Cette these decrit l'etude de l'absorption lumineuse d'une vapeur resonnante contenue dans une enceinte de geometrie presque bidmensionnelle : la duree de vol libre des atomes est imposee par collision avec les parois et devient tres anisotrope. Pour un faisceau optique de diametre grand devant l'epaisseur (l) de vapeur, le temps d'interaction des atomes avec le champ lumineux, et depend seulement de la direction de propagation atomique : seuls ceux a incidence rasante des parois sont en regime stationnaire et si l'irradiation est a incidence normale il apparait de resonances sub doppler dans le spectre d'absorption. La partie theorique du premier chapitre modelise le regime transitoire du pompage optique (processus incoherent non lineaire) sur un systeme atomique a trois niveaux et etudie la distribution de vitesse des atomes ainsi selectionnes qui peut etre superlente. Sa partie experimentale caracterise les resonances sub doppler apparues dans le spectre d'absorption d'un faisceau laser de diametre grand (3mm) devant l'epaisseur (de 10 a 100m) de la vapeur de cs sondee (transition d#2 a =852nm). La partie theorique du second chapitre etudie le regime transitoire du dipole optique sur un systeme atomique a deux niveaux : des resonances sub doppler apparaissent egalement, mais associees a une echelle de temps plus courte. Le montage experimental est analogue a celui du premier chapitre, avec une intensite lumineuse incidente extremement faible (i > les resultats de rh. Dicke dans le domaine micro-onde avec l=/2. Le troisieme chapitre relate une etude experimentale d'absorption saturee en cellule mince qui permet de sonder separement la reponse optique des differentes classes de vitesse atomiques. Le dernier chapitre presente une experience de spectroscopie raman dont le but est l'etude de la selection de vitesse en vapeur confinee.
Cette these decrit l'etude de l'absorption lumineuse d'une vapeur resonnante contenue dans une enceinte de geometrie presque bidmensionnelle : la duree de vol libre des atomes est imposee par collision avec les parois et devient tres anisotrope. Pour un faisceau optique de diametre grand devant l'epaisseur (l) de vapeur, le temps d'interaction des atomes avec le champ lumineux, et depend seulement de la direction de propagation atomique : seuls ceux a incidence rasante des parois sont en regime stationnaire et si l'irradiation est a incidence normale il apparait de resonances sub doppler dans le spectre d'absorption. La partie theorique du premier chapitre modelise le regime transitoire du pompage optique (processus incoherent non lineaire) sur un systeme atomique a trois niveaux et etudie la distribution de vitesse des atomes ainsi selectionnes qui peut etre superlente. Sa partie experimentale caracterise les resonances sub doppler apparues dans le spectre d'absorption d'un faisceau laser de diametre grand (3mm) devant l'epaisseur (de 10 a 100m) de la vapeur de cs sondee (transition d#2 a =852nm). La partie theorique du second chapitre etudie le regime transitoire du dipole optique sur un systeme atomique a deux niveaux : des resonances sub doppler apparaissent egalement, mais associees a une echelle de temps plus courte. Le montage experimental est analogue a celui du premier chapitre, avec une intensite lumineuse incidente extremement faible (i > les resultats de rh. Dicke dans le domaine micro-onde avec l=/2. Le troisieme chapitre relate une etude experimentale d'absorption saturee en cellule mince qui permet de sonder separement la reponse optique des differentes classes de vitesse atomiques. Le dernier chapitre presente une experience de spectroscopie raman dont le but est l'etude de la selection de vitesse en vapeur confinee.
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.
Cette thèse présente l'étude de l'interaction de lumière cohérente avec une couche sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nano-cellule et applications pour la formation de résonances optiques étroites.Nous développons un modèle théorique décrivant l'interaction résonante de lumière laser avec la couche mince de vapeur alcaline en présence d'un champ magnétique. Nous montrons qu'en raison d'un régime transitoire d'interaction, seuls les atomes lents contribuent au signal et leur spectre de transmission est essentiellement sans effet Doppler. La nature des spectres obtenus fait de la spectroscopie de transmission, en nano-cellule, une technique pratique pour l'étude de transitions très rapprochées et l'évolution de leur comportement dans un champ magnétique. Des expériences réalisées pour des champs magnétiques jusqu'à 7000 G montrent un excellent accord entre théorie et expérience.Nous explorons aussi la rotation Faraday du plan de polarisation de la lumière lors de sa propagation dans la couche mince atomique. Bien que l'angle de rotation soit très faible, nous observons que les résonances des spectres de rotation Faraday sont plus étroites que celles de transmission. Enfin, nous étudions de nouvelles possibilités pour former des résonances optiques étroites et montrons qu'un traitement par deuxième dérivée des spectres de transmission donne le meilleur rétrécissement de raies parmi toutes les méthodes étudiées dans cette thèse.
La spectroscopie de vapeurs atomiques confinées dans des cellules d'épaisseur micrométrique, voire nanométrique, a permis d'étudier le rétrécissement Dicke cohérent, l'interaction Casimir-Polder entre des atomes et une surface, et d'observer des effets collectifs qui pourrait permettre le développer des technologies quantiques. En s'inspirant des expériences de spectroscopie de vapeurs atomiques confinées nous sondons des transitions moléculaires de l'ammoniac (NH3) et d'hexafluorure de soufre (SF6), à une longueur d'onde de 10.55µm, ainsi qu'une transition de l'acétylène (C2H2) dans le domaine des télécommunications, à 1.53µm, dans une cellule d'épaisseur avoisinant 5.3µm (cellule mince). Ces expériences mettent en évidence un rétrécissement Dicke, induit par les collisions molécule-surface, qui favorise la contribution des molécules lentes dans la direction de propagation du laser. Notre modèle prend en compte l'interaction transitoire du champ électromagnétique avec les molécules allant d'une paroi à l'autre, ainsi que les effets Fabry-Perot de faible finesse de la cellule. Il reproduit fidèlement les spectres expérimentaux et permet d'extraire l'élargissement, le décalage et l'intensité de chaque raie observée.L'intensité des transitions d'acétylène et d'ammoniac extraites de la spectroscopie moléculaire en cellule mince est cohérente avec les valeurs de la base de données moléculaires HITRAN et avec des expériences d'absorption linéaire. Ces résultats démontrent que la spectroscopie moléculaire à travers une cellule mince est une technique alternative fiable, linéaire et à haute résolution de fréquence, capable d'enrichir les bases de données moléculaires et de fournir des données spectroscopiques de haute qualité. Nous utilisons alors cette spectroscopie pour extraire l'intensité de nombreuses raies de SF6 qui ne sont pas répertoriées dans la base de données HITRAN. Nous sondons également les transitions NH3 et SF6 dans l'infrarouge moyen, dans une cellule d'une épaisseur nanométrique dont l'épaisseur est comprise entre 600nm et 1.2µm. Malgré la faible amplitude du signal, nos techniques de détection nous permettent d'obtenir des spectres, avec un bon rapport signal sur bruit, qui sont très bien décrits par notre modèle de cellule mince et nous permettent d'étudier la dynamique de ces gaz fortement confinés. Nos expériences montrent que la spectroscopie de l'acétylène à travers une cellule mince pourrait être utilisée pour développer des références de fréquence compactes dans le domaine des télécommunications. Nous présentons le prototype d'une nouvelle cellule mince à haute finesse qui pourrait produire un signal moléculaire suffisamment important pour stabiliser une source lase. Enfin, la spectroscopie moléculaire à travers des cellules minces pourrait également être utilisée pour étudier l'interaction Casimir-Polder entre les molécules et une surface. Nous envisageons de sonder des molécules HF dans une cellule d'épaisseur nanométrique qui pourraient mettre en évidence une anisotropie de l'interaction Casimir-Polder.
Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme X line 2iphi avec phi la différence de phase entre champs. Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi. En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en Xlin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.
Nous presentons des experiences effectuees en vapeur atomique sous faible pression avec des diodes laser resonnantes pour la transition d#2 du Cs. On discute l'optimisation du processus de conjugaison de phase par melange degenere a quatre ondes relativement aux faibles puissances lumineuses disponibles. Une reflectivite de 50% est obtenue avec un laser de 30 mW et on a fait osciller une cavite avec milieu amplificateur a conjugaison de phase. Dans une experience voisine de melange d'ondes quasi-degenere on parvient a observer sur la forme de raie le dedoublement Stark dynamique en utilisant une geometrie vers l'avant; ces resultats sont naturellement etendus au cas du melange multi-ondes. Par ailleurs, on montre que la spectroscopie de reflexion a une interface qui permet de sonder les atomes voisins de la paroi et de mettre en evidence divers effets de l'interaction atome/surface. Grace a une experience d'absorption saturee en ondes evanescentes on donne une estimation du temps moyen d'adsorption d'un atome de Cs sur une fenetre en verre. Sous incidence normale, la reflexion selective lineaire d'un faisceau module en frequence est libre d'elargissement doppler; grâce a cette technique nous observons sur les spectres de reflexion un deplacement et une asymetrie de la resonance atomique typiques de l'interaction de van der Waals entre les atomes de la vapeur et la surface. Un modele theorique permet de reproduire les formes de raies experimentales
Le probleme de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu a de nombreux phenomenes interessants concernant l’emission spontanee de la lumiere et sa propagation dans l’echantillon. Les effets cooperatifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets lies a la coherence creee entre les atomes lorsqu'un photon est emis spontanement par un seul atome excite. La super-radiance peut etre definie comme le renforcement de l'emission spontanee due a une interference constructive de la lumiere diffusee. Son homologue, la sous-radiance, est le piegeage d'une partie de la lumiere restante en raison d'interferences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux theoriques anterieurs predisent et caracterisent ces deux effets cooperatifs dans un nuage atomique large et diluee, dans le regime des faibles intensites et a grands desaccords du laser incident. Le modele theorique est un modele de dipoles couples pour atomes a deux niveaux pilotes par un champ de faible intensite et dans l'approche scalaire. L'experience consiste a mesurer les taux de d’decroissance super- et sous-radiants a partir de l’intensite temporelle emise apres la coupure du laser incident en regime stationnaire. Notre schema experimental consiste en un piege magneto-optique d’atomes de rubidium 87 a grandes epaisseurs optiques a resonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensite emise est detectee par un detecteur de photons uniques depourvu d’afterpulsing et une procedure d’etalonnage nous permet de determiner l’epaisseur optique resonante du nuage et sa temperature. Dans ce travail, nous rapportons l’observation experimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le resultat principal est l’evolution lineaire du temps caracteristique avec l’epaisseur optique resonante du nuage et son independance du desaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous verifions la validite de nos interpretations avec les predictions du modele de dipoles couples. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piegeage de radiation, ainsi que des previsions theoriques concernant : la configuration d’un nuage phase, pour controler l’emission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de temperature, ou la sous-radiance s’avere robuste dans une large gamme de temperatures.