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.
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.
Spectroscopie sous-Doppler de vapeurs alcalines confinées dans des cellules minces nanométriques et micrométriques Cette thèse explore divers aspects de la spectroscopie sous-Doppler, allant des études fondamentales de l'effet Zeeman aux processus de pompage cohérent. Elle offre une vue d'ensemble des avancées antérieures et actuelles en utilisant des cellules spectroscopiques fines d’épaisseur nanométrique et micrométrique. Du point de vue théorique, nous rappelons le modèle décrivant l'interaction entre un laser et une vapeur confinée dans une cellule fine. Nous présentons une description théorique complète du comportement d'une vapeur de sodium dans un champ magnétique allant jusqu'à 10 000 G. De plus, nous développons un cadre théorique complet pour l'annulation du moment dipolaire et calculons les valeurs de champ magnétique pour lesquelles les transitions Zeeman des atomes alcalins sont annulées. Ces valeurs dépendent uniquement de constantes physiques et peuvent servir de références pour l'étalonnage de magnétomètres. Nous présentons également un schéma de magnétomètre utilisant de fines cellules de potassium permettant de mesurer les champs magnétiques avec une haute résolution spatiale, potentiellement bénéfique pour la magnétométrie dans des environnements difficiles. La formation de résonances EIT dans des champs magnétiques forts est étudiée théoriquement et expérimentalement, montrant une faisabilité pour le verrouillage de la fréquence laser sur des fréquences fortement décalées. Enfin, nous explorons la formation de résonances N étroites et examinons l'effet d'un gaz tampon supplémentaire sur leur largeur et leur contraste. Les résonances N sont des candidates prometteuses pour des étalons de fréquence atomique pouvant être réalisés avec des lasers à diode disponibles dans le commerce.
Cette thèse présente l'étude de l'interaction de lumière cohérente avec une couche sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nano-cellule et applications pour la formation de résonances optiques étroites.Nous développons un modèle théorique décrivant l'interaction résonante de lumière laser avec la couche mince de vapeur alcaline en présence d'un champ magnétique. Nous montrons qu'en raison d'un régime transitoire d'interaction, seuls les atomes lents contribuent au signal et leur spectre de transmission est essentiellement sans effet Doppler. La nature des spectres obtenus fait de la spectroscopie de transmission, en nano-cellule, une technique pratique pour l'étude de transitions très rapprochées et l'évolution de leur comportement dans un champ magnétique. Des expériences réalisées pour des champs magnétiques jusqu'à 7000 G montrent un excellent accord entre théorie et expérience.Nous explorons aussi la rotation Faraday du plan de polarisation de la lumière lors de sa propagation dans la couche mince atomique. Bien que l'angle de rotation soit très faible, nous observons que les résonances des spectres de rotation Faraday sont plus étroites que celles de transmission. Enfin, nous étudions de nouvelles possibilités pour former des résonances optiques étroites et montrons qu'un traitement par deuxième dérivée des spectres de transmission donne le meilleur rétrécissement de raies parmi toutes les méthodes étudiées dans cette thèse.
Formation de résonances optiques étroites dans des couches fines de vapeur atomique de Cs, Rb, K et applications. Cette thèse présente l'étude de l'interaction de lumière cohérente avec une couche sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nano-cellule et applications pour la formation de résonances optiques étroites.Nous développons un modèle théorique décrivant l'interaction résonante de lumière laser avec la couche mince de vapeur alcaline en présence d'un champ magnétique. Nous montrons qu'en raison d'un régime transitoire d'interaction, seuls les atomes lents contribuent au signal et leur spectre de transmission est essentiellement sans effet Doppler. La nature des spectres obtenus fait de la spectroscopie de transmission, en nano-cellule, une technique pratique pour l'étude de transitions très rapprochées et l'évolution de leur comportement dans un champ magnétique. Des expériences réalisées pour des champs magnétiques jusqu'à 7000 G montrent un excellent accord entre théorie et expérience.Nous explorons aussi la rotation Faraday du plan de polarisation de la lumière lors de sa propagation dans la couche mince atomique. Bien que l'angle de rotation soit très faible, nous observons que les résonances des spectres de rotation Faraday sont plus étroites que celles de transmission. Enfin, nous étudions de nouvelles possibilités pour former des résonances optiques étroites et montrons qu'un traitement par deuxième dérivée des spectres de transmission donne le meilleur rétrécissement de raies parmi toutes les méthodes étudiées dans cette thèse.
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.
Interaction dipole dipole dans des vapeurs denses d'alcalins confinées en cellulesnanométriques. Les vapeurs atomiques confinées dans des cellules nanométriques constituent une plateforme intéressante pour la réalisation de senseurs atomiques. Dans cette thèse, nous étudions l’interaction entre la lumière et un ensemble d’atomes d’alcalins dans une telle cellule. Nous nous concentrons sur les phénomènes qui pourraient modifier la réponse optique du système et ainsi affecter la sensibilité du senseur. Premièrement, nous étudions la réponse non locale à la lumière induite par le mouvement des atomes dans la vapeur thermique. Quand la distance de relaxation des atomes excède la taille de la cellule, la réponse optique dépend de la taille du système. En transmission, nous avons montré que cela entraine une modification des propriétés de la vapeur avec une période égale à la longueur d’onde de la transition optique. Nous avons ensuite montré que lorsque la densité augmente, la réponse redevient locale. De plus, dans ce régime dense, l’interaction dipôle-dipôle résonnante engendre des déplacements de fréquences collectifs pour des ensembles sub-longueur d’onde. Nous avons démontré que ces shifts sont induits par la cavité formée par la cellule, clarifiant ainsi un débat de plus de 40 ans. Pour ce faire, nous avons développé un modèle pour extraire les effets de la densité déconvolués de ceux de la cavité. Proche des surfaces, la réponse optique des atomes est aussi impactée par l’interaction de van der Waals. Nous avons introduit une nouvelle méthode pour extraire avec précision la force de cette interaction. Nous avons également construit une nouvelle génération de nano-cellules super-polies en verre et enfin comparé les propriétés spectrales en transmission et spectroscopie hors d’axe.
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.