadrupole en mode impulsionnel, applique quand les atomes sont tombes de quelques millimetres. On a observe clairement deux rebonds. Le potentiel magnetique vu par les atomes etant courbe dans les trois directions de l'espace, le rebond du nuage atomique s'accompagne d'une refocalisation [3]. Ce miroir n'est pas parfait et presente des aberrations. Les calculs numeriques ont montre que l'ajout d'un petit champ magnetique tournant permettrait de reduire sensiblement les aberrations du miroir. [1] L. Provost, D. Marescaux, O. Houde, H. T Duong, Opt. Comm. 166 (1999) 199. [2] O. Houde, D. Kadio, L. Provost, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5543. [3] D. Kadio, O. Houde, L. Provost, Euro. Phys. Lett. 54 (2001) 417.