Les transitions optiques dans les solides a tres basse temperature possedent des largeurs de raie de quelques ghz, causees par l'elargissement inhomogene, qui peut alors loyer des effets tres fins. La technique dite de holeburning, ou formation de trous spectraux, permet de s'affranchir de cette largeur car il est possible de venir creuser des trous de frequence dans la transition au moyen d'un laser spectralement tres fin (1 mhz). Ces trous se presentent a des frequences caracteristiques du systeme etudie, ils sont l'equivalent d'une raie d'absorption tres fine (quelques mhz). Le cristal de cscdbr#3 a la propriete de regrouper ses impuretes trivalentes par paires. Apres avoir donne les niveaux d'energie de la configuration (4f#2) de la paire pr#3#+-pr#3#+ dans ce cristal, nous avons utilise cette technique pour etudier l'interaction ion-ion sous perturbation magnetostatique et electrostatique. Une etude similaire a ete faite sur les ions nd#3#+ dans ce meme cristal. Le champ electrostatique permet d'obtenir des renseignements sur la symetrie locale des centres lumineux. C'est ainsi qu'une mesure d'effets de desordre dans cscdbr#3 a ete faite via l'etude optique de l'ion pr#3#+ sous cette perturbation. Une discussion est egalement faite concernant le modele microscopique des centres colores a deux electrons f#+#3#a dans le cristal de srf#2:na#+ en se servant des regles de selection du dipole de la lumiere et du dipole stark des centres
Les transitions optiques dans les solides a tres basse temperature possedent des largeurs de raie de quelques ghz, causees par l'elargissement inhomogene, qui peut alors loyer des effets tres fins. La technique dite de holeburning, ou formation de trous spectraux, permet de s'affranchir de cette largeur car il est possible de venir creuser des trous de frequence dans la transition au moyen d'un laser spectralement tres fin (1 mhz). Ces trous se presentent a des frequences caracteristiques du systeme etudie, ils sont l'equivalent d'une raie d'absorption tres fine (quelques mhz). Le cristal de cscdbr#3 a la propriete de regrouper ses impuretes trivalentes par paires. Apres avoir donne les niveaux d'energie de la configuration (4f#2) de la paire pr#3#+-pr#3#+ dans ce cristal, nous avons utilise cette technique pour etudier l'interaction ion-ion sous perturbation magnetostatique et electrostatique. Une etude similaire a ete faite sur les ions nd#3#+ dans ce meme cristal. Le champ electrostatique permet d'obtenir des renseignements sur la symetrie locale des centres lumineux. C'est ainsi qu'une mesure d'effets de desordre dans cscdbr#3 a ete faite via l'etude optique de l'ion pr#3#+ sous cette perturbation. Une discussion est egalement faite concernant le modele microscopique des centres colores a deux electrons f#+#3#a dans le cristal de srf#2:na#+ en se servant des regles de selection du dipole de la lumiere et du dipole stark des centres
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
Cette these est consacree a l'etude experimentale et theorique de la photoionisation et du piegage d'electrons, ainsi qu'aux mecanismes d'elargissement des raies electroniques dans des cristaux dopes au samarium. Les methodes spectroscopiques de l'absorption lineaire, de fluorescence, de drasc et d'excitation drasc ont permis d'identifier les pieges d'electrons dans des echantillons de caf#2 : sm, traites et non-traites aux rayons. Dans le premier cas, il s'agit de paires de trous auto-pieges, dans le deuxieme, d'agregats de sm#3#+. En ce qui concerne les largeurs homogenes des raies de sm#2#+ dans caf#2, les resultats experimentaux sont interpretes par une theorie prenant en compte le couplage electrophonon. Avec la technique drasc polarisee, on examine pour la premiere fois le dephasage d'une raie raman d'un ion de terre dans un cristal. Par la technique du creusement de trou spectral permanent on etudie egalement le dephasage d'une raie dans le visible. La mesure simultanee de la dependance en temperature des largeurs et des positions spectrales des deux transitions, avec la theorie presentee dans cette etude, permet dans les deux cas l'identification des processus de dephasage. La derniere partie de cette these traite du creusement de trous permanents, aux temperatures elevees, dans le cristal mixte ca#1#-#xy#xf#2#+#x : sm. On observe des trous permanents de 8 a 200 k.
Les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.
Trous brûlés spectraux pour les lasers ultra-stables Des trous brûlés spectraux dans des cristaux dopés aux ions de terres rares ont des nombreuses applications en métrologie du temps et de la fréquence. D'une part, les transitions optiques étroites des ions dopants peuvent servir de référence de fréquence pour la stabilisation au laser. La stabilité de fréquence relative attendue peut potentiellement être de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des lasers asservis sur des cavités Fabry-Perot à l'état de l'art. D'autre part, des contraintes mécaniques peuvent déformer la structure cristalline, décalant ainsi la fréquence de la transition dans les ions dopants. Explorer une telle transition à proximité de la résonance permet un couplage opto-mécanique et la réalisation de nouveaux systèmes quantiques hybrides.L'objectif de ce projet de thèse est d'améliorer les techniques de stabilisation de fréquence laser, et d'explorer les limites fondamentales de telles techniques. De nombreux travaux ont été consacrés au développement de techniques de détection à ultra-faible bruit, qui permettent d'obtenir un bruit de détection plus faible en utilisant différentes structures spectrales. L'environnement magique a été exploré, où l'effet sur les trous spectraux de la fluctuation de la température et de la pression appliquée peut être compensé en obtenant une annulation globale de premier ordre. L'expérience réalisée avec un environnement magique devrait permettre au trou spectral d'avoir une largeur de raie ultra-étroite et une immunité sans précédent au bruit et aux fluctuations thermiques. De plus, la sensibilité des trous spectraux vis-à-vis de la contrainte uniaxiale et du champ E externe a été caractérisée, de sorte que l'effet sur la fluctuation de la fréquence laser a pu être déduit et minimisé. L'application d'expériences de combustion spectrale de trous dans le résonateur micromécanique a été étudiée afin d'étudier le couplage opto-mécanique. La physique sous-jacente fera probablement la lumière sur la possibilité de réaliser des capteurs de force à l'échelle atomique dans notre système.
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.