Le refroidissement des atomes par laser a permis la realisation d'une nouvelle generation d'etalons atomiques de frequence: les fontaines atomiques. Ce memoire presente les resultats theoriques et experimentaux concernant la realisation de dispositifs necessaires au fonctionnement de la fontaine atomique: sources laser, chaine de synthese. Nous decrivons le dispositif a fontaine et les sources laser utilisees pour refroidir les atomes. L'asservissement de phase de deux lasers a cavite etendue separes de 9 ghz a ete realise en vue de la selection des vitesses atomiques par transition raman. Nous avons realise une nouvelle chaine de synthese micro-onde utilisee comme oscillateur local de la fontaine. Experimentalement, nous avons verifie que la chaine de synthese a les meilleures caracteristiques spectrales compatibles avec l'oscillateur de reference utilise et la purete spectrale et la stabilite de la phase synthetisee sont compatibles avec les objectifs d'exactitude de la fontaine atomique comme etalon primaire de frequence. Le bruit de phase de l'oscillateur local echantillonne par le fonctionnement pulse de la fontaine provoque un phenomene une degradation de la stabilite de frequence de l'etalon. La reponse atomique aux fluctuations de phase de l'oscillateur local a ete deduite avec le formalisme de la matrice de densite. Ce resultat applique a l'equation de l'asservissement a permis le calcul de la degradation observee. Une verification experimentale de ce modele a ete faite directement sur la fontaine atomique avec un oscillateur d'interrogation volontairement degrade. Enfin une premiere evaluation de l'exactitude est presentee en detaillant plus particulierement les deplacements de frequences qui dependent de l'electronique
Le refroidissement des atomes par laser a permis la realisation d'une nouvelle generation d'etalons atomiques de frequence: les fontaines atomiques. Ce memoire presente les resultats theoriques et experimentaux concernant la realisation de dispositifs necessaires au fonctionnement de la fontaine atomique: sources laser, chaine de synthese. Nous decrivons le dispositif a fontaine et les sources laser utilisees pour refroidir les atomes. L'asservissement de phase de deux lasers a cavite etendue separes de 9 ghz a ete realise en vue de la selection des vitesses atomiques par transition raman. Nous avons realise une nouvelle chaine de synthese micro-onde utilisee comme oscillateur local de la fontaine. Experimentalement, nous avons verifie que la chaine de synthese a les meilleures caracteristiques spectrales compatibles avec l'oscillateur de reference utilise et la purete spectrale et la stabilite de la phase synthetisee sont compatibles avec les objectifs d'exactitude de la fontaine atomique comme etalon primaire de frequence. Le bruit de phase de l'oscillateur local echantillonne par le fonctionnement pulse de la fontaine provoque un phenomene une degradation de la stabilite de frequence de l'etalon. La reponse atomique aux fluctuations de phase de l'oscillateur local a ete deduite avec le formalisme de la matrice de densite. Ce resultat applique a l'equation de l'asservissement a permis le calcul de la degradation observee. Une verification experimentale de ce modele a ete faite directement sur la fontaine atomique avec un oscillateur d'interrogation volontairement degrade. Enfin une premiere evaluation de l'exactitude est presentee en detaillant plus particulierement les deplacements de frequences qui dependent de l'electronique
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
Le travail de cette these consiste a etudier theoriquement et experimentalement l'influence du bruit de phase d'un laser a semi-conducteurs sur les performances ultimes de son asservissement en frequence sur une resonance optique. Trois references sont choisies : un interferometre de mach-zender, une cavite fabry-perot et une vapeur atomique. Afin de tester les limites de certains modeles usuels de description des fluctuations de phase du laser, j'utilise une theorie generale impliquant l'interferometre de mach-zender et basee sur le modele du champ laser a diffusion de phase sans restriction sur les valeurs relatives des largeurs de raies du laser et de la reference. Je montre que le processus de modulation-demodulation, en presence du bruit de phase du laser, genere deux types d'exces de bruit par rapport au bruit de grenaille de photons : bruit de conversion et bruit d'intermodulation. Ces exces de bruit s'ajoutent au signal d'erreur et limitent la stabilite du laser asservi. Les predictions theoriques confirmees par des resultats experimentaux montrent que la reponse frequentielle d'un systeme atomique a deux niveaux en regime de faible saturation interroge par un champ laser bruyant est identique a celle d'une cavite fabry-perot eclairee par le meme laser. Je montre que dans les conditions typiques d'asservissement la purete spectrale du laser asservi est principalement limitee par l'exces de bruit d'intermodulation. Cet effet, initialement mis en evidence dans le domaine micro-onde, peut etre reduit avec un choix convenable de la configuration de detection et de la frequence de modulation. Ainsi une source laser de haute purete spectrale compatible avec nos applications peut etre realisee. Les resultats de ce memoire peuvent mener a d'interessantes etudes sur les phenomenes de bruit dans les domaines de la metrologie des frequences, la spectroscopie a haute resolution, le refroidissement d'atomes par laser et le pompage optique.
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.
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
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.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.