Cette thèse concerne la spectroscopie atomique pour le développement de microcellules photoniques à base de vapeur atomique alcaline (PMC). Le travail est motivé par reproduire les performances remarquables obtenues dans les domaines des références de fréquences et de l’optique cohérente en environnement laboratoire et à les transférer dans des dispositifs très compacts et autonomes accessibles à une communauté scientifique plus large ou à un marché commercial. Dans notre cas, ces futurs composants seront basés sur une fibre à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) remplie d'un matériau en phase gazeuse pour former la PMC et se distingue par une longueur d'interaction ultra longue associée à des dimensions modales transverses micrométriques. Cependant, cette échelle micrométrique du coeur creux de la fibre contenant les atomes soulève plusieurs défis techniques et scientifiques. Parmi les défis techniques, nous énumérons le développement d'un processus efficace pour le chargement d'atomes dans une telle fibre optique, la suppression ou l'atténuation de la réactivité physio-chimique des atomes (c'est-à-dire le rubidium) avec la surface interne silice entourant le coeur de la fibre, etc... En parallèle, le rapport large surface / volume du coeur de la fibre soulève des questions comme la dynamique de relaxation de la cohérence et la nature et l'effet de l'interaction atome-surface. Ainsi, les travaux de thèse reposent sur l’utilisation de revêtements spécifiques de la surface interne du coeur de la fibre avec différents matériaux pour atténuer ces réactions physico-chimiques, sur l'amincissement des larges coeurs creux des HC-PCF Kagomé à couplage inhibé et sur une technique de soudure qui garantit de faibles pertes d’insertion et l’absence de réactivité avec les atomes. Parallèlement, la thèse rapporte un ensemble d'expériences de spectroscopie pour évaluer la dynamique de relaxation des atomes à l'intérieur des HC-PCF et l’observation de nouvelles transparences sous-Doppler. / This thesis reported on atomic spectroscopy for the development of alkaline atomic vapor photonic microcell (PMC). The work is motivated by reproducing the outstanding laboratory environment based performances achieved in the fields of frequency standard and coherent optics in highly compact and stand-alone devices that can be accessible to a wider scientific community or to a commercial market. In our case these future devices will be based a Hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF) filled with a gas phase material to form a PMC, and outstands with an ultra-long long interaction length and micrometric modal area. However, the micrometric scale of the fiber core harboring the atoms raises several technical and scientific challenges. Among the technical challenges, we list the development of efficient process for atom loading inside long hollow fiber with small core diameter, the suppression or mitigation of physio-chemical reactivity of the atoms (i.e. Rubidium) with the fiber core inner-surface silica etc. In parallel, the large surface-to-volume ratio of the fiber-core raises questions like the coherence relaxation dynamics and the nature and effect of the atom-surface interaction. The thesis reports on fiber-core inner surface coating with different materials to mitigate the physio-chemical reactions of the confined atoms with the surface, on tapering large core inhibited coupling Kagome HC-PCF, and splicing technique that ensures low splice loss and no atomic reactivity during the splicing process. In parallel, the thesis reports on a set of spectroscopy experiments to assess the relaxation dynamics of atoms inside HC-PCF and to report on novel sub-Doppler transparencies.

Cette thèse a porté sur les principes de guidage, les propriétés linéaires et les outils de conception autour des fibres à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) à couplage inhibé (IC). Le guidage IC a été démontré comme une manifestation photonique de Q-BiC (état quasi lié dans un continuum) en étudiant des profils asymétriques et dépendants en polarisation dit Fano présentant une bande passante spectrale de 30 GHz. En utilisant le concept de IC, nous reportons la caractérisation linéaire de fibres IC HC-PCF supérieures à l’état de l’art. Par une optimisation de la forme du coeur, une fibre Kagome IC HC-PCF a démontré des pertes très faibles de 8,5 dB/km à 1030 nm associées à une bande passante à 3 dB de 225 nm. Une autre conception avec des entretoises de silice amincies à 300 nm a permis d’atteindre des pertes de 30 dB/km à 780 nm avec une bande de transmission fondamentale record décalée à 670 nm et capable de couvrir toutes les gammes spectrales du Ti:Sa, Yb et Er. Nous avons également travaillé sur la conception et la fabrication de IC HC-PCF présentant une gaine dont la structure est un réseau unique de tubes fins isolés. Une de ces fibres a permis de démontrer une transmission jusqu'à 220 nm avec des pertes records de 7,7 dB/km à ~ 750 nm, tandis qu’une seconde réalisation s’est traduit par une bande fondamentale de plus d’une octave allant de 600 à 1200 nm avec des pertes de 10-20 dB/km. Finalement, cette dernière fibre a été étudiée plus en détail pour déterminer les sources à l’origine des pertes due à la rugosité de surface présente à l’interface du contour du coeur. / This thesis reported on guiding principles, linear properties and conceptual design tools of inhibited coupling (IC) guiding hollow-core photonic crystal fibers (HC-PCF). IC guidance was proved as photonic manifestation of Q-BiC (quasi bound-state-in-a-continuum) by investigating asymmetric and polarization dependent Fano profiles with bandwidth of 30 GHz in high resolution transmission spectra. By using IC design concept, we reported on linear characterization of state-of-the-art IC HC-PCFs. Based on core shaping optimization, a Kagome IC HC-PCF demonstrated ultra-low loss down to 8.5 km/km at 1030 nm associated with a 225 nm wide 3-dB bandwidth. Another Kagome design with thinner silica struts of 300 nm exhibited lowest loss of 30 dB/km at 780 nm along with record level fundamental bandwidth spreading down to 670 nm and able to cover the entire Ti:Sa, Yb and Er laser spectral ranges. We also reported on design and fabrication of single-ring tubular lattice IC HC-PCFs. One of these fibers demonstrated transmission down to 220 nm with a record transmission loss of 7.7 dB/km at ~750 nm, while the second one exhibited ultra-broad fundamental band with loss range of 10-20 dB/km over one octave spanning from 600 to 1200 nm. Finally, the second tubular fiber was further investigated for fundamental loss sources due to surface roughness around its core-contour.

Depuis leur avènement, les fibres à cristal photonique à cœur creux ont prouvé leur capacité à convertir des fréquences avec une haute efficacité, notamment en jouant sur le phénomène de diffusion Raman stimulée. Dans le cadre d’un contrat CIFRE entre la société GLOphotonics et l’institut de recherche Xlim, ce projet de thèse a consisté à développer ces fibres afin d’améliorer leurs performances optiques pour cibler deux voies d’applications: une industrielle pour proposer un laser compact multi-ligne dans le visible et dans l’UV et une seconde plus fondamentale pour réaliser un synthétiseur d’onde optique. L’amélioration de ces performances repose sur l’exacerbation de l’inhibition du couplage entre le mode du coeur d’air et les modes de silice de la gaine. Pour cela deux types de micro-structures ont été explorées à savoir une maille Kagomé et une maille tubulaire. Plusieurs fibres ont été alors fabriquées démontrant des performances records sur toute une gamme de longueurs d’onde (8,5 dB/km à 1 µm, 7,7 dB/km à 750 nm, 13,8 dB/ km à 549 nm, et autour de 70 dB/km à 355 nm). Concernant la fonctionnalisation de ces fibres, des micro-capsules photoniques ont été conçues et réalisées permettant à la fois de palier au problème de la perméabilité de la silice au gaz (stabilité de la conversion dépassant 12 mois) et de démontrer une conversion de 26 lignes dans le visible. Un produit industriel nommé CombLas a alors été produit puis appliqué à une étude de cytométrie en flux pour étudier l’influence du taux de répétition du laser de pompe. Ce produit a également été étendu à la gamme spectrale de l’UV avec la génération de 24 lignes entre 225-400 nm. Enfin, des travaux plus fondamentaux ont été réalisés consistant à développer un synthétiseur d’onde optique à base de génération Raman dans ces fibres creuses. Une nouvelle dynamique a été observée démontrant le piégeage de molécules d’hydrogène par un réseau optique auto-assemblé de puits de potentiel ultra-profonds et nanométriques. Cela permis de générer un régime Lamb-Dicke de la diffusion Raman stimulée. Des signatures sub-Doppler usuellement vues dans les atomes froids ont été mesurées avec des largeurs de bandes plus étroites de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport à ce qui est prédit dans la littérature. Finalement, cette largeur de bande a été optimisée d’un ordre de grandeur en jouant sur la longueur de la fibre et la pression de l’hydrogène. / Since their advent, hollow-core photonic crystal fibers have proved to be highly efficient for frequency conversion, especially via by playing with stimulated Raman scattering. Within the frame work of a CIFRE contract between the firm GLOphotonics and the Xlim research institute, this thesis project has consisted in developing these fibers to enhance their optical performances, in order to target two different field of applications: an industrial one to offer a a compact multi-line laser in the visible and UV and a second more fundamental one to realize a optical wave synthesizer. The amelioration of these performances relies on the exacerbation of the inhibition of the coupling between the air core mode and the silica cladding modes. Two types of micro-structures have been explored, a Kagomé and a tubular lattice. Several fibers have been fabricated demonstrating record performances on all a wavelength range (8.5 dB/km at 1 µm, 7.7 dB/km at 750 nm, 13.8 dB/km at 549 nm, and around 70 dB/km at 355 nm). Concerning the functionalization of the fibers, photonic micro-cells have been designed and realized enabling to overcome the problem the permeability of silica to gas (conversion stability over 12 months) and demonstrate a conversion to 26 lines in the visible. An industrial product coined CombLas has been made and used for flow cytometry in order to study the influence of the repetition rate of the pump laser. This product has also been extended to the UV range with 24 lines generated between 225-400 nm. Also, more fundamental research has been realized consisting in developing an optical wave synthesizer based on Raman generation in hollow core fibres where a new dynamic has been observed demonstrating the trapping of hydrogen molecules by an auto-assembled optical lattice of ultra-deep and nano-metric potential wells. This configuration has enabled to generate a Lamb-Dicke regime of stimulated Raman scattering. Sub-Doppler signatures usually found in cold atoms have been measured with linewidths narrower than 5 orders of magnitude than what is predicted in the literature. Finally, this linewidth has been optmised of an order of magnitude by plaing on the length of the fiber and the pressure of hydrogen.