Entonnoir a atomes : etude experimentale et theorique de la compression transverse par piege magneto-optique d'un jet atomique de cesium ralenti et refroidi par laser
Cette these s'inscrit dans le cadre d'une etude experimentale et theorique de la compression transverse a deux dimensions d'un jet atomique de cesium ralenti et refroidi. La principale caracteristique de ce piege est son caractere transitoire compare au piege a trois dimensions. Nous avons ete capable d'obtenir une compression du jet d'un diametre de 5 mm jusqu'a un diametre de 200 m. Le gain en densite obtenu atteint un facteur 300 et le temps de compression atteint est de l'ordre de 240 m. Deux methodes experimentales ont ete utilisees pour obtenir cette efficacite de compression. La premiere est basee sur le pompage optique de la population atomique par l'intermediaire d'un laser. La deuxieme methode est basee sur la pre-orientation des moments magnetiques atomiques avec suivi adiabatique des lignes de champ magnetique. Nous avons aussi discute le fonctionnement de ce piege en termes de trajectoires d'atomes a l'aide d'un modele monte-carlo. Une comparaison entre les resultats experimentaux et les resultats obtenus par cette simulation montre une concordance satisfaisante. La compression d'un jet d'atomes ralentis et comprimes representent un outil tres puissant dans les experiences de metrologie et de haute resolution ainsi que dans les experiences concernant la recherche fondamentale telles que les collisions entre atomes froids et l'interferometrie atomique
Cette these s'inscrit dans le cadre d'une etude experimentale et theorique de la compression transverse a deux dimensions d'un jet atomique de cesium ralenti et refroidi. La principale caracteristique de ce piege est son caractere transitoire compare au piege a trois dimensions. Nous avons ete capable d'obtenir une compression du jet d'un diametre de 5 mm jusqu'a un diametre de 200 m. Le gain en densite obtenu atteint un facteur 300 et le temps de compression atteint est de l'ordre de 240 m. Deux methodes experimentales ont ete utilisees pour obtenir cette efficacite de compression. La premiere est basee sur le pompage optique de la population atomique par l'intermediaire d'un laser. La deuxieme methode est basee sur la pre-orientation des moments magnetiques atomiques avec suivi adiabatique des lignes de champ magnetique. Nous avons aussi discute le fonctionnement de ce piege en termes de trajectoires d'atomes a l'aide d'un modele monte-carlo. Une comparaison entre les resultats experimentaux et les resultats obtenus par cette simulation montre une concordance satisfaisante. La compression d'un jet d'atomes ralentis et comprimes representent un outil tres puissant dans les experiences de metrologie et de haute resolution ainsi que dans les experiences concernant la recherche fondamentale telles que les collisions entre atomes froids et l'interferometrie atomique
Cette these presente deux experiences de manipulation d'un jet atomique de cesium a l'aide de faisceaux lasers suivant une dimension transverse. Dans la premiere experience, nous avons observe les effets de refroidissement doppler et sub-doppler sur le jet atomique pour differentes configurations de melasses. L'etude des deux transitions f=4f=5 et f=3f=2 de la raie d#2 du cesium montre que le desaccord entre la frequence laser et la frequence atomique doit etre negatif (rouge) dans le premier cas et positif (bleu) dans le second. Nous avons aussi mis en evidence que, sous l'effet d'un champ magnetique statique, les melasses ne se produisent plus autour de la vitesse transverse nulle mais aussi autour de vitesses non nulles, qui evoluent lineairement avec la valeur de ce champ magnetique. La seconde experience concerne le transfert adiabatique de population et de quantite de mouvement dans le cas de la transition f=4f=4 de la raie d#2 du cesium. Dans une configuration #+-#- du champ electromagnetique, la transition f=4f=4 presente un etat piege quelque soit l'etat du champ. Le transfert adiabatique consiste a maintenir l'atome dans l'etat piege lorsque l'etat du champ electromagnetique varie lentement. Ce processus ne fait pas intervenir l'emission spontanee et les coherences internes de l'atome sont conservees. Dans les meilleures conditions experimentales, nous avons obtenu un taux de transfert adiabatique d'environ 55%. Cette limitation est due a la presence des niveaux hyperfins voisins f'=3 et 5 du niveau excite. Nous avons mis en evidence la tres grande selectivite en vitesse de ce processus lorsque les champs #+ et #- se propagent en sens oppose.
Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre du développement d'une horloge atomique à fontaine, FOCS-1, à l'Observatoire cantonal de Neuchâtel. FOCS-1 est un étalon de fréquence qui utilise un jet continu d'atomes de césium froids, en géométrie de fontaine. Depuis la découverte du refroidissement d'atomes par laser, les jets d'atomes froids et lents (quelques mK et quelques m/s) jouent un rôle encore plus important dans les expériences de haute précision, en particulier dans les horloges atomiques à fontaine. Dans ce contexte, l'approche à jet continu suivie par l'Observatoire cantonal est intéressante parce qu'elle permet de diminuer de façon considérable tous les effets indésirables liés à la densité, ainsi que l'effet Dick qui est inévitable dans les jets pulsés. Toutefois, pour profiter pleinement de l'avantage de cette approche, nous devons augmenter le flux utile, et une façon d'y parvenir est de collimater le jet atomique, ce qui fait l'objet de ce travail de recherche. Pour effectuer la collimation, nous avons fait appel aux techniques les plus récentes de refroidissement d'atomes par laser. Nous utilisons un laser puissant et très désaccordé pour créer un réseau optique de dimension 2 dans lequel nous avons successivement piégé et refroidit les atomes jusqu'au niveau de vibration fondamental. Ce réseau optique utilise une géométrie originale qui a l'avantage de combiner stabilité intrinsèque de phase, symétrie, et recyclage de la lumière. Nous avons expérimenté plusieurs mécanismes de refroidissement: Sisyphe, sideband Raman dégénéré par effet Zeeman, et sideband Raman dégénéré par effet Stark. Avec le refroidissement sideband Raman dégénéré par effet Zeeman, nous avons obtenu une excellente collimation (diminution de la température transverse de 60 mK à 1.6 mK) bien que l'efficacité de capture reste assez faible, environ 10%. D'un autre côté, le refroidissement Sisyphe s'est avéré très efficace, environ 100%, et nous avons montré qu'il peut être utilisé pour une étape de pré-collimation avant le refroidissement sideband. Finalement, nous avons mené une étude préliminaire du refroidissement sideband Raman dégénéré par effet Stark. Bien que nous n'ayons pas observé de collimation, nous avons identifié quelques pistes pour y parvenir. Ce refroidissement présente un grand intérêt pour les horloges atomiques car il prépare les atomes dans un état insensible au champ magnétique.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.
Le but de cette these consiste en l'etude de phenomenes de collisions et la mise en evidence d'effets collectifs entre atomes refroidis par laser. Elle est divisee en trois parties distinctes: pour pouvoir observer des collisions entre atomes froids, il est necessaire de mettre en place des dispositifs livrants des echantillons d'atomes froids denses. Une premiere partie s'occupe des experiences de mise en place et d'amelioration d'un piege magneto-optique a deux dimensions. Avec un tel dispositif, on a ete capable de comprimer des jets ralentis sur un diametre de 200 micrometres, tout en augmentant la densite d'un facteur 300. Desirant connaitre le comportement d'atomes de rydberg en presence de champs electriques externes, on a entrepris des experiences spectroscopiques de croisements evites entre etats stark du cesium. Le developpement d'une nouvelle methode profitant de la dependance du chemin d'ionisation sur les croisements evites a permis de les caracteriser jusqu'a des largeurs de 30 mhz. La troisieme partie de cette these detaille les experiences de collisions resonnantes entre atomes de rydberg qui ont ete realisees sur des atomes de cesium d'un jet thermique et d'un piege magneto-optique a trois dimensions. En examinant les resultats obtenus, on observe une nette difference entre ces deux regimes de collisions. Les collisions thermiques sont correctement decrites en tant que processus de collision entre deux atomes isoles, presentant une section efficace et une vitesse de collision. Dans le cas d'atomes ultra-froids, la vitesse de collision devient nulle et le temps de collision excede la duree de vie des atomes de rydberg impliques. Ceux-ci voient une interaction constante qui depend du nombre et de la densite de partenaires de collision. On assiste ainsi a des effets collectifs entre atomes de rydberg qui sont figes dans une sorte de gaz gele ou de cristal desordonne
Nous avons realise et demontre trois elements d'optique atomique: un guide et une separatrice qui utilisent la force dipolaire, et un miroir concave qui utilise la force magnetique. Ces elements ont ete appliques a des atomes 87-Rb initialement refroidis a 10 mK dans une melasse optique. Le guide est realise avec un faisceau laser Nd:YAG tres desaccorde de la resonance atomique et cree un piege dipolaire 2D. Lorsque le nuage atomique est libere de la melasse optique, il tombe sous l'effet de la gravite, et a cause du guide dipolaire une partie des atomes reste confinee dans le faisceau laser de guidage. L'efficacite du guide obtenue est d'environ 40% sur une distance de 30 cm. De plus, comme le faisceau de guidage est focalise, une compression du nuage a lieu, et dans la partie de defocalisation du faisceau, on observe un refroidissement adiabatique du nuage jusqu'a environ 2 mK, ce qui correspond a un abaissement de la temperature des atomes d'un facteur 5 [1]. Les resultats sont interpretes a l'aide d'un modele numerique qui utilise une methode statistique de type Monte Carlo. On a observe experimentalement et montre par les calculs numeriques qu'on peut fabriquer un nuage atomique en forme d'anneau si on introduit dans le guide dipolaire des atomes de moment cinetique moyen non nul et si le guide est utilise en mode impulsionnel. La separatrice utilise deux guides dipolaires qui se croisent: l'un est suivant la verticale et l'autre suivant la direction oblique fait un angle de 0. 12 radian avec la verticale. Les atomes sont guides initialement dans le guide vertical. Lorsqu'ils ont chute de quelques millimetres, le guide oblique est alors soudainement allume. Le couplage cree au point de croisement des guides permet un transfert des atomes du guide vertical vers le guide oblique. L'observation a environ 10 mm en dessous de la position du piege magneto-optique, montre une separation du nuage de l'ordre de quelques millimetres, avec une efficacite de transfert de l'ordre de 30% [2]. Nous avons montre par le calcul qu'une sequence temporelle du guide oblique bien choisie, permettrait d'augmenter l'efficacite de la separatrice d'environ 50%. Le miroir concave utilise le champ magnetique d'un quadrupole en mode impulsionnel, applique quand les atomes sont tombes de quelques millimetres. On a observe clairement deux rebonds. Le potentiel magnetique vu par les atomes etant courbe dans les trois directions de l'espace, le rebond du nuage atomique s'accompagne d'une refocalisation [3]. Ce miroir n'est pas parfait et presente des aberrations. Les calculs numeriques ont montre que l'ajout d'un petit champ magnetique tournant permettrait de reduire sensiblement les aberrations du miroir. [1] L. Provost, D. Marescaux, O. Houde, H. T Duong, Opt. Comm. 166 (1999) 199. [2] O. Houde, D. Kadio, L. Provost, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5543. [3] D. Kadio, O. Houde, L. Provost, Euro. Phys. Lett. 54 (2001) 417.