Post traitement de fibres creuses et spectroscopie atomique pour le développement de microcapsule photonique et atomique Cette thèse concerne la spectroscopie atomique pour le développement de microcellules photoniques à base de vapeur atomique alcaline (PMC). Le travail est motivé par reproduire les performances remarquables obtenues dans les domaines des références de fréquences et de l’optique cohérente en environnement laboratoire et à les transférer dans des dispositifs très compacts et autonomes accessibles à une communauté scientifique plus large ou à un marché commercial. Dans notre cas, ces futurs composants seront basés sur une fibre à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) remplie d'un matériau en phase gazeuse pour former la PMC et se distingue par une longueur d'interaction ultra longue associée à des dimensions modales transverses micrométriques. Cependant, cette échelle micrométrique du coeur creux de la fibre contenant les atomes soulève plusieurs défis techniques et scientifiques. Parmi les défis techniques, nous énumérons le développement d'un processus efficace pour le chargement d'atomes dans une telle fibre optique, la suppression ou l'atténuation de la réactivité physio-chimique des atomes (c'est-à-dire le rubidium) avec la surface interne silice entourant le coeur de la fibre, etc... En parallèle, le rapport large surface / volume du coeur de la fibre soulève des questions comme la dynamique de relaxation de la cohérence et la nature et l'effet de l'interaction atome-surface. Ainsi, les travaux de thèse reposent sur l’utilisation de revêtements spécifiques de la surface interne du coeur de la fibre avec différents matériaux pour atténuer ces réactions physico-chimiques, sur l'amincissement des larges coeurs creux des HC-PCF Kagomé à couplage inhibé et sur une technique de soudure qui garantit de faibles pertes d’insertion et l’absence de réactivité avec les atomes. Parallèlement, la thèse rapporte un ensemble d'expériences de spectroscopie pour évaluer la dynamique de relaxation des atomes à l'intérieur des HC-PCF et l’observation de nouvelles transparences sous-Doppler.
Post traitement de fibres creuses et spectroscopie atomique pour le développement de microcapsule photonique et atomique Cette thèse concerne la spectroscopie atomique pour le développement de microcellules photoniques à base de vapeur atomique alcaline (PMC). Le travail est motivé par reproduire les performances remarquables obtenues dans les domaines des références de fréquences et de l’optique cohérente en environnement laboratoire et à les transférer dans des dispositifs très compacts et autonomes accessibles à une communauté scientifique plus large ou à un marché commercial. Dans notre cas, ces futurs composants seront basés sur une fibre à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) remplie d'un matériau en phase gazeuse pour former la PMC et se distingue par une longueur d'interaction ultra longue associée à des dimensions modales transverses micrométriques. Cependant, cette échelle micrométrique du coeur creux de la fibre contenant les atomes soulève plusieurs défis techniques et scientifiques. Parmi les défis techniques, nous énumérons le développement d'un processus efficace pour le chargement d'atomes dans une telle fibre optique, la suppression ou l'atténuation de la réactivité physio-chimique des atomes (c'est-à-dire le rubidium) avec la surface interne silice entourant le coeur de la fibre, etc... En parallèle, le rapport large surface / volume du coeur de la fibre soulève des questions comme la dynamique de relaxation de la cohérence et la nature et l'effet de l'interaction atome-surface. Ainsi, les travaux de thèse reposent sur l’utilisation de revêtements spécifiques de la surface interne du coeur de la fibre avec différents matériaux pour atténuer ces réactions physico-chimiques, sur l'amincissement des larges coeurs creux des HC-PCF Kagomé à couplage inhibé et sur une technique de soudure qui garantit de faibles pertes d’insertion et l’absence de réactivité avec les atomes. Parallèlement, la thèse rapporte un ensemble d'expériences de spectroscopie pour évaluer la dynamique de relaxation des atomes à l'intérieur des HC-PCF et l’observation de nouvelles transparences sous-Doppler.
Ces travaux portent sur la fabrication et l’optimisation de microcellules photoniques (PMC) à la fois dans le cadre des vapeurs moléculaire comme l’acétylène mais aussi alcaline comme le rubidium. La chaîne de fabrication complète de fabrication y est présentée en partant du design de la fibre creuse où nous avons choisi d’utiliser une fibre hybride tubulaire/Kagomé pour son large coeur, ses faibles pertes et son contenu monomode. Après avoir fabriqué cette fibre, nous présentons un procédé de remplissage et de fermeture avec le gaz souhaité ne souffrant d’aucune source de contamination. Cela nous a permis la fabrication d’une PMC à base d’acétylène présentant de faibles pertes à l’injection et un nouvel état de l’art en terme de pic par spectroscopie d’absorption saturée avec 19MHz de largeur et 30% de contraste. Nous poussons ensuite l’étude de la spectroscopie sub-Doppler en fonction du mode utilisé grâce à la fabrication d’une fibre guidant préférentiellement un mode d’ordre supérieur qui a pour conséquence l’obtention d’un contraste plus élevé et un décalage en fréquence du pic de transparence. Le deuxième axe de cette thèse tente d’appliquer aux vapeurs alcalines les procédés précédents et d’autre pour aller vers la première PMC totalement fibrée à vapeur de rubidium. Parmi ces pistes, on note l’utilisation de revêtements intra-fibre qui permettent de limiter l’adsorption du rubidium et sa réactivité ou encore améliorant ses propriété anti-relaxantes. La caractérisation de ces dépôts sur les parois du coeur de fibres creuses a été réalisée intra-fibre par une mesure de la relaxation de polarisation.
Plateforme expérimentale pour l’optique atomique et refroidissement d'atomes intra-fibre creuse Cette thèse décrit la conception et la réalisation d'une plateforme expérimentale pour le refroidissement par laser et le guidage d’atomes de Rb dans les fibres à cristal photonique à cœur creux (HC-PCF). Cette plateforme a pour but de fournir un système polyvalent pour explorer le refroidissement par laser à l’intérieur des fibres avec l'objectif à plus long terme de réaliser une fibre optique constituée d’un cœur rempli d’atomes froids (micro-cellule photonique). La plateforme a été conçue pour héberger plusieurs expériences sur le guidage d'atomes froids et thermiques ainsi que la spectroscopie dans les HC-PCFs pour répondre à plusieurs questions ouvertes liées par exemple à l'effet de la surface interne des HC-PCFs sur la structure énergétique des atomes ainsi que le piégeage et le refroidissement des atomes. La plateforme comprend une chambre spécifique à vide ultra-élevée (UHV) et un ensemble de lasers pour le refroidissement et le guidage des atomes à l'intérieur du HC-PCF hautement adapté. La chambre UHV a été conçue pour accueillir plusieurs HC-PCFs et deux pièges magnéto-optiques (MOT). Les HC-PCFs ont été conçus et fabriqués avec différents diamètres de cœur, contenu modal et post-traités avec des matériaux différents pour la surface interne du cœur. Par exemple, les diamètres du cœur varient de ~ 30 μm à ~ 80 μm traités avec une couche d'aluminosilicate ou une couche de PDMS afin de fournir un grand espace de paramètres pour évaluer l'effet de la surface sur les atomes confinés dans les fibres. Ainsi, le système a été construit et caractérisé. Le laser de refroidissement/repompage a été stabilisé en fréquence, avec une variance d'Allan de σ(τ)=3,8×10^(-11)/√τ. Avec ce système nous avons généré un MOT avec les deux isotopes du Rb, avec une température de refroidissement faible de l’ordre de 7 μK. La plateforme est maintenant opérationnelle pour entreprendre le premier guidage atomique et explorer la faisabilité du refroidissement des atomes à l'intérieur des HC-PCFs.
Réalisation d’une expérience d’atomes froids dans une fibre à coeur creux : vers la cristallisation spontanée Les atomes froids sont des systèmes quantiques versatiles qui permettent l’étude de nombreux phénomènes quantiques grâce à des outils précis et un contrôle avec un haut degré de précision. De nombreuses expériences exploitent ces systèmes pour explorer des phénomènes d’organisation spontanée : des systèmes initialement désordonnés subissant une transition de phase vers un état ordonné sous l’effet des interactions entre leurs constituants. La plupart des études dans ce domaine utilisent des atomes confinés dans des cavités. Cependant, ces cavités imposent des restrictions sur les modes de lumière qui interagissent avec les atomes,prédéterminant ainsi la géométrie du système. Certaines expériences utilisant des cavités annulaires, dépourvues d’onde stationnaire, offrent un degré de liberté supplémentaire.Dans notre expérience, nous visons à aller encore plus loin : L’expérience qu’on a développé et décrite dans cette thèse a pour objectif de provoquer la cristallisation spontanée d’atomes froids en espace libre. En confinant les atomes dans une fibre à cœur creux (HCF), nous nous concentrons sur une seule dimension, considérant que les atomes sont en espace libre dans la direction longitudinale de la fibre. Le cristal d’atomes froids serait formé par des interactions de longue portée induites par la lumière avec laquelle ils, générant simultanément un cristal de lumière qui n’existait pas initialement. Au-delà d’un seuil d’intensité lumineuse, ces interactions biseraient la symétrie de translation du nuage atomique, avec un pas déterminé uniquement par les caractéristiques du nuage et de la lumière et non pas par une onde stationnaire.Ce type d’expérience pourrait contribuer à l’étude des interactions de longue portée, des mécanismes de formation des cristaux et pourrait trouver des applications dans les simulations quantiques ou les capteurs de champs magnétiques.Enfin, un aspect important est que la taille des expériences d’atomes froids reste généralement trop grande pour permettre des mesures en dehors des chambres à vide. Or, dans le cas de capteurs atomiques, les forces mesurées dépendent souvent de l’inverse de la distance par rapport aux champs observés. Il est donc crucial de tendre vers la miniaturisation des expériences d’atomes froids. Bien que d’autres travaux exploitent des HCF, cette expérience est unique en ce qu’elle connecte deux chambres à vide via une HCF, avec pour objectif l’utilisation d’atomes froids comme capteurs de champs magnétiques entre les chambres. Cela constitue une avancée vers des dispositifs plus compacts pour les expériences d’atomes froids.Ce projet a débuté avec mon doctorat. Dans ma thèse, je présente le développement et la construction de cette nouvelle expérience, ainsi que les premiers résultats concernant la source d’atomes froids, le chargement d’atomes dans la fibre à cœur creux, et une brève introduction aux phénomènes d’organisation spontanée.
La spectroscopie de vapeurs atomiques confinées dans des cellules d'épaisseur micrométrique, voire nanométrique, a permis d'étudier le rétrécissement Dicke cohérent, l'interaction Casimir-Polder entre des atomes et une surface, et d'observer des effets collectifs qui pourrait permettre le développer des technologies quantiques. En s'inspirant des expériences de spectroscopie de vapeurs atomiques confinées nous sondons des transitions moléculaires de l'ammoniac (NH3) et d'hexafluorure de soufre (SF6), à une longueur d'onde de 10.55µm, ainsi qu'une transition de l'acétylène (C2H2) dans le domaine des télécommunications, à 1.53µm, dans une cellule d'épaisseur avoisinant 5.3µm (cellule mince). Ces expériences mettent en évidence un rétrécissement Dicke, induit par les collisions molécule-surface, qui favorise la contribution des molécules lentes dans la direction de propagation du laser. Notre modèle prend en compte l'interaction transitoire du champ électromagnétique avec les molécules allant d'une paroi à l'autre, ainsi que les effets Fabry-Perot de faible finesse de la cellule. Il reproduit fidèlement les spectres expérimentaux et permet d'extraire l'élargissement, le décalage et l'intensité de chaque raie observée.L'intensité des transitions d'acétylène et d'ammoniac extraites de la spectroscopie moléculaire en cellule mince est cohérente avec les valeurs de la base de données moléculaires HITRAN et avec des expériences d'absorption linéaire. Ces résultats démontrent que la spectroscopie moléculaire à travers une cellule mince est une technique alternative fiable, linéaire et à haute résolution de fréquence, capable d'enrichir les bases de données moléculaires et de fournir des données spectroscopiques de haute qualité. Nous utilisons alors cette spectroscopie pour extraire l'intensité de nombreuses raies de SF6 qui ne sont pas répertoriées dans la base de données HITRAN. Nous sondons également les transitions NH3 et SF6 dans l'infrarouge moyen, dans une cellule d'une épaisseur nanométrique dont l'épaisseur est comprise entre 600nm et 1.2µm. Malgré la faible amplitude du signal, nos techniques de détection nous permettent d'obtenir des spectres, avec un bon rapport signal sur bruit, qui sont très bien décrits par notre modèle de cellule mince et nous permettent d'étudier la dynamique de ces gaz fortement confinés. Nos expériences montrent que la spectroscopie de l'acétylène à travers une cellule mince pourrait être utilisée pour développer des références de fréquence compactes dans le domaine des télécommunications. Nous présentons le prototype d'une nouvelle cellule mince à haute finesse qui pourrait produire un signal moléculaire suffisamment important pour stabiliser une source lase. Enfin, la spectroscopie moléculaire à travers des cellules minces pourrait également être utilisée pour étudier l'interaction Casimir-Polder entre les molécules et une surface. Nous envisageons de sonder des molécules HF dans une cellule d'épaisseur nanométrique qui pourraient mettre en évidence une anisotropie de l'interaction Casimir-Polder.
Optimisation d'ondes de matière cohérentes pour l'interférométrie atomique de précision Depuis une dizaine d'années, le développement des techniques de refroidissement laser et de piégeage atomique a permis la réalisation d'une multitude de dispositifs et de capteurs basés sur les atomes froids. De la réalisation d'horloges atomiques très précises à la mesure des constantes fondamentales de la physique, ces dispositifs repoussent en permanence les limites des phénomènes quantiques explorés.Une technique très commune mise en pratique dans ces expériences implique l'interférométrie atomique, où la nature ondulatoire de la matière est prédominante proche de la température du zéro absolu. Les interféromètres atomiques atteignent un niveau de précision permettant de tester les principes et les prédictions fondamentales de la physique moderne, comme le principe d'équivalence faible de Einstein ou la détection des ondes gravitationnelles par exemple. Ces expériences nécessitent des durées longues pour les mesures interférométriques, de l'ordre de (ou supérieures à) quelques secondes, et des sources à ondes de matière optimisées, dont la dynamique est parfaitement contrôlée. Ces expériences nécessitent une préparation et une collimation contrôlée d'ensembles atomiques en expansion, avec des vitesses inférieures à 100 micromètres par seconde, ce qui correspond à des températures T < nK. Dans mon projet de nature théorique, nous nous attachons à développer l'ingénierie quantique des états de condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes alcalins remplissant ces conditions inhabituelles de température.Pour réaliser ce type d'expériences, les expérimentateurs ont recours à l'utilisation des puces atomiques, qui sont des surfaces compactes micro-structurées. L'usage de ces dernières introduit des problèmes du type interaction atome-surface. Pour s'assurer du bon déroulement de l'expérience, on doit transporter le condensat loin de la puce sans l'exciter. On présente un ensemble d'outils théoriques pour manipuler ces BECs. La dynamique des condensats est traitée en calculant l'évolution temporelle d'un paquet d'ondes 3D avec un grand nombre d'atomes en interaction, en résolvant numériquement l'équation de Gross-Pitaevskii (GPE). Une technique dite de «scaling», qui consiste à réadapter les grilles est utilisée pour traiter la dynamique quantique 3D des condensats en phase d'expansion, qui ont rapidement de grandes tailles. Cette technique est purement numérique. Une application est prévue pour l'expérience «Quantus» qui se déroule en micro-gravité dans la tour de Brême. De plus, différentes procédures semi-classiques ont été détaillées pour traiter le transport macroscopique cohérent des condensats sur un dispositif à puce atomique. Des approches classiques basées sur le principe de la rétro-ingénierie et du raccourci vers l'adiabaticité (STA) ont ensuite été détaillées. Les premiers calculs basés sur l'ingénierie inverse et la GPE nous ont permis de prédire des conditions de transport réalistes pour préparer un nuage atomique optimisé pour l'interférométrie atomique, avec des vitesses d'expansion dans le domaine de sous-10pk. Cependant, cette approche souffre de certaines limites en termes de contrôle de l'état final du système. Afin d'aller plus loin, un nouveau modèle utilisant la théorie du contrôle optimal (OCT) est détaillé et développé. Ces approches permettent de prédire les variations des paramètres de contrôle (champ magnétique temporel par exemple) à réaliser pour transporter de manière parfaitement maîtrisée le condensat loin de la puce atomique. Le contrôle optimal du transport des BECs, une méthode qui nous a permis de montrer qu'il était possible de préparer l'état fondamental du piège final lors d'un transport rapide.Dans une dernière étape, nous utilisons cette technique optimale pour collimater de manière optimale le BEC en utilisant le delta kick-collimation (DKC) pour assurer une séquence temporelle plus courte et pour préparer l'entrée d'onde de matière la plus froide pour l'étape d'interférométrie.
Depuis une dizaine d'années, le développement des techniques de refroidissement laser et de piégeage atomique a permis la réalisation d'une multitude de dispositifs et de capteurs basés sur les atomes froids. De la réalisation d'horloges atomiques très précises à la mesure des constantes fondamentales de la physique, ces dispositifs repoussent en permanence les limites des phénomènes quantiques explorés.Une technique très commune mise en pratique dans ces expériences implique l'interférométrie atomique, où la nature ondulatoire de la matière est prédominante proche de la température du zéro absolu. Les interféromètres atomiques atteignent un niveau de précision permettant de tester les principes et les prédictions fondamentales de la physique moderne, comme le principe d'équivalence faible de Einstein ou la détection des ondes gravitationnelles par exemple. Ces expériences nécessitent des durées longues pour les mesures interférométriques, de l'ordre de (ou supérieures à) quelques secondes, et des sources à ondes de matière optimisées, dont la dynamique est parfaitement contrôlée. Ces expériences nécessitent une préparation et une collimation contrôlée d'ensembles atomiques en expansion, avec des vitesses inférieures à 100 micromètres par seconde, ce qui correspond à des températures T < nK. Dans mon projet de nature théorique, nous nous attachons à développer l'ingénierie quantique des états de condensats de Bose-Einstein (BEC) d'atomes alcalins remplissant ces conditions inhabituelles de température.Pour réaliser ce type d'expériences, les expérimentateurs ont recours à l'utilisation des puces atomiques, qui sont des surfaces compactes micro-structurées. L'usage de ces dernières introduit des problèmes du type interaction atome-surface. Pour s'assurer du bon déroulement de l'expérience, on doit transporter le condensat loin de la puce sans l'exciter. On présente un ensemble d'outils théoriques pour manipuler ces BECs. La dynamique des condensats est traitée en calculant l'évolution temporelle d'un paquet d'ondes 3D avec un grand nombre d'atomes en interaction, en résolvant numériquement l'équation de Gross-Pitaevskii (GPE). Une technique dite de «scaling», qui consiste à réadapter les grilles est utilisée pour traiter la dynamique quantique 3D des condensats en phase d'expansion, qui ont rapidement de grandes tailles. Cette technique est purement numérique. Une application est prévue pour l'expérience «Quantus» qui se déroule en micro-gravité dans la tour de Brême. De plus, différentes procédures semi-classiques ont été détaillées pour traiter le transport macroscopique cohérent des condensats sur un dispositif à puce atomique. Des approches classiques basées sur le principe de la rétro-ingénierie et du raccourci vers l'adiabaticité (STA) ont ensuite été détaillées. Les premiers calculs basés sur l'ingénierie inverse et la GPE nous ont permis de prédire des conditions de transport réalistes pour préparer un nuage atomique optimisé pour l'interférométrie atomique, avec des vitesses d'expansion dans le domaine de sous-10pk. Cependant, cette approche souffre de certaines limites en termes de contrôle de l'état final du système. Afin d'aller plus loin, un nouveau modèle utilisant la théorie du contrôle optimal (OCT) est détaillé et développé. Ces approches permettent de prédire les variations des paramètres de contrôle (champ magnétique temporel par exemple) à réaliser pour transporter de manière parfaitement maîtrisée le condensat loin de la puce atomique. Le contrôle optimal du transport des BECs, une méthode qui nous a permis de montrer qu'il était possible de préparer l'état fondamental du piège final lors d'un transport rapide.Dans une dernière étape, nous utilisons cette technique optimale pour collimater de manière optimale le BEC en utilisant le delta kick-collimation (DKC) pour assurer une séquence temporelle plus courte et pour préparer l'entrée d'onde de matière la plus froide pour l'étape d'interférométrie.