Réseaux d'indice et réseaux de gain dans les milieux lasers solides dopés Nd3+ ou Yb3+ Utilisation pour le mélange à deux ondes et les cavités laser auto-adaptatives
Le mélange d'onde dans un matériau laser solide placé en inversion de population permet d'enregistrer un hologramme de population qui est à la fois un hologramme de gain et un hologramme d'indice. Ce travail présente tout d'abord une étude fine des variations d'indice de réfraction d'origine électronique qui sont dues à une variation de polarisabilité des ions lorsqu'ils sont promus de l'état fondamental à l'état excité. Une partie de cet effet provient de la présence de bandes UV intenses, un effet qui est donc purement dispersif aux longueurs d'ondes de la transition laser. Nous avons évalué la variation de polarisabilité non résonante des ions Nd3+ et Yb3+ dans les principales matrices lasers et nous avons étudié la nature des transitions optiques à l'origine des variations d'indice observées. Nous avons ensuite exploité les résultats pour prédire le potentiel de ces matériaux laser dans le cadre d'un mélange à deux ondes non-dégénéré pour des longueurs d'ondes situées au voisinage de la transition laser. Ce modèle a été validé expérimentalement dans une fibre cristalline de YAG :Nd3+. L'étude du transfert d'énergie d'un faisceau vers un autre présente un grand intérêt pour des applications telles que la mise en phase de N lasers à fibres et l'interférométrie auto-adaptative. Par ailleurs, un laser auto-adaptatif pompé par diodes laser a été réalisé permettant l'obtention de forte énergie par impulsion. Il présente des performances en terme d'efficacité qui sont tout à fait comparables avec celles des lasers conventionnels avec des avantages supplémentaires tels que la bonne qualité de faisceau, l'aspect mono-fréquence et l'auto-déclenchement de l'impulsion.
Le mélange d'onde dans un matériau laser solide placé en inversion de population permet d'enregistrer un hologramme de population qui est à la fois un hologramme de gain et un hologramme d'indice. Ce travail présente tout d'abord une étude fine des variations d'indice de réfraction d'origine électronique qui sont dues à une variation de polarisabilité des ions lorsqu'ils sont promus de l'état fondamental à l'état excité. Une partie de cet effet provient de la présence de bandes UV intenses, un effet qui est donc purement dispersif aux longueurs d'ondes de la transition laser. Nous avons évalué la variation de polarisabilité non résonante des ions Nd3+ et Yb3+ dans les principales matrices lasers et nous avons étudié la nature des transitions optiques à l'origine des variations d'indice observées. Nous avons ensuite exploité les résultats pour prédire le potentiel de ces matériaux laser dans le cadre d'un mélange à deux ondes non-dégénéré pour des longueurs d'ondes situées au voisinage de la transition laser. Ce modèle a été validé expérimentalement dans une fibre cristalline de YAG :Nd3+. L'étude du transfert d'énergie d'un faisceau vers un autre présente un grand intérêt pour des applications telles que la mise en phase de N lasers à fibres et l'interférométrie auto-adaptative. Par ailleurs, un laser auto-adaptatif pompé par diodes laser a été réalisé permettant l'obtention de forte énergie par impulsion. Il présente des performances en terme d'efficacité qui sont tout à fait comparables avec celles des lasers conventionnels avec des avantages supplémentaires tels que la bonne qualité de faisceau, l'aspect mono-fréquence et l'auto-déclenchement de l'impulsion.
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
Parmi les trois types de lasers existants, les lasers conventionnels, les lasers a electrons libres (lel) et les lasers sans inversion, ces deux derniers sont particulierement interessants pour les courtes longueurs d'onde, lorsqu'il est difficile d'obtenir une inversion de population. Dans les lel, un regime de fonctionnement a fort gain a ete predit dans lequel les electrons se regroupent en paquets a l'echelle de la longueur d'onde. Mais ce regime n'ayant pas ete observe experimentalement, l'idee d'utiliser non plus un faisceau d'electrons mais un faisceau atomique comme milieu amplificateur a ete suggeree. Une vapeur atomique dans une onde stationnaire composee d'une onde de faible intensite (sonde) et d'une onde d'intensite plus forte (pompe), est soumise a un potentiel lumineux. Pour certains regimes de parametres, une instabilite qui amplifie la sonde et le potentiel apparait, via la formation d'un reseau de densite atomique, en redistribuant des photons entre la pompe et la sonde. Le nouveau type de laser qui en decoule se rapproche du mode de fonctionnement du lel. Dans cette these, nous avons etudie les proprietes physiques de ce systeme. Nous avons simule numeriquement un modele afin de mieux comprendre le mecanisme de l'instabilite. Cette etude nous a permis de mettre en evidence une dynamique collective d'agregation dans l'espace des vitesses. Nous avons de plus conduit une serie d'experiences de spectroscopie pompe-sonde, en presence et en l'absence d'une cavite en anneau sur le faisceau de sonde. Au dela d'un certain seuil, la sonde en cavite est amplifiee, pompe et sonde ayant la meme frequence. Le modele simule permet d'expliquer ce gain net. Enfin nous avons compare les spectres de transmission de la sonde sans cavite a des simulations numeriques d'absorption saturee, qui semblent en bon accord. Les raisons qui expliqueraient la necessite d'une cavite pour observer l'instabilite sont enfin discutees.
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
Cette thèse porte sur le façonnage de lasers par holographie en vue de créer des potentiels dipolaires pour les atomes froids. Le dispositif expérimental utilisé pour façonner le laser et modifier sa phase est un modulateur spatial de lumière (SLM). Grâce à ce SLM, il est possible de fabriquer des faisceaux dont le centre est noir, appelés faisceaux creux. Ces derniers sont de bons candidats pour piéger des atomes froids lorsqu'ils sont utilisés avec un laser désaccordé vers le bleu. Les atomes sont alors attirés vers le centre noir du faisceau ce qui limite les pertes d'atomes par émission spontanée. Nous avons ainsi généré des modes de Laguerre-Gauss LG0l quasi-purs dans lesquels nous avons guidé des atomes froids. L'avantage de ces modes est que l'hologramme permettant de les produire, une hélice de phase, est analytique. Des résultats quantitatifs sur l'efficacité du guidage d'atomes dans ces modes ont été obtenus et comparés à un modèle calculant l'efficacité de capture. Dans la seconde partie de ce travail, nous nous sommes intéressés à modifier l'hologramme en hélice analytiquement pour générer d'autres faisceaux creux. Afin de savoir quelle phase appliquer sur le SLM, nous avons développé un modèle pour connaître les caractéristiques du faisceau fabriqué en tout point de l'axe de propagation. Ce modèle est basé sur la décomposition du champ sur la base des modes de Laguerre-Gauss LGpl . Nous avons ainsi généré une ouverture dans la circonférence des Laguerre-Gauss et fabriqué des croix se transformant en polygones au cours de leur propagation. Ces potentiels permettent d'envisager de nouvelles expériences dont l'étude des systèmes chaotiques.
Étude théorique des spectres atomiques de lanthanides neutres et trivalents : Application aux gaz ultra-froids et aux solides dopés Le refroidissement laser et le piégeage des lanthanides ont ouvert la possibilité de réaliser de nouvelles expériences avec des gaz dipolaires ultra-froids, qui peuvent être utilisés, par exemple, pour la simulation quantique de la physique du solide. Pour identifier de nouveaux candidats au refroidissement laser, il est crucial de disposer d’une connaissance spectroscopique précise de l’atome considéré. La première grande orientation de ma thèse est la modélisation du spectre des lanthanides neutres, d'une part de l'erbium (Er), un élément de la partie droite de la rangée des lanthanides, particulièrement attractif en raison d'une transition très fine, reliant l'état fondamental et un état excité métastable, et d'autre part du néodyme (Nd), un élément de la partie gauche de la rangée, qui n'a pas encore été explorée pour le refroidissement laser. En utilisant la méthode semi-empirique implémentée dans les codes de Cowan, nous avons amélioré la description des niveaux de configurations impaires de Er.Nous avons aussi calculé des quantités telles que le facteur de Landé, la durée de vie et la polarisabilité de l'état excité cité plus haut, pour les comparer aux résultats expérimentaux obtenus par un groupe d'Innsbruck en Autriche.Ensuite, pour Nd, nous avons pu interpréter plus de 200 niveaux expérimentaux de la base de données du NIST appartenant aux deux parités, puis nous avons proposé de nouvelles transitions de refroidissement laser. La suite logique de ces travaux est le calcul des coefficients d'Einstein, nécessaires pour caractériser l'efficacité du refroidissement laser et du piégeage des atomes.La plupart des lanthanides existent généralement sous forme de cations trivalents. En raison de la présence d’électrons non appariés, les lanthanides présentent d'intéressantes propriétés électromagnétiques et lumineuses. Sous leur forme trivalente, ils sont largement utilisés à des fins industrielles, dans les lasers et comme (co-)dopants dans les amplificateurs optiques à fibres, par exemple dopée à l'erbium.La deuxième grande orientation de ma thèse est consacrée aux lanthanides trivalents, utilisés comme dopants dans un matériau hôte. Toutes les transitions intéressantes pour ces applications sont induites par le champ cristallin. La théorie de Judd-Ofelt est utilisée depuis des décennies pour décrire ces transitions, mais il existe certaines restrictions liées à la manière dont elle est formulée, en particulier pour l'europium (Eu3+). Dans cette thèse, nous avons effectué des calculs spectroscopiques, en utilisant la même méthodologie que pour les lanthanides neutres, pour trois éléments : Eu3+, Nd3+ et Er3+.Nous avons proposé une extension de la théorie de Judd-Ofelt dans laquelle nous incluons une description précise du spectre de l'ion dopant, et nous tenons compte de la variation de l'indice de réfraction du matériau hôte avec la longueur d'onde. Les résultats de notre modèle sont satisfaisants, car il nous donne un aperçu physique de toutes les transitions observées, y compris celles qui sont interdites par la version standard de la théorie. Par ailleurs, notre modèle reproduit quantitativement les forces d'oscillateurs d'absorption expérimentales. Le code utilisé pour effectuer les calculs est disponible sur GitLab.Comme perspective, nous prévoyons de traiter les transitions en lumière polarisée ou entre des sous-niveaux individuels des ions. Cela sera possible dans notre modèle, car les seuls paramètres ajustés sont ceux du champ cristallin. Cela ouvre la possibilité de modéliser les propriétés spectroscopiques de matériaux hôtes à l'échelle nanométrique.
La thèse se positionne dans le domaine des molécules ultra-froides, c’est-à-dire des molécules qui ont des vitesses correspondant à des températures de l’ordre du µK. L’obtention de gaz dilués moléculaires à ces températures peut ouvrir la porte à des applications importantes en simulation ou en informatique quantique. La thèse s’intéresse plus particulièrement à la formation de molécules dipolaires électriques et magnétiques. Celles-ci sont présagées pour être un système idéal dans l’optique d’un simulateur quantique du système réseau-spin, permettant de décrire le magnétisme dans les solides. Nous avons choisi l’exemple de la molécule RbSr qui fait l’objet actuellement d’une expérience à Amsterdam. Nous avons donc exploré plusieurs alternatives basées sur l’emploi de laser pour la formation de molécules RbSr ultra-froides Nous avons d’abord considéré la photoassociation dont le principe est de coupler l’état de collision initial avec un état rovibrationnel d’un état électronique excité. L’étape d’émission spontanée qui suit forme des molécules dans l’état électronique fondamental. Nous avons également considéré le problème des pertes supplémentaires d’atomes lorsque le laser de photoassociation est intense et focalisé, mises en évidence dans une expérience à Bangalore. Dans la suite de la thèse, nous avons exploré des méthodes cohérentes. Nous avons montré que des molécules faiblement liées de RbSr peuvent être formées à l’aide d’un STIRAP en partant de paires d’atomes isolées et confinées dans un isolant de Mott. Nous avons ensuite étudié leur stabilisation vers le niveau le plus profond de l’état fondamental de la molécule à l’aide d’un second STIRAP. Enfin, nous avons étudié des méthodes se déroulant uniquement dans l’état électronique fondamental. La formation est induite par l’utilisation d’une impulsion à dérive de fréquence induisant un passage adiabatique ou à l’aide d’une impulsion-pi. En plus, nous avons découvert que cette méthode formation peut être reliée à une résonance de Feshbach dans la représentation habillée par les photons, que nous avons appelée Résonance de Feshbach auto-induité assistée par Laser (LASIFR en anglais). Nous montrons qu’elles sont un outil prometteur et puissant pour le contrôle des propriétés de mélange de gaz d’atomes ultra-froids, comme par exemple la longueur de diffusion.