L'etude de la transition a deux photons entre le niveau fondamental et le premier etat excite, metastable, de l'ion mercure piege dans une trappe radiofrequence presente un double interet. Outre l'utilisation metrologique de cette raie a cause de sa faible largeur, elle permet une meilleure connaissance des proprietes energetiques de la particule. Afin de les interroger, les ions sont confines dans une trappe de paul. En superposant des champs electriques continu et sinusoidal bien choisis, on cree au centre de la trappe un puits de potentiel ou 5 millions d'ions sont pieges. L'excitation de la transition est obtenue a l'aide d'un laser a colorant, dont les performances spectrales doivent etre tres bonnes. C'est pourquoi la frequence du laser est asservie sur un mode resonnant d'une cavite fabry perot stable a court et moyen terme et de grande finesse. L'electronique est tres rapide. Pour le long terme, la longueur de la cavite est asservie sur une transition hyperfine de l'iode, resolue par une technique d'absorption saturee heterodyne. Le laser reste plusieurs heures sur le meme mode et son jitter est reduit a moins de 4 hkz. L'interrogation des ions se fait par une technique de double resonance. Les ions sont eclaires par une lampe au mercure et on detecte la fluorescence qu'ils reemettent a 194 nm. Quand la transition a deux photons est resonnante on observe un trou dans cette fluorescence. L'etude theorique de la transition prevoit un profil dissymetrique d'une largeur de quelques khz, decale vers le rouge. La largeur a mi-hauteur de ce signal convolue avec le profil laser permet de determiner la temperature des ions mercure confines
L'etude de la transition a deux photons entre le niveau fondamental et le premier etat excite, metastable, de l'ion mercure piege dans une trappe radiofrequence presente un double interet. Outre l'utilisation metrologique de cette raie a cause de sa faible largeur, elle permet une meilleure connaissance des proprietes energetiques de la particule. Afin de les interroger, les ions sont confines dans une trappe de paul. En superposant des champs electriques continu et sinusoidal bien choisis, on cree au centre de la trappe un puits de potentiel ou 5 millions d'ions sont pieges. L'excitation de la transition est obtenue a l'aide d'un laser a colorant, dont les performances spectrales doivent etre tres bonnes. C'est pourquoi la frequence du laser est asservie sur un mode resonnant d'une cavite fabry perot stable a court et moyen terme et de grande finesse. L'electronique est tres rapide. Pour le long terme, la longueur de la cavite est asservie sur une transition hyperfine de l'iode, resolue par une technique d'absorption saturee heterodyne. Le laser reste plusieurs heures sur le meme mode et son jitter est reduit a moins de 4 hkz. L'interrogation des ions se fait par une technique de double resonance. Les ions sont eclaires par une lampe au mercure et on detecte la fluorescence qu'ils reemettent a 194 nm. Quand la transition a deux photons est resonnante on observe un trou dans cette fluorescence. L'etude theorique de la transition prevoit un profil dissymetrique d'une largeur de quelques khz, decale vers le rouge. La largeur a mi-hauteur de ce signal convolue avec le profil laser permet de determiner la temperature des ions mercure confines
Ce travail porte sur le piegeage et le refroidissement laser d'ions calcium en vue d'application en metrologie des frequences. L'ion calcium possede une transition quadripolaire electrique a 729 nm de facteur de qualite superieur a 10[15] qui en fait un excellent candidat pour un etalon de frequence dans le domaine des longueurs d'onde du visible. Les ions sont confines dans un piege radiofrequence de Paul-Straubel et sont detectes par la lumiere de fluorescence qu'ils emettent lorsqu'ils sont refroidis par laser. L'etude des proprietes spectrales de leur mouvement est faite par application au piege d'une petite tension alternative. Les frequences d'oscillation des ions sont clairement visibles et leur relation avec la tension de confinement peut etre obtenue. La variation des tensions continue et alternative de confinement permet de decrire le diagramme de stabilite du piege reel. Les lasers de l'experience doivent avoir des frequences stables pendant plusieurs heures. Pour l'un deux, cela est realise en l'injectant dans une cavite Fabry-Perot en meme temps qu'un laser a 852 nm stabilise en frequence sur le cesium par une technique d'absorption saturee. La cavite permet le transfert de la stabilite de ce dernier laser vers le laser de l'experience. Le chauffage par laser d'un nuage ionique et la diminution progressive de la profondeur du puits de potentiel de confinement permettent d'ejecter tous les ions et ne garder qu'un seul. Il est alors place au centre du potentiel de confinement par application de tensions continues sur les electrodes de compensation. Ceci reduit son micromouvement. L'efficacite de l'operation est observee par la technique de correlation de champ RF-photon.
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion unique de calcium confiné dans un piège de Paul. Après avoir passé en revue les différents types d'étalons de fréquence dans le domaine optique actuellement développés (atomes neutres en piège magnéto-optique, atomes neutres dans un réseau optique et ions piégés), l'accent est mis sur le concept d'horloge a ion unique confiné dans une piège radiofréquence. Les notions de piégeage des ions, de refroidissement laser, d'effet systématique et les techniques d'asservissement laser y sont étudiées en détail. Les aspect expérimentaux sont ensuite présentés, en insistant particulièrement sur les deux pièges utilisés au cours des expériences ainsi que sur le protocole expérimental qui détermine le cahier des charges du laser d'horloge. Afin de réaliser un étalon de fréquence optique il faut posséder une source laser dont les propriétés spectrales soient meilleures ou identiques à celle de la transition atomique afin de tirer pleinement profit du facteur de qualité de la transition atomique. L'ensemble des systèmes d'asservissement du laser, lui permettant d'atteindre ces performances, sont décrits. Dans une première partie, l'asservissement du laser sur une cavité Invar de pré-stabilisation est présenté. On peut ainsi atteindre une largeur de raie du laser de l'ordre de 1 kHz. Dans une seconde partie la réalisation et le montage de l'asservissement sur une cavité ULE de haute finesse est détaillé. En utilisant ce dernier étage nous avons estimé la largeur de raie du laser à 120 mHz. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'utilisation d'une technique d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité des faisceaux laser et ainsi réduire le bruit de fond du système de détection des ions, qui a pour conséquence de dégrader la stabilité du système.
Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nuage d’ions calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10⁻¹⁴ à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca⁺. Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de différents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable
Depuis 1967, la seconde est définie par rapport à une transition atomique. Plus précisément, la seconde est déterminée par rapport à 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à deux états hyperfins de l’état fondamental d’un atome de césium 133 non perturbé. Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes se situent dans le domaine optique : un laser est utilisé pour interroger la transition d’une référence atomique. Les éléments atomiques utilisés sont par exemple du strontium, du mercure ou de l’ytterbium. D’autres horloges optiques exploitent un ion unique piégé pour établir une référence de fréquence. Les meilleures horloges optiques occupent des volumes de plusieurs milliers de litres. Bien qu’il existe des réseaux fibrés disséminant les références optiques entre différents laboratoires, la nécessité de pouvoir transporter les horloges reste un enjeu majeur pour la physique fondamental ou pour d’autres applications comme la géodésie. Le département temps fréquence de l’institut FEMTO-ST développe une horloge optique transportable à ion piégé Yb+. L’objectif du projet est d’avoir un volume total de l’ expérience de 500 L avec des performances dix fois supérieures aux horloges compactes actuelles. Un ion unique est piégé à l’aide de champs électriques générés par une puce constituant un piège de Paul surfacique. Un unique faisceau laser permet son refroidissement dans les trois directions de l’espace. Un laser d’une longueur d’onde d’environ 435,5 nm est utilisé pour interroger l’ion et constituer un oscillateur ultra-stable.Pour piéger des ions, un piège prototype en cuivre sur FR-4 a été utilisé pendant qu’en parallèle un piège était conçu et fabriqué au sein du département. Le rapide confinement d’ions avec le piège prototype a permis de mettre en place le système expérimental et établir nos premiers résultats. Des mesures caractérisant le piège ont pu être effectués et des techniques expérimentales pour le contrôle du piège ont été mises en place. Le laser d’horloge nécessitant une pré stabilisation pour sa réduction du bruit de fréquence, son asservissement sur une cavité ultra-stable fonctionnant à une longueur d’onde télécoms a été réalisée à l’aide d’un peigne de fréquence optique. Différentes simulations ont été effectuées pour prédire la stabilité relative de fréquence de l’horloge ou le comportement du nouveau piège.
On a etudie les proprietes energetiques des ions ¹⁹⁹Hg⁺ pieges dans une trappe radiofrequence cylindrique afin d'evoluer le decalage du a l'effet Doppler du second ordre sur la raie de resonance a 40,5 Ghz de la transition hyperfine du niveau fondamental ²s ₁/₂. Cette etude, theorique et experimentale, a ete menee pour ameliorer la precision de l'etalon de frequence atomique a ion mercure 199. On a voulu, par ailleurs, donner un caractere general aux resultats deduits afin qu'ils puissent etre applicables a n'importe quel type d'ions possedant une structure hyperfine, confine dans une trappe radiofrequence quadrupolaire ou cylindrique. On a cree pour cela un formalisme analytique mettant en jeu des parametres physiques pouvant etre mesures experimentalement afin d'evaluer l'energie cinetique moyenne des ions confines, ce qui permet de connaitre l’effet Doppler du second ordre proportionnel a cette quantite. L'energie cinetique moyenne calculee tient compte aussi bien de la contribution du macro-mouvement lent, qu'on a suppose thermalise, que de celle du micromouvement rapide du au champ de confinement. On a considere un modele thermalise de la distribution des charges a l’interieur d'un pseudo potentiel de confinement, tout en tenant compte du potentiel d'interaction electrique entre les tons pieges (charge d'espace). Ce formalisme permet, en outre, d'estimer la densite centrale du nuage ionique forme, ainsi que le potentiel de la charge d'espace. Les resultats ont ete compares a des calculs numeriques de simulation, pour differentes conditions de confinement, montrant un tres bon accord. Une etude numerique a permis d'etudier les proprietes de confinement du pseudo potentiel cree a l'interieur d'une trappe radiofrequence cylindrique, afin d'adapter ce formalisme a nos conditions experimentales. On a demontre que le potentiel efficace de cette trappe est tres different de celui d'une trappe hyperboloide (quadrupolaire) radiofrequence. Les conditions de sphericite et d'harmonicite du pseudo potentiel ont ete definies, ainsi que la valeur de la frequence theorique seculaire resultante. On a aussi deduit que des densites plus elevees (environ 25 %) peuvent etre atteintes dans une trappe cylindrique pour les memes tensions de confinement. Le modele a ete applique a differentes conditions experimentales en mesurant, a chaque fois, les parametres physiques intervenant dans le formalisme, qui sont le nombre d'ions total et la frequence du macro mouvement seculaire deplacee par la charge d'espace. On en a deduit que la temperature d'un nuage de 2 millions d’ions ¹⁹⁹Hg⁺, pieges dans un pseudo potentiel de frequence seculaire theorique 40 khz, est typiquement de 3300 ± 100 K dans un vide residuel de 10 ⁻⁸ Torr. Le deplacement du â l'effet Doppler du second ordre dans ce cas est : Δ f ÷ f = -(5,44 ± 0,16) 10⁻¹² En utilisant l'helium comme gaz tampon, on a etudie le refroidissement collisionnel de ce nuage d'ions dans les memes conditions de confinement. La plus basse temperature mesuree est de 700 K pour une pression d'helium de 3. 10 ⁻⁵ Torr. Le deplacement du a l'effet Doppler du second ordre est, dans ce cas: Δ f ÷ f = - (1. 76 ± 0. 11 a 10⁻¹²). Finalement, on a mis en evidence la faible distorsion du pseudo potentiel due aux asymetries de la trappe cylindrique. Les irregularites sont partiellement compensees par la forme particuliere du potentiel efficace.