Ce mémoire porte sur le développement de deux outils pour réaliser des expériences d'optique atomique. Le premier de ces outils est une source qui produit un faisceau intense d'atomes d'hélium métastables. Elle est produite à partir d'un jet supersonique cryogénique d'hélium. On effectue plusieurs opérations de manipulation par laser afin d'augmenter l'intensité du jet atomique. On applique tout d'abord une mélasse optique transverse afin de collimater le faisceau atomique. Puis on décélère les atomes en utilisant la technique du ralentissement Zeeman. La faible masse de l'hélium a deux conséquences importantes sur le ralentissement: la distance nécessaire pour stopper les atomes est importante (~ 2 m), et le phénomène de diffusion transverse est particulièrement prononcé. Il faut donc recomprimer spatialement le jet atomique. Dans ce but, on utilise un dispositif original, le "concentrateur". Celui-ci permet de focaliser le jet atomique rapide en un point de son axe. Le gain d'intensité atomique au point focal est d'environ 20. La position transverse du point focal peut être balayée en appliquant un champ magnétique variable. Le deuxième outil développé est un miroir à atomes utilisant une onde évanescente. Pour pouvoir s'affranchir de l'émission spontanée pendant la réflexion, qui détruit la cohérence de l'onde de De Broglie réfléchie, il faut disposer d'une intensité lumineuse dans l'onde évanescente très importante. On utilise un système résonnant de couches minces diélectriques déposées sur un prisme pour "exalter" l'intensité de l'onde évanescente par plus de 3 ordres de grandeur. On emploie une méthode optique d'analyse de la lumière réfléchie par le prisme pour estimer le coefficient d'exaltation. Cette technique simple permet le contrôle in-situ de l'exaltation lors des expériences de réflexion d'atomes. Ce système a été utilisé pour réfléchir des atomes de rubidium avec une probabilité d'émission spontanée inférieure à 1 %.
Ce mémoire porte sur le développement de deux outils pour réaliser des expériences d'optique atomique. Le premier de ces outils est une source qui produit un faisceau intense d'atomes d'hélium métastables. Elle est produite à partir d'un jet supersonique cryogénique d'hélium. On effectue plusieurs opérations de manipulation par laser afin d'augmenter l'intensité du jet atomique. On applique tout d'abord une mélasse optique transverse afin de collimater le faisceau atomique. Puis on décélère les atomes en utilisant la technique du ralentissement Zeeman. La faible masse de l'hélium a deux conséquences importantes sur le ralentissement: la distance nécessaire pour stopper les atomes est importante (~ 2 m), et le phénomène de diffusion transverse est particulièrement prononcé. Il faut donc recomprimer spatialement le jet atomique. Dans ce but, on utilise un dispositif original, le "concentrateur". Celui-ci permet de focaliser le jet atomique rapide en un point de son axe. Le gain d'intensité atomique au point focal est d'environ 20. La position transverse du point focal peut être balayée en appliquant un champ magnétique variable. Le deuxième outil développé est un miroir à atomes utilisant une onde évanescente. Pour pouvoir s'affranchir de l'émission spontanée pendant la réflexion, qui détruit la cohérence de l'onde de De Broglie réfléchie, il faut disposer d'une intensité lumineuse dans l'onde évanescente très importante. On utilise un système résonnant de couches minces diélectriques déposées sur un prisme pour "exalter" l'intensité de l'onde évanescente par plus de 3 ordres de grandeur. On emploie une méthode optique d'analyse de la lumière réfléchie par le prisme pour estimer le coefficient d'exaltation. Cette technique simple permet le contrôle in-situ de l'exaltation lors des expériences de réflexion d'atomes. Ce système a été utilisé pour réfléchir des atomes de rubidium avec une probabilité d'émission spontanée inférieure à 1 %.
Dans une onde electromagnetique inhomogene, l'effet Stark dynamique agit comme un potentiel sur le mouvement externe d'un atome. Ceci a ete demontre par la reflexion speculaire d'atomes : un jet supersonique d'atomes metastables de neon est reflechi (a incidence rasante) par une surface, sur laquelle est excitee une onde evanescente quasi-resonante avec une transition optique. L'onde evanescente est produite, soit par l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de Kretschmann, soit en couplant un laser avec un guide d'onde dielectrique. Les deux techniques permettent la reflexion d'atomes ayant des vitesses transverses inferieures a 4. 2 m/s. Cette etude est elargie au cas d'une onde evanescente partiellement stationnaire. Elle fait apparaitre des resonances multiphotoniques dans le potentiel optique (resonances dopplerons). Ce phenomene est explique par un modele theorique base sur la resolution des equations de Bloch optiques. Une approche de type atome habille est aussi en bon accord avec les observations. Finalement, une etude prospective est menee sur le caractere ondulatoire de l'atome dans ce dispositif d'optique atomique. La multiplicite Zeeman de l'etat metastable reflechi par l'onde evanescente permet, en principe, une investigation experimentale de l'interaction de surface de type Van Der Waals. Une methode interferometrique, permettant la mesure de cette phase atomique, est enfin discutee.
Les ondes optiques sont couramment utilisees en interferometrie atomique : les transferts d'impulsion du rayonnement aux atomes permettent de manipuler ces derniers de diverses manieres. Ce travail est consacre a l'etude de l'interaction d'atomes neutres metastables avec des champs optiques evanescents. Nous avons tout d'abord considere le cas d'une onde evanescente stationnaire exaltee a la surface d'un prisme. La technique d'exaltation utilisee ici est l'excitation d'un plasmon de surface dans la configuration de kretschmann. Nous avons ainsi montre que sous incidence rasante et en adoptant une geometrie adequate on pouvait reduire le decalage doppler. Le reseau de phase optique que constitue l'onde evanescente stationnaire permet alors de diffracter de facon efficace un jet supersonique d'atomes de neon metastables. Ce dispositif peut jouer le role d'une separatrice en interferometrie atomique. Le taux de diffraction que nous avons observe, comparable en fait au taux de reflexion, est de loin superieur aux previsions theoriques du modele de l'atome a deux niveaux. Une explication avait deja ete avancee pour une observation de meme type, montrant que la structure zeeman pouvait jouer un role crucial dans le mecanisme de la diffraction. Dans notre cas, cette explication se revele insuffisante, ce qui nous a conduit a examiner le detail de ces modeles pour proposer de nouvelles voies d'investigation. Parallelement a ce travail nous avons envisage l'utilisation du potentiel optique cree par l'onde evanescente entourant une fibre optique etiree. Une etude theorique de l'interaction d'un faisceau d'atomes supersoniques avec cette onde evanescente est presentee. Cette etude montre la possibilite de realiser un interferometre atomique a bras separes, dont l'analogue optique est le biprisme de fresnel. Nous decrivons la source laser asservie en frequence que nous avons realisee, avant de presenter nos resultats experimentaux preliminaires.
Ce manuscrit présente différentes études expérimentales qui s'inscrivent dans le cadre d'une recherche dont l'objectif est la réalisation d'un “laser à atomes” continu et intense. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental qui permet de mettre en oeuvre le refroidissement par évaporation forcée d'un jet atomique guidé magnétiquement. Le gain observé, d'un facteur 10, sur la densité dans l'espace des phases est limité par la dynamique collisionnelle du jet. Pour améliorer les performances du refroidissement, il apparaît nécessaire de développer de nouvelles techniques expérimentales. Nous détaillons ainsi une nouvelle méthode d'évaporation très efficace, par mise en contact des atomes du jet avec une surface matérielle. Les autres études menées portent sur la production et la manipulation de nuages atomiques ultra-froids. La première consiste à ralentir des paquets atomiques par réflexion sur un miroir magnétique mobile. La seconde permet la capture et le refroidissement d'une succession de paquets atomiques dans un train de pièges de Ioffe-Pritchard. La dernière technique met en oeuvre un piège dipolaire, produit par un faisceau laser de forte puissance, afin de produire puis de mettre en mouvement des paquets atomiques ultra-froids très denses. Nous présentons enfin un nouveau protocole d'imagerie par absorption donnant accès à des mesures quantitatives et précises des nuages atomiques optiquement épais que nous produisons.
Des jets atomiques lents sont des outils pratiques pour plusieurs applications: interféromètres atomiques, horloges atomiques, condensats de Bose-Einstein et expériences d’optique atomique. En ce qui concerne les horloges atomiques, ume fontaine continue [1] a l’avantage d’une moindre densite ́ atomique pour un rapport signal sur bruit donne ́ que leurs équivalentes pulsées, ce qui conduit a ̀ des déplacements collisionnels plus faibles. De plus, l’emploi d’une telle fontaine permet d’éliminer l’effet d’intermodulation associe ́ au bruit de phase de l’oscillateur local [2]. Afin de profiter pleinement de ces atouts, il nous faut augmenter le flux utile. Une manière de procéder est de charger la mélasse optique mouvante a ̀ partir d’un jet atomique lent, plutôt qu’a ̀ partir de la queue faible vitesse d’une vapeur a ̀ 10−8 mbar. Des sources d’atomes lents peuvent être générées par plusieurs méthodes. Le ralentissement Zeeman d’un jet thermique permet une source continue mais au prix d’un dispositif encombrant, alors que le ralentissement par balayage rapide d’une fréquence laser ne fournit que des paquets d’atomes. Ici nous proposons une solution bien plus simple: un piège magnéto-optique bi-dimensionnel (PMO-2D)produisant un jet continu lent (v ' 20 m/s). Toutefois la mise en oeuvre d’un PMO est souvent coûteuse du fait des optiques requises (cubes séparateurs de polarisation, lames quart d’onde et nombreux traitements anti-
Ce manuscrit regroupe les résultats obtenus sur deux expériences d'optique atomique. La première partie du mémoire est consacrée à l'étude de la rugosité d'un miroir atomique. Le potentiel lumineux d'une onde évanescente à la surface d'un prisme est utilisé pour réfléchir les atomes tombant d'un piège magnéto-optique. Nous présentons une méthode de mesure interférométrique du maintien de la cohérence de l'onde atomique incidente lors de sa réflexion sur le miroir. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse à une expérience de puce atomique. Le champ magnétique rayonné par les fils microfabriqués qui constituent la puce nous permet de piéger et de manipuler des atomes froids. Nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein dans le piège créé par la puce. Ce piège s'avère être rugueux, nous mesurons et déterminons l'origine de cette rugosité. Enfin nous envisageons la réalisation d'éléments d'optique atomique intégrée, tel qu'un interféromètre, sur une puce atomique.
Dans ce mémoire, nous présentons une étude à haute résolution de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente. Pour cette étude, nous avons utilisé des transitions Raman sélectives en vitesse. Ces transitions sont doublement exploitées. On réalise d'une part, à l'aide de ces transitions, une sélection en vitesse sur le nuage issu d'un piège magnéto-optique. Cette sélection permet de collimater spatialement l'onde atomique incidente sur le miroir afin d'avoir une bonne résolution dans l'étude de la spécularité. A l'aide des transitions Raman, on sonde finement d'autre part la distribution en vitesse des atomes après le rebond. La mise en place expérimentale de ces transitions est d'abord décrite. On utilise des impulsions de type Blackman. Avec ce dispositif,une mesure de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente est ensuite réalisée. Le rebond observé est compatible avec une réflexion spéculaire, à condition de choisir une onde évanescente suffisamment désaccordée par rapport à la transition atomique. Nous avons donné une limite supérieure de l'incertitude sur la mesure de la rugosité. Nous présentons également la mise en place d'une détection optique d'atomes froids induisant peu d'émission spontanée sur les atomes. Cette détection consiste à mesurer la phase induite par un échantillon d'atomes sur un faisceau laser en utilisant les techniques de spectroscopie par modulation de phase. Au cours de la détection, 80% des atomes n'absorbent aucun photon.