L’optique et l’interférométrie atomique ont considérablement fait progresser le refroidissement d’atomes par laser. Des applications spectaculaires comme la lithographie atomique, les senseurs inertiels atomiques et les horloges atomiques s’en trouvent considérablement améliorées. L’article s’attarde sur le fonctionnement de ces deux derniers systèmes, pour lesquels le ralentissement des atomes induit un accroissement du temps d’interaction, tandis que leur refroidissement autorise une augmentation du contraste des franges d’interférence.
L’optique et l’interférométrie atomique ont considérablement fait progresser le refroidissement d’atomes par laser. Des applications spectaculaires comme la lithographie atomique, les senseurs inertiels atomiques et les horloges atomiques s’en trouvent considérablement améliorées. L’article s’attarde sur le fonctionnement de ces deux derniers systèmes, pour lesquels le ralentissement des atomes induit un accroissement du temps d’interaction, tandis que leur refroidissement autorise une augmentation du contraste des franges d’interférence.
Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.
Dans ce mémoire nous présentons une étude sur les sources atomiques pour des senseurs atomiques à long temps de vol ainsi que la construction de deux sources atomiques. Dans un premier temps, nous montrons que les propriétés de collimation et de cohérence nécessaires à l interférométrie atomique à long temps de vol peuvent être fournies par les gaz atomiques dégénérés et nous explicitons le lien entre le facteur d échelle du senseur inertiel et la géométrie de l interféromètre. Puis, nous étudions la possibilité de conduire des expériences de senseurs inertiels par interféromètrie atomique en chute libre dans un avion. La microgravité ainsi créée peut permettre d accéder à 4 secondes de temps d interrogation, et nous explicitons un protocole pour tester le principe d équivalence par interféromètrie atomique pendant cette période de chute libre. Nous décrivons la source d atomes froids que nous avons construit et testé en microgravité. Enfin, nous consacrons une part importante de ce mémoire à la description d un nouveau montage expérimental dont le but est de produire un mélange bosons-fermions dégénéré. Nous décrivons et caractérisons les technologies développées, telles que les nouveaux lasers semiconducteurs accordables et le piège optique compressible. Nous présentons les premiers résultats de chargement d atomes froids dans une pince optique utilisant un laser inédit pour le piègeage atomique, un laser à fibre à 1560nm. Nous utilisons le fort décalage lumineux, unique à notre système, pour développer une nouvelle technique d imagerie, sélective en énergie potentielle.
Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.
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.
Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.
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.