Ce mémoire présente des résultats théoriques et expérimentaux sur les interactions entre atomes et lumière laser dans les horloges atomiques à pompage optique. On présente tout d'abord l'affinement spectral de lasers à semiconducteurs par la technique de la cavité étendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testés et comparés. La conception de structures performantes est présentée,et une méthode d'auto-alignement est mise en œuvre pour réduire la sensibilité des ces lasers aux perturbations extérieures. Ensuite, les interactions atomes/lumière sont décrites par le formalisme de la matrice densité, en prenant en compte le bruit de fréquence et la modulation du laser. Cette partie développe plus particulièrement l'analyse du pompage optique. On montre que le flux atomique présente, à pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de fréquence du laser. Enfin, en dernière partie, une évaluation expérimentale de l'influence des paramètres des lasers sur les signaux d'horloge est menée. Les rôles des lasers de pompage et de détection sont étudiés séparément, et l'extra-bruit de détection des atomes non-pompés est mesuré pour des lasers de pompage de largeurs de raie différentes. L'influence de l'efficacité du pompage sur le rapport signal-à-bruit du signal d'horloge est déterminée expérimentalement pour une horloge à jet thermique de césium, dans une configuration de frange brillante.
Ce mémoire présente des résultats théoriques et expérimentaux sur les interactions entre atomes et lumière laser dans les horloges atomiques à pompage optique. On présente tout d'abord l'affinement spectral de lasers à semiconducteurs par la technique de la cavité étendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testés et comparés. La conception de structures performantes est présentée,et une méthode d'auto-alignement est mise en œuvre pour réduire la sensibilité des ces lasers aux perturbations extérieures. Ensuite, les interactions atomes/lumière sont décrites par le formalisme de la matrice densité, en prenant en compte le bruit de fréquence et la modulation du laser. Cette partie développe plus particulièrement l'analyse du pompage optique. On montre que le flux atomique présente, à pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de fréquence du laser. Enfin, en dernière partie, une évaluation expérimentale de l'influence des paramètres des lasers sur les signaux d'horloge est menée. Les rôles des lasers de pompage et de détection sont étudiés séparément, et l'extra-bruit de détection des atomes non-pompés est mesuré pour des lasers de pompage de largeurs de raie différentes. L'influence de l'efficacité du pompage sur le rapport signal-à-bruit du signal d'horloge est déterminée expérimentalement pour une horloge à jet thermique de césium, dans une configuration de frange brillante.
Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.
Le travail de cette these consiste a etudier theoriquement et experimentalement l'influence du bruit de phase d'un laser a semi-conducteurs sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique. Trois references sont choisies : un interferometre de mach-zender, une cavite fabry-perot et une vapeur atomique. Afin de tester les limites de certains modeles usuels de description des fluctuations de phase du laser, j'utilise une theorie generale impliquant l'interferometre de mach-zender et basee sur le modele du champ laser a diffusion de phase sans restriction sur les valeurs relatives des largeurs de raies du laser et de la reference. Je montre que le processus de modulation-demodulation, en presence du bruit de phase du laser, genere deux types d'exces de bruit par rapport au bruit de grenaille de photons : bruit de conversion et bruit d'intermodulation. Ces exces de bruit s'ajoutent au signal d'erreur et limitent la stabilite du laser asservi. Les predictions theoriques confirmees par des resultats experimentaux montrent que la reponse frequentielle d'un systeme atomique a deux niveaux en regime de faible saturation interroge par un champ laser bruyant est identique a celle d'une cavite fabry-perot eclairee par le meme laser. Je montre que dans les conditions typiques d'asservissement la purete spectrale du laser asservi est principalement limitee par l'exces de bruit d'intermodulation. Cet effet, initialement mis en evidence dans le domaine micro-onde, peut etre reduit avec un choix convenable de la configuration de detection et de la frequence de modulation. Ainsi une source laser de haute purete spectrale compatible avec nos applications peut etre realisee. Les resultats de ce memoire peuvent mener a d'interessantes etudes sur les phenomenes de bruit dans les domaines de la metrologie des frequences, la spectroscopie a haute resolution, le refroidissement d'atomes par laser et le pompage optique.
Dans ce memoire on etudie a la fois du point de vue theorique et experimental les caracteristiques du signal d'horloge fourni par un resonateur a jet de cesium lorsque la preparation atomique et la detection sont realises par pompage optique a l'aide de diodes laser. Dans une premiere partie nous determinons grâce aux equations d'evolution des populations les meilleures configurations de pompage et de detection conduisant a une amplitude du signal d'horloge maximale Dans une deuxieme partie ces predictions theoriques sont confrontees avec l'experience. Nous nous interessons tout particulierement au montage utilisant une seule source laser. Sa mise en œuvre est simple Ce montage delivre un signal' d'horloge avec un excellent rapport signal sur bruit du plus haut interet pour un eventuel fonctionnement en horloge atomique. Nous analysons enfin dans une derniere partie les configurations plus sophistiquees utilisant plusieurs sources laser. Ces dernieres doivent conduire en principe a une augmentation notable du rapport signal sur bruit. Nous montrons que ces ameliorations sont conditionnees par une reduction du bruit de frequence des diodes laser utilisees dans l'experience. En conclusion, cette etude montre que l'emploi du pompage optique dans les horloges a jet de cesium permet d'accroitre leurs performances.
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.
La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.
Ce memoire presente une contribution a la recherche de nouveaux milieux non-lineaires pour l'optique quantique. L'objectif final consiste a pouvoir controler les fluctuations quantiques d'un faisceau laser au moyen d'un dispositif de mesure quantique-non-destructif (qnd). Une etude experimentale a ete effectuee concernant les proprietes quantiques des diodes laser, puisque l'utilisation de ces dernieres, comme faisceaux de signal et de mesure couples par un dispositif qnd, a ete envisagee. On montre que leurs fluctuations quantiques d'intensite peuvent etre reduites en dessous du bruit de photon a temperature ambiante, mais qu'un large exces de bruit de phase subsiste dans tous les cas, ce qui empeche leur utilisation immediate dans une experience interferometrique sensible au bruit quantique. Un piege magneto-optique d'atomes de rubidium alimente par un jet atomique ralenti par laser est realise experimentalement. Nous mettons en evidence un couplage classique entre deux faisceaux laser pompe et sonde, au moyen du milieu d'atomes pieges, qui est un milieu resonnant pour lequel l'elargissement doppler est negligeable devant la largeur naturelle de l'etat excite. Afin d'exalter les non-linearites obtenues et permettre un couplage sensible aux fluctuations quantiques des deux faisceaux, les atomes pieges sont entoures d'une cavite interferometrique. Divers regimes de bistabilite a un faisceau sont mis en evidence. Nous etudions enfin comment la perturbation provenant des faisceaux de piegeage peut etre contournee en realisant, par controle du pompage optique, un mode de fonctionnement sombre du piege pour lequel la majeure partie de la population atomique se trouve sur un niveau qui n'est pas couple a ces faisceaux .