Développement d'une source laser titane-saphir et application à des expériences de réflexion sélective linéaire et non linéaire dans le rubidium et le césium
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
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
Nous presentons des experiences effectuees en vapeur atomique sous faible pression avec des diodes laser resonnantes pour la transition d#2 du Cs. On discute l'optimisation du processus de conjugaison de phase par melange degenere a quatre ondes relativement aux faibles puissances lumineuses disponibles. Une reflectivite de 50% est obtenue avec un laser de 30 mW et on a fait osciller une cavite avec milieu amplificateur a conjugaison de phase. Dans une experience voisine de melange d'ondes quasi-degenere on parvient a observer sur la forme de raie le dedoublement Stark dynamique en utilisant une geometrie vers l'avant; ces resultats sont naturellement etendus au cas du melange multi-ondes. Par ailleurs, on montre que la spectroscopie de reflexion a une interface qui permet de sonder les atomes voisins de la paroi et de mettre en evidence divers effets de l'interaction atome/surface. Grace a une experience d'absorption saturee en ondes evanescentes on donne une estimation du temps moyen d'adsorption d'un atome de Cs sur une fenetre en verre. Sous incidence normale, la reflexion selective lineaire d'un faisceau module en frequence est libre d'elargissement doppler; grâce a cette technique nous observons sur les spectres de reflexion un deplacement et une asymetrie de la resonance atomique typiques de l'interaction de van der Waals entre les atomes de la vapeur et la surface. Un modele theorique permet de reproduire les formes de raies experimentales
Cette these decrit plusieurs experiences en spectroscopie de reflexion selective lineaire et non lineaire a une interface verre-vapeur atomique de cesium. Apres un chapitre introductif suivent deux chapitres essentiellement theoriques dans lesquels nous decrivons la reflexion selective lineaire (rs), la reflexion selective modulee en frequence (rsfm) et l'interaction van der waals (atome-surface) a laquelle le signal rsfm est sensible. Dans le quatrieme chapitre nous utilisons la rsfm avec prise en compte de l'interaction vdw pour mesurer des parametres collisionnels tels que l'elargissement et le deplacement de la transition d2. Les cinquieme et sixieme chapitres comportent une etude theorique ainsi que des mesures experimentales en rsfm de la structure zeeman de la raie d2 pour le regime des champs magnetiques intermediaires ainsi qu'une etude des effets anisotropes induits par les termes quadrupolaires de l'interaction vdw. Le couplage vdw quadrupolaire est different suivant l'orientation relative entre la direction du moment magnetique et le plan definie par la surface. Nous avons cherche a observer la signature spectroscopique de cette anisotropie en rsfm. Le septieme chapitre presente une etude experimentale de la saturation et du pompage optique hyperfin de la transition d2 avec une configuration a deux faisceaux, une pompe modulee en amplitude et une sonde tous les deux en incidence normale. Dans le huitieme chapitre nous presentons la premiere observation des effets mecaniques de la force dipolaire exercee sur des atomes en cellule, due a un gradient d'intensite lumineuse forme par une onde evanescente au voisinage d'une interface vapeur de cs-dielectrique.
Nous rapportons ici la premiere observation optique de l'interaction de surface de type Van der Waals (VW) entre un dielectrique et une vapeur d'atomes dans des etats excites de courte duree de vie. Nous presentons tout d'abord les principes et une theorie generale de la reflexion selective (sr), technique spectroscopique lineaire dans laquelle on mesure la variation resonnante de la reflectivite a l'interface entre un milieu transparent et une vapeur atomique: on sonde ainsi le voisinage de la paroi. Nous montrons qu'une modulation de frequence (fm) judicieuse permet, en incidence normale, d'eliminer l'elargissement doppler: la reponse alors detectee est celle des atomes qui interagissent le plus longtemps avec la surface. Le developpement de la theorie de la sr est poursuivi pour des atomes en interaction avec la surface puis plus particulierement pour le terme VW en specifiant une frequence de resonance inversement proportionnelle au cube de la distance a la surface. Nous presentons ensuite les experiences, qui consistent a comparer des spectres de sr-fm a des spectres d'absorption saturee en volume enregistres simultanement. Elles ont ete realisees principalement a l'interface entre une fenetre de saphir et une vapeur de cesium excitee par laser sur la premiere ou la deuxieme resonance (852 et 455 nm). On observe des effets (deplacements de frequence, vers le rouge comme attendu d'un potentiel attractif, distorsion des formes de raies) sensibles sur la premiere resonance et beaucoup plus marques encore sur la seconde. L'interpretation des spectres dans le cadre du modele theorique pour VW est tres coherente (deplacements et elargissements variant lineairement avec la pression mais force VW restant constante, etc. . . ) et demontre la grande sensibilite de la sr-fm aux effets de surface a longue portee
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.
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.
Ce memoire presente des resultats theoriques et experimentaux sur les interactions entre atomes et lumiere laser dans les horloges atomiques a pompage optique. On presente tout d'abord l'affinement spectral de lasers a semiconducteurs par la technique de la cavite etendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testes et compares. La conception de structures performantes est presentee, en mettant en evidence les elements critiques de ces lasers, et une methode d'auto-alignement est mise en uvre pour reduire la sensibilite des ces lasers aux perturbations exterieures. Ensuite, les interactions atomes/lumiere sont decrites par le formalisme de la matrice densite, en prenant en compte le bruit de frequence et la modulation du laser. Cette partie developpe plus particulierement l'analyse du pompage optique. L'efficacite du pompage d'un jet atomique est evaluee selon les parametres caracteristiques de l'interaction. On montre que le flux atomique presente, a pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de frequence du laser. Enfin, en derniere partie, une evaluation experimentale de l'influence des parametres des lasers sur les signaux d'horloge est menee. Les roles des lasers de pompage et de detection sont etudies separement. L'extra-bruit de detection des atomes non-pompes est mesure dans diverses configurations. Des lasers de largeurs de raie differentes sont compares en zone de pompage. L'influence de l'efficacite du pompage sur le rapport signal-a-bruit du signal d'horloge est determinee experimentalement dans une configuration de frange brillante.