Doctor of Philosophy / Department of Physics / Itzhak Ben-Itzhak / Present laser technology allows for the production of ultra short (&7 fs) intense (.1016 W/cm2)pulses, which are comparable in duration and interaction strength to the vibrational period and the interaction that binds the electron in molecules, respectively. In this intense-field ultra short-pulse regime one can both measure and manipulate dynamics on the femtosecond timescale. To probe the dynamics of laser-matter interactions in this regime, we have chosen to start from the simplest possible molecule - H+ 2 , which can either dissociate into H + p or ionize into p + p + e. We have designed and employ a coincidence three-dimensional momentum imaging technique which allows us to measure ionization and dissociation of a molecular ion beam target simultaneously, while completely separating the two channels from each other. By varying the laser intensity and the pulse duration, we measure the intensity and pulse length dependent momentum distributions for laser induced fragmentation of H+ 2 at 790 nm. These dissociation measurements are in agreement with the phenomena predicted using the adiabatic Floquet picture, e.g. bond softening, in addition to more sophisticated calculations done by solving the time-dependent Schrodinger equation in the Born-Oppenheimer representation. Furthermore, the structure seen in ionization in our measurements and soon after by others is explained via a unified diabatic Floquet picture, which includes both ionization and dissociation in a single intensity and wavelength dependent picture that includes nuclear motion. Additionally, we use the same experimental techniques and apparatus to probe the laser-induced dynamics of multi-electron diatomic molecules, e.g. O+2, N+2, and ND+. The most probable dissociation and ionization pathways producing the features seen in these measurements are discerned using the angular and kinetic-energy-release distributions in conjunction with the diabatic Floquet picture. Finally, we extend these experimental techniques and interpretive models to the simplest polyatomic molecule - H+ 3 , whose fragmentation presents challenges both in our first-of-their-kind experiments and in physical interpretation.

Ce manuscrit décrit l'étude et le développement de capteurs inertiels fondés sur l'utilisation de l'interférométrie atomique. Une introduction historique du domaine est suivie d'une description du principe de fonctionnement des interféromètres, fondés sur l'utilisation de transition Raman stimulées comme séparatrices atomiques d'une part et d'atomes refroidis par laser d'autre part. L'étude porte principalement sur trois systèmes expérimentaux : deux gyromètres et un gravimètre. Leurs performances respectives sont présentées et comparées à l'état de l'art des capteurs standard et mises en perpective des différents domaines d'application envisagés. Les limites expérimentales sont identifiées comme étant liées à l'interaction entre atomes et séparatrices lasers. Le manuscrit se termine par une présentation des perspectives en terme de performances ultimes et de nouveaux concepts, notamment fondés sur l'utilisation d'atomes ultra-froids, ainsi que d'un certain nombre de missions spatiales envisagées utilisant des capteurs inertiels par interférométrie atomique.

Les travaux dont les résultats font l'objet de ce mémoire de doctorat s'inscrivent dans le cadre de l'étude expérimentale et théorique des processus d'absorption/émission de rayonnement infrarouge par des milieux moléculaires gazeux. Il a été motivé par des besoins de modélisation de la signature infrarouge d'aéronefs et de télédétection. Le problème posé est celui de l'élaboration, puis de la validation, d'une approche théorique et numérique permettant de prédire les spectres infrarouges des milieux gazeux rencontrés dans les applications de télédétection. Ces derniers ont la caractéristique de mettre en jeu des trajets optiques comprenant un long parcours froid (l'atmosphère) juxtaposé à une partie plus courte et chaude (gaz de combustion). En raison de la forte variabilité des conditions thermophysiques le long des rayons, du nombre considérable de ces rayons à prendre en compte pour l'intégration sur l'angle solide de visée, et de l'étendue du domaine spectral d'intérêt, le volume de calculs associés à la prédiction de la signature infrarouge est considérable. L'approche théorique se doit donc d'être très efficace et rapide tout en restant la plus précise possible. Ce problème a été abordé ici sur le plan théorique et expérimental. L'approche prédictive développée repose sur un modèle "raie par raie" dans lequel le spectre résulte de l'addition des contributions individuelles des transitions infrarouges des espèces moléculaires présentes. Cette approche est dans l'ensemble très précise mais aussi très coûteuse en temps de calcul en raison du nombre de raies à prendre en compte et de la forte dynamique spectrale aux pressions modérées des milieux considérés. Une fois posées les bases du modèle, un effort important a été consacré à l'optimisation des calculs qui a été faite à plusieurs niveaux en autorisant des erreurs contrôlées sur le résultat final. Nous avons ainsi développé : - une technique (la plus) rapide d'évaluation du profil (Voigt) des raies ; - un système de grilles spectrales de pas différents minimisant le nombre de points de calcul ; - une méthode efficace d'élimination des raies de contribution négligeable ; - une technique de coupure des ailes de raies associée à l'utilisation de continua. Ces concepts ont servi de base pour la construction d'un code informatique profitant des fonctionnalités (notamment la gestion dynamique de la mémoire) du langage Fortran 90. Ce code a été implanté à la SNECMA et à l'ONERA, avec une version parallélisée sous MPI. Ce travail a été un succès puisque l'outil développé a réduit le temps de calcul d'un facteur trente par rapport au code raie par raie déjà optimisé dont disposait la SNECMA. Ceci a permis de mener, pour la première fois, un calcul complet de signature infrarouge avec une approche raie par raie. En parallèle, des études expérimentales ont été menées afin de tester la qualité des prédictions obtenues avec le code développé. Deux dispositifs différents et complémentaires ont été utilisés afin de reproduire, en laboratoire, des milieux "représentatifs" de ceux mis en jeu par les applications de signature. Le premier, que nous avons conçu, construit, et exploité a été développé autour d'un spectromètre à réseau et d'une cuve multi-passages pré-existante de 50 m de base au GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, Reims). Ce travail a permis (pour la première fois) la mesure de spectres de transmission dans le domaine 2-14 μm, à température ambiante mais pression variable, pour des trajets optiques supérieurs au kilomètre, schématisant ainsi les longs parcours atmosphériques rencontrés dans les applications pratiques considérées. Les résultats obtenus ont permis de valider les calculs, à quelques exceptions mineures et locales près. Le second dispositif a été développé, à notre suggestion, par une équipe du LPALMS (Laboratoire de Physique des Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces, Rennes). Le montage repose sur la juxtaposition d'une courte cuve chaude et d'une longue cuve froide, schématisant ainsi l'aspect gaz chauds + gaz froids des milieux mis en jeu par les applications pratiques. Des spectres du CO2 ont été enregistrés à haute résolution spectrale, à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier, dans les régions de 10 et 4 μm pour des températures allant jusqu'à 1000 K. Ces données ont confirmé la qualité des calculs prédictifs sous réserve que des bases de données spectroscopiques "chaudes" soient utilisées.

Dans ce mémoire de thèse, nous présentons d'une part un nouveau dispositif expérimental permettant l'obtention de condensats de Bose-Einstein de rubidium dans un piège dipolaire croisé, et d'autre part des expériences de production et de manipulation de lasers à atomes guidés optiquement à partir de ces condensats. Le potentiel optique utilisé pour piéger les atomes est indépendant du sous-niveau de l'état fondamental dans lequel ils se trouvent. Nous mettons à profit cette particularité pour contrôler leur état interne par une méthode de distillation du spin en appliquant des gradients de champ magnétique pendant la phase d'évaporation. Nous exposons ensuite deux nouvelles méthodes pour produire des lasers à atomes guidés à partir de ces condensats, l'une optique, l'autre magnétique, basées sur le déversement progressif des atomes hors du piège croisé où ils sont préparés dans un guide optique. Nous caractérisons le degré d'occupation des modes transverses du guide pour les lasers à atomes produits, ainsi que la qualité du découplage en termes d'entropie créée, grâce à une analyse thermodynamique. Enfin, nous montrons des résultats préliminaires concernant l'interaction de ces lasers à atomes avec un défaut du potentiel de guidage, créé par l'ajout d'un potentiel dipolaire de forme et de position contrôlée. Une analyse de cette interaction est proposée sous la forme d'une théorie de la diffusion quantique en espace confiné.

L'objet de cette thèse est une mesure absolue de la fréquence de la transition 1S-3S dans l'atome d'hydrogène, afin d'améliorer la connaissance de la constante de Rydberg et du déplacement de Lamb. Expérimentalement, un laser Ti :Sa continu à 820 nm est quadruplé en fréquence dans des cristaux de LBO et BBO. La transition à deux photons de 205 nm est réalisée dans une cavité optique colinéaire au jet atomique. L'effet Doppler du second ordre est compensé par l'action d'un champ magnétique statique. Un peigne de fréquences optiques sert à comparer directement la fréquence absolue du Ti :Sa à l'étalon primaire de fréquence. La détection de la fluorescence à 656 nm est assurée par une caméra CCD. L'ajustement des données expérimentales par les formes de raie calculées conduit à une valeur de l'effet Doppler du second ordre incompatible avec les prévisions approximatives de la fréquence absolue 1S-3S, suggérant l'existence d'un effet systématique tel qu'un champ électrique parasite.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques et de lasers compacts aux longueurs d'onde des télécommunications. Les émetteurs étudiés dans ce travail de thèse sont des boîtes quantiques InAsP/InP [001] obtenues par Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques (EPVOM). Il a été démontré, par l'intermédiaire de mesures spectrales et des mesures de durée de vie, que ces émetteurs présentent les caractéristiques nécessaires en vue des applications visées. Plus particulièrement, la mise en évidence expérimentale d'un dégroupement de photons, à partir d'une boîte unique, valide la possibilité de réaliser une source de photons uniques. En parallèle, des études sur les lasers à cristaux photoniques de faible volume modal et fort facteur de qualité, utilisant les mêmes boîtes quantiques à température ambiante, ont montré des propriétés originales, particulièrement sur la physique au niveau du seuil laser. La différence de comportement au niveau du seuil, par rapport aux lasers conventionnels, s'explique dans nos structures par le fort taux de couplage de l'émission spontanée dans le mode laser.

Ce mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est consacrée à l'étude de la superfluidité dans un gaz de fermions ultra-froids. En utilisant un gaz dégénéré de lithium 6 au voisinage d'une résonance de Feshbach nous avons obtenu un superfluide fermionique et étudié son évolution en fonction de l'énergie de liaison des paires. Afin de caractériser la transition BEC-BCS entre un condensat de Bose-Einstein de molécules et un état BCS de paires de Cooper faiblement liées, nous avons étudié l'expansion du nuage en absence ou en présence d'interactions. Nous avons ainsi extrait la distribution en impulsion du système et sondé son caractère hydrodynamique. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'un montage expérimental de seconde génération. Par rapport à l'ancien dispositif, ses principaux atouts sont un gain d'un ordre de grandeur sur le nombre d'atomes piégés, un bon accès optique, une grande stabilité et reproductibilité ainsi qu'un taux de répétition cinq fois supérieur. La nouvelle expérience a déjà permis d'atteindre le seuil de dégénérescence quantique du lithium 7 avec des performances très satisfaisantes et donne accès à la simulation de hamiltoniens de matière condensée avec des fermions ultra-froids.

En dimension trois, les états propres d'une particule quantique soumise à un potentiel désordonné présentent une transition, appelée transition d'Anderson, entre un régime délocalisé à faible désordre et un régime localisé à fort désordre. Cette localisation étant due aux interférences, elle est facilement perturbée par des effets de décohérence ou d'interaction entre particules, et est donc délicate à observer. Dans ce mémoire, nous rapportons nos travaux théoriques ayant permis la première observation expérimentale de la transition d'Anderson avec des ondes de matière atomiques.<br /><br />Un nuage d'atomes froids soumis à une onde stationnaire pulsée de façon quasi-périodique réalise une variante du Kicked Rotor (paradigme du chaos quantique) analogue à un modèle d'Anderson 3D. Cependant, la limite thermodynamique n'est pas accessible expérimentalement. Interprétant ces contraintes comme similaires à des effets de taille finie, nous construisons une méthode de ``finite-time scaling'' permettant de caractériser la transition expérimentalement, de donner la première détermination expérimentale non-ambigüe de l'exposant critique $\nu$ de la transition, et de confirmer que le Kicked Rotor quasi-périodique appartient à la même classe d'universalité que le modèle d'Anderson. À partir de la théorie auto-cohérente de la localisation, nous calculons l'état critique du système, prédiction trouvée en très bon accord avec les données expérimentales et numériques.

La diffraction et la diffusion de la lumière sont étudiées de façon théorique et expérimentale puis utilisées pour les applications à la métrologie des composants sub-microniques dans l'industrie de la microélectronique, ainsi qu'aux applications dans le domaine de l'imagerie sélective en milieu diffusant basée sur les propriétés ellipsométriques de la lumière. La modélisation est réalisée à l'aide de la méthode différentielle que nous avons implémentée pour plusieurs situations : diffraction 2D classique et conique et diffraction 3D. Outre les améliorations déjà connues, algorithme des matrices S et règles de factorisation, nous proposons une nouvelle méthode d'intégration matricielle des équations du champ, plus rapide que les formulation existantes, qui nous permet d'aborder le cas des structures 3D de forme arbitraire, aléatoires ou périodiques. Cet outil est ensuite appliqué à l'extension de l'imagerie sélective au cas des surfaces très rugueuses et au problème inverse en microélectronique.

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude expérimentale et théorique de synchronisation entre lasers à semi-conducteurs émettant à 1, 55 µm. Cette synchronisation est réalisée sans l'aide de contre-réaction optique grâce à l'utilisation d'injection optique, c'est-à-dire au couplage unidirectionnel entre deux lasers : le maître et l'esclave. Les différents lasers utilisés sont caractérisés de manière classique (P (I), lambda (I), ...) puis par injection optique afin de déterminer les différentes valeurs des paramètres physiques intrinsèques de ces lasers (dimensions géométriques, indice optique, gain interne, ...). Nous reportons également l'observation expérimentale de multi-excitabilité pour le laser à semiconducteurs injecté. L'impact de la cohérence optique est montré dans le processus de l'injection optique. Des simulations numériques, à partir d'un modèle standard dénommé de Lang et Kobayashi, sont détaillées dans leur différent régime dynamique. Elles montrent un bon accord avec les observations expérimentales, en particulier par l'intermédiaire de cartographies dans l'espace «désaccord-puissance injectée». Ainsi nous mettons numériquement en évidence la présence de larges zones de bistabilité, observées auparavant par Stéphane Blin. Nous présentons, pour la première fois, des études de synchronisation de chaos. Le signal chaotique est ici généré de manière originale, par une première injection optique. La synchronisation est, quant a elle, obtenue grâce à une seconde injection optique. Nous démontrons qu'il est possible d'atteindre expérimentalement des indices de corrélation de 96 %. Nous dressons ensuite numériquement des cartographies de synchronisation de chaos où nous mettons en évidence la présence de zones étendues ou l'indice de corrélation peut-être supérieur à 90 %. Enfin nous terminons par mettre numériquement en évidence et cartographier le phénomène d'anticipation de chaos pour un laser injecté, phénomène obtenu pour des indices de corrélation supérieur à 90 %.