Cette thèse explore expérimentalement et numériquement la dynamique temporelle de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés et ordonnés (ou semi-ordonnés) d'atomes froids dilués, dans le régime de l'optique linéaire. La recherche s'inscrit dans un contexte où la diffusion multiple de la lumière dans ces milieux permet d'explorer des comportements collectifs de désexcitation rapide ou retardée, dont la compréhension a des implications importantes en physique mésoscopique et en optique quantique, particulièrement dans le domaine de la diffusion des ondes dans des milieux résonants. La première motivation est de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la super-radiance, phénomène où la désexcitation de la lumière se produit plus rapidement que pour un atome isolé, et la sous-radiance, où la désexcitation est ralentie. Ces comportements sont liés à des processus de diffusion multiple, mais leurs liens physiques exacts restaient flous avant cette étude. Une seconde motivation, dans la continuité de la première, est d'étudier la dynamique temporelle dans des ensembles ordonnés, où les atomes sont piégés dans un réseau périodique unidimensionnel, l'ordre faisant apparaître une réflexion de Bragg. La question était de savoir quel est l'effet de l'ajout de cet ordre sur la dynamique temporelle de la lumière réfléchie et transmise. La méthodologie adoptée repose sur des simulations numériques basées sur le modèle des dipôles couplés ainsi que sur la théorie de la dispersion linéaire, comparées aux expériences menées sur des atomes de rubidium refroidis par laser. Des protocoles expérimentaux précis ont été développés pour contrôler les profils temporels de l'extinction de la sonde et observer la réponse des systèmes atomiques. Les résultats les plus significatifs incluent la découverte que la super-radiance n'est pas toujours maximale pour les extinctions les plus rapides du champ incident, mais qu'il existe un temps d'extinction optimal permettant de maximiser ce phénomène. De plus, nous avons pu lier la super-radiance et la sous-radiance grâce à notre compréhension issue du modèle de la dispersion linéaire, en soulignant le rôle de l'élargissement spectral induit par la coupure rapide du laser de sonde. Enfin, avec la première observation de la dynamique temporelle dans un miroir de Bragg, nous avons révélé un effet inattendu de flash dans la réflexion, similaires à celui observés dans des milieux désordonnés. En conclusion, ces résultats contribuent à la compréhension des processus collectifs de diffusion de la lumière dans des milieux dilués et ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la manipulation de la lumière dans des systèmes atomiques complexes et ordonnés. Ils offrent également des perspectives pour le développement de dispositifs optiques innovants basés sur ces phénomènes.
Cette thèse explore expérimentalement et numériquement la dynamique temporelle de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés et ordonnés (ou semi-ordonnés) d'atomes froids dilués, dans le régime de l'optique linéaire. La recherche s'inscrit dans un contexte où la diffusion multiple de la lumière dans ces milieux permet d'explorer des comportements collectifs de désexcitation rapide ou retardée, dont la compréhension a des implications importantes en physique mésoscopique et en optique quantique, particulièrement dans le domaine de la diffusion des ondes dans des milieux résonants. La première motivation est de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la super-radiance, phénomène où la désexcitation de la lumière se produit plus rapidement que pour un atome isolé, et la sous-radiance, où la désexcitation est ralentie. Ces comportements sont liés à des processus de diffusion multiple, mais leurs liens physiques exacts restaient flous avant cette étude. Une seconde motivation, dans la continuité de la première, est d'étudier la dynamique temporelle dans des ensembles ordonnés, où les atomes sont piégés dans un réseau périodique unidimensionnel, l'ordre faisant apparaître une réflexion de Bragg. La question était de savoir quel est l'effet de l'ajout de cet ordre sur la dynamique temporelle de la lumière réfléchie et transmise. La méthodologie adoptée repose sur des simulations numériques basées sur le modèle des dipôles couplés ainsi que sur la théorie de la dispersion linéaire, comparées aux expériences menées sur des atomes de rubidium refroidis par laser. Des protocoles expérimentaux précis ont été développés pour contrôler les profils temporels de l'extinction de la sonde et observer la réponse des systèmes atomiques. Les résultats les plus significatifs incluent la découverte que la super-radiance n'est pas toujours maximale pour les extinctions les plus rapides du champ incident, mais qu'il existe un temps d'extinction optimal permettant de maximiser ce phénomène. De plus, nous avons pu lier la super-radiance et la sous-radiance grâce à notre compréhension issue du modèle de la dispersion linéaire, en soulignant le rôle de l'élargissement spectral induit par la coupure rapide du laser de sonde. Enfin, avec la première observation de la dynamique temporelle dans un miroir de Bragg, nous avons révélé un effet inattendu de flash dans la réflexion, similaires à celui observés dans des milieux désordonnés. En conclusion, ces résultats contribuent à la compréhension des processus collectifs de diffusion de la lumière dans des milieux dilués et ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la manipulation de la lumière dans des systèmes atomiques complexes et ordonnés. Ils offrent également des perspectives pour le développement de dispositifs optiques innovants basés sur ces phénomènes.
Cette thèse explore expérimentalement et numériquement la dynamique temporelle de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés et ordonnés (ou semi-ordonnés) d'atomes froids dilués, dans le régime de l'optique linéaire. La recherche s'inscrit dans un contexte où la diffusion multiple de la lumière dans ces milieux permet d'explorer des comportements collectifs de désexcitation rapide ou retardée, dont la compréhension a des implications importantes en physique mésoscopique et en optique quantique, particulièrement dans le domaine de la diffusion des ondes dans des milieux résonants. La première motivation est de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la super-radiance, phénomène où la désexcitation de la lumière se produit plus rapidement que pour un atome isolé, et la sous-radiance, où la désexcitation est ralentie. Ces comportements sont liés à des processus de diffusion multiple, mais leurs liens physiques exacts restaient flous avant cette étude. Une seconde motivation, dans la continuité de la première, est d'étudier la dynamique temporelle dans des ensembles ordonnés, où les atomes sont piégés dans un réseau périodique unidimensionnel, l'ordre faisant apparaître une réflexion de Bragg. La question était de savoir quel est l'effet de l'ajout de cet ordre sur la dynamique temporelle de la lumière réfléchie et transmise. La méthodologie adoptée repose sur des simulations numériques basées sur le modèle des dipôles couplés ainsi que sur la théorie de la dispersion linéaire, comparées aux expériences menées sur des atomes de rubidium refroidis par laser. Des protocoles expérimentaux précis ont été développés pour contrôler les profils temporels de l'extinction de la sonde et observer la réponse des systèmes atomiques. Les résultats les plus significatifs incluent la découverte que la super-radiance n'est pas toujours maximale pour les extinctions les plus rapides du champ incident, mais qu'il existe un temps d'extinction optimal permettant de maximiser ce phénomène. De plus, nous avons pu lier la super-radiance et la sous-radiance grâce à notre compréhension issue du modèle de la dispersion linéaire, en soulignant le rôle de l'élargissement spectral induit par la coupure rapide du laser de sonde. Enfin, avec la première observation de la dynamique temporelle dans un miroir de Bragg, nous avons révélé un effet inattendu de flash dans la réflexion, similaires à celui observés dans des milieux désordonnés. En conclusion, ces résultats contribuent à la compréhension des processus collectifs de diffusion de la lumière dans des milieux dilués et ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la manipulation de la lumière dans des systèmes atomiques complexes et ordonnés. Ils offrent également des perspectives pour le développement de dispositifs optiques innovants basés sur ces phénomènes.
Cette thèse étudie les propriétés de cohérence temporelle et les effets collectifs de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés d'atomes froids. En utilisant des nuages d'atomes froids comme une plateforme expérimentale hautement contrôlable, nous combinons des mesures des fonctions de corrélation optique du premier et du second ordre avec des modèles théoriques et des simulations numériques afin de caractériser différents régimes de diffusion. Nous examinons tout d'abord la relation de Siegert, établissons les conditions de sa validité et vérifions expérimentalement son applicabilité dans notre système en tant que lien simple entre les fonctions de corrélation du premier et du second ordre. Nous identifions ensuite une transition entre deux régimes distincts de diffusion de la lumière, caractérisés par différents mécanismes responsables de la perte de cohérence : un mécanisme classique induit par le mouvement atomique à faible saturation et un mécanisme dominé par les fluctuations quantiques associé à l'émission spontanée en régime de forte saturation. Nous étudions ensuite le rôle de la géométrie du nuage atomique dans le processus de diffusion, en montrant que le contrôle de la géométrie du nuage permet de diminuer la diffusion multiple et, par conséquent, d'augmenter le temps de cohérence de la lumière diffusée. Enfin, nous explorons théoriquement des signatures d'effets collectifs dans la dynamique des oscillations de Rabi de systèmes à deux niveaux fortement excités et en interaction, révélant un déplacement collectif de la fréquence de résonance qui augmente avec l'épaisseur optique du système. Ces résultats montrent que les nuages d'atomes froids constituent des plateformes versatiles pour produire de la lumière de manière contrôlée.
Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain.
Cohérence temporelle et effets collectifs dans la diffusion de la lumière par des atomes froids Cette thèse étudie les propriétés de cohérence temporelle et les effets collectifs de la lumière diffusée par des ensembles désordonnés d'atomes froids. En utilisant des nuages d'atomes froids comme une plateforme expérimentale hautement contrôlable, nous combinons des mesures des fonctions de corrélation optique du premier et du second ordre avec des modèles théoriques et des simulations numériques afin de caractériser différents régimes de diffusion. Nous examinons tout d'abord la relation de Siegert, établissons les conditions de sa validité et vérifions expérimentalement son applicabilité dans notre système en tant que lien simple entre les fonctions de corrélation du premier et du second ordre. Nous identifions ensuite une transition entre deux régimes distincts de diffusion de la lumière, caractérisés par différents mécanismes responsables de la perte de cohérence : un mécanisme classique induit par le mouvement atomique à faible saturation et un mécanisme dominé par les fluctuations quantiques associé à l'émission spontanée en régime de forte saturation. Nous étudions ensuite le rôle de la géométrie du nuage atomique dans le processus de diffusion, en montrant que le contrôle de la géométrie du nuage permet de diminuer la diffusion multiple et, par conséquent, d'augmenter le temps de cohérence de la lumière diffusée. Enfin, nous explorons théoriquement des signatures d'effets collectifs dans la dynamique des oscillations de Rabi de systèmes à deux niveaux fortement excités et en interaction, révélant un déplacement collectif de la fréquence de résonance qui augmente avec l'épaisseur optique du système. Ces résultats montrent que les nuages d'atomes froids constituent des plateformes versatiles pour produire de la lumière de manière contrôlée.
Notre equipe etudie le comportement collectif d'un gaz d'atomes en presence d'interactions de type dipole-dipole. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d'onde quasi-resonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l'effet du champ laser, et les dipoles induits interagissent entre eux via le champ qu'ils rayonnent. Cette interaction est d'autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considerablement le comportement radiatif de l'ensemble atomique, voire empecher l'excitation de plusieurs atomes a la fois. Par exemple, pour deux atomes situes a une distance inferieure a la longueur d'onde divisee par deux pi, elle deplace les niveaux d'energie de plus que la largeur naturelle de la transition atomique, de sorte que le laser ne peut plus exciter qu'un seul des deux atomes. Un autre exemple est celui d'un nuage d'atomes dense, qui peut se comporter comme une cavite sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa frequence et son taux de relaxation propres, differents de ceux d'un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage reemet l'excitation emmagasinee plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d'autres sont au contraire sub-radiants. Afin d'etudier ces phenomenes, notre equipe a construit une experience qui permet de pieger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piege laser de dimensions ~1µm^3. Nous excitons les atomes pres de la transition a 780 nm. La taille du nuage, de l'ordre de 100 nm, est proche de lambda sur deux pi. Enfin, l'elargissement Doppler des transitions atomiques est negligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-ideale pour l'observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons recemment observe que les interactions induisent une reduction importante de la lumiere diffusee par le nuage. Cette reduction s'accompagne d'un elargissement de la transition atomique. L'analyse theorique des modes collectifs du nuage nous a montre que cette reduction est liee a l'excitation de modes super-radiants delocalises sur l'ensemble du nuage.
Emission spontanée collective par des ensembles denses d'atomes à deux niveaux On s’intéresse au problème de la diffusion de la lumière par un ensemble dense d’atomes froids dans le régime dit ”de Dicke”, dans lequel un grand nombre d’atomes est contenu dans un volume dont les dimensions sont plus petites que la longueur d’onde de la transition atomique. Quand la lumière a une fréquence proche de celle de l’une transition atomique, elle induit des dipôles. Dans un milieu dense, ces dipôles interagissent entre eux : chaque dipôle est excité par les champs rayonnés par les autres dipôles. Ces interactions résonantes entre les dipôles induits modifient la réponse collective de l’ensemble. En particulier, elles modifient le taux auquel l’ensemble se désexcite par émission spontanée. Une désexcitation plus rapide que celle d’un atome unique est appelée super-radiance et une désexcitation plus lente est appelée sous-radiance.Dans cette thèse, nous développons d’abord des méthodes expérimentales pour l’étude de ce problème, nous permettant de préparer, d’observer et de manipuler des nuages denses d’atomes à deux niveaux contenant plusieurs milliers d’atomes froids dans un régime proche du régime de Dicke. Nous étudions ensuite les propriétés d’émission collective de ces systèmes lorsqu’ils sont soumis à de la lumière laser résonante, pendant et après l’excitation. On observe les désexcitations super- et sous-radiantes pour la première fois dans ce régime, et on montre qu’elles sont gouvernées uniquement par le nombre d’atomes dans le nuage. Nous avons ensuite caractérisé les oscillations de Rabi collectives des ensembles d’atomes pilotés par laser. Enfin, nous démontrons un protocole pour relâcher à la demande des excitations stockées dans des états sous-radiants, ce qui est un prérequis pour des applications de stockage de la lumière. Pour conclure, on fait une synthèse des résultats obtenus et on propose des perspectives pour des recherches futures.