Étude de divers processus d'optique non linéaire dans un milieu gazeux résonnant : effet de saturation en conjugaison de phase : absorption et dispersion saturées dans une onde évanescente
Etude des effets de saturation sur un miroir a conjugaison de phase optique et phenomenes de diffraction d'ordre eleve sur un reseau induit optiquement. Ces etudes d'optique non lineaire ont ete effectuees en milieu gazeux resonnant. L'usage de faisceaux incidents saturants affecte notamment les formes de raie des resonances obtenues, ainsi a l'efficacite du processus. Quoique la technique classique pour obtenir un systeme a conjugaison de phase soit le melange degenere a quatre ondes ou toutes les frequences d'irradiation sont egales (holographie en temps reel), des variantes sont possibles, qui utilisent le melange non degenere a quatre ondes (plusieurs frequences incidentes) multiresonnant. Des phenomenes induits par des coherences a deux photons ont ainsi pu etre observes, qui laissent presager la possibilite d'obtenir de fortes efficacites, grâce a un mecanisme de compensation entre effet Stark et effet Doppler. -Observation d'une oscillation conjuguee. Dans certaines conditions (fortes·densites·atomiques), il est possible d'obtenir en conjugaison de phase, des reflectivites depassant l'unite: un resonateur constitue d'un miroir ordinaire et d'un tel miroir a conjugaison de phase possedant du gain, est donc une cavite auto-oscillante (Laser a conjugaison de phase). Nous avons demontre, et ce pour la premiere fois, qu'une telle oscillation pouvait etre observee sur la vapeur de Sodium a resonance en regime continu. Spectroscopie sans effet Doppler dans une onde evanescente. On sait que dans les conditions de la reflexion totale sur une surface, une onde evanescente est creee dans le milieu ayant la plus faible densite optique. Nous avons etendu les techniques classiques de spectroscopie de saturation sans effet Doppler (absorption et dispersion saturees) au cas des ondes evanescentes. La longueur de propagation d'une onde evanescente etant de l'ordre de la longueur d'onde optique, on peut ainsi etudier le·comportement des atomes au voisinage d'une paroi ou faire de la spectroscopie dans des milieux optiquement epais.
Etude des effets de saturation sur un miroir a conjugaison de phase optique et phenomenes de diffraction d'ordre eleve sur un reseau induit optiquement. Ces etudes d'optique non lineaire ont ete effectuees en milieu gazeux resonnant. L'usage de faisceaux incidents saturants affecte notamment les formes de raie des resonances obtenues, ainsi a l'efficacite du processus. Quoique la technique classique pour obtenir un systeme a conjugaison de phase soit le melange degenere a quatre ondes ou toutes les frequences d'irradiation sont egales (holographie en temps reel), des variantes sont possibles, qui utilisent le melange non degenere a quatre ondes (plusieurs frequences incidentes) multiresonnant. Des phenomenes induits par des coherences a deux photons ont ainsi pu etre observes, qui laissent presager la possibilite d'obtenir de fortes efficacites, grâce a un mecanisme de compensation entre effet Stark et effet Doppler. -Observation d'une oscillation conjuguee. Dans certaines conditions (fortes·densites·atomiques), il est possible d'obtenir en conjugaison de phase, des reflectivites depassant l'unite: un resonateur constitue d'un miroir ordinaire et d'un tel miroir a conjugaison de phase possedant du gain, est donc une cavite auto-oscillante (Laser a conjugaison de phase). Nous avons demontre, et ce pour la premiere fois, qu'une telle oscillation pouvait etre observee sur la vapeur de Sodium a resonance en regime continu. Spectroscopie sans effet Doppler dans une onde evanescente. On sait que dans les conditions de la reflexion totale sur une surface, une onde evanescente est creee dans le milieu ayant la plus faible densite optique. Nous avons etendu les techniques classiques de spectroscopie de saturation sans effet Doppler (absorption et dispersion saturees) au cas des ondes evanescentes. La longueur de propagation d'une onde evanescente etant de l'ordre de la longueur d'onde optique, on peut ainsi etudier le·comportement des atomes au voisinage d'une paroi ou faire de la spectroscopie dans des milieux optiquement epais.
Nous montrons que le milieu laser lui-meme peut etre utilise comme milieu non-lineaire pour realiser des melanges d'ondes. Au cours de ces interactions, plusieurs faisceaux coherents se propagent dans le milieu laser prealablement place en inversion de population. La figure d'interference formee par ces ondes module spatialement le gain de l'amplificateur par le phenomene de saturation du gain. Cette modulation du gain se comporte comme un hologramme de gain dynamique, sur lequel les ondes incidentes peuvent diffracter. Nous analysons tout d'abord le processus d'ecriture d'un reseau dynamique de gain par melange a deux ondes. Les phenomenes d'auto-diffraction et de redistribution energetique entre les faisceaux sont mis en evidence. Puis nous etudions le melange a quatre ondes dans lequel un faisceau conjugue en phase est engendre. Des modelisations originales de tous ces mecanismes non-lineaires en regime transitoire sont presentees. En particulier, ces modeles tiennent compte de la duree et de la forme temporelle des ondes, de l'amplification laser, des interferences de toutes les ondes entre-elles suivant leur polarisation et la modulation du gain qu'elles engendrent. Ces interactions non-lineaires sont demontres experimentalement dans des amplificateurs nd:yag pompes par des flashes avec des impulsions nanosecondes. Nous avons egalement demontre la possibilite de realiser du melange a quatre ondes multi-passages, en regime impulsionnel et continu, dans un amplificateur nd:yvo#4 compact, pompe par des diodes lasers ou par un laser ti:saphir. Nous demontrons que ces interactions non-lineaires dans le milieu laser offrent des possibilites extremement interessantes dans les domaines de l'holographie dynamique et de la conjugaison de phase. Nous presenterons des architectures lasers originales tout a l'etat solide utilisant des processus de melanges a quatre ondes dans l'amplificateur laser pour corriger les distorsions du faisceau
Ce travail presente diverses etudes de melanges d'ondes en milieu gazeux resonnant. La plupart des experiences utilisent une source laser ultraviolette continue, monomode et balayable en frequence, obtenue par doublage intra-cavite d'un laser a colorant. Nous etudions d'abord le comportement de saturation du melange resonnant a quatre ondes quasi degenere en frequence avec l'avant: les predictions theoriques, aussi bien que des experiences sur la raie de resonance infrarouge de la vapeur de cesium, montre que dans le cas d'un systeme a deux niveaux le dedoublement Stark est apparent dans les formes de raies. Le comportement se revele analogue dans l'extension au melange multi-ondes. Nous presentons ensuite une experience de spectroscopie par absorption saturee de la raie de resonance u. V. Du magnesium (285 nm), qui fournit une nouvelle determination de l'ecart isotopique. Sur cette meme raie, nous avons egalement obtenu un signal de conjugaison de phase en continu dans l'u. V. Par melange a quatre ondes degenere vers l'arriere. La difficulte de l'experience provient de la puissance limitee de la source signal proportionnel au cube de l'intensite sonde et de l'intensite de saturation relativement elevee de la transition. Nous decrivons aussi des experiences de spectroscopie de saturation et de melange d'ondes sur des systemes resonnants a trois niveaux couplant une transition u. V. Et une transition visible, et analysons les differentes dependances par rapport a l'intensite u. V. Nous discutons finalement des possibilites d'imagerie avec conversion de frequence, et notamment de conjugaison de phase avec doublage de frequence
Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme X line 2iphi avec phi la différence de phase entre champs. Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi. En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en Xlin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.
Le memoire de these concerne le melange 0 quatre ondes et ses extensions aux ordres superieurs dans les milieux gazeux resonnants basse pression. Une premiere partie presente differentes experiences effectuees en melange degenere (ou les trois faisceaux sont de meme frequence). Apres un rappel des principales proprietes de ce processus physique, nous donnons des resultats experimentaux et theoriques portant sur des effets de saturation en regime continu, induits par des faisceaux incidents intenses dans une decharge de neon. La realisation d'un oscillateur a miroir a conjugaison de phase dans la vapeur de sodium en continu y est presentee. Enfin, une experience de conjugaison de phase realisee dans l'ultraviolet y est decrite. Les deux autres parties concernent les melanges d'onde non degeneres en frequence sur des systemes a trois niveaux couples. La partie ii presente un travail theorique et experimental en geometrie colineaire. La derniere partie presente les effets de saturation en geometrie non colineaire. Nous y developpons un calcul theorique tenant compte de la saturation par l'un ou l'autre des faisceaux. Enfin, nous decrivons une experience realisee sur la vapeur de calcium et abordons le probleme de la conjugaison de phase avec conversion de frequence (visible UV)
L'objet de cette thèse est l'étude de plusieurs applications des processus de mélange à quatre ondes induits dans les vapeurs atomiques. Dans la première partie, les notions de base de l'optique non-linéaire dans les milieux de Kerr sont rappelés. Dans la seconde partie, nous étudions les propriétés des oscillateurs à mélange à quatre ondes en anneau dont le milieu amplificateur est constitué d'une vapeur de sodium soumise à deux ondes pompes ne circulant pas dans la cavité. Les applications de ces oscillateurs comme senseur de rotation et comme générateur de faisceaux jumeaux sont démontrées, les principes de ces deux notions étant rappelées dans leur grande ligne. Dans la troisième partie, nous présentons plusieurs résultats sur le mélange à quatre ondes lorsque les ondes incidentes ont des polarisations linéaires orthogonales. Cette géométrie nous a permis d'observer un processus de mélange à deux ondes, et de réaliser un miroir à contraste de phase et un miroir auto-pompé. Les résultats obtenus expérimentalement dans les vapeurs de rubidium et de sodium sont en accord avec un modèle théorique basé sur les équations du pompage optique, ce modèle permettant d'interpréter sous forme d'activité optique les fortes non-linéarités observées.
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.