Parmi les mecanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet sisyphe conduit a une situation ou les atomes sont localises aux minima d'un potentiel periodique induit par la lumiere. Il est ainsi possible de creer un cristal optique dont les caracteristiques sont determinees par la geometrie des faisceaux lasers. Cette these propose une etude experimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) pieges dans un reseau de lumiere tridimensionnel, par une methode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels a l'echelle d'une fraction de longueur d'onde optique est demontree par l'observation de resonances raman stimulees entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de resonance a egalement revele le comportement paramagnetique d'un tel reseau en presence d'un champ magnetique. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densite dans le reseau conduit a une diffusion de type brillouin stimulee qui presente l'originalite de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion rayleigh stimulee donne acces a la diffusion spatiales des atomes dans le reseau. Une etude detaillee des resonances rayleigh demontre egalement l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumiere sur les atomes, mettant en evidence un effet analogue a l'effet photorefractif observe dans des cristaux de batio#3 ou linbo#3.
Parmi les mecanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet sisyphe conduit a une situation ou les atomes sont localises aux minima d'un potentiel periodique induit par la lumiere. Il est ainsi possible de creer un cristal optique dont les caracteristiques sont determinees par la geometrie des faisceaux lasers. Cette these propose une etude experimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) pieges dans un reseau de lumiere tridimensionnel, par une methode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels a l'echelle d'une fraction de longueur d'onde optique est demontree par l'observation de resonances raman stimulees entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de resonance a egalement revele le comportement paramagnetique d'un tel reseau en presence d'un champ magnetique. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densite dans le reseau conduit a une diffusion de type brillouin stimulee qui presente l'originalite de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion rayleigh stimulee donne acces a la diffusion spatiales des atomes dans le reseau. Une etude detaillee des resonances rayleigh demontre egalement l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumiere sur les atomes, mettant en evidence un effet analogue a l'effet photorefractif observe dans des cristaux de batio#3 ou linbo#3.
Parmi les mécanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet Sisyphe conduit à une situation où les atomes sont localisés aux minima d'un potentiel périodique induit par la lumière. Il est ainsi possible de créer un "cristal" optique dont les caractéristiques sont déterminées par la géométrie des faisceaux lasers. Cette thèse propose une étude expérimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) piégés dans un réseau de lumière tridimensionnel, par une méthode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels à l'échelle d'une fraction de longueur d'onde optique est démontrée par l'observation de résonances Raman stimulées entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de résonance a également révélé le comportement paramagnétique d'un tel réseau. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densité dans le réseau conduit à une diffusion de type Brillouin stimulée qui présente l'originalité de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion Rayleigh stimulée donne accès à la diffusion spatiales des atomes dans le réseau. Une étude détaillée des résonances Rayleigh démontre également l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumière sur les atomes, mettant en évidence un effet analogue à l'effet photoréfractif observé dans des cristaux de BaTiO3 ou LiNbO3.
Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale des propriétés d'un échantillon d'atomes froids de césium. Trois aspects différents de la physique de ces systèmes ont été abordés. Dans la première partie, nous décrivons une étude des propriétés de diffusion spatiale dans un réseau optique à géométrie quasi-périodique. Les caractéristiques déjà très intéressantes du mouvement diffusif dans un potentiel lumineux sont enrichies par la brisure de l'invariance par translation du potentiel, qui donne lieu à des effets particuliers. On a pu notamment mettre en évidence une anisotropie de la diffusion entre les directions périodique et quasi-périodique d'un réseau à symétrie décagonale. La deuxième partie discute les résultats d'une étude expérimentale sur les effets Hanle et Faraday non linéaires dans la transition 4 ® 5 du césium. Les particularités des atomes froids nous ont permis de proposer un modèle simple, basé sur l'équation du pompage optique pour la matrice densité dans l'état fondamental, qui explique de façon satisfaisante les observations expérimentales. Enfin, dans la troisième partie nous abordons le problème des instabilités d'un Piège Magnéto-Optique. Une étude expérimentale détaillée dans le cas d'un piège à trois bras indépendants et faisceaux retour rétro-réfléchis est complétée par un modèle dynamique qui prend en charge les variations spatiales de l'absorption des faisceaux lasers. Nous avons ainsi caractérisé un nouveau régime dynamique, différent du cas stochastique déjà connu, où les instabilités se présentent sous forme d'oscillations auto-entretenues de grande amplitude du nuage atomique.
Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale des phénomènes de transport dans les réseaux optiques d'atomes froids, en particulier les réseaux dits ‘brillant' dans lesquels les atomes piégés diffusent la lumière. Les principaux phénomènes de transport étudiés sont la diffusion spatiale et les modes de propagation appelés modes Brillouin. Les méthodes utilisées sont la spectroscopie pompe-sonde, que nous avons utilisée dans deux configurations différentes, la méthode des résonances induites par le recul pour les mesures de températures et l'imagerie du nuage d'atomes refroidis pour l'étude de la diffusion spatiale et des modes de propagations. Les modes de propagation Brillouin, détectés jusqu'ici par spectroscopie pompe-sonde, ont été pour la première visualisés directement par imagerie : soit par une augmentation de la diffusion spatiale, soit par un déplacement du nuage atomique dans la direction d'excitation. L'étude de la diffusion spatiale pour différentes géométries du réseau a montré d'une part l'anisotropie de la diffusion dans un réseau périodique, et d'autre part que la diffusion dépend fortement de la périodicité du réseau. Une étude sur la température menée en parallèle montre que la température en revanche ne dépend pas de la périodicité du réseau mais seulement de la profondeur des puits. Enfin, nous avons montré que la relation proposée jusqu'ici pour relier la largeur de la résonance centrale des spectres pompe-sonde (résonance Rayleigh) à la diffusion spatiale n'est pas vérifiée dans notre réseau. Des études expérimentales pour vérifier si la largeur de cette résonance peut être reliée au taux de relaxation de la distribution de vitesse sont également présentées.
Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'atomes piégés et refroidis dans plusieurs types de structures lumineuses. Nous avons utilisé pour caractériser ces milieux des techniques de temps de vol, d'imagerie directe du nuage atomique et de spectroscopie pompe-sonde, afin d'obtenir des informations sur la température et la diffusion spatiale des atomes ainsi que sur leur mouvement dans les puits de potentiel. Nous avons d'abord étudié la dynamique d'atomes de césium dans des réseaux optiques tri-dimensionnels brillants en présence d'un champ magnétique, et nous avons en particulier montré que les réseaux optiques fonctionnant en régime sautant donnent lieu à un refroidissement et un piégeage efficaces, et qu'un mécanisme de rétrécissement par le mouvement y conduit à des raies vibrationnelles étroites sur les spectres de transmission pompe-sonde. Avec des atomes de césium, nous avons également créé et caractérisé un réseau optique tri-dimensionnel brillant obtenu avec seulement deux faisceaux laser grâce à l'effet Talbot, puis un milieu aléatoire engendré à partir d'un champ de tavelures. Enfin, nous avons étudié un ``moteur brownien'' pour des atomes de (87)Rb dans un réseau gris asymétrique. Les résultats de l'étude expérimentale sont en bon accord qualitatif avec des simulations numériques Monte-Carlo semi-classiques.
Cet article s'inscrit dans le double contexte de la spectroscopie non linéaire des milieux atomiques et de la physique du refroidissement d'atomes neutres par laser. Il présente une étude détaillée des spectres de transmission d'une onde sonde interagissant avec une mélasse optique unidimensionnelle. Plus précisément, nous montrons que dans chacun des deux cas modèles des mélasses “” et “” (ainsi dénommées par référence à la configuration de polarisation des deux faisceaux lasers à l'origine du mécanisme de refroidissement), les spectres pompes-sonde présentent des structures résonnantes pouvant s'interpréter en termes de diffusion Raman ou Rayleigh stimulée, et apportant un grand nombre d'informations sur les propriétés physiques des mélasses optiques. Cet article s'articule autour de deux grandes parties. Destinée à faire ultérieurement ressortir la spécificité des processus de diffusion stimulée se produisant dans les mélasses optiques, la première est consacrée à une présentation générale des processus Raman et Rayleigh stimulés se produisant dans les milieux atomiques et moléculaires conventionnels. L'effet Raman stimulé, lié à l'existence de centres diffuseurs ayant des états d'énergies et de populations différentes, fait l'objet du paragraphe 2. Dans le cas des vapeurs atomiques, traditionnellement moins connu que celui des molécules, on met ainsi en évidence l'existence de transitions Raman stimulées entre sous-niveaux Zeeman ayant des populations et des déplacements lumineux différents, qui se manifestent sur le spectre de transmission d'une onde sonde sous la forme de résonances lorentziennes en absorption et en amplification ayant une largeur de l'ordre du taux de pompage optique. Le paragraphe 3 présente une étude plus détaillée de l'effet Rayleigh stimulé, associé à l'excitation d'observables non propagatives (c'est-à-dire dont la dynamique ne contient aucune fréquence propre d'évolution) dans le milieu diffuseur sous l'action de l'interférence entre un champ pompe et une onde sonde, et à l'existence d'un mécanisme conduisant à un déphasage de la modulation spatiale et temporelle des observables par rapport à l'excitation pompe-sonde. En considérant le cas le plus couramment répandu où le déphasage est lié à l'existence d'un mécanisme de relaxation dans le milieu diffuseur, et où la diffusion Rayleigh stimulée se manifeste généralement sous la forme de résonances dispersives ayant pour demi-largeur le taux de relaxation associé, nous dégageons trois critères de classification des mécanismes de diffusion Rayleigh stimulée portant sur les caractéristiques du milieu diffuseur, du processus de relaxation intervenant dans ce milieu, et du mécanisme d'excitation du milieu par l'onde sonde. Cette classification est alors utilisée d'une part dans le cas des milieux moléculaires denses, où l'on décrit successivement les effets “Rayleigh-wing” (lié à l'orientation de molécules anisotropes le long du champ électrique local), Rayleigh électrostrictif diffusif et Rayleigh thermodiffusif (dus à une modulation spatiale de la densité) ; et d'autre part dans le cas des vapeurs atomiques, où l'on distingue le cas des atomes à deux niveaux (pour lequel une interprétation de la résonance Rayleigh est donnée en termes d'interférence quantique entre processus de diffusion de photons), puis la situation des atomes possédant plusieurs sous-niveaux Zeeman dégénérés dans le niveau fondamental (où l'effet Rayleigh stimulé est lié au pompage optique et à la création d'observables atomiques). La seconde partie de cet article porte sur l'étude des processus Raman et Rayleigh stimulés dans les mélasses optiques unidimensionnelles, dont la grande originalité réside dans l'imbrication intime entre les degrés de liberté internes et externes des atomes, qui est à l'origine même des mécanismes de refroidissement. Le paragraphe 4 est consacré à l'étude des mélasses . On considère le cas d'une transition , et l'on se restreint aux situations pour lesquelles la partie dissipative du couplage atome-laser est négligeable devant la partie hamiltonienne (régime oscillant du refroidissement Sisyphe). On étudie les processus Raman stimulés entre niveaux vibrationnels quantifiés des atomes au fond des puits du potentiel optique associé aux déplacements lumineux des sous-niveaux Zeeman, et l'on met en évidence un phénomène d'allongement de la durée de vie des cohérences entre niveaux de vibration lié à la forte localisation spatiale des atomes (effet Lamb-Dicke). Des résonances Rayleigh stimulées très sensibles à la polarisation de la sonde sont également prédites au centre des spectres. Une interprétation de ces structures est donnée en termes de diffraction des faisceaux de refroidissement sur des réseaux de densité ou de magnétisation modulés temporellement par la sonde, et l'on montre que ces résonances donnent des informations sur les propriétés dynamiques du milieu, ainsi que sur l'ordre spatial anti-ferromagnétique des atomes. Des indications sur le traitement de transitions atomiques de moment cinétique plus élevé sont données, et l'on discute plus particulièrement le cas de la transition du césium, où l'on prédit un processus de renversement de la résonance Rayleigh lié à une dépendance résonnante des populations des niveaux vibrationnels en fonction de la profondeur des puits de potentiel. Le paragraphe 5 est consacré à l'étude des mélasses . On considère le cas d'une transition , et l'on se restreint aux situations pour lesquelles la distribution stationnaire d'impulsion est contenue dans le domaine de linéarité de la force de refroidissement. Dans ces conditions, il est possible de décrire la dynamique des degrés de liberté externes de l'atome au moyen d'une équation de Fokker-Planck, après élimination adiabatique des variables atomiques internes. On étudie d'une part les processus Raman stimulés entre sous-niveaux Zeeman mettant en évidence l'existence de différences de populations et de déplacements lumineux dans l'état fondamental, et d'autre part les processus Rayleigh stimulés donnant accès aux temps de relaxation des variables externes. On envisage deux cas de polarisation pour l'onde sonde, selon que le faisceau pompe avec lequel elle se copropage a une polarisation circulaire identique ou opposée à celle de la sonde. Dans le premier cas, on montre que les résonances Raman ne subissent pas d'élargissement inhomogène. Il est également montré qu'une résonance Rayleigh apparaît sur les spectres, due à la modulation temporelle de la force de refroidissement par la sonde, qui induit une modulation de la distribution d'impulsion atomique. Cette résonance a une largeur proportionnelle au coefficient de friction de la force de refroidissement. Dans le second cas, on met en évidence un processus d'élargissement inhomogène des résonances Raman, ainsi qu'une résonance centrale de type Raman induite par le recul ayant la forme d'une dérivée de gaussienne de largeur proportionnelle à la largeur Doppler de la mélasse. Finalement, le paragraphe 6 conclut l'article par un résumé des principaux développements enregistrés au cours des dernières années dans le domaine de la spectroscopie non linéaire des mélasses optiques.
Dans la première partie de cet article, nous nous sommes attachés à décrire dans le détail les caractéristiques générales des processus de diffusion Raman et Rayleigh stimulée se produisant dans les milieux atomiques et moléculaires traditionnels, de manière à bien faire ressortir les spécificités des propriétés optiques non linéaires des mélasses optiques, dont l'étude fait l'objet de cette seconde partie. L'origine de ces spécificités réside dans une particularité des atomes refroidis par laser, à savoir l'intime corrélation entre degrés de liberté internes et externes dans leur réponse non linéaire. Cette caractéristique est en fait inhérente au processus de ralentissement : d'une part la force exercée par les faisceaux lasers sur les atomes (pression de radiation et redistribution de photons) dépend fortement de l'état atomique interne, et d'autre part cet état est modifié de façon très sélective en position ou en vitesse par les ondes lasers de refroidissement (déplacements lumineux et pompage optique). Elle sous-tend toute la richesse et l'originalité du comportement non linéaire des mélasses optiques, mais aussi toute la complexité de leur modélisation théorique, qui requiert une description globale de l'évolution des degrés de liberté internes et externes des atomes sous l'action des champs lasers. Afin de mettre en évidence le lien entre ces corrélations et les propriétés non linéaires des atomes froids, nous concentrerons notre étude d'une part sur les mélasses qui constituent un cas de couplage entre état interne et position des atomes localisés au fond des puits du potentiel associé aux déplacements lumineux (paragr. 4), et d'autre part sur les mélasses qui correspondent quant à elles à un couplage entre état interne et vitesse atomiques (paragr. 5).