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Étude photométrique de l'atome de sodium: application aux étoiles lasers (LGS et PLGS)

Ioana Moldovan-Doyen

Published May 28, 2008• 1 citation
OpenAlex

Abstract

L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint :les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un sointrès particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer desmesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ontaussi été fiabilisés.Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avonsdéveloppé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultatsexpérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages parrapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation àun photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’incluredes phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point(par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la priseen compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser.Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans lecadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui neprend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium,qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte parun paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deuxphotons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6).L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence lesquatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficaceà deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible àl’aide des résultats expérimentaux.Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour laproduction d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celuidonné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale,le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur àcelui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UVpour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nmau jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il nefaudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt.262Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement defluorescence.Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètressuivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur ledétecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retournéle plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux estlimité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée parla diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dansle régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique,et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Aucontraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépendde la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pasidentiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence parrapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS.L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère.Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et enignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer quele flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé,sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour latransmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyende 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, lesastronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Cecinous parait difficilement réalisable.

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Étude des interactions dipolaires induites par la lumières dans les ensembles d'atomes froids

Ludovic Brossard

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.

•Feb 26, 2020•0 citations

Ionisation associative entre atomes de sodium excites par un rayonnement polarise : test d'un modele theorique par confrontation aux diverses experiences. extension au cas du potassium

Boichanh Huynh

Dans cette these, nous proposons un modele theorique complet de la reaction d'ionisation associative collisionnelle entre deux atomes de sodium excites par un rayonnement laser polarise. Ce modele combine le traitement du defaut quantique multivoies de l'autoionisation moleculaire a courte distance internucleaire et la description de la dynamique a grande distance a l'aide d'hypotheses semi-classiques, et tient compte des conditions d'excitation des partenaires de collision. Ce processus a fait l'objet de tres nombreuses etudes experimentales pendant les deux dernieres decennies. En jouant sur le schema d'excitation, on fait varier l'etat initial de la reaction et on observe un etat final (un ion moleculaire plus un electron libre) qui en depend fortement. Par ailleurs, l'interet pour cette reaction a recemment ete ravive par les experiences de photoassociation a deux couleurs dans un milieu d'atomes froids, ou l'ionisation associative sert de methode de detection. Nous confrontons notre modele a un grand nombre d'experiences realisees aux energies thermiques et qui ont fourni de nombreuses donnees sur la dependance en polarisation et en vitesse de la reaction consideree, lesquelles n'ont jamais ete completement interpretees. Il est en tres bon accord avec les mesures du taux de production d'ions dependant du schema d'excitation. Nous interpretons moins bien les resultats de la section efficace d'ionisation associative variant fortement avec la vitesse de collision, ce qui montre les limites de notre modele pour le traitement de la dynamique a grande distance internucleaire. Enfin, nous etendons notre modele a l'etude de l'ionisation associative entre atomes de potassium qui se produit dans des conditions tres differentes par rapport au cas du sodium du point de vue energetique et sur laquelle il n'existe que de tres rares donnees experimentales.

•Jan 1, 1998•0 citations

Study of light-induced dipolar interactions in cold atoms assemblies

Ludovic Brossard

Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles 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 considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.

•Feb 26, 2020•5 citations

Theoretical investigation of the atomic spectra of neutral and trivalent lanthanides : Application to ultracold gases and doped solids

Gohar Hovhannesyan

Étude théorique des spectres atomiques de lanthanides neutres et trivalents : Application aux gaz ultra-froids et aux solides dopés Le refroidissement laser et le piégeage des lanthanides ont ouvert la possibilité de réaliser de nouvelles expériences avec des gaz dipolaires ultra-froids, qui peuvent être utilisés, par exemple, pour la simulation quantique de la physique du solide. Pour identifier de nouveaux candidats au refroidissement laser, il est crucial de disposer d’une connaissance spectroscopique précise de l’atome considéré. La première grande orientation de ma thèse est la modélisation du spectre des lanthanides neutres, d'une part de l'erbium (Er), un élément de la partie droite de la rangée des lanthanides, particulièrement attractif en raison d'une transition très fine, reliant l'état fondamental et un état excité métastable, et d'autre part du néodyme (Nd), un élément de la partie gauche de la rangée, qui n'a pas encore été explorée pour le refroidissement laser. En utilisant la méthode semi-empirique implémentée dans les codes de Cowan, nous avons amélioré la description des niveaux de configurations impaires de Er.Nous avons aussi calculé des quantités telles que le facteur de Landé, la durée de vie et la polarisabilité de l'état excité cité plus haut, pour les comparer aux résultats expérimentaux obtenus par un groupe d'Innsbruck en Autriche.Ensuite, pour Nd, nous avons pu interpréter plus de 200 niveaux expérimentaux de la base de données du NIST appartenant aux deux parités, puis nous avons proposé de nouvelles transitions de refroidissement laser. La suite logique de ces travaux est le calcul des coefficients d'Einstein, nécessaires pour caractériser l'efficacité du refroidissement laser et du piégeage des atomes.La plupart des lanthanides existent généralement sous forme de cations trivalents. En raison de la présence d’électrons non appariés, les lanthanides présentent d'intéressantes propriétés électromagnétiques et lumineuses. Sous leur forme trivalente, ils sont largement utilisés à des fins industrielles, dans les lasers et comme (co-)dopants dans les amplificateurs optiques à fibres, par exemple dopée à l'erbium.La deuxième grande orientation de ma thèse est consacrée aux lanthanides trivalents, utilisés comme dopants dans un matériau hôte. Toutes les transitions intéressantes pour ces applications sont induites par le champ cristallin. La théorie de Judd-Ofelt est utilisée depuis des décennies pour décrire ces transitions, mais il existe certaines restrictions liées à la manière dont elle est formulée, en particulier pour l'europium (Eu3+). Dans cette thèse, nous avons effectué des calculs spectroscopiques, en utilisant la même méthodologie que pour les lanthanides neutres, pour trois éléments : Eu3+, Nd3+ et Er3+.Nous avons proposé une extension de la théorie de Judd-Ofelt dans laquelle nous incluons une description précise du spectre de l'ion dopant, et nous tenons compte de la variation de l'indice de réfraction du matériau hôte avec la longueur d'onde. Les résultats de notre modèle sont satisfaisants, car il nous donne un aperçu physique de toutes les transitions observées, y compris celles qui sont interdites par la version standard de la théorie. Par ailleurs, notre modèle reproduit quantitativement les forces d'oscillateurs d'absorption expérimentales. Le code utilisé pour effectuer les calculs est disponible sur GitLab.Comme perspective, nous prévoyons de traiter les transitions en lumière polarisée ou entre des sous-niveaux individuels des ions. Cela sera possible dans notre modèle, car les seuls paramètres ajustés sont ceux du champ cristallin. Cela ouvre la possibilité de modéliser les propriétés spectroscopiques de matériaux hôtes à l'échelle nanométrique.

•Dec 14, 2023•1 citation

Modes de Laguerre-Gauss et canalisation d’atomes froids

Naty Citlali Cabrera Gutiérrez

Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles.

•Nov 28, 2014•0 citations

Conception et construction d'une expérience d'atomes froids : vers un condensat de sodium sur puce

Dany Ben Ali

Dans cette thèse, nous décrivons les premières étapes de la construction d’une expérience de condensation d’atomes de sodium. À terme, le dispositif intégrera une puce à atomes qui permettra d’étudier la dynamique hors équilibre de gaz quantiques de dimensionnalité réduite, ainsi que leur dynamique de relaxation. Le montage expérimental est constitué d’un système laser stabilisé en fréquence sur une raie de l’iode, ainsi que d’une enceinte à ultra-vide. Cette dernière comporte un four produisant un jet atomique effusif qui est décéléré dans un ralentisseur Zeeman à aimants permanents.Nous obtenons alors un flux de 2 x 108 atomes/s, ce qui nous permet de charger près de 109 atomes dans un piège magnéto-optique. Durant la caractérisation du ralentisseur Zeeman, nous avons mis en évidence un mécanisme de redistribution des populations atomiques vers l’état F = 1 en amont du ralentisseur, induit par l’interaction avec le faisceau Zeeman. Après avoir confirmé ces observations par une résolution numérique des équations de Bloch optiques, nous avons mis en place un faisceau laser avec deux composantes de fréquence permettant de préparer initialement les atomes dans le sous-niveau F = 2;mF = - 2 pour les préserver de cet effet. Enfin, nous avons conçu un dispositif de transport magnétique permettant d’acheminer les atomes depuis l’enceinte du piège magnéto-optique vers l’enceinte du condensat. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de déterminer une séquence temporelle pour le déplacement du nuage performante, autorisant un transport de 65 cm en 1 s.Mots clés : sodium, condensation de Bose-Einstein, puce à atomes, ralentisseur Zeeman, aimants permanents, transport magnétique, dynamique moléculaire.

•May 3, 2016•0 citations
L’objectif premier de ce travail de thèse, qui se situe dans le cadre de l’étoile laser, a été atteint :les résultats expérimentaux de photométrie obtenus sont précis, fiables et reproductibles. Un sointrès particulier a été accordé aux méthodes de calibration, qui nous ont permis d’effectuer desmesures précises de flux de fluorescence en fonction de la puissance. Les lasers sans mode ontaussi été fiabilisés.Deux codes de calculs ont interprété ces expériences : Beacon, et REM, le code que nous avonsdéveloppé. Les simulations fournies par REM et Beacon, et l’ensemble des nombreux résultatsexpérimentaux, sont en très bon accord. Chacun des deux codes présente ses avantages parrapport à l’autre : REM permet l’analyse de plusieurs situations d’excitation, comme l’excitation àun photon à 330 nm et à deux photons non-résonants, de plus, il permet assez facilement d’incluredes phénomènes collisionnels, enfin, le temps calcul est de l’ordre de quelques minutes par point(par rapport à celui de Beacon qui est de 24 heures par point). Beacon, par contre, permet la priseen compte des effets des cohérences à l’excitation et de la polarisation du laser.Dans ce travail, nous avons étudié quatre types d’excitation de l’atome de sodium, une dans lecadre LGS et trois dans le cadre PLGS. Celles-ci sont toutes très bien interprétées par REM qui neprend en compte aucun paramètre ajustable à l’exception de la pression dans la cellule de sodium,qui est choisie dans tous les cas égale à 0.2 Torr, et de la structure hyperfine prise en compte parun paramètre qui a été ajusté à 3 grâce aux résultats expérimentaux pour l’excitation à deuxphotons 589+569 nm (pour les autres cas, celle-ci est prise, sans ajustement, égale à 6).L’intégration de la structure hyperfine dans REM est nécessaire, comme le mettent en évidence lesquatre expériences de photométrie en laser sans mode. Une bonne estimation de la section efficaceà deux photons pour le cas de l’excitation à deux photons non-résonants a été aussi possible àl’aide des résultats expérimentaux.Cette thèse a été une occasion de réaliser des simulations numériques avec REM pour laproduction d’étoiles lasers dans la mésosphère. Tout d’abord, ces calculs ont montré que le flux à330 nm fourni par l’excitation à 2x578 nm est, en moyenne, 8 ordres de grandeur inférieur à celuidonné par les deux autres méthodes d’excitation. Puis, nous avons montré que, à puissance égale,le flux à 330 nm provenant de l’excitation directe à un photon à 330 nm est toujours supérieur àcelui fourni par l’excitation à deux photons résonants. On a trouvé qu’il faudrait environ 10 W UVpour égaler le flux fourni par les lasers actuels du projet ELPOA. Cette puissance en UV à 330 nmau jour d’aujourd’hui est un peu plus difficile à obtenir, mais il faut considérer aussi le fait qu’il nefaudrait qu’un seul laser pour corriger le tip-tilt.262Ce travail montre aussi que le cas du laser sans mode donne toujours le meilleur rendement defluorescence.Enfin, la précision de la mesure du tip-tilt différentiel est fortement liée aux deux paramètressuivants : l’intensité du flux Φ330 retourné à 330 nm, et à la taille de l’image Σ obtenue sur ledétecteur tip-tilt. Elle varie comme : Σ /Φ330 . La meilleure situation correspond à un flux retournéle plus grand possible et une surface de spot de fluorescence la plus petite possible. Le flux estlimité par la puissance laser et la densité de sodium dans la mésosphère ; la surface est limitée parla diffraction. Pour l’excitation à un photon en laser sans mode à 330 nm, comme on se situe dansle régime linéaire, le flux est indépendant de la surface comme le montre la formule asymptotique,et donc, la surface du faisceau peut être réduite sans avoir de pertes au niveau du flux. Aucontraire, l’excitation à deux photons est un processus non-linéaire et donc, le flux retourné dépendde la surface du faisceau. A saturation, le spot de fluorescence et celui du laser ne sont pasidentiques ; en fait, la saturation tend à augmenter la dimension du spot de fluorescence parrapport à celle du laser, et la non-linéairité tend à la diminuer dans le cas d’une PLGS.L’optimisation de ce rapport devra aussi tenir compte de la distorsion introduite par l’atmosphère.Compte tenu du bon accord obtenu dans ce travail entre REM, Beacon, et l’expérience, et enignorant les difficultés techniques supplémentaires de l’expérience sur le ciel, on peut estimer quele flux à 330 nm, au départ de la mésosphère, dans le cas du projet ELPOA actuellement engagé,sera d’environ 5x104 photons/s/m2. En prenant les valeurs de l’article [Schöck2000]7 pour latransmission de l’atmosphérique à l’OHP et des instruments de 8%, et, un temps de pose moyende 50 ms par trame, on trouve que 200 photons arriverons sur la camera. Par ailleurs, lesastronomes estime qu’il faudra pointer cette étoile UV au 600éme de sa largeur [FOY2005]8. Cecinous parait difficilement réalisable.
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.
Dans cette these, nous proposons un modele theorique complet de la reaction d'ionisation associative collisionnelle entre deux atomes de sodium excites par un rayonnement laser polarise. Ce modele combine le traitement du defaut quantique multivoies de l'autoionisation moleculaire a courte distance internucleaire et la description de la dynamique a grande distance a l'aide d'hypotheses semi-classiques, et tient compte des conditions d'excitation des partenaires de collision. Ce processus a fait l'objet de tres nombreuses etudes experimentales pendant les deux dernieres decennies. En jouant sur le schema d'excitation, on fait varier l'etat initial de la reaction et on observe un etat final (un ion moleculaire plus un electron libre) qui en depend fortement. Par ailleurs, l'interet pour cette reaction a recemment ete ravive par les experiences de photoassociation a deux couleurs dans un milieu d'atomes froids, ou l'ionisation associative sert de methode de detection. Nous confrontons notre modele a un grand nombre d'experiences realisees aux energies thermiques et qui ont fourni de nombreuses donnees sur la dependance en polarisation et en vitesse de la reaction consideree, lesquelles n'ont jamais ete completement interpretees. Il est en tres bon accord avec les mesures du taux de production d'ions dependant du schema d'excitation. Nous interpretons moins bien les resultats de la section efficace d'ionisation associative variant fortement avec la vitesse de collision, ce qui montre les limites de notre modele pour le traitement de la dynamique a grande distance internucleaire. Enfin, nous etendons notre modele a l'etude de l'ionisation associative entre atomes de potassium qui se produit dans des conditions tres differentes par rapport au cas du sodium du point de vue energetique et sur laquelle il n'existe que de tres rares donnees experimentales.
Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles 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 considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.
Étude théorique des spectres atomiques de lanthanides neutres et trivalents : Application aux gaz ultra-froids et aux solides dopés Le refroidissement laser et le piégeage des lanthanides ont ouvert la possibilité de réaliser de nouvelles expériences avec des gaz dipolaires ultra-froids, qui peuvent être utilisés, par exemple, pour la simulation quantique de la physique du solide. Pour identifier de nouveaux candidats au refroidissement laser, il est crucial de disposer d’une connaissance spectroscopique précise de l’atome considéré. La première grande orientation de ma thèse est la modélisation du spectre des lanthanides neutres, d'une part de l'erbium (Er), un élément de la partie droite de la rangée des lanthanides, particulièrement attractif en raison d'une transition très fine, reliant l'état fondamental et un état excité métastable, et d'autre part du néodyme (Nd), un élément de la partie gauche de la rangée, qui n'a pas encore été explorée pour le refroidissement laser. En utilisant la méthode semi-empirique implémentée dans les codes de Cowan, nous avons amélioré la description des niveaux de configurations impaires de Er.Nous avons aussi calculé des quantités telles que le facteur de Landé, la durée de vie et la polarisabilité de l'état excité cité plus haut, pour les comparer aux résultats expérimentaux obtenus par un groupe d'Innsbruck en Autriche.Ensuite, pour Nd, nous avons pu interpréter plus de 200 niveaux expérimentaux de la base de données du NIST appartenant aux deux parités, puis nous avons proposé de nouvelles transitions de refroidissement laser. La suite logique de ces travaux est le calcul des coefficients d'Einstein, nécessaires pour caractériser l'efficacité du refroidissement laser et du piégeage des atomes.La plupart des lanthanides existent généralement sous forme de cations trivalents. En raison de la présence d’électrons non appariés, les lanthanides présentent d'intéressantes propriétés électromagnétiques et lumineuses. Sous leur forme trivalente, ils sont largement utilisés à des fins industrielles, dans les lasers et comme (co-)dopants dans les amplificateurs optiques à fibres, par exemple dopée à l'erbium.La deuxième grande orientation de ma thèse est consacrée aux lanthanides trivalents, utilisés comme dopants dans un matériau hôte. Toutes les transitions intéressantes pour ces applications sont induites par le champ cristallin. La théorie de Judd-Ofelt est utilisée depuis des décennies pour décrire ces transitions, mais il existe certaines restrictions liées à la manière dont elle est formulée, en particulier pour l'europium (Eu3+). Dans cette thèse, nous avons effectué des calculs spectroscopiques, en utilisant la même méthodologie que pour les lanthanides neutres, pour trois éléments : Eu3+, Nd3+ et Er3+.Nous avons proposé une extension de la théorie de Judd-Ofelt dans laquelle nous incluons une description précise du spectre de l'ion dopant, et nous tenons compte de la variation de l'indice de réfraction du matériau hôte avec la longueur d'onde. Les résultats de notre modèle sont satisfaisants, car il nous donne un aperçu physique de toutes les transitions observées, y compris celles qui sont interdites par la version standard de la théorie. Par ailleurs, notre modèle reproduit quantitativement les forces d'oscillateurs d'absorption expérimentales. Le code utilisé pour effectuer les calculs est disponible sur GitLab.Comme perspective, nous prévoyons de traiter les transitions en lumière polarisée ou entre des sous-niveaux individuels des ions. Cela sera possible dans notre modèle, car les seuls paramètres ajustés sont ceux du champ cristallin. Cela ouvre la possibilité de modéliser les propriétés spectroscopiques de matériaux hôtes à l'échelle nanométrique.
Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles.
Dans cette thèse, nous décrivons les premières étapes de la construction d’une expérience de condensation d’atomes de sodium. À terme, le dispositif intégrera une puce à atomes qui permettra d’étudier la dynamique hors équilibre de gaz quantiques de dimensionnalité réduite, ainsi que leur dynamique de relaxation. Le montage expérimental est constitué d’un système laser stabilisé en fréquence sur une raie de l’iode, ainsi que d’une enceinte à ultra-vide. Cette dernière comporte un four produisant un jet atomique effusif qui est décéléré dans un ralentisseur Zeeman à aimants permanents.Nous obtenons alors un flux de 2 x 108 atomes/s, ce qui nous permet de charger près de 109 atomes dans un piège magnéto-optique. Durant la caractérisation du ralentisseur Zeeman, nous avons mis en évidence un mécanisme de redistribution des populations atomiques vers l’état F = 1 en amont du ralentisseur, induit par l’interaction avec le faisceau Zeeman. Après avoir confirmé ces observations par une résolution numérique des équations de Bloch optiques, nous avons mis en place un faisceau laser avec deux composantes de fréquence permettant de préparer initialement les atomes dans le sous-niveau F = 2;mF = - 2 pour les préserver de cet effet. Enfin, nous avons conçu un dispositif de transport magnétique permettant d’acheminer les atomes depuis l’enceinte du piège magnéto-optique vers l’enceinte du condensat. Des simulations de dynamique moléculaire nous ont permis de déterminer une séquence temporelle pour le déplacement du nuage performante, autorisant un transport de 65 cm en 1 s.Mots clés : sodium, condensation de Bose-Einstein, puce à atomes, ralentisseur Zeeman, aimants permanents, transport magnétique, dynamique moléculaire.