Vers un laser superradiant : ensembles atomiques d’ytterbium et développements métrologiques pour des références de fréquence ultra-stables Cette thèse présente les premières étapes vers la réalisation d’un oscillateur superradiant ultra-stable. Elle explore l’utilisation du phénomène quantique de superradiance, qui repose sur la cohérence et l’indistinguabilité d’un ensemble atomique pour produire une émission optique cohérente. Un laser superradiant est constitué d’atomes couplés collectivement à une cavité Fabry-Perot, fonctionnant dans le régime dit de ``mauvaise cavité'' afin de minimiser la sensibilité aux fluctuations de cavité.Dans ce travail, la première réalisation et caractérisation d’un ensemble atomique d’ytterbium refroidi sont démontrées, jetant les bases d’un futur fonctionnement superradiant. L’installation expérimentale pour le transport des atomes dans la cavité a été planifiée, permettant un chargement séquentiel des atomes pour une émission superradiant quasi-continue.Afin de soutenir la future caractérisation du laser superradiant, une liaison optique fibrée compensée a été mise en place pour le transfert local de fréquence ultra-stable. Ce système intègre un traitement du signal entièrement numérique et une méthode de caractérisation innovante ne nécessitant pas d’accès à l’extrémité distante de la fibre. L’instabilité relative de fréquence obtenue atteint l’ordre de 10^{-18}, démontrant ainsi son adéquation pour la dissémination de fréquence de haute précision au sein d’un institut.
Vers un laser superradiant : ensembles atomiques d’ytterbium et développements métrologiques pour des références de fréquence ultra-stables Cette thèse présente les premières étapes vers la réalisation d’un oscillateur superradiant ultra-stable. Elle explore l’utilisation du phénomène quantique de superradiance, qui repose sur la cohérence et l’indistinguabilité d’un ensemble atomique pour produire une émission optique cohérente. Un laser superradiant est constitué d’atomes couplés collectivement à une cavité Fabry-Perot, fonctionnant dans le régime dit de ``mauvaise cavité'' afin de minimiser la sensibilité aux fluctuations de cavité.Dans ce travail, la première réalisation et caractérisation d’un ensemble atomique d’ytterbium refroidi sont démontrées, jetant les bases d’un futur fonctionnement superradiant. L’installation expérimentale pour le transport des atomes dans la cavité a été planifiée, permettant un chargement séquentiel des atomes pour une émission superradiant quasi-continue.Afin de soutenir la future caractérisation du laser superradiant, une liaison optique fibrée compensée a été mise en place pour le transfert local de fréquence ultra-stable. Ce système intègre un traitement du signal entièrement numérique et une méthode de caractérisation innovante ne nécessitant pas d’accès à l’extrémité distante de la fibre. L’instabilité relative de fréquence obtenue atteint l’ordre de 10^{-18}, démontrant ainsi son adéquation pour la dissémination de fréquence de haute précision au sein d’un institut.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.
Contrôle optique du transport de la lumière dans un nuage d'atomes d'ytterbium froids L'objectif de l'expérience est de démontrer le phénomène tant attendu de la localisation d'Anderson, qui implique la suppression complète du coefficient de diffusion dans un système fortement désordonné en raison de l'interférence destructive entre plusieurs ondes partielles diffusées par le désordre. La démonstration de la localisation nécessite, comme condition préalable, une connaissance précise des propriétés de transport de la lumière. Par conséquent, la mesure de la diffusion de la lumière dans un ensemble atomique contrôlé et bien caractérisé constitue un pont essentiel vers les études de localisation. Cette thèse explore l'interaction de la lumière au sein d'avec un ensemble atomique froid et optiquement dense d'atomes d'ytterbium (Yb). Elle se concentre sur deux aspects principaux : le contrôle des états atomiques à l'aide de champs optiques spécialement conçus, et le transport de la lumière dans des milieux fortement diffusants. La première partie décrit l'optimisation et la caractérisation d'un piège magnéto-optique (MOT) à largeur de raie étroite, fonctionnant sur la raie d'intercombinaison ¹S₀ → ³P₁ à 556 nm. Nous commençons par motiver le choix de l'Yb et tirons parti de sa raie d'intercombinaison étroite, qui offre une voie alternative et très efficace, par rapport aux atomes alcalins, pour atteindre des températures ultra-froides en chargeant un piège magnéto-optique (MOT) en deux étages. La caractérisation du MOT démontre des températures de nuages atomiques aussi basses que 14 μK, avec un nombre d'atomes de l'ordre de 5 * 10⁸. La densité optique maximale sur la transition ³P₁ atteint des valeurs allant jusqu'à 100, suffisantes pour entrer dans le régime de diffusion multiple. Nous présentons ensuite le contexte théorique et l'observation expérimentale des décalages lumineux dans les atomes froids de ¹⁷⁴Yb. La mise en œuvre de décalages lumineux accordables comme outil pour manipuler la structure de l'état interne et démontrer avec succès le contrôle indépendant des sous-niveaux magnétiques m = ±1,0 de l'état ³P₁ sans avoir besoin d'un champ magnétique externe. En nous appuyant sur ce mécanisme, nous démontrons un analogue entièrement optique de l'effet Faraday. Nos observations confirment l'émergence de la biréfringence et de la rotation de polarisation à la suite d'un habillage optique différentiel, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives. Enfin, nous avons introduit une nouvelle méthode expérimentale permettant de préparer directement l'excitation optique in situ au cœur de notre échantillon atomique optiquement dense d'Yb, ce qui a permis d'observer directement l'évolution spatiale cette excitation et sa dynamique temporelle en mesurant la population des différents états internes. Nous avons extrait les paramètres de diffusion en nous affranchissant des effets de bord du nuage, ce qui nous a permis d'obtenir une image plus complète du transport de la lumière dans des ensembles denses et optiquement épais. Les résultats valident non seulement les modèles théoriques, mais ouvrent également la voie à un contrôle précis des interactions lumière-matière dans des systèmes quantiques complexes. Dans l'ensemble, ces travaux établissent de nouvelles méthodes pour contrôler, sonder et comprendre les interactions lumière-matière dans des ensembles atomiques ultra-froids optiquement denses. L'effet Faraday induit optiquement offre un accès réglable et sans champ magnétique à la biréfringence atomique, tandis que l'étude in situ de la propagation de la lumière permet de contrôler la fréquence des photons qui se propagent dans l'ensemble dense.
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.
Spectroscopie d'un condensat de Bose-Einstein d'atomes d'ytterbium sur une raie optique ultra-fine : vers des champs de jauge artificiels sur réseaux optiques Je présente le développement d'une expérience de production de gaz quantiques d'ytterbium. L'objectif est de réaliser des champs de jauge artificiels sur des gaz piégés dans des réseaux optiques. La combinaison de ces champs et des interactions entre atomes ouvre de nouvelles perspectives pour notre domaine comme la réalisation d'états analogues à ceux de la physique de l'effet Hall quantique fractionnaire.Tout d'abord, je présente les méthodes expérimentales développées pour produire un condensat de Bose-Einstein d'atomes (CBE) d'Yb174: un piège magnéto-optique sur la raie d'intercombinaison 1S0-3P1, son transfert dans un piège dipolaire et son transport sur une distance de 22 cm. Un condensat pur d'environ 6x10^4 est ensuite obtenu après évaporation dans un piège dipolaire croisé. Les protocoles envisagés pour réaliser des champs de jauge artificiels requièrent le couplage cohérent du niveau fondamental 1S0 et du niveau métastable 3P0 sur la transition "horloge". Nous avons construit un laser à 578nm asservi en fréquence sur une cavité de référence. En optimisant le point de fonctionnement en température de la cavité nous avons obtenu des dérives résiduelles en fréquence inférieures à 100 mHz/s. Nous avons réalisé une spectroscopie sur cette transition d'un CBE piégé ou en expansion et obtenu des largeurs de raies du l'ordre du kHz limitées par les interactions entre atomes.Enfin, je présente en détail les protocoles pour réaliser des champs de jauge artificiels dans des réseaux optiques et leur éventuelle mise en pratique et notamment un schéma pour réaliser un réseau optique bichromatique dépendant de l'état interne des atomes dans une cavité doublement résonante.
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.
Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nuage d’ions calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10⁻¹⁴ à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca⁺. Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de différents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable