L'objet de ce travail de thèse est d'étudier un cas particulier de l'interaction lumière-matière dans le cadre du stockage d'information quantique. Nous nous sommes intéressés aux processus appelés transitoires optiques cohérents, et plus précisément à l'écho de photon à deux impulsions. Ce processus est observé dans des cristaux dopés aux ions lanthanides, tel que le Tm3+:YAG. Une fois éclairé par une impulsion faible (le signal à stocker) puis par une impulsion plus intense (servant à la remise en phase des dipôles induits), ce milieu atomique, essentiellement un système à deux niveaux avec une transition large, réemet une troisième impulsion, qui est l'"écho" temporel de la première (chapitre 1). Nous avons observé de tels échos expérimentalement, et ce pour des impulsions de signal faibles. Néanmoins, des effets délétères, dûs à l'impulsion de rephasage et à sa propagation, nous ont permis de conclure sur l'impossibilité d'utiliser ce processus tel quel en tant que protocole de mémoire quantique (chapitre 2). Le troisième chapitre a pour objet l'état des lieux des diverses méthodes dérivées de l'écho de photon à deux impulsions. Notamment, nous examinons la capacité théorique des échos Stark à restituer une éventuelle information quantique. Bien que prometteuse, nous lui avons préféré un autre processus, basé sur la structuration de l'absorption du système en peigne de fréquences atomiques (AFC en anglais). Son étude théorique consistitue la fin du chapitre 3. Le dernier chapitre (4) s'attache à résumer les expériences que nous avons réalisées sur le protocole AFC. Elles ont permis d'observer des échos AFC avec une efficacité proche de 10%. Elles ont également permis de dégager des axes de recherche pour améliorer le protocole, comme l'AFC large- bande, ou en régime de comptage de photons.

L'objet de cette thèse est l'étude de deux nouveaux pièges radiatifs à atomes neutres. Le premier est une cavité atomique verticale formée par un miroir électromagnétique convexe, la gravité jouant le rôle de second miroir. Ce miroir atomique utilise une onde évanescente intense à la surface incurvée d'un diélectrique. Nous avons montré que le confinement paraxial des atomes est possible dans un tel piège, ouvrant ainsi la voie vers des applications fondamentales d'optique et d'interférométrie atomique. Le second piège est un nouveau piège à pression de radiation basé sur le pompage optique qui fonctionne en champ magnétique nul, le TROOP. Il est constitué de six faisceaux divergents de polarisation circulaire et fonctionne sur le rouge d'une transition Jg → Je = Jg + 1 avec Jg > 0.

En microscopie optique en champ proche (NSOM, Near-Field Scanning Optical Microscopy), une source de lumière de dimension très inférieure à la longueur d'onde est approchée de l'échantillon à étudier, à des distances très inférieures à lambda. En balayant la sonde en face de l'échantillon, on reconstruit une image optique d'une résolution non limitée par la diffraction, mais par la taille de la source de lumière utilisée. L'utilisation d'une nanoparticule (de taille de l'ordre de 10 nm) luminescente unique comme source de lumière permettrait donc d'avoir accès à des résolutions réellement nanométriques.<br />Nous avons développé un microscope dual confocal/NSOM adapté à l'étude et l'utilisation de telles nanoparticules. A l'aide de ce microscope, nous avons acquis des images construites en utilisant la fluorescence d'un nanocristal de CdSe/ZnSe unique (~ 4 nm) rapporté en extrémité d'une pointe NSOM normale comme source de lumière. Le caractère intermittent de cette fluorescence, combiné avec le photoblanchiment de ces nanocristaux, ont empêché de reconstruire des images complètes permettant de quantifier la résolution latérale atteinte. Notre recherche s'est ensuite portée vers la caractérisation d'autres nanoparticules dont la luminescence ne présente ni blanchiment, ni clignotement. Le premier type de particules présentant ces caractéristiques sont des agrégats de YAG :Ce3+ produits par LECBD, d'une taille inférieure à 5 nm. Nous décrivons les premières caractérisations optiques de ces nanoparticules. La seconde alternative réside dans les nanoparticules de diamant dopées avec des centres NV. Nous avons démontré que notre dispositif permet de sélectionner les nano-diamants qui sont fluorescents, de mesurer leur taille et, dans le cas des particules fluorescentes, de déterminer celles qui hébergent un seul centre NV unique dont l'état de charge est de plus déterminé in situ. Nous montrons ainsi que notre NSOM détecte aisément le centre NV unique dans une nanoparticule de diamant de 25 nm. Cette démonstration ouvre la perspective de pouvoir utiliser une telle particule mais de taille arbitrairement petite comme source de lumière.

Les systèmes lasers solides s'imposent de plus en plus dans de nombreuses applications de la lumière laser. L'évolution rapide des diodes laser de pompe vers des systèmes de plus en plus puissants et compacts permet d'espérer une montée en puissance de ces systèmes. Néanmoins, cette montée en puissance est limitée par la résistance des milieux amplificateurs aux fortes puissances de pompe. Les cristaux massifs habituellement utilisés dans ces systèmes sont en particuliers limités par d'importants effets thermiques. De nouvelles architectures ont été développées pour tenter de résoudre cette difficulté, mais aucune ne permet aujourd'hui de combiner simplicité, forte puissance moyenne, et forte puissance crête. Les travaux que nous présentons sont répartis sur deux axes de recherche. Notre premier objectif est de mieux comprendre les effets thermiques dans les cristaux laser. Notre deuxième objectif est de mettre au point un nouveau milieu laser ayant le potentiel de dépasser les limites actuelles. Nous avons mis en place d'un banc de caractérisation thermique complet, permettant de caractériser de mesurer la conductivité thermique et le coefficient thermo-optique des matériaux laser, en condition d'utilisation, sans nécessiter de données extérieures issues de la bibliographie. Nous présentons quelques exemples d'utilisations pratiques de ce banc. En collaboration avec l'entreprise Lyonnaise Fibercryst, nous avons également développé un nouvel concept laser, le laser à fibre monocristalline, alliant les avantages de la géométrie des lasers à fibre en silice et les qualités intrinsèques des cristaux massifs. Nous présentons la caractérisation des fibres obtenues par croissance micro-pulling down, ainsi que leurs résultats laser. Nous montrons que ces milieux sont très prometteurs pour la réalisation de laser alliant forte puissance moyenne et forte puissance crête.

Ce mémoire décrit trois tests expérimentaux des inégalités de Bell par mesure de corrélation de polarisation de photons émis par paires dans la cascade radiative 4p2 1So → 4s4p 1P1 → 4s2 1So du Calcium. Après avoir rappelé le contexte théorique (théorème de Bell) et expérimental (expériences précédentes), nous présentons notre appareillage : source (jet atomique de Calcium excité sélectivement par transition à deux photons), optique, système de comptage de photons en coïncidences. La première expérience, analogue aux précédentes mais plus précise, utilise des polariseurs à une voie. La deuxième expérience, nouvelle, fait usage d'analyseurs de polarisation à deux voies, ce qui la rend plus simple sur le plan conceptuel. Dans la troisième expérience, des ensembles commutateurs acousto-optiques-polariseurs jouent le rôle de polariseurs variables, dont l'orientation est modifiée pendant le temps de vol des photons. Dans les trois expériences, les résultats sont en bon accord avec les prédictions de la Mécanique Quantique, et ils violent nettement les inégalités de Bell.

La caractérisation des complexes de van der Waals est déterminante pour la compréhension et la modélisation des atmosphères planétaires et du milieu interstellaire. Cependant, ces agrégats moléculaires sont assez peu étudiés, particulièrement dans l’infrarouge proche. Cette thèse a pour but d’enrichir les connaissances sur les complexes d’eau et d’ammoniac dans cette région spectrale. Pour cela, nous avons utilisé un montage expérimental appellé FANTASIO+, couplant une expansion su- personique à un spectromètre à temps de déclin (CRDS). Plusieurs complexes de van der Waals ont pu être observés et analysés, à savoir 14/15NH3−Ar/Kr, (H2O)2, H2O−Ar/Kr et HDO−N2O.Ces complexes peuvent être décrits par deux régimes selon la hauteur de la barrière du potentiel intermoléculaire. Les complexes caractérisés par un potentiel inter- moléculaire élevé peuvent être traités par le régime semi-rigide, à savoir comme une molécule à part entière avec des constantes rotationelles bien définies [(H2O)2 et HDO−N2O]. Dans le régime du rotateur libre, au contraire, le monomère du complexe est soumis à une faible barrière de potentiel, et donc sa rotation est pra- tiquement libre (tous les complexes 14/15NH3− et H2O−gaz rare).Le déplacement et la séparation des niveaux d’énergie robivrationels du monomère dépend de l’effet de l’anisotropie du potentiel intermoléculaire par rapport au lien intermoléculaire. Les transitions entre ces sous-états sont appelées des sous-bandes.Les spectres observés dans ce travail de thèse correspondent à l’excitation vibra- tionnelle de 14/15NH3, H2O ou HDO. L’analyse rotationelle des sous-bandes a pu être réalisée pour toutes les espèces (y compris les 4 isotopes principaux du krypton dans H2O−Kr), excepté pour 15NH3−Kr car la sous-bande observée était à peine visible. Nous avons pu caractériser la structure rotationnelle de 1 (15NH3−Ar) à 14 (H2O−Ar) sous-états vibrationnellement excités et de l’état fondamental pour toutes les espèces sauf 14NH3−Kr, 15NH3−Ar/Kr et (H2O)2. Notre travail sur ce dernier, basé sur des calculs théoriques et sur une étude similaire en matrice de néon, est la première analyse rotationelle de ce complexe dans cette région spectrale. Les analyses des spectres de H2O−Ar et HDO−N2O s’appuient sur des calculs ab initio. Pour HDO−N2O, nous avons pu déterminer que le lien OD se trouve plus proche de N2O que le lien OH. Les spectres de 14/15NH3−Ar/Kr présentent des sous-bandes appartenant à des complexes de taille plus importante. Un séjour à l’Université d’Alberta a été organisé afin d’identifier la nature de ces complexes.Quand l’analyse rotationelle a pu être réalisée, nous avons déterminé les temps de vie de prédissociation des sous-états excités (sauf pour HDO−N2O car le signal-sur- bruit était trop faible). Ils sont de 20 ps pour (H2O)2 à 4 ns pour H2O−Ar. Nous avons observé que les temps de vie déterminés étaient inversement proportionnels à l’énergie de dissociation des complexes. Le déplacement observé entre l’origine des sous-bandes par rapport à la bande correspondante du monomère suit égale- ment la même tendance que l’énergie de dissociation du complexe. Nous avons pu déterminer les températures rotationnelles pour toutes les espèces dans le jet super- sonique. Celles-ci sont différentes uniquement dans le cas de 14NH3−Ar.Des spectres des monomères 14NH3 et 15NH3 ont également été enregistrés, notamment en utilisant un spectromètre à transformée de Fourier, enrichissant ainsi les données spectroscopiques de ces molécules dans l’infrarouge proche. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Nous étudions dans ce mémoire de thèse les états diexcités 1po de l'atome d'hélium, situés au voisinage de son seuil de double ionisation (79 eV), atteints par absorption d'un photon. Ces états diexcités sont soit les états du double continuum situés au-dessus du seuil de double ionisation soit les états doublements excités situés en dessous. Ces deux types d'états diexcités sont dégénérés aux états du continuum simple avec ou sans excitation de l'ion résiduel He+ et sont donc fortement couplés à ces derniers. Dans un processus de photoabsorption à un photon, ces états ne peuvent être accessibles que grâce aux corrélations électroniques du système. Le travail que nous avons réalisé s'inscrit dans une démarche qui vise à étudier tous ces états par une seule et même méthode contrairement aux travaux antérieurs où les méthodes se spécialisaient dans le traitement d'un seul type d'état.<br />Nous utilisons pour cela la méthode HRM-SOW (Hyperspherical R-Matrix with Semiclassical Outgoing Waves), initialement dédiée à l'étude du double continuum de He.<br />Dans ce travail, elle est étendue à la description du continuum simple avec ou sans excitation. Ainsi, nous avons pu calculer les sections efficaces de photoionisation simple avec ou sans excitation jusqu'à n=50 de He à 100meV seulement au dessous de son seuil de double ionisation. Une analyse détaillée en ondes partielles a permis de mettre en évidence le rôle des corrélation angulaires et radiales dans les états du simple continuum de He. Nous avons ensuite établi une relation de continuité entre la photoionisation double et la photoionisation simple avec une excitation infinie de l'ion résiduel He+. la méthode HRM-SOW permet également de calculer la section efficace intégrée de double photoionisation avec une grande précision y compris à très basse énergie. Nous l'avons donc appliquée pour différentes énergies de photon au voisinage du seuil afin de tester la loi de seuil de Wannier. Les résultats obtenus sont en accord d'une part avec les prédictions théoriques de Wannier, d'autre part avec les résultats expérimentaux. La méthode HRM-SOW apparaît donc comme une méthode complète au dessus du seuil de double ionisation. <br />Nous avons poursuivi ce travail en amorçant l'étude des états doublement excités autoionisants. Ceux ci se manifestent comme des résonances dans les sections efficaces d'ionisation sous le seuil de double ionisation. Nos calculs de sections efficaces partielles intégrées et différentielles nous ont permis d'identifier ce type d'états dans la région allant jusqu'au cinquième d'ionisation simple. Certains ont été observés pour la première fois.

Les sources d'ions de type RCE sont issues de la recherche sur la fusion et ont, en quelques sorte, révolutionnées le domaine des sources d'ions multichargés. Ces équipements ont permis à la fois d'augmenter les performances des accélérateurs actuels (énergies, type d'ions, intensités) permettant par la même l'exploration de nouveaux domaines de Physique (matériaux, agrégats etc...) comme d'ouvrir de nouvelles voies plus applicatives : hadronthérapie, traitement de surface, etc... Ce mémoire expose les développements réalisés au GANIL / CIMAP sur les développements techniques et théoriques de ce type d'équipement afin de proposer de nouvelles versions soit plus performantes soit plus versatiles dans leurs applications / utilisations. Dans ce mémoire trois exemples d'utilisation de sources RCE sont développés : utilisation des ions multichargés comme sonde pour l'étude Physique des agrégats de fullerènes ; production de faisceaux d'ions multichargés mais de taille micrométriques et la modification des propriétés physiques d'une surface de Ti-6Al-4V grâce à l'implantation d'ions multichargés multiénergies. Gageons que toutes les études et développements autour de ces sources verront voir l'apparition de nouvelles applications prometteuses aussi bien dans le domaine de la Physique fondamentale que dans celui d'applications sociétales.

Ce manuscrit décrit les travaux d'interférométrie atomique que j'ai réalisés. Je commence par présenter quelques interféromètres atomiques et leurs applications, afin de situer nos travaux. Puis je décris l'interféromètre atomique que nous avons développé à Toulouse. Il s'agit d'un interféromètre de Mach-Zehnder, utilisant un jet thermique supersonique de lithium et la diffraction atomique par laser dans le régime de Bragg. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés spatialement, avec une distance maximale voisine de 100 ¹. Les excellentes performances, avec une visibilité des franges atomiques atteignant 84.5 % et un signal intense, mènent à une sensibilité en phase de 15 mrad/ p Hz. Nous avons utilisé cet interféromètre pour plusieurs expériences, en appliquant une perturbation sur un seul des deux bras de l'interféromètre. Si la perturbation est un champ électrique, nous mesurons la polarisabilité électrique du lithium, avec une incertitude 3 fois plus petite que la meilleure mesure antérieure. Si la perturbation est un gaz sous faible pression, nous mesurons l'indice de réfraction complexe de ce gaz pour une onde atomique de lithium. Si la perturbation est un nanoréseau, nous mesurons l'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre zéro et cette amplitude est très sensible à l'interaction de van der Waals entre l'atome de lithium et la surface du réseau. Une partie importante de ce manuscrit concerne les perspectives. Nous discutons des améliorations pour la mesure de la polarisabilité électrique de l'atome de lithium et nous espérons atteindre une précision suffisante pour tester les meilleurs calculs ab initio de cette quantité. Une autre application envisagée concerne une mise en évidence d'une nouvelle phase géométrique, prédite par la théorie en 1993, mais jamais observée jusqu'à présent. Enfin, nous souhaitons développer un interféromètre de deuxième génération, avec un jet de lithium ralenti et très intense. Cette nouvelle source augmentera le signal produit et le temps d'interaction, ce qui devrait permettre de détecter des perturbations beaucoup plus petites: une application particulièrement intéressante de ce nouvel interféromètre atomique est le test de la neutralité électrique des atomes, avec une sensibilité fortement améliorée.

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.