Deux ondes électromagnétiques intenses de même fréquence et de même polarisation se propageant dans des sens opposés dans un milieu non-linéaire génèrent au dessus d'une certaine intensité seuil, des nouvelles ondes appelées instabilités qui sont émises spontanément dans des directions différentes de celles des pompes. Ce travail de thèse a consisté en l'étude des instabilités générées dans une vapeur de Rubidium dans deux situations expérimentales différentes. Dans la première expérience, une onde pompe intense se propage dans le milieu non-linéaire, se réfléchit sur un miroir de rétroaction et est alors réinjectée dans le milieu non-linéaire. Pour une intensité suffisante et une fréquence adaptée de l'onde pompe, des instabilités sont émises. Elles pourront se réfléchir sur le miroir de rétroaction et être réinjectées dans le milieu non-linéaire. Leur structure transverse en champ lointain est alors constituée de diverses figures telles que des anneaux concentriques, deux points diamétralement opposés ou des figures comportant un nombre pair de taches réparties sur un cercle et appelées 'marguerites'. L'étude théorique de ces instabilités associée à une étude expérimentale a permis de prédire et de décrire le comportement des différentes instabilités émises en fonction des différents paramètres du système. En particulier ces études ont montré que l'intensité des instabilités pouvait être statique, périodique ou chaotique. La deuxième expérience ne comporte pas de miroir de rétroaction et le faisceau laser est séparé en deux ondes pompes se contrepropageant dans le milieu non-linéaire. En champ lointain, les instabilités transverses sont constituées par un seul anneau, deux points diamétralement opposés ou des hexagones. L'intensité de ces instabilités peut être chaotique et l'étude de ce chaos été réalisée.
Deux ondes électromagnétiques intenses de même fréquence et de même polarisation se propageant dans des sens opposés dans un milieu non-linéaire génèrent au dessus d'une certaine intensité seuil, des nouvelles ondes appelées instabilités qui sont émises spontanément dans des directions différentes de celles des pompes. Ce travail de thèse a consisté en l'étude des instabilités générées dans une vapeur de Rubidium dans deux situations expérimentales différentes. Dans la première expérience, une onde pompe intense se propage dans le milieu non-linéaire, se réfléchit sur un miroir de rétroaction et est alors réinjectée dans le milieu non-linéaire. Pour une intensité suffisante et une fréquence adaptée de l'onde pompe, des instabilités sont émises. Elles pourront se réfléchir sur le miroir de rétroaction et être réinjectées dans le milieu non-linéaire. Leur structure transverse en champ lointain est alors constituée de diverses figures telles que des anneaux concentriques, deux points diamétralement opposés ou des figures comportant un nombre pair de taches réparties sur un cercle et appelées 'marguerites'. L'étude théorique de ces instabilités associée à une étude expérimentale a permis de prédire et de décrire le comportement des différentes instabilités émises en fonction des différents paramètres du système. En particulier ces études ont montré que l'intensité des instabilités pouvait être statique, périodique ou chaotique. La deuxième expérience ne comporte pas de miroir de rétroaction et le faisceau laser est séparé en deux ondes pompes se contrepropageant dans le milieu non-linéaire. En champ lointain, les instabilités transverses sont constituées par un seul anneau, deux points diamétralement opposés ou des hexagones. L'intensité de ces instabilités peut être chaotique et l'étude de ce chaos été réalisée.
Parmi les trois types de lasers existants, les lasers conventionnels, les lasers a electrons libres (lel) et les lasers sans inversion, ces deux derniers sont particulierement interessants pour les courtes longueurs d'onde, lorsqu'il est difficile d'obtenir une inversion de population. Dans les lel, un regime de fonctionnement a fort gain a ete predit dans lequel les electrons se regroupent en paquets a l'echelle de la longueur d'onde. Mais ce regime n'ayant pas ete observe experimentalement, l'idee d'utiliser non plus un faisceau d'electrons mais un faisceau atomique comme milieu amplificateur a ete suggeree. Une vapeur atomique dans une onde stationnaire composee d'une onde de faible intensite (sonde) et d'une onde d'intensite plus forte (pompe), est soumise a un potentiel lumineux. Pour certains regimes de parametres, une instabilite qui amplifie la sonde et le potentiel apparait, via la formation d'un reseau de densite atomique, en redistribuant des photons entre la pompe et la sonde. Le nouveau type de laser qui en decoule se rapproche du mode de fonctionnement du lel. Dans cette these, nous avons etudie les proprietes physiques de ce systeme. Nous avons simule numeriquement un modele afin de mieux comprendre le mecanisme de l'instabilite. Cette etude nous a permis de mettre en evidence une dynamique collective d'agregation dans l'espace des vitesses. Nous avons de plus conduit une serie d'experiences de spectroscopie pompe-sonde, en presence et en l'absence d'une cavite en anneau sur le faisceau de sonde. Au dela d'un certain seuil, la sonde en cavite est amplifiee, pompe et sonde ayant la meme frequence. Le modele simule permet d'expliquer ce gain net. Enfin nous avons compare les spectres de transmission de la sonde sans cavite a des simulations numeriques d'absorption saturee, qui semblent en bon accord. Les raisons qui expliqueraient la necessite d'une cavite pour observer l'instabilite sont enfin discutees.
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.
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 mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.
Dans ce mémoire de thèse, je rapporte les résultats des études réalisées durant ces trois dernières années à l'Institut Non Linéaire de Nice. D'une part, je présente nos expériences de miroir de rétro-action conduisant à la formation spontanée de patterns dans la section transversale d'un faisceau laser (pompe) traversant le centre d'un nuage d'atomes froids de 87Rb et rétro-réfléchi par un miroir placé à une distance du nuage. Dans ces expériences nous discernons trois types de mécanismes de nonlinéarités : la nonlinéarité de spin qui est liée au pompage Zeeman, la nonlinéarité électronique existant pour un atome à deux niveaux et la nonlinéarité opto-mécanique qui est liée à la force dipolaire. Ces mécanismes dépendant des paramètres du MOT et de la pompe (intensité, désaccord, durée) sont étudiés séparément en jouant sur ces paramètres. Ces études expérimentales sont comparées avec des résultats obtenus avec des modèles théoriques. D'autre part, je présente nos observation concernant la densité d'état intégrée et les la densité d'états locale des bandes d'un quasi-cristal bidimensionnel. Dans cette expérience réalisée au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, nous avons réalisé des quasi-cristaux en disposant des résonateurs diélectriques agissant dans le domaine micro-onde sur des pavages de Penrose 2D. Un modèle numérique prenant en compte les paramètres expérimentaux est utilisé pour comparer les résultats obtenus.