L'objet de cette these est la realisation d'elements d'optique atomique. Nous avons developpe et etudie trois elements: un guide dipolaire, une lame separatrice dipolaire et un miroir concave magnetique. Ces elements ont ete caracterises en etudiant leur influence sur un nuage d'atomes froids de 87Rb en propagation sous l'effet de la gravite. Les atomes froids sont produits a l'aide d'un piege magneto-optique. Le guide a atomes repose sur l'utilisation de la force dipolaire cree par un faisceau laser de mode TEM_00, oriente verticalement et tres eloigne vers le rouge de toute resonance atomique. L'interaction dipolaire creee un puits de potentiel de profondeur finie qui confine transversalement une partie des atomes au cours de leur propagation, les empechant de s'etendre sous l'effet de leur temperature. Nous avons ainsi guide 15% des atomes sur une distance de 30 cm. La lame separatrice utilise la force dipolaire creee par deux guides dipolaires croises. Le premier est oriente verticalement et le second suivant une direction oblique d'angle 0,12 rad. Les atomes sont, dans un premier temps, guides par le guide vertical sur une hauteur de 4 mm. A cette altitude, le guide oblique est allume. Dans la zone de recouvrement des deux guides, le nuage d'atomes est scinde en deux. A la sortie de la lame, on obtient deux nuages atomiques separes d'environ 1 mm. L'efficacite de transfert d'un bras a l'autre est de l'ordre de 40%. Le miroir concave magnetique utilise l'effet Stem et Gerlach. Les atomes prealablement acceleres par la gravite rebondissent lorsque l'on allume le gradient de champ magnetique cree par une paire de bobines en configuration anti-Helmholtz. Le puits de potentiel auquel sont soumis les atomes cree une cavite dans laquelle le nuage oscille et subit une succession de focalisations et de defocalisations. Nous avons ainsi pu observer deux rebonds et plusieurs focalisations.
L'objet de cette these est la realisation d'elements d'optique atomique. Nous avons developpe et etudie trois elements: un guide dipolaire, une lame separatrice dipolaire et un miroir concave magnetique. Ces elements ont ete caracterises en etudiant leur influence sur un nuage d'atomes froids de 87Rb en propagation sous l'effet de la gravite. Les atomes froids sont produits a l'aide d'un piege magneto-optique. Le guide a atomes repose sur l'utilisation de la force dipolaire cree par un faisceau laser de mode TEM_00, oriente verticalement et tres eloigne vers le rouge de toute resonance atomique. L'interaction dipolaire creee un puits de potentiel de profondeur finie qui confine transversalement une partie des atomes au cours de leur propagation, les empechant de s'etendre sous l'effet de leur temperature. Nous avons ainsi guide 15% des atomes sur une distance de 30 cm. La lame separatrice utilise la force dipolaire creee par deux guides dipolaires croises. Le premier est oriente verticalement et le second suivant une direction oblique d'angle 0,12 rad. Les atomes sont, dans un premier temps, guides par le guide vertical sur une hauteur de 4 mm. A cette altitude, le guide oblique est allume. Dans la zone de recouvrement des deux guides, le nuage d'atomes est scinde en deux. A la sortie de la lame, on obtient deux nuages atomiques separes d'environ 1 mm. L'efficacite de transfert d'un bras a l'autre est de l'ordre de 40%. Le miroir concave magnetique utilise l'effet Stem et Gerlach. Les atomes prealablement acceleres par la gravite rebondissent lorsque l'on allume le gradient de champ magnetique cree par une paire de bobines en configuration anti-Helmholtz. Le puits de potentiel auquel sont soumis les atomes cree une cavite dans laquelle le nuage oscille et subit une succession de focalisations et de defocalisations. Nous avons ainsi pu observer deux rebonds et plusieurs focalisations.
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.
Dans ce mémoire de thèse, nous présentons d'une part un nouveau dispositif expérimental permettant l'obtention de condensats de Bose-Einstein de rubidium dans un piège dipolaire croisé, et d'autre part des expériences de production et de manipulation de lasers à atomes guidés optiquement à partir de ces condensats. Le potentiel optique utilisé pour piéger les atomes est indépendant du sous-niveau de l'état fondamental dans lequel ils se trouvent. Nous mettons à profit cette particularité pour contrôler leur état interne par une méthode de distillation du spin en appliquant des gradients de champ magnétique pendant la phase d'évaporation. Nous exposons ensuite deux nouvelles méthodes pour produire des lasers à atomes guidés à partir de ces condensats, l'une optique, l'autre magnétique, basées sur le déversement progressif des atomes hors du piège croisé où ils sont préparés dans un guide optique. Nous caractérisons le degré d'occupation des modes transverses du guide pour les lasers à atomes produits, ainsi que la qualité du découplage en termes d'entropie créée, grâce à une analyse thermodynamique. Enfin, nous montrons des résultats préliminaires concernant l'interaction de ces lasers à atomes avec un défaut du potentiel de guidage, créé par l'ajout d'un potentiel dipolaire de forme et de position contrôlée. Une analyse de cette interaction est proposée sous la forme d'une théorie de la diffusion quantique en espace confiné.
Ce manuscrit regroupe les résultats obtenus sur deux expériences d'optique atomique. La première partie du mémoire est consacrée à l'étude de la rugosité d'un miroir atomique. Le potentiel lumineux d'une onde évanescente à la surface d'un prisme est utilisé pour réfléchir les atomes tombant d'un piège magnéto-optique. Nous présentons une méthode de mesure interférométrique du maintien de la cohérence de l'onde atomique incidente lors de sa réflexion sur le miroir. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse à une expérience de puce atomique. Le champ magnétique rayonné par les fils microfabriqués qui constituent la puce nous permet de piéger et de manipuler des atomes froids. Nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein dans le piège créé par la puce. Ce piège s'avère être rugueux, nous mesurons et déterminons l'origine de cette rugosité. Enfin nous envisageons la réalisation d'éléments d'optique atomique intégrée, tel qu'un interféromètre, sur une puce atomique.
Un "laser à atomes" est un faisceau atomique extrait d'un condensat de Bose-Einstein, nuage d'atomes piégé et refroidi jusqu'à la dégénérescence quantique. Dans la perspective de futures applications de cette source atomique cohérente, par exemple à l'interférométrie atomique de précision, il est nécessaire de bien maîtriser les propriétés du faisceau. Certaines caractéristiques, en particulier, rendent les lasers à atomes bien différents des lasers photoniques, comme la présence d'interactions fortes entre les atomes, et leur sensibilité à la gravité. Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2. Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.
Ce manuscrit présente une série d'expériences réalisées sur des atomes de Rubidium piégés et refroidis grâce à des forces induites par laser. Lorsque le laser est très désaccordé par rapport aux résonances de l'atome, la force exercée est conservative et l'on parle de potentiels lumineux. Dans un premier temps, nous présentons un piège optique basé sur ce principe, créé par un laser à 1565 nm. Dans ce piège, les atomes sont refroidis par évaporation jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, dans le régime d'emballement. Dans ce régime la densité augmente au cours du refroidissement ce qui rend la procédure plus efficace. Nous présentons ensuite deux expériences dans lesquelles le condensat est placé dans un trampoline à atomes vertical. Ce trampoline résulte de l'application périodique d'un potentiel lumineux formé par une onde stationnaire verticale. Nous étudions deux régimes de fonctionnement de ce système : un régime classique dans lequel les atomes rebondissent périodiquement sur l'onde lumineuse, et un régime quantique dans lequel les ondes de matière atomiques sont en plus séparées par les pulses et suivent des trajectoires différentes qui se recombinent périodiquement, donnant lieu à des interférences. Dans les deux cas, notre système peut être utilisé comme gravimètre. Enfin, nous plaçons notre condensat dans un potentiel très confinant dans la direction verticale, ce qui le comprime dans une géométrie bidimensionnelle. Le condensat est ensuite soumis à un potentiel lumineux aléatoire réalisé par une figure de speckle. Nous présentons une étude préliminaire des propriétés de transport du nuage dans le plan, en présence du potentiel aléatoire.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.