Dans ce manuscrit, les cohérences temporelles d'ordre 1 et 2 de la lumière diffusée par un large nuage d'atomes refroidis à une température de l'ordre de la centaine de micro-Kelvin sont étudiées. Pour cela, un nuage d'atomes de rubidium est illuminé par une sonde optique résonante et la lumière diffusée est collectée dans différentes configurations. En l'absence de champ additif cohérent et pour un grand nombre de diffuseur indépendants, ces cohérences sont liées par la relation de Siegert : g(2)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|². Signature de la nature gaussienne des fluctuations du champ électrique, cette relation est observée dans différents régimes de saturation en variant l'intensité de la sonde incidente. La transition entre le régime « classique », où l'indépendance est assurée par le mouvement thermique des émetteurs, et le régime « quantique », où l'aléa est inhérent au processus de diffusion incohérent -l'émission spontanée- a ainsi pu être observée. Cette transition, matérialisée par une diminution du temps de cohérence, est quantitativement en bon accord avec un modèle théorique simplifié incluant uniquement les diffusions cohérente et incohérente et l'élargissement Doppler en diffusion simple. Pour une largeur Doppler assez faible - et donc des atomes assez froids-, la courbe de l'évolution du temps de cohérence en fonction du paramètre de saturation présente deux plateaux distincts, correspondants aux régimes de saturation faible et fort. Enfin, la possibilité d'observer sur cette expérience du dégroupement photonique (antibunching en anglais) dans la lumière diffusée est étudiée. L'adaptation d'un modèle théorique unidimensionnel à notre nuage tridimensionnel ainsi qu'une configuration atomique spatiale asymétrique réduisant la diffusion multiple incohérente sont ainsi présentées.
Dans ce manuscrit, les cohérences temporelles d'ordre 1 et 2 de la lumière diffusée par un large nuage d'atomes refroidis à une température de l'ordre de la centaine de micro-Kelvin sont étudiées. Pour cela, un nuage d'atomes de rubidium est illuminé par une sonde optique résonante et la lumière diffusée est collectée dans différentes configurations. En l'absence de champ additif cohérent et pour un grand nombre de diffuseur indépendants, ces cohérences sont liées par la relation de Siegert : g(2)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|². Signature de la nature gaussienne des fluctuations du champ électrique, cette relation est observée dans différents régimes de saturation en variant l'intensité de la sonde incidente. La transition entre le régime « classique », où l'indépendance est assurée par le mouvement thermique des émetteurs, et le régime « quantique », où l'aléa est inhérent au processus de diffusion incohérent -l'émission spontanée- a ainsi pu être observée. Cette transition, matérialisée par une diminution du temps de cohérence, est quantitativement en bon accord avec un modèle théorique simplifié incluant uniquement les diffusions cohérente et incohérente et l'élargissement Doppler en diffusion simple. Pour une largeur Doppler assez faible - et donc des atomes assez froids-, la courbe de l'évolution du temps de cohérence en fonction du paramètre de saturation présente deux plateaux distincts, correspondants aux régimes de saturation faible et fort. Enfin, la possibilité d'observer sur cette expérience du dégroupement photonique (antibunching en anglais) dans la lumière diffusée est étudiée. L'adaptation d'un modèle théorique unidimensionnel à notre nuage tridimensionnel ainsi qu'une configuration atomique spatiale asymétrique réduisant la diffusion multiple incohérente sont ainsi présentées.
Dans ce manuscrit, les cohérences temporelles d'ordre 1 et 2 de la lumière diffusée par un large nuage d'atomes refroidis à une température de l'ordre de la centaine de micro-Kelvin sont étudiées. Pour cela, un nuage d'atomes de rubidium est illuminé par une sonde optique résonante et la lumière diffusée est collectée dans différentes configurations. En l'absence de champ additif cohérent et pour un grand nombre de diffuseur indépendants, ces cohérences sont liées par la relation de Siegert : g(2)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|². Signature de la nature gaussienne des fluctuations du champ électrique, cette relation est observée dans différents régimes de saturation en variant l'intensité de la sonde incidente. La transition entre le régime « classique », où l'indépendance est assurée par le mouvement thermique des émetteurs, et le régime « quantique », où l'aléa est inhérent au processus de diffusion incohérent -l'émission spontanée- a ainsi pu être observée. Cette transition, matérialisée par une diminution du temps de cohérence, est quantitativement en bon accord avec un modèle théorique simplifié incluant uniquement les diffusions cohérente et incohérente et l'élargissement Doppler en diffusion simple. Pour une largeur Doppler assez faible - et donc des atomes assez froids-, la courbe de l'évolution du temps de cohérence en fonction du paramètre de saturation présente deux plateaux distincts, correspondants aux régimes de saturation faible et fort. Enfin, la possibilité d'observer sur cette expérience du dégroupement photonique (antibunching en anglais) dans la lumière diffusée est étudiée. L'adaptation d'un modèle théorique unidimensionnel à notre nuage tridimensionnel ainsi qu'une configuration atomique spatiale asymétrique réduisant la diffusion multiple incohérente sont ainsi présentées.
Cohérence temporelle et effets collectifs dans la diffusion de la lumière par des atomes froids Cette thèse étudie les propriétés de cohérence temporelle et les effets collectifs de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés d'atomes froids. En utilisant des nuages d'atomes froids comme une plateforme expérimentale hautement contrôlable, nous combinons des mesures des fonctions de corrélation optique du premier et du second ordre avec des modèles théoriques et des simulations numériques afin de caractériser différents régimes de diffusion. Nous examinons tout d'abord la relation de Siegert, établissons les conditions de sa validité et vérifions expérimentalement son applicabilité dans notre système en tant que lien simple entre les fonctions de corrélation du premier et du second ordre. Nous identifions ensuite une transition entre deux régimes distincts de diffusion de la lumière, caractérisés par différents mécanismes responsables de la perte de cohérence : un mécanisme classique induit par le mouvement atomique à faible saturation et un mécanisme dominé par les fluctuations quantiques associé à l'émission spontanée en régime de forte saturation. Nous étudions ensuite le rôle de la géométrie du nuage atomique dans le processus de diffusion, en montrant que le contrôle de la géométrie du nuage permet de diminuer la diffusion multiple et, par conséquent, d'augmenter le temps de cohérence de la lumière diffusée. Enfin, nous explorons théoriquement des signatures d'effets collectifs dans la dynamique des oscillations de Rabi de systèmes à deux niveaux fortement excités et en interaction, révélant un déplacement collectif de la fréquence de résonance qui augmente avec l'épaisseur optique du système. Ces résultats montrent que les nuages d'atomes froids constituent des plateformes versatiles pour produire de la lumière de manière contrôlée.
Ce manuscrit présente les travaux d'étude de la cohérence de la lumière réalisés durant ma thèse à l'aide d'un système expérimental basé sur la technologie des atomes froids. La spécificité de notre groupe est l'étude et la caractérisation des comportement collectifs,classiques ou quantiques, dans l'interaction lumière matière. Dans ce but, Nous illuminons un nuage d'atomes froids à l'aide d'un faisceau laser afin d'observer au même instant les fonctions de corrélations temporelles d'ordre un g(1)(τ ) et d'ordre deux g(2)(τ ) (aussi connue sous le nom de fonction de corrélation de l'intensité). Pour une lumière chaotique polarisée et cohérente spatialement, g(2)(τ ) et relié au module de g(1)(τ ) via la formule g(1)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|2. Cette équation est communément appelée la relation de Siegert.Nous avons dans notre groupe effectué des études à basse saturation dans les régimes de diffusion simple et multiple. Nous nous concentrons dans ce travail à l'étude de la lumière diffusée à haut paramètre de saturation, pour différentes épaisseurs optiques. La première étape étant la caractérisation de la cohérence temporelle en régime saturée en diffusion simple, ouvrant la voie vers l'étude en régime de diffusion multiple. Sont détaillés dans ce manuscrit les étalonnages expérimentaux et identification des sources d'incertitude nous permettant la validation expérimentale de la relation de Siegert en régime saturé.Cette étude a permis identifier, pour un nuage d'atome macroscopique, la transition entre un régime de diffusion où les mécanismes de perte de cohérence de la lumière sont d'origine thermique à un régime ou ceux-ci proviennent de l'émission spontanée.
Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain.
Ce manuscrit présente les travaux d'étude de la cohérence de la lumière réalisés durant ma thèse à l'aide d'un système expérimental basé sur la technologie des atomes froids. La spécificité de notre groupe est l'étude et la caractérisation des comportement collectifs,classiques ou quantiques, dans l'interaction lumière matière. Dans ce but, Nous illuminons un nuage d'atomes froids à l'aide d'un faisceau laser afin d'observer au même instant les fonctions de corrélations temporelles d'ordre un g(1)(τ ) et d'ordre deux g(2)(τ ) (aussi connue sous le nom de fonction de corrélation de l'intensité). Pour une lumière chaotique polarisée et cohérente spatialement, g(2)(τ ) et relié au module de g(1)(τ ) via la formule g(1)(τ ) = 1 + |g(1)(τ )|2. Cette équation est communément appelée la relation de Siegert.Nous avons dans notre groupe effectué des études à basse saturation dans les régimes de diffusion simple et multiple. Nous nous concentrons dans ce travail à l'étude de la lumière diffusée à haut paramètre de saturation, pour différentes épaisseurs optiques. La première étape étant la caractérisation de la cohérence temporelle en régime saturée en diffusion simple, ouvrant la voie vers l'étude en régime de diffusion multiple. Sont détaillés dans ce manuscrit les étalonnages expérimentaux et identification des sources d'incertitude nous permettant la validation expérimentale de la relation de Siegert en régime saturé.Cette étude a permis identifier, pour un nuage d'atome macroscopique, la transition entre un régime de diffusion où les mécanismes de perte de cohérence de la lumière sont d'origine thermique à un régime ou ceux-ci proviennent de l'émission spontanée.
Le problème de l'interaction de N atomes avec un faisceau laser et les modes du vide peut donner lieu à de nombreux phénomènes intéressants concernant l’émission spontanée de la lumière et sa propagation dans l’échantillon. Les effets coopératifs, par exemple, tels que la super- et la sous-radiance, sont des effets liés à la cohérence créée entre les atomes lorsqu'un photon est émis spontanément par un seul atome excité. La super-radiance peut être définie comme le renforcement de l'émission spontanée due à une interférence constructive de la lumière diffusée. Son homologue, la sous-radiance, est le piégeage d'une partie de la lumière restante en raison d'interférences destructives. Dans les atomes froids, certains travaux théoriques antérieurs prédisent et caractérisent ces deux effets coopératifs dans un nuage atomique large et diluée, dans le régime des faibles intensités et à grands désaccords du laser incident. Le modèle théorique est un modèle de dipôles couplés pour atomes à deux niveaux pilotés par un champ de faible intensité et dans l'approche scalaire. L'expérience consiste à mesurer les taux de d’décroissance super- et sous-radiants à partir de l’intensité temporelle émise après la coupure du laser incident en régime stationnaire. Notre schéma expérimental consiste en un piège magneto-optique d’atomes de rubidium 87 à grandes épaisseurs optiques à résonance. Un faisceau sonde excite les atomes proches de la raie D2. L’intensité émise est détectée par un détecteur de photons uniques dépourvu d’afterpulsing et une procédure d’étalonnage nous permet de déterminer l’épaisseur optique résonante du nuage et sa température. Dans ce travail, nous rapportons l’observation expérimentale de la super- et sous-radiance dans un grand nuage d’atomes froids. Pour la sous-radiance, le résultat principal est l’évolution linéaire du temps caractéristique avec l’épaisseur optique résonante du nuage et son indépendance du désaccord. Pour la super-radiance, on observe la super-radiance en dehors de la direction vers l’avant. Nous vérifions la validité de nos interprétations avec les prédictions du modèle de dipôles couplés. Finalement, nous discutons l’interaction entre la sous-radiance et le piégeage de radiation, ainsi que des prévisions théoriques concernant : la configuration d’un nuage phasé, pour contrôler l’émission de l’amplitude sousradiante ; et les effets de température, où la sous-radiance s’avère robuste dans une large gamme de températures.