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Etude l'inversion de population par passage adiabatique rapide

Claire Gastineau

Published Jan 1, 1995• 0 citations
OpenAlex

Abstract

La realisation de l'excitation totale d'un milieu presente de nombreux interets pour les etudes spectroscopiques ou pour l'amelioration du rendement des processus d'excitation selectifs. Le passage adiabatique rapide, obtenu par un balayage lineaire de la frequence du laser pendant la duree de l'interaction, permet de realiser une inversion de population sur un systeme a deux niveaux. Dans ce memoire, nous realisons une etude du phenomene sur du cerium produit dans un jet atomique. Nous travaillons dans le domaine spectral du visible avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. La modulation lineaire est obtenue par effet electro-optique dans un cristal. La population du niveau excitee est detectee par photoionisation. Apres des etudes preliminaires (calculs numeriques pour prevoir les performances du modulateur de frequence et caracterisations experimentales du modulateur et des lasers), nous realisons une etude experimentale du transfert de population par passage adiabatique rapide en fonction de deux parametres importants: la frequence de rabi et la vitesse du balayage en frequence. Nous comparons les observations experimentales et les resultats des simulations numeriques. Nous introduisons dans ces dernieres un modele d'incoherence du laser qui permet de mieux rendre compte de l'experience

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Analyse spectrale : études théoriques et expérimentales de l’analyseur à photographie spectrale

Guillaume Gorju

Dans cette these, nous nous interessons aux fonctionnalites optiques qu’offrent les cristaux dopes aux ions de terre rare pour les domaines des RADARS et de la radioastronomie. Les fonctionnalites decrites exploitent les tres grandes bandes passantes et selectivites spectrales de ces materiaux refroidis a basse temperature. Nous presentons une architecture originale d’analyse spectrale de signaux hyperfrequences large bande, avec une probabilite d’interception unite, une haute resolution et une grande dynamique de mesure. Le principe de l’analyseur repose sur l’enregistrement dans la bande d’absorption d’un cristal de Tm3+ :YAG d’un spectre RF sur porteuse optique. Le materiau joue le role de memoire analogique dans laquelle les spectres des signaux sont en permanence enregistres. Cette memoire a une duree de vie de l’ordre de 10 ms. Pendant cette duree, nous mesurons le spectre d’absorption a l’aide d’un laser agile en frequence. Par cette technique, nous avons obtenu une bande passante de 10 GHz, une resolution de 1 MHz et une probabilite d’interception unite. L’etude de differentes configurations experimentales nous a permis d’atteindre une dynamique de mesure de 38 dB. La resolution et la precision en frequence de ces experiences dependent de la purete des balayages frequentiels du laser de lecture. Ainsi, nous avons mis en place un dispositif interferometrique permettant d’isoler tous les bruits de frequence du laser agile. Nous detectons tout ecart de l’ordre du MHz par rapport a un balayage parfait. Les signaux fournis par ce systeme sont exploites pour asservir numeriquement les balayages frequentiels du laser.

•Jan 1, 2007•0 citations

Melanges d'ondes et interactions non-lineaires dans le milieu laser

A. Brignon

Nous montrons que le milieu laser lui-meme peut etre utilise comme milieu non-lineaire pour realiser des melanges d'ondes. Au cours de ces interactions, plusieurs faisceaux coherents se propagent dans le milieu laser prealablement place en inversion de population. La figure d'interference formee par ces ondes module spatialement le gain de l'amplificateur par le phenomene de saturation du gain. Cette modulation du gain se comporte comme un hologramme de gain dynamique, sur lequel les ondes incidentes peuvent diffracter. Nous analysons tout d'abord le processus d'ecriture d'un reseau dynamique de gain par melange a deux ondes. Les phenomenes d'auto-diffraction et de redistribution energetique entre les faisceaux sont mis en evidence. Puis nous etudions le melange a quatre ondes dans lequel un faisceau conjugue en phase est engendre. Des modelisations originales de tous ces mecanismes non-lineaires en regime transitoire sont presentees. En particulier, ces modeles tiennent compte de la duree et de la forme temporelle des ondes, de l'amplification laser, des interferences de toutes les ondes entre-elles suivant leur polarisation et la modulation du gain qu'elles engendrent. Ces interactions non-lineaires sont demontres experimentalement dans des amplificateurs nd:yag pompes par des flashes avec des impulsions nanosecondes. Nous avons egalement demontre la possibilite de realiser du melange a quatre ondes multi-passages, en regime impulsionnel et continu, dans un amplificateur nd:yvo#4 compact, pompe par des diodes lasers ou par un laser ti:saphir. Nous demontrons que ces interactions non-lineaires dans le milieu laser offrent des possibilites extremement interessantes dans les domaines de l'holographie dynamique et de la conjugaison de phase. Nous presenterons des architectures lasers originales tout a l'etat solide utilisant des processus de melanges a quatre ondes dans l'amplificateur laser pour corriger les distorsions du faisceau

•Jan 1, 1996•0 citations

Effets de propagation dans des systèmes atomiques en régime d'impulsions longues et courtes : contrôle de la réponse optique

F. A. Hashmi

Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme X line 2iphi avec phi la différence de phase entre champs. Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi. En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en Xlin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.

•Jan 1, 2009•0 citations

Des atomes chargés et des photons : quelques phénomènes observables en piège radiofréquence

C. Champenois

Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre $10^7$ ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.

•Jun 22, 2010•0 citations

Laser control of quantum systems by ultrafast parallel adiabatic passage : application to high fidelity population transfer, state selectivity, and superposition of states

Vahe Hakobyan

Pas de titre en français Dans ce travail, nous établissons et testons la technique de passage adiabatique parallèle (PAP) qui optimise le passage adiabatique en sélectionnant un trajet spécifique qui permet une dynamique rapide tout en préservant la robustesse standard de la technique adiabatique. L'intuition de PAP est basée sur le fait que l'on s'attend à une probabilité de transition nonadiabatique allant vers zéro par analyse Landau-Zener lorsque la courbure relative des deux énergies propres tend vers zéro. Dans ce travail nous testons la robustesse de cette technique et nous montrons sa supériorité par rapport à une dynamique avec un chirp linéaire traditionnel et des impulsions gaussiennes. Nous montrons son extension sur les transitions multiphotons dans les systèmes quantiques multiniveaux, où l'effet Stark joue un rôle important. Nous avons déterminé une forme optimale d'impulsion dans laquelle les décalages des niveaux sont simultanément compensés par la phase programmé de l'impulsion du laser. Ensuite, est présentée la technique de passage adiabatique parallèle local. Cela correspond à une dynamique où la valeur propre de l'état peuplé est parallèle à la plus proche au cours du temps. Nous développons l'idée de transfert de population par passage adiabatique de l'état fondamental à une superposition d'états. Le transfert est exécuté par des impulsions femtosecondes mises en forme dans le domaine spectral. Les états excités sont déplacés de façon dynamique en raison de la présence de composants non-résonnants des canaux différents. Nous montrons que ce décalage Stark peut être compensé par un autre champ ou par une mise en forme spécifique des impulsions appropriées.

•Nov 8, 2011•0 citations

Résonance noire à trois photons sur un nuage d'ions calcium confinés

Mathieu Collombon

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

•Feb 8, 2019•0 citations
La realisation de l'excitation totale d'un milieu presente de nombreux interets pour les etudes spectroscopiques ou pour l'amelioration du rendement des processus d'excitation selectifs. Le passage adiabatique rapide, obtenu par un balayage lineaire de la frequence du laser pendant la duree de l'interaction, permet de realiser une inversion de population sur un systeme a deux niveaux. Dans ce memoire, nous realisons une etude du phenomene sur du cerium produit dans un jet atomique. Nous travaillons dans le domaine spectral du visible avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. La modulation lineaire est obtenue par effet electro-optique dans un cristal. La population du niveau excitee est detectee par photoionisation. Apres des etudes preliminaires (calculs numeriques pour prevoir les performances du modulateur de frequence et caracterisations experimentales du modulateur et des lasers), nous realisons une etude experimentale du transfert de population par passage adiabatique rapide en fonction de deux parametres importants: la frequence de rabi et la vitesse du balayage en frequence. Nous comparons les observations experimentales et les resultats des simulations numeriques. Nous introduisons dans ces dernieres un modele d'incoherence du laser qui permet de mieux rendre compte de l'experience
Dans cette these, nous nous interessons aux fonctionnalites optiques qu’offrent les cristaux dopes aux ions de terre rare pour les domaines des RADARS et de la radioastronomie. Les fonctionnalites decrites exploitent les tres grandes bandes passantes et selectivites spectrales de ces materiaux refroidis a basse temperature. Nous presentons une architecture originale d’analyse spectrale de signaux hyperfrequences large bande, avec une probabilite d’interception unite, une haute resolution et une grande dynamique de mesure. Le principe de l’analyseur repose sur l’enregistrement dans la bande d’absorption d’un cristal de Tm3+ :YAG d’un spectre RF sur porteuse optique. Le materiau joue le role de memoire analogique dans laquelle les spectres des signaux sont en permanence enregistres. Cette memoire a une duree de vie de l’ordre de 10 ms. Pendant cette duree, nous mesurons le spectre d’absorption a l’aide d’un laser agile en frequence. Par cette technique, nous avons obtenu une bande passante de 10 GHz, une resolution de 1 MHz et une probabilite d’interception unite. L’etude de differentes configurations experimentales nous a permis d’atteindre une dynamique de mesure de 38 dB. La resolution et la precision en frequence de ces experiences dependent de la purete des balayages frequentiels du laser de lecture. Ainsi, nous avons mis en place un dispositif interferometrique permettant d’isoler tous les bruits de frequence du laser agile. Nous detectons tout ecart de l’ordre du MHz par rapport a un balayage parfait. Les signaux fournis par ce systeme sont exploites pour asservir numeriquement les balayages frequentiels du laser.
Nous montrons que le milieu laser lui-meme peut etre utilise comme milieu non-lineaire pour realiser des melanges d'ondes. Au cours de ces interactions, plusieurs faisceaux coherents se propagent dans le milieu laser prealablement place en inversion de population. La figure d'interference formee par ces ondes module spatialement le gain de l'amplificateur par le phenomene de saturation du gain. Cette modulation du gain se comporte comme un hologramme de gain dynamique, sur lequel les ondes incidentes peuvent diffracter. Nous analysons tout d'abord le processus d'ecriture d'un reseau dynamique de gain par melange a deux ondes. Les phenomenes d'auto-diffraction et de redistribution energetique entre les faisceaux sont mis en evidence. Puis nous etudions le melange a quatre ondes dans lequel un faisceau conjugue en phase est engendre. Des modelisations originales de tous ces mecanismes non-lineaires en regime transitoire sont presentees. En particulier, ces modeles tiennent compte de la duree et de la forme temporelle des ondes, de l'amplification laser, des interferences de toutes les ondes entre-elles suivant leur polarisation et la modulation du gain qu'elles engendrent. Ces interactions non-lineaires sont demontres experimentalement dans des amplificateurs nd:yag pompes par des flashes avec des impulsions nanosecondes. Nous avons egalement demontre la possibilite de realiser du melange a quatre ondes multi-passages, en regime impulsionnel et continu, dans un amplificateur nd:yvo#4 compact, pompe par des diodes lasers ou par un laser ti:saphir. Nous demontrons que ces interactions non-lineaires dans le milieu laser offrent des possibilites extremement interessantes dans les domaines de l'holographie dynamique et de la conjugaison de phase. Nous presenterons des architectures lasers originales tout a l'etat solide utilisant des processus de melanges a quatre ondes dans l'amplificateur laser pour corriger les distorsions du faisceau
Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme X line 2iphi avec phi la différence de phase entre champs. Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi. En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en Xlin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 10710^7107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
Pas de titre en français Dans ce travail, nous établissons et testons la technique de passage adiabatique parallèle (PAP) qui optimise le passage adiabatique en sélectionnant un trajet spécifique qui permet une dynamique rapide tout en préservant la robustesse standard de la technique adiabatique. L'intuition de PAP est basée sur le fait que l'on s'attend à une probabilité de transition nonadiabatique allant vers zéro par analyse Landau-Zener lorsque la courbure relative des deux énergies propres tend vers zéro. Dans ce travail nous testons la robustesse de cette technique et nous montrons sa supériorité par rapport à une dynamique avec un chirp linéaire traditionnel et des impulsions gaussiennes. Nous montrons son extension sur les transitions multiphotons dans les systèmes quantiques multiniveaux, où l'effet Stark joue un rôle important. Nous avons déterminé une forme optimale d'impulsion dans laquelle les décalages des niveaux sont simultanément compensés par la phase programmé de l'impulsion du laser. Ensuite, est présentée la technique de passage adiabatique parallèle local. Cela correspond à une dynamique où la valeur propre de l'état peuplé est parallèle à la plus proche au cours du temps. Nous développons l'idée de transfert de population par passage adiabatique de l'état fondamental à une superposition d'états. Le transfert est exécuté par des impulsions femtosecondes mises en forme dans le domaine spectral. Les états excités sont déplacés de façon dynamique en raison de la présence de composants non-résonnants des canaux différents. Nous montrons que ce décalage Stark peut être compensé par un autre champ ou par une mise en forme spécifique des impulsions appropriées.
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