Cette these presente une etude theorique du transfert d'impulsion entre photons et atomes impliquant des etats libres. Seuls les processus d'absorption et d'emission a un photon sont consideres. Dans une premiere etape, on etudie formellement le calcul du transfert d'impulsion, au niveau elementaire, en utilisant le formalisme operatoriel de la theorie quantique. Puis, a l'aide du formalisme de la matrice densite, on etudie comment, d'un point de vue statistique, les impulsions transferees entre matiere et rayonnement s'effectuent. La deuxieme etape du travail est consacree au calcul explicite du transfert d'impulsion par photoionisation et bremsstrahlung inverse. Pour le processus de photoionisation, on effectue les calculs pour des atomes complexes dont la modelisation par un electron actif suffit, et pour le bremsstrahlung inverse on s'interesse aux atomes hydrogenoides
Cette these presente une etude theorique du transfert d'impulsion entre photons et atomes impliquant des etats libres. Seuls les processus d'absorption et d'emission a un photon sont consideres. Dans une premiere etape, on etudie formellement le calcul du transfert d'impulsion, au niveau elementaire, en utilisant le formalisme operatoriel de la theorie quantique. Puis, a l'aide du formalisme de la matrice densite, on etudie comment, d'un point de vue statistique, les impulsions transferees entre matiere et rayonnement s'effectuent. La deuxieme etape du travail est consacree au calcul explicite du transfert d'impulsion par photoionisation et bremsstrahlung inverse. Pour le processus de photoionisation, on effectue les calculs pour des atomes complexes dont la modelisation par un electron actif suffit, et pour le bremsstrahlung inverse on s'interesse aux atomes hydrogenoides
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.
Ce travail est consacré à l'étude de la modification de la dynamique d'un atome induite par le couplage de cet atome avec le rayonnement. Nous commençons par étudier la dynamique atomique interne, et nous montrons qu'il est possible de séparer, pour les différents processus radiatifs (émission spontanée, déplacement de Lamb, ...), la contribution des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement. Nous étudions ensuite la dynamique externe de l'atome dans une onde électromagnétique. Partant de l'analogie profonde entre ce problème et celui du mouvement Brownien, nous montrons qu'il est possible d'établir, pour l'évolution de la fonction de Wigner atomique, une équation de Fokker-Planck-Kramers. Les différents termes de cette équation, force stationnaire, force de friction, coefficient de diffusion de l'impulsion atomique, sont interprétés physiquement en termes de processus d'absorption et d'émission (stimulée ou spontanée) de photons par l'atome. Le cas particulier du mouvement atomique dans une onde laser stationnaire intense est étudié en détail, et nous montrons, théoriquement et expérimentalement, qu'un tel système peut conduire à un refroidissement très efficace des atomes. Nous abordons enfin le problème du piégeage radiatif d'atomes neutres, et nous présentons plusieurs propositions originales pour confiner de manière stable des atomes à l'aide de faisceaux laser.
Cette thèse présente l'étude théorique et expérimentale de la manipulation cohérente de systèmes atomiques et moléculaires avec des impulsions mises en forme. Dans un premier temps, nous présentons plusieurs expériences de manipulation de transitoires cohérents dans le rubidium. Ces transitoires cohérents apparaissent lorsqu'on excite un système à deux niveaux avec une impulsion à dérive de fréquence en champ faible, et se traduisent par des oscillations dans la population de l'état excité. Pour une impulsion très étirée, nous montrons qu'un saut de phase dans le domaine spectral modifie la phase des oscillations. Puis, en nous appuyant sur une analogie avec la diffraction de Fresnel, nous concevons une impulsion à dérive de fréquence d'amplitude fortement modulée, permettant de supprimer les contributions destructives au transfert de population. Dans une deuxième série d'expériences, nous nous intéressons aux interférences de chemins quantiques dans les transitions à deux photons induites par des impulsions à dérive de fréquence. Du fait de la grande largeur spectrale des impulsions ultracourtes, les chemins d'excitation séquentiel et direct contribuent au transfert de population dans l'état excité. Les oscillations provenant de l'interférence entre ces différents chemins d'excitation sont observées dans le sodium atomique. De plus, nous montrons qu'elles sont observables quel que soit le signe de la dérive de fréquence. D'un point de vue théorique, nous étudions le contrôle de la prédissociation d'une molécule diatomique modèle : NaI. La prédissociation conduit à l'observation d'interférences d'ondes de matière dans la distribution des fragments. Nous montrons dans un premier temps qu'il est possible d'observer ces interférences en sondant la molécule avec une impulsion judicieusement choisie. Puis, en utilisant une séquence d'impulsions de contrôle induisant une transition entre deux niveaux électroniques de la molécule, nous mettons en évidence la possibilité de manipuler la distribution énergétique des fragments.
Mon travail de thèse, réalisé au LCAR, porte sur la démonstration d'interféromètres atomiques à très grand transfert d'impulsion à l'aide du formalisme de Floquet. Ce travail s'inscrit à la fois dans le contexte des capteurs inertiels et celui de la métrologie des phases type Aharonov-Bohm, où la séparation en impulsion entre les bras de l'interféromètre joue un rôle majeur. Ce manuscrit présente tout d'abord une introduction générale à l'interférométrie atomique ainsi que les éléments théoriques concernant les transitions à deux photons dans le régime de quasi-Bragg. J'y décris ensuite le dispositif expérimental que nous utilisons pour atteindre la condensation de Bose-Einstein et manipuler l'état d'impulsion des atomes via réseau optique ; l'application de pulses lumineux permet d'accélérer la source atomique par quantum d'impulsion de 2ħk. La partie suivante est dédiée au formalisme de Floquet : celui-ci repose sur la périodicité du couplage atome-réseau au cours d'une accélération, et définit des états de Floquet dont les propriétés permettent de réaliser une accélération optimale. Cette nouvelle approche unifie les différentes méthodes utilisées jusqu'à présent pour l'accélération cohérente d'atomes dans un réseau optique. Après une exposition des éléments théoriques et du modèle numérique que nous utilisons, je montre les résultats obtenus avec la mise en place de ce formalisme sur notre dispositif expérimental. Je liste en particulier les différentes limites identifiées concernant l'efficacité de cette nouvelle approche. Enfin, je termine ce manuscrit par la démonstration d'un interféromètre atomique à 600ħk de séparation en impulsion entre les bras grâce au formalisme de Floquet. Ce résultat au niveau de l'état de l'art ouvre la voie à une nouvelle génération d'interféromètres avec des séparations de plus de 1000ħk, ce qui constitue un pré-requis pour les différentes applications envisagées pour ce type de dispositif.
Dans cette thèse, nous approfondissons certains aspects théoriques des transitions à plusieurs photons dans les solides. La probabilité de transition est donnée par une formule dérivée à partir de la théorie des perturbations dépendant du temps. Quand deux photons ou plus sont absorbés simultanément, des difficultés, absentes lors de transitions à un photon, apparaissent. Premièrement, le calcul de la probabilité de transition implique dans ce cas une sommation sur les états intermédiaires du système. Une connaissance de tous ces états est en général difficile, et l'approximation consistant à en négliger une partie est souvent nécessaire. A ce stade se pose le problème de maintenir l'invariance de jauge des résultats, car on sait que si l'on considère un ensemble incomplet d'états, on aboutit à des résultats différents pour jauges différentes. Une fois les problèmes de couplage avec la radiation réglés, il reste à effectuer pratiquement la sommation sur les états retenus essentiels. Deuxièmement, quand le nombre de photons absorbés augmente, la probabilité de transition dépendra de plusieurs vecteurs de polarisation. Pour déterminer cette dépendance, il est nécessaire d'effectuer une analyse de symétrie. Dans cette thèse, nous nous intéressons à ces deux aspects, et nous fournissons à des expériences récentes le soutien théorique nécessaire. La première application étudiée nous a emmené à calculer la probabilité de transition à deux photons dans les puits quantiques de GaAs-Ga1-xAlxAs. L'objet de cette étude est de comprendre les spectres d'excitation expérimentaux, qui montrent en particulier une forte dépendance de la polarisation. Pour des polarisations parallèles à l'axe de croissance, on a un spectre avec des marches marquées par de forts pics excitoniques, tandis que dans le cas de polarisations parallèles aux couches, le spectre est presque linéaire avec des effets excitoniques négligeables. Nous avons commencé par étudier l'absorption entre sous-bandes pour un puits quantique avec des barrières de hauteur infinie concentrant notre attention sur le couplage avec la radiation. Du fait que notre modèle n'inclut que les états de la bande de conduction et de celle de valence, il est nécessaire, afin d'obtenir des résultats invariants de jauge, d'effectuer le couplage au courant du puits quantique. Nous avons pu expliquer ainsi les marches et la dépendance linéaire des spectres. Ensuite, nous avons considéré les effets dus aux barrières de hauteur finie. Nous avons décrit les états de continuum du puits quantique dans un formalisme qui dérive de la théorie des distributions, et effectué explicitement la sommation sur tous les états intermédiaires du modèle. Enfin, nous avons inclus les effets excitoniques. La description des états excitoniques intermédiaires étant complexe, nous avons appliqué une nouvelle méthode variationelle, qui ne nécessite pas une connaissance explicite des états intermédiaires pour obtenir les probabilités de transition. Une comparaison des spectres théoriques et expérimentaux montre un très bon accord entre eux. Récemment, il a été possible d'obtenir expérimentalement des spectres d'excitation à trois photons dans les halogénures alcalins. Le problème se posait de comprendre les règles de sélections et la dépendance des polarisations des photons pour les transitions permises. Nous avons d'abord examiné le problème général des règles de sélection de transitions à n photons. Ensuite, nous avons donné une interprétation théorique aux spectres d'excitation des halogénures alcalins. Nous avons trouvé que, en sus des règles de sélections habituelles de dipôle et de polarisation, il peut y avoir une autre règle de sélection dans le cas où quelques-uns des photons ont la même fréquence. Nous avons effectué une analyse de symétrie qui tient compte des propriétés de permutation des polarisations et des fréquences et déterminé ainsi ces nouvelles règles de sélection. L'étude montre aussi qu'il n'est pas toujours possible de factoriser la probabilité de transition en une partie géométrique, qui ne dépend que des polarisations, et en une dynamique, qui contient la dépendance des fréquences. En conséquence, la dépendance des polarisations n'est pas déterminée uniquement par la symétrie de l'état initial et final. Finalement, nous avons considéré en détail le cas de symétrie Oh (symétrie des cristaux des halogénures alcalins) et ajouté l'effet d'un champ magnétique. La théorie permet de donner une interprétation aux spectres expérimentaux et suggère l'existence de nouvelles raies.
Cette thèse présente l'étude théorique de processus cohérents d'excitation et d'ionisation dans les alcalino-terreux. Les paramètres atomiques indispensables pour décrire la dynamique sont calculés en combinant la méthode de matrice R et la théorie du défaut quantique à plusieurs voies (MQDT). Nous analysons les résultats expérimentaux obtenus par l'équipe d'Elliott concernant le contrôle des taux de production de trois états ioniques du baryum obtenus par interférence entre deux chemins d'ionisation quasi-résonnants avec un état intermédiaire dans un processus à deux photons de couleurs différentes. Introduisant un hamiltonien effectif, nous montrons que la dynamique d'évolution suit l'état adiabatique formé par l'excitation cohérente des deux états intermédiaires. Nous utilisons un formalisme MQDT dépendant du temps, valable en champ faible, pour analyser l'expérience de Ramsey optique, réalisée par van Leeuween et al, portant sur le contrôle des énergies et des distributions angulaires de photoélectrons émis par un paquet d'onde autoionisant créé dans le calcium par excitation du c÷ur isolé d'un état de Rydberg. Le flux radial instantané d'électrons créé par une ou deux impulsions pouvant présenter une dérive de fréquence est aussi étudié. Nous présentons un formalisme nouveau adapté à l'étude de la dynamique de paquets d'onde autoionisants créés par des impulsions brèves et intenses excitant des résonances étroites. Les résonances sont introduites explicitement dans les équations d'évolution. Leur énergie complexe (position et largeur), leurs couplages avec les voies ouvertes induits par le potentiel atomique et ceux avec les états discrets dûs aux laser sont déduits des expressions MQDT par le calcul numérique des pôles et des résidus de la matrice de diffusion physique S et de l'opérateur déplacement lumineux. Le lien entre ces pôles et les états de Siegert permet d'associer une fonction d'onde aux résonances et donc de les identifier.