Nous étudions les performances et limites de cellules à césium en saphir pour une expérience de physique atomique visant à une mesure précise d'un effet de violation de parité (PV) associé à l'échange du boson Zo dans l'atome de césium. Une telle mesure permet un test à très basse énergie du modèle standard électrofaible. Il s'agit d'une expérience pompe-sonde sur le système 6S1/2-7S1/2-6P3/2, menée en régime impulsionnel, dans une vapeur dense de césium (2.10^14 atomes/cm3), soumise à un champ électrique E= (2kV/cm) statique à l'échelle des impulsions laser. Dans la configuration étudiée avant cette thèse (champ E appliqué selon la direction de propagation des faisceaux) les cellules en saphir ont permis de dépasser plusieurs limites rencontrées auparavant avec les cellules en verre: (i) totale immunité des fenêtres aux conditions de l'expérience (ii) destruction thermique des dimères Cs2 en surchauffant la vapeur (iii) production désormais possible du champ E dans la cellule avec des électrodes externes, attestant la réduction des courants surfaciques internes. Il apparaît cependant une émission d'électrons par les fenêtres, induite par l'impulsion laser d'excitation, et on met en évidence une multiplication des charges au cours de leur accélération dans le champ électrique. Les perturbations associées à la charge d'espace et au courant électronique limitent actuellement la précision des moyennages PV dans cette configuration. Nous avons ensuite exploré une nouvelle configuration expérimentale, où le champ électrique est perpendiculaire aux faisceaux. Cela a été réalisable facilement avec l'utilisation d'électrodes externes, exploitables avec les cellules en saphir. Les premières études expérimentales ont permis de dégager les conditions de mesure et de calibration d'orientations atomiques longitudinale et transverse (en utilisant la précession de Larmor) dans l'état 7S, par polarimétrie pompe-sonde impulsionnelle, en exploitant la détection par émission stimulée. Nous avons par ailleurs mis en oeuvre une mesure atomique in situ du champ électrique, utilisable dans les deux configurations expérimentales. Cette mesure est indispensable pour exploiter les mesures PV en configuration longitudinale.
Nous étudions les performances et limites de cellules à césium en saphir pour une expérience de physique atomique visant à une mesure précise d'un effet de violation de parité (PV) associé à l'échange du boson Zo dans l'atome de césium. Une telle mesure permet un test à très basse énergie du modèle standard électrofaible. Il s'agit d'une expérience pompe-sonde sur le système 6S1/2-7S1/2-6P3/2, menée en régime impulsionnel, dans une vapeur dense de césium (2.10^14 atomes/cm3), soumise à un champ électrique E= (2kV/cm) statique à l'échelle des impulsions laser. Dans la configuration étudiée avant cette thèse (champ E appliqué selon la direction de propagation des faisceaux) les cellules en saphir ont permis de dépasser plusieurs limites rencontrées auparavant avec les cellules en verre: (i) totale immunité des fenêtres aux conditions de l'expérience (ii) destruction thermique des dimères Cs2 en surchauffant la vapeur (iii) production désormais possible du champ E dans la cellule avec des électrodes externes, attestant la réduction des courants surfaciques internes. Il apparaît cependant une émission d'électrons par les fenêtres, induite par l'impulsion laser d'excitation, et on met en évidence une multiplication des charges au cours de leur accélération dans le champ électrique. Les perturbations associées à la charge d'espace et au courant électronique limitent actuellement la précision des moyennages PV dans cette configuration. Nous avons ensuite exploré une nouvelle configuration expérimentale, où le champ électrique est perpendiculaire aux faisceaux. Cela a été réalisable facilement avec l'utilisation d'électrodes externes, exploitables avec les cellules en saphir. Les premières études expérimentales ont permis de dégager les conditions de mesure et de calibration d'orientations atomiques longitudinale et transverse (en utilisant la précession de Larmor) dans l'état 7S, par polarimétrie pompe-sonde impulsionnelle, en exploitant la détection par émission stimulée. Nous avons par ailleurs mis en oeuvre une mesure atomique in situ du champ électrique, utilisable dans les deux configurations expérimentales. Cette mesure est indispensable pour exploiter les mesures PV en configuration longitudinale.
Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats.
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’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Afin de quantifier l’impact de ces effets, nous avons développé une simulation Monte Carlo permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience j’ai mis en place un modèle numérique complet reproduisant la séquence interférométrique et les protocoles de mesure. Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplace- ment lumineux des niveaux d’énergie. J’ai par ailleurs développé un modèle reproduisant le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, j’ai adapté la simulation Monte Carlo à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. J’ai d’abord évalué la contribution de la phase de Gouy ainsi que de la courbure de phase des faisceaux. J’ai également modélisé la distribution des valeurs mesurées du recul atomique dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.
Probing caesium Rydberg atoms close to a sapphire surface L’interaction Casimir-Polder entre un atome et une surface macroscopique est une prédiction fondamentale de l’électrodynamique quantique, importante pour les mesures de précision, les technologies quantiques et notre compréhension des propriétés électromagnétiques des matériaux. En champ proche, les interactions Casimir-Polder sont décrites comme l’interaction du dipôle atomique fluctuant avec son image induite par la surface, qui évolue comme -C3/z3, où z est la distance atome-surface et C3 le coefficient de van der Waals. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement et expérimentalement l’interaction Casimir-Polder entre un atome de césium fortement excité (atome de Rydberg) et une surface diélectrique. Notre théorie étend les études précédentes pour inclure des termes d’ordre supérieur dans l’interaction atome-surface, au-delà du terme d’interaction dipôle-dipôle étudié dans le travail de Casimir et Polder. En particulier, nous incluons des termes d’interaction quadrupole-quadrupole et dipôle-octupole avec une dépendance en distance de -C5/z5. Nous fournissions également des calculs explicites des coefficients C5 pour la plupart des atomes alcalins courants. Nous décrivons également une nouvelle expérience de réflexion sélective sondant des atomes de Rydberg de Cs (15-17D3/2 et 16-17S1/2) à des distances nanométriques d’une surface de saphir. L’expérience est réalisée dans une cellule à vapeur entièrement en saphir en utilisant une spectroscopie d’excitation par étapes qui comprend une étape de pompage à 6S1/2?6P1/2 (894nm) et une étape de sondage par réflexion sélective à 6P1/2?nS1/2 , nD3/2 avec n=15-17 (~510nm). Afin d’analyser nos spectres expérimentaux, nous étendons la théorie de la réflexion sélective au-delà de l’approximation Doppler infinie, en incluant dans notre analyse la distribution Maxwell-Boltzmann des vitesses atomiques. L’ajustement de nos spectres expérimentaux avec nos modèles théoriques nous permet d’extraire le coefficient de van der Waals C3 pour les états excités du césium sondés. Les résultats expérimentaux dépassent nos prédictions théoriques (d’un facteur d’environ 1,5 à 2, selon l’état sondé). Enfin, nous décrivons une nouvelle expérience en cellule mince qui vise à éclaircir le désaccord signalé entre la théorie et l’expérience pour le coefficient C3 et à fournir une première mesure expérimentale du coefficient C5 (étude expérimentale des interactions d’ordre supérieur).
L’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Afin de quantifier l’impact de ces effets, nous avons développé une simulation Monte Carlo permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience j’ai mis en place un modèle numérique complet reproduisant la séquence interférométrique et les protocoles de mesure. Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplace- ment lumineux des niveaux d’énergie. J’ai par ailleurs développé un modèle reproduisant le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, j’ai adapté la simulation Monte Carlo à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. J’ai d’abord évalué la contribution de la phase de Gouy ainsi que de la courbure de phase des faisceaux. J’ai également modélisé la distribution des valeurs mesurées du recul atomique dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.
Ce travail de these decrit la mise en oeuvre, pour des experiences de physique instrumentale et fondamentale, d'une source laser (ti:saphir) continue, accordable sur la plage de longueur d'onde (700-900 nm) et asservie en frequence. Cette source laser a ete utilisee pour des experiences d'affinement spectral par auto-injection et d'emission simultanee de deux longueurs d'onde, accordables independamment l'une de l'autre. Le laser saphir-titane a principalement ete utilise dans des experiences de spectroscopie de reflexion selective a des interfaces vapeur atomique-dielectrique: reflexion selective lineaire (rsl) et reflexion selective non lineaire (rsnl) avec dans ce dernier cas une configuration a deux faisceaux (sonde et pompe). La modulation en frequence appliquee a la rs lineaire (rsfm) a permis d'evaluer, grâce a la mesure du deplacement de la frequence de resonance et de l'asymetrie des formes de raie, les caracteristiques de l'interaction scalaire van der waals (vdw) avec la surface et de mesurer des parametres collisionnels tels que l'elargissement de la raie d1 du tb. La modulation en frequence appliquee au faisceau pompe dans la reflexion selective non lineaire pour un systeme atomique en cascade 6s-6p-8s du cs a permis d'interroger les atomes se trouvant pres de la surface (classes de vitesse responsables du signal, caractere transitoire de l'interaction) et d'etudier l'influence du parametre de saturation du faisceau pompe sur les formes de raie