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.
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.
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.
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 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.
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.
L'attraction de surface van der Waals ou Casimir-Polder en champ proche est une interaction connue pour varier suivant l'inverse du cube de la distance de l'atome à la surface, pour des distances allant de 1 (détails structuraux négligeables) à 1000 nm (effets de propagation négligeables). Rares ont été les expériences qui ont testées effectivement cette dépendance. Nous avons développé une série d'expériences de spectroscopie analysant l'interaction de van der Waals en fonction de la distance atome - surface sur une vapeur d’atomes contenue dans une nanocellule et avons vérifié cette loi jusqu'à une distance de 20 nm. Nous avons ensuite étudié le comportement d'une vapeur confinée, à trois dimensions, dans les régions interstitielles d'une opale (réseau bidimensionnel de nanosphères). Nos expériences de spectroscopie de réflexion sur la raie de résonance du césium montrent, dans ce cas, des formes de raie sous-Doppler sur une large plage d’angles d’incidence. Ceci est conforme aux prévisions d'un calcul basé sur un indice effectif stratifié 1D que nous avons développé. Pour certaines incidences, en effet, il y a accord de phase entre la périodicité optique avec laquelle l’onde se propage dans l’opale et la distribution géométrique du milieu résonant à l’intérieur de l’opale. Sous ces conditions, la réponse résonnante fait interférer constructivement les interstices des premières couches et ceux des couches profondes. Les structures spectroscopiques étroites observées proviendraient donc bien du confinement tridimensionnel dans l'opale. Pour finir, nous avons évalué la dépendance en température de l’interaction de van der Waals avec la température de la surface. Nos expériences ont permis de vérifier les prédictions de l'électrodynamique quantique (QED) pour des températures aussi élevées que 1000 K. Nous avons montré que selon l’importance du couplage plus ou moins résonant entre l’émission d’un mode de surface d’une surface chauffée et son absorption par un atome, l’interaction atome-surface pouvait augmenter ou diminuer avec la température. L'atome se comporte alors comme une sonde quantique du champ proche émis par la surface chauffée.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.