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.
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.
Modes collectifs de longue durée de vie de la lumière dans des atomes froids : études expérimentales et numériques sur la sous-radiance et la localisation d'Anderson L'objectif de cette thèse est d'élargir notre compréhension des phénomènes collectifs de diffusion de la lumière qui se manifestent par la forte suppression du rayonnement du milieu diffusant. En particulier, nous nous intéressons à la sous-radiance, un effet collectif de l’émission spontanée, qui, du fait du couplage dissipatif des atomes via des modes électromagnétiques communs, crée des modes d'excitation longue durée de vie dans un ensemble d'atomes froids, avec des durées de vie beaucoup plus longues que celles d’atomes individuels. Auparavant, la sous-radiance avait été bien caractérisée pour des ensembles d’atomes froids dilués et dans la limite de faible intensité du laser d'excitation (régime de l'optique linéaire). Dans cette thèse, nous étudions ce phénomène collectif au-delà de l'optique linéaire et du régime dilué.Pour étudier expérimentalement la sous-radiance au-delà du régime de l'optique linéaire, nous avons fait varier le paramètre de saturation du laser d'excitation jusqu'à des valeurs relativement importantes et nous avons observé l'augmentation de la population sous-radiante avec l'augmentation du paramètre de saturation. Plus important encore, nous avons identifié une loi d’échelle super-linéaire de la population sous-radiante au-delà du régime de l’optique linéaire, en raison d’un processus similaire au pompage optique via des états super-radiants multi-excités. Cette étude a montré que l'augmentation de l'intensité du laser de pilotage au-delà du régime de l'optique linéaire permet de surmonter le faible couplage des modes sous-radiants avec l’environnement.De plus, nous avons étudié numériquement la sous-radiance en utilisant le modèle vectoriel des dipôles couplés, en mettant l'accent sur la compréhension de l'effet de l'interaction dipôle-dipôle en champ proche. Pour cela, nous avons comparé en détail les modèles vectoriel et scalaire (qui ne contient pas de termes d'interaction en champ proche) et étudié la durée de vie sous-radiante en fonction de la densité et de l'épaisseur optique du nuage d'atomes froids. Nous avons observé que les termes de champ proche sont préjudiciables à la sous-radiance, ce qui se manifeste par la réduction des durées de vie sous-radiantes avec l'augmentation de la densité. Ce caractère néfaste des termes de champ proche peut être interprété comme étant dû à un élargissement inhomogène effectif induit par l'interaction en champ proche, qui réduit les durées de vie sous-radiantes lorsque la densité augmente.Le caractère néfaste de l'interaction en champ proche a également été précédemment identifié numériquement pour la localisation d'Anderson des ondes lumineuses (la localisation d'Anderson est un phénomène ondulatoire en diffusion multiple cohérente dans un milieu fortement diffusant, qui entraîne l'arrêt du transport diffusif ; il donne également des modes à longue durée de vie) : le modèle scalaire des dipôles couplés prédit la localisation des ondes lumineuses, mais pas le modèle vectoriel. Cependant, l'ajout d'un champ magnétique suffisamment fort permet de récupérer les modes localisés pour la lumière vectorielle. Dans ce contexte, nous avons étudié numériquement une possible signature de la localisation d'Anderson de la lumière dans les atomes froids, basée sur la mesure des fluctuations d'intensité de la lumière diffusée. Nous avons montré qu'à la transition vers le régime localisé, les fluctuations sont augmentées. En particulier, pour la lumière vectorielle, nous avons démontré l'absence, et l’apparition, de fluctuations d'intensité accrues sans, et avec, le champ magnétique appliqué, ce qui corrobore que les fluctuations d'intensité pourraient servir de moyen expérimental pour sonder les états localisés.
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.
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.
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.