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L'objet de cette thèse est l'étude du refroidissement et du piégeage d'atomes de cesium dans des structures lumineuses à faible taux de diffusion. Nous avons mis au point une mélasse optique dite grise dans laquelle le refroidissement est réalisé sur une transition de type Jf → Je = Jf - 1 à l'aide de faisceaux lumineux désaccordés sur le bleu de la transition atomique (fréquence du laser supérieure à la fréquence de la transition atomique). Les atomes étant pompés dans des états faiblement couplés à la lumière, le taux de diffusion de photons est réduit et la température minimale trois fois plus faible que dans une mélasse traditionnelle. Le confinement des atomes refroidis dans une mélasse grise est assuré par un piège dipolaire très désaccordé créé par un laser YAG: Nd3+. Dans une première étape les atomes sont piégés dans un faisceau unique. Le nuage atomique a alors une structure cylindrique avec un fort confinement transverse (taille de l'ordre de six microns). Dans cette situation nous avons mesuré une densité atomique de 2x10^12at/cm3 et l'épaisseur optique le long du faisceau piégeant est estimée à 500. Nous avons montré que dans cette géométrie anisotrope le chauffage par diffusion multiple de photons est fortement diminué. Dans un deuxième temps, nous avons créé un réseau optique très désaccordé de pas 29 microns en faisant l'image d'un réseau matériel sur les atomes par le faisceau YAG. Une image par absorption a permis une observation directe de la localisation des atomes dans cette structure périodique (taille du nuage atomique par site de l'ordre de 3 μm). Le réseau atomique est non lacunaire. Par effet Talbot ce confinement est tridimensionnel et conduit à des densités atomiques de l'ordre de 10^13 at/cm3 et des densités dans l'espace des phases de l'ordre de 10^-3. Le fort confinement et les densités atomiques importantes que nous avons obtenus ouvrent de nombreuses perspectives.

Parmi les mécanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet Sisyphe conduit à une situation où les atomes sont localisés aux minima d'un potentiel périodique induit par la lumière. Il est ainsi possible de créer un "cristal" optique dont les caractéristiques sont déterminées par la géométrie des faisceaux lasers. Cette thèse propose une étude expérimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) piégés dans un réseau de lumière tridimensionnel, par une méthode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels à l'échelle d'une fraction de longueur d'onde optique est démontrée par l'observation de résonances Raman stimulées entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de résonance a également révélé le comportement paramagnétique d'un tel réseau. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densité dans le réseau conduit à une diffusion de type Brillouin stimulée qui présente l'originalité de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion Rayleigh stimulée donne accès à la diffusion spatiales des atomes dans le réseau. Une étude détaillée des résonances Rayleigh démontre également l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumière sur les atomes, mettant en évidence un effet analogue à l'effet photoréfractif observé dans des cristaux de BaTiO3 ou LiNbO3.