Spectroscopie de réflexion à très haute résolution sur la vapeur de Césium : Déplacement collisionnel, structure Zeeman et effets de saturation sur la raie D2
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.
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 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 l'etude de l'absorption lumineuse d'une vapeur resonnante contenue dans une enceinte de geometrie presque bidmensionnelle : la duree de vol libre des atomes est imposee par collision avec les parois et devient tres anisotrope. Pour un faisceau optique de diametre grand devant l'epaisseur (l) de vapeur, le temps d'interaction des atomes avec le champ lumineux, et depend seulement de la direction de propagation atomique : seuls ceux a incidence rasante des parois sont en regime stationnaire et si l'irradiation est a incidence normale il apparait de resonances sub doppler dans le spectre d'absorption. La partie theorique du premier chapitre modelise le regime transitoire du pompage optique (processus incoherent non lineaire) sur un systeme atomique a trois niveaux et etudie la distribution de vitesse des atomes ainsi selectionnes qui peut etre superlente. Sa partie experimentale caracterise les resonances sub doppler apparues dans le spectre d'absorption d'un faisceau laser de diametre grand (3mm) devant l'epaisseur (de 10 a 100m) de la vapeur de cs sondee (transition d#2 a =852nm). La partie theorique du second chapitre etudie le regime transitoire du dipole optique sur un systeme atomique a deux niveaux : des resonances sub doppler apparaissent egalement, mais associees a une echelle de temps plus courte. Le montage experimental est analogue a celui du premier chapitre, avec une intensite lumineuse incidente extremement faible (i > les resultats de rh. Dicke dans le domaine micro-onde avec l=/2. Le troisieme chapitre relate une etude experimentale d'absorption saturee en cellule mince qui permet de sonder separement la reponse optique des differentes classes de vitesse atomiques. Le dernier chapitre presente une experience de spectroscopie raman dont le but est l'etude de la selection de vitesse en vapeur confinee.
Dans ce memoire, on decrit des experiences qui mettent en evidence une resonance dans l'interaction de surface a longue portee, du type de van der waals (vdw), entre un atome et une paroi dielectrique. Le processus elementaire a l'origine de cette interaction est un couplage entre une emission virtuelle de l'atome excite et l'excitation virtuelle d'un mode electromagnetique de surface (polariton de surface). Selon le couplage entre la transition virtuelle et le polariton de surface, ce type d'interaction permet d'avoir, pour la partie dispersive du couplage, un potentiel de vdw exalte par rapport a celui obtenu dans le cas d'une surface conductrice ideale, et avec un potentiel vdw qui devient eventuellement repulsif. Les experiences decrites ont ete faites sur les niveaux cs*(6d 3 / 2), rb*(6 d 3 / 2) et rb*(6d 5 / 2) et avec les dielectriques : saphir (al 2o 3) (avec deux orientations differentes de l'axe de birefringence), yag (y 3al 5o 1 2) et silice vitreuse. Les niveaux atomiques mentionnes possedent tous une transition dipolaire en emission vers 12 m, domaine ou il existe un polariton de surface pour le saphir et le yag. Les mesures experimentales montrent qu'il existe, notamment pour le cas cs(6d 3 / 2)-saphir c, une force de vdw repulsive. On a aussi etudie l'effet de la birefringence du milieu dielectrique et montre le caractere critique de l'orientation cristalline pour la resonance de l'interaction. La technique spectroscopique utilise a ete la reflexion selective qui permet de sonder des atomes a une fraction de longueur d'onde ( 100 nm) de la paroi. Cette technique a du etre ici generalisee au cas d'une transition entre niveaux excites. Par ailleurs, a titre de reference spectroscopique pour des atomes libres, on a evalue l'elargissement et le deplacement collisionnel par technique d'absorption saturee sur la transition cs : 6p 1 / 2 6d 3 / 2 (876 nm).
Dans ce travail, nous nous intéressons à la spectroscopie optique par réflexion d’une vapeur diluée de césium infiltrée dans des opales artificielles Langmuir-Blodgett. Après une étude microscopique de la structure des opales, nous rapportons des expériences de réflexion, transmission et diffraction (sans atomes) effectuées sur diverses opales, dans le but d’explorer la propagation du champ lumineux dans ces milieux. En effectuant des expériences de réflexion sélective, nous observons que pour une polarisation TM, le signal atomique s’annule à 45° et à l’angle de Brewster, et entre ces deux zéros le signe du signal est inversé. Cet effet était prédit théoriquement mais n’avait jamais été observé. Nous rapportons aussi les expériences de spectroscopie par réflexion d’une vapeur infiltrée dans diverses opales et pour différentes longueurs d’onde. Sur des opales multicouches, nous observons des spectres sub-Doppler en incidence oblique, dont la forme est sensible à l’incidence, la polarisation et la longueur d’onde. Ces spectres ont été interprétés comme une signature d’un confinement tridimensionnel. Les expériences sur une opale multizone montre que sur une opale monocouche, nous observons aussi un signal sub-Doppler où il n’y a pas de confinement tridimensionnel.
Spectroscopie par réflexion sélective de vapeurs alcalines confinées dans des nanocellules et applications de détection émergentes Cette thèse vise à étudier l'interaction résonante d'un rayonnement laser avec une couche mince d'épaisseur sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nanocellule ; et les applications de détection qui en émergent.Nous nous concentrons sur la réflexion sélective se produisant à l'interface entre une fenêtre diélectrique et une vapeur résonante, et montrons que la dérivée des spectres de réflexion sélective est composée de résonances étroites dont les maxima correspondent aux positions des transitions atomiques. Ces résonances sont observées avec une largeur spectrale jusqu'à quinze fois plus fine que la largeur Doppler du milieu, et leurs amplitudes évoluent de façon linéaire avec celles des transitions. Grâce à ces propriétés et aux faibles épaisseurs de cellule pouvant être sondées, nous examinons les interactions atome-surface et mesurons le coefficient C3 de l'interaction de van der Waals.Nous présentons un modèle théorique décrivant l'interaction entre lumière quasi-résonante et nanocellule remplie d'une vapeur alcaline sous champ magnétique statique. Ce modèle se montre en excellent accord avec les résultats expérimentaux pour une large gamme de champs magnétiques depuis le régime Zeeman jusqu'au régime Paschen-Back. Au vu de ces résultats, nous proposons un concept de magnétomètre optique basé sur les nanocellules. Une preuve de faisabilité est présentée et une analyse en performance révèle un coefficient de variation des mesures de champs magnétiques inférieur à 5 % dans la gamme 0,4 - 2 kG.