Dans cette thèse, nous décrivons une approche jusqu’à maintenant inexplorée dans le développement des interféromètres atomiques; la rétroaction des états atomiques au cours de leur évolution. Le long de cet objectif, nous présentons des nouvelles techniques expérimentales, comme la condensation de Bose-Einstein tout-optique d’atomes de rubidium-87 à l’aide d’une cavité optique, une nouvelle technique de stabilisation de laser décalage de fréquence serrodyne et le développement de la spectroscopie par modulation de fréquence comme un outil non-destructif pour mesurer des différences de population atomique. Cette détection non destructive est combinée à la rétroaction, soit directement sur les atomes avec un rayonnement micro-onde soit sur l’oscillateur à micro-ondes. De cette manière, nous montrons que les états quantiques atomiques peuvent être protégés contre la décohérence d’un bruit collectif. Grâce à cette méthode, nous développons des protocoles de rétroaction dédiés pour améliorer les interféromètres atomiques, et démontrons expérimentalement l’un d’entre eux dans le cas d’une horloge atomique. Nous montrons que le temps d’interrogation dans les interféromètres atomiques peut être prolongé, ce qui est prometteur pour augmenter la sensibilité des senseurs atomiques. / In this thesis, we describe an until now unexplored approach in the operation of atomic interferometers; the feedback control of the atomic states during their evolution. Towards this goal, we present several novel experimental techniques, such as the all-optical Bose-Einstein condensation of rubidium-87 in a cavity enhanced dipole trap, a new laser stabilization technique based on serrodyne frequency shifting and the development of frequency modulation spectroscopy as a minimal destructive tool for the measurement of atomic population differences. This nondestructive detection is combined with feedback, either directly on the atoms with microwave radiation or on the microwave oscillator. In this way, we show that atomic quantum states can be protected against decoherence from collective noise. We develop dedicated feedback protocols to use this method to improve atomic interferometers, and experimentally demonstrate one such protocol in an atomic clock. We show that the interrogation time in atomic interferometers can be prolonged, which holds promise for increasing the sensitivity of atomic sensors.

La haute sensibilité permise par l'emploi des cavités optiques est exploitée pour caractériser la signature spectrale de molécules d'intérêt atmosphérique. Deux méthodologies différentes sont abordées.<br />Tout d'abord, la technique CW-CRDS (Continuous Wave – Cavity Ring Down Spectroscopie) est utilisée pour étudier l'évolution avec la pression et la température des spectres atmosphériques de la vapeur d'eau dans le proche infrarouge. Cette étude, destinée à calibrer des mesures d'absorption différentielle par Lidar, entre dans le cadre de la mission WALES (Water Vapour Lidar Experiment in Space) proposée par l'Agence Spatiale Européenne. Une attention particulière est portée pour décrire et caractériser le système expérimental.<br />Ensuite, la technique OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) et ses performances pour la spectroscopie sont mises en évidence avec l'étude de la bande B de l'oxygène dans le rouge. Cette technique repose sur un schéma d'injection avec rétroaction optique (de la cavité vers le laser) qui permet d'augmenter la cohérence de son émission pour mesurer les maxima de transmission des modes même avec des cavités de haute finesse. Une configuration nouvelle permettant ces effets est proposée (la cavité Brewster). Une gamme dynamique sur la mesure d'absorption d'environ cinq ordres de grandeurs est démontrée (1e-5 à 1e-10 /cm) ainsi qu'une sensibilité < 1e-10 /cm/Hz^(1/2). Un schéma d'acquisition mode par mode est employé et permet d'exploiter la linéarité du peigne de mode pour atteindre des hautes précisions sur la fréquence. La pertinence de cette approche est mise en évidence par la mesure de « pressure shifts » de l'oxygène obtenus avec une précision absolue record inférieure à 5*1e-5 cm^(-1)/atm.

Nous étudions les possibilités qu'offre une cavité à miroir mobile pour mesurer de très petits déplacements. L'utilisation d'une cavité optique de grande finesse permet d'observer le bruit thermique des miroirs, qui constitue une limitation importante des mesures de très grande sensibilité. Le miroir est également susceptible de se déplacer sous l'effet des fluctuations quantiques de la pression de radiation, ce qui mène à une Limite Quantique Standard dans une mesure de position. Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience, où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir arrière est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien de ce miroir avec une très grande sensibilité (2,75 x 10^-19 m/√Hz). Nous avons également étudié la possibilité de refroidir le miroir à l'aide de la pression de radiation d'un second faisceau modulé en intensité. Au voisinage de la résonance mécanique. on applique une force visqueuse supplémentaire sans bruit additionnel (friction froide). Nous avons observé une réduction du bruit thermique aussi bien à la fréquence de résonance mécanique qu'à basse fréquence. Une application potentielle d'un tel processus de refroidissement aux interféromètres gravitationnels est discutée.

Nous étudions théoriquement et expérimentalement le couplage optomécanique induit par la pression de radiation entre un faisceau lumineux et un objet macroscopique tel qu'un miroir. Nous présentons une étude théorique des effets quantiques induits par la pression de radiation dans une cavité optique dont un miroir est mobile. Le miroir peut se déplacer sous l'effet de la pression de radiation et ce mouvement change la phase du champ réfléchi par la cavité. Ce couplage optomécanique induit un déphasage du champ équivalent à un effet Kerr optique. Un tel dispositif peut être utilisé pour produire des états comprimés ou réaliser une mesure quantique non destructive.<br />Nous présentons les résultats obtenus dans notre expérience où un faisceau laser est envoyé dans une cavité à une seule entrée-sortie, dont le miroir mobile est déposé sur un résonateur mécanique. Nous avons observé le mouvement Brownien du miroir. Nous avons aussi utilisé un second faisceau modulé en intensité afin d'exciter les modes acoustiques du résonateur. Ceci permet de caractériser la réponse mécanique du résonateur et le couplage entre la lumière et les modes acoustiques. Nous avons enfin démontré l'efficacité de notre dispositif pour la mesure de petits déplacements du miroir. Le plus petit déplacement observable est égale à 2x10^(-19) m/Hz(1/2), en bon accord avec la prédiction théorique.

VIRGO est un détecteur d'ondes gravitationnelles basé sur un interférom etre de Michelson<br />ayant des bras de 3 km de long. Cette thèse porte sur l'étude du système qui, en<br />mesurant la puissance du faisceau transmis par l'interféromètre, détecte le passage d'une<br />onde gravitationnelle.<br /><br /><br />Grâce à une simulation du détecteur, on montre que le filtrage du faisceau avec une<br />cavité optique permet d'améliorer la sensibilité de l'interféromètre. Les performances du<br />filtrage optique de cette cavité sont ensuite mesurées grâce à un interféromètre de test.<br />Un système de contrôle automatique de la longueur de la cavité est enfin présenté. Il est<br />basé sur l'analyse, grâce à une caméra CCD, de la forme du faisceau.<br /><br /><br />Le système de lecture du faisceau est ensuite étudié pour gérer la dynamique du signal<br />sans dégrader la sensibilité du détecteur. On définit en particulier la mise en forme du<br />signal venant de chaque photodiode avant sa numérisation. Une procédure de calibration<br />permettant de mesurer et de corriger en ligne les dispersions entre les canaux de lectures<br />est présentée.<br /><br /><br />La mesure du bruit du système de lecture permet d'estimer sa contribution à la sensibilité<br />du détecteur. Un algorithme de recherche de signaux produit par une coalescence<br />d'étoiles binaires est mis en place. Il est ensuite utilisé pour étudier l'influence du bruit<br />du système de détection dans ce type de recherche.

Ce travail présente les mesures de la polarisation par effet Compton du faisceau d'électrons de l'accélérateur TJNAF pour les expériences de mesure des facteurs de forme électromagnétiques du proton et de mesure des fonctions de réponse du nucléon dans la réaction de l'électroproduction de pion au voisinage de la résonance 6.(1232). Le polarimètre Compton, dont le principe repose sur la diffusion élastique électron-photon, a été conçu et réalisé autour d'une cavité Fabry-Perot de finesse élevée, de l'ordre de 25000. La puissance du laser incident, de type Nd:YAG à la longueur d'onde 1064 nm, est accumulée dans la cavité optique afin d'obtenir une luminosité d'interaction telle que la précision statistique sur la mesure de la polarisation des électrons atteigne 1% en une heure. La fréquence du laser est asservie par la méthode Pound-Drever à une fréquence de résonance de l'interféromètre. La polarisation circulaire du faisceau de photons dans la cavité a été mesurée égale à 99.6+/-0.45%. Cette grandeur, ainsi que la mesure de l'asymétrie expérimentale et du pouvoir d'analyse de notre instrument, intervient directement dans la mesure de la polarisation du faisceau d'électrons. Le pouvoir d'analyse a été déterminé par une caractérisation de la réponse du détecteur de photons, un calorimètre composé de 25 cristaux de PbW04, à l'aide des événements détectés en coïncidence avec le détecteur d'électrons, composé de 4 plans de 48 'pistes de silicium. Les incertitudes de mesure proviennent principalement de la modélisation de la fonction de réponse du détecteur, de l'effet d'empilement de la mesure de la polarisation des photons. L'incertitude relative totale sur la mesure de Pe est de 1.4% pour une prise de données de 40 minutes. Le polarimètre Compton permet aussi de mesurer les différences d'hélicité entre deux renversements de la polarisation des électrons. Celle ci a été trouvée compatible avec zéro à 0.3% près.

Ce travail se place dans le cadre de la mesure ultrasensible d'anisotropie de phase optique que permet l'emploi adapté des cavités de très haute finesse. Pour stabiliser la fréquence laser sur une résonance de la cavité, un schéma d'asservissement reposant sur la rétroaction optique est utilisé.Une première partie décrit le couplage optique entre le laser et la cavité à travers l'analyse du comportement de la fréquence d'émission du laser auto-réinjecté. Une comparaison analytique théorie expérience a permis d'identifier les signaux d'erreur nécessaires au maintien durable de la fréquence du laser à l'exacte résonance d'un mode de la cavité. Après une description détaillée du dispositif d'asservissement, sa réalisation expérimentale sur une cavité de finesse de quelques milliers (F = 3 000)a démontré la possibilité de stabiliser la fréquence laser sur plus de dix heures avec une excursion résiduelle à la seconde de 375 Hz.Dans la deuxième partie, le développement précédent a été mis en œuvre sur une cavité de très haute finesse (F = 250 000) et a permis la mesure ultrasensible de biréfringence induite dans des gaz par effet Kerr. L'originalité du dispositif repose sur la mise à profit de la biréfringence résiduelle des miroirs de haute réflectivité.Elle est utilisée d'une part comme source à la rétroaction optique, et d'autre part comme biais optique à la mesure de la biréfringence du gaz. Une étude théorique et expérimentale détaillée des sources de bruit présent dans la chaîne de détection en fonction de la valeur du biais optique a permis de réaliser la mesure de déphasage au niveau du bruit de photons avec quelques mW de puissance laser. Ainsi, une sensibilité référence sur la mesure de déphasage Kerr de 3.10−13 rad a été démontrée pour un temps de mesure de 800 sec. Cette valeur record améliore de trois ordres de grandeur les déphasages Kerr précédemment mesurés. Le dispositif a été de plus mis à profit pour la mesure à faible champ électrique (< 40 V /mm) et à pression atmosphérique, des constantes de Kerr de différents gaz moléculaires et atomiques jusqu'à l'He.

L'interaction entre des champs électromagnétiques et des systèmes à plusieurs niveaux peut donner lieu à différents processus cohérents. La transparence électromagnétiquement induite (EIT) ou les oscillations cohérentes de populations (CPO) sont des phénomènes résonnants ayant pour conséquence d'annuler l'absorption du système pour un champ sonde. L'EIT se produit dans les systèmes à trois niveaux et met en jeu une cohérence entre niveaux non couplés optiquement, alors que les systèmes à deux niveaux suffisent pour faire apparaître le CPO qui ne met pas en jeu la dynamique des cohérences.Il est possible dans un milieu constitué d'atomes d'hélium métastable à température ambiante d'extraire un système à trois niveaux en Λ qui, lorsqu'il est excité par des polarisations circulaires, fait apparaître des fenêtres EIT de l'ordre de quelques dizaines de kHz de large. Lorsque ce système est excité par des polarisations linéaires et soumis à un champ magnétique de faible amplitude, c'est l'association des deux phénomènes de CPO et d'EIT qui détermine la réponse du système. Une fenêtre de transparence CPO de quelques dizaines de kHz de large a en particulier été observée.Ce type de phénomènes résonnants est associé à de grandes variations de l'indice de réfraction avec la fréquence du champ sonde, ayant pour conséquence de profondes modifications de la vitesse de groupe d'une impulsion se propageant dans le milieu. Notre système expérimental permet ainsi d'observer de la lumière lente, de la lumière rapide ainsi que des vitesses de groupe négatives. L'insertion de tels milieux dispersifs en cavité optique a été suggérée pour augmenter la précision de senseurs comme les gyroscopes lasers, mais leur bruit fondamental dépend de la durée de vie des photons dans la cavité. C'est pourquoi l'influence des milieux hautement dispersifs sur la durée de vie des photons dans une cavité est étudiée expérimentalement et théoriquement.

Le radical hydroxyle OH est un oxydant puissant qui intervient, entre autre,dans de nombreux processus photochimiques atmosphériques. L'objectif de cette thèse était de développerun système de mesure desradicaux OH dédié aux études de laboratoire. Celui-ci est basé sur la spectroscopie d'absorption en cavité résonante hors d'axe (OA-ICOS,Off-Axis integrated Cavity Output Spectroscopy).Notre système repose sur le couplaged'une diode laser fibrée (DFB) émettant dans le proche infrarouge (∼1435 nm) au sein d'une cavitéoptique àhaute finesse de 50 cm. Le parcours d'interaction du faisceau avec le milieu atteint 1263 m. Le couplage hors de l'axe permet d'atteindre une limite de détection à 2,12 x 10¹¹ OH / cm³. La spectroscopie par modulation de la longueur d'onde (WMS) en modulant l'intensité de la diode laser à 10 kHz est utilisée conjointement à la cavité OA-ICOS. Cette technique permet de s'affranchir du bruit en 1/f. La WM-OA-ICOS atteint alors une limite de détection de 5,7 x 10¹⁰OH/cm³. Les effets de la Modulation Résiduelle d'Amplitude (RAM) occasionnés par la modulation de l'intensité laser ont ensuite été supprimés. L'implémentation d'une boucle de contrôle de l'intensité laser en amont de la cavité optique a permis de réduire les variations d'intensité de la source et les effets de RAM. Ceci se traduit par une limite de détection plus basse à 5,7 x 10⁹ OH/cm³ pour 100 secondes d'intégration. La suppression des effets de RAM par moyen optique est utilisée pour la première fois pour réduire la limite de détection de systèmes WM-OA-ICOS. Ceci nous permet d'atteindre une valeur de NEAS qui est parmi les meilleures au monde et offre des perspectives intéressantes.

La communauté de la chimie atmosphérique souffre d'un manque de mesures rapides, fiables résolues spatialement et temporellement pour un large éventail de molécules réactives (radicaux tels que NO2, OH, BrO, IO, etc). En raison de leur forte réactivité, ces molécules contrôlent largement la durée de vie et la concentration de nombreuses espèces clés dans l'atmosphère, et peuvent avoir un impact important sur le climat. Les concentrations de ces radicaux sont extrêmement faibles (ppbv ou moins) et très variable dans le temps et dans l'espace, ce qui impose un véritable défi lors de la détection. Dans la première partie de cette thèse, un spectromètre UV robuste, compacte et transportable est développé, exploitant la technique ML-CEAS pour mesurer à des niveaux très faibles (pptv et même en dessous) des molécules réactives d'importance atmosphérique, en particulier, les radicaux d'oxyde d'halogènes, afin de répondre aux besoins émergents. La technique ML-CEAS est basée sur le couplage d'un laser femtoseconde à blocage de modes à une cavité optique de haute finesse, qui agit comme un piège à photons pour augmenter l'interaction entre la lumière et l'échantillon de gaz intracavité. Cela permet d'améliorer fortement la sensibilité d'absorption. La limite de détection obtenue pour le radical IO est de 20 ppqv pour un temps d'acquisition de 5 minutes, ce qui est un résultat impressionnant. Dans la deuxième partie de cette thèse, une nouvelle technique spectroscopique est développée appelée effet Vernier, qui est également basé sur l'interaction entre un laser femtoseconde à blocage de mode et une cavité optique de haute finesse. Cette technique fournit une sensibilité de détection similaire à la technique ML-CEAS, mais l'avantage est que le nombre des éléments spectraux est donné par la finesse de la cavité optique et donc peut atteindre plusieurs dizaines de milliers. De plus, cette configuration simplifie le montage expérimental par la suppression du spectrographe qui est remplacé par une simple photodiode. Le temps d'acquisition d'un spectre peut être aussi réduit à moins d' 1 ms.