Dans ce travail, nous nous intéressons à la spectroscopie optique par réflexion d’une vapeur diluée de césium infiltrée dans des opales artificielles Langmuir-Blodgett. Après une étude microscopique de la structure des opales, nous rapportons des expériences de réflexion, transmission et diffraction (sans atomes) effectuées sur diverses opales, dans le but d’explorer la propagation du champ lumineux dans ces milieux. En effectuant des expériences de réflexion sélective, nous observons que pour une polarisation TM, le signal atomique s’annule à 45° et à l’angle de Brewster, et entre ces deux zéros le signe du signal est inversé. Cet effet était prédit théoriquement mais n’avait jamais été observé. Nous rapportons aussi les expériences de spectroscopie par réflexion d’une vapeur infiltrée dans diverses opales et pour différentes longueurs d’onde. Sur des opales multicouches, nous observons des spectres sub-Doppler en incidence oblique, dont la forme est sensible à l’incidence, la polarisation et la longueur d’onde. Ces spectres ont été interprétés comme une signature d’un confinement tridimensionnel. Les expériences sur une opale multizone montre que sur une opale monocouche, nous observons aussi un signal sub-Doppler où il n’y a pas de confinement tridimensionnel. / In this work, we are interested in reflection optical spectroscopy of diluted cesium vapor infiltrated in Langmuir-Blodgett artificial opals. After a microscopic study of the structure of opals, we report experiments of reflection, transmission and diffraction (without atoms) carried out on various opals, with the aim of exploring the propagation of the light field in these media. By carrying out selective reflection experiments, we observe that for a TM polarization the atomic signal vanishes at 45° and the Brewster angle, and between these two zeros the sign of the signal is reversed. This effect was predicted theoretically but had never been observed. We also report the experiments of reflection spectroscopy of a vapor infiltrated in various opals and for different wavelengths. On multi-layered opals, we observe sub-Doppler spectra in oblique incidence, the shape of wich in sensitive to incidence, polarization and wavelength. These spectra were interpreted as a signature of a three-dimensional confinement. Experiments on a multi-zone opal show that on a monolayer opal, we also observe a sub-Doppler signal where there is no three-dimensional confinement.

Cette thèse vise à étudier l'interaction résonante d'un rayonnement laser avec une couche mince d'épaisseur sub-longueur d'onde de vapeur alcaline atomique confinée en nanocellule ; et les applications de détection qui en émergent.Nous nous concentrons sur la réflexion sélective se produisant à l'interface entre une fenêtre diélectrique et une vapeur résonante, et montrons que la dérivée des spectres de réflexion sélective est composée de résonances étroites dont les maxima correspondent aux positions des transitions atomiques. Ces résonances sont observées avec une largeur spectrale jusqu'à quinze fois plus fine que la largeur Doppler du milieu, et leurs amplitudes évoluent de façon linéaire avec celles des transitions. Grâce à ces propriétés et aux faibles épaisseurs de cellule pouvant être sondées, nous examinons les interactions atome-surface et mesurons le coefficient C3 de l'interaction de van der Waals.Nous présentons un modèle théorique décrivant l'interaction entre lumière quasi-résonante et nanocellule remplie d'une vapeur alcaline sous champ magnétique statique. Ce modèle se montre en excellent accord avec les résultats expérimentaux pour une large gamme de champs magnétiques depuis le régime Zeeman jusqu'au régime Paschen-Back. Au vu de ces résultats, nous proposons un concept de magnétomètre optique basé sur les nanocellules. Une preuve de faisabilité est présentée et une analyse en performance révèle un coefficient de variation des mesures de champs magnétiques inférieur à 5 % dans la gamme 0,4 - 2 kG. / This thesis is aimed at studying the resonant interaction of a laser radiation with an atomic alkali vapor layer of wavelength-scale thickness confined in an optical nanocell; and emerging sensing applications.We focus our attention on the selective reflection arising at the interface between a dielectric window and a resonant alkali vapor, and show that the derivative of selective reflection spectra exhibit narrow resonances whose maxima are located exactly at atomic resonance frequencies. These resonances are observed with a spectral linewidth up to fifteen times smaller than the Doppler linewidth of the medium and their amplitudes scale linearly with respect to the transitions ones. Owing to these properties and the possibility to probe thin atomic layers, we investigate atom-surface interaction and measure the C3 coefficient of the van der Waals interaction.We present a theoretical model describing the interaction of near-resonant laser light with alkali vapor-filled nanocell in the presence of an external static magnetic field. We show an excellent agreement between recorded and calculated spectra in a wide range of magnetic fields spanning from Zeeman to Paschen-Back regimes. Following these results, we propose a concept for a nanocell-based optical magnetometer. A proof of feasibility is presented and a performance analysis reveals a coefficient of variation for the magnetic field measurements less than 5% in the range 0.4 - 2 kG.

Le travail présenté ici a pour but l'amélioration des tests de basse énergie des interactions faibles à courant neutre. Il a porté sur la mise au point d'une expérience à même de réaliser une mesure d'un dipôle de transition violant la parité dans une vapeur de césium en cellule avec une précision de 1% sur un montage de polarimétrie laser pompe-sonde. Son caractère original tient à la détection d'une transition interdite dans une vapeur, non plus par fluorescence comme l'ont fait toutes les expériences antérieures, mais par l'émission stimulée par le faisceau sonde, ce qui amplifie l'asymétrie à mesurer lorsque l'amplification du faisceau sonde est importante. De nombreux aspects expérimentaux ont nécessité de repousser les limites de l'expérimentation: amélioration des techniques de polarimétrie avec des lasers en impulsions, conception et préparation des cellules, maîtrise des effets de surface, maîtrise et réduction des effets liés aux dimères de césium, étude des champs parasites, puis de leur contrôle/réduction. Mais par-delà le développement de savoir-faire spécifiques, ce travail i) a permis d'amener l'expérience VPA à un stade où la précision de la mesure déjà effectuée est de 2,6%, et où le rapport signal/bruit atteint permet de se lancer dans une mesure à 1%; ii) a donné lieu à des expériences originales comme la photo-destruction des dimères d'une vapeur de césium, l'observation en champ nul et sans background de la transition 6S-7S en champ nul, la réalisation de cellules spectroscopiques "sans pertes par réflexion", la mise en évidence, par diffraction laser, des marches monoatomiques d'une surface vicinale ou encore des méthodes originales de détection homodyne du signal de réflexion sélective ou de mesure absolue de sections efficaces; iii) propose une méthode susceptible de permettre une mesure VPA à 0,1%, ainsi qu'une exploration de ce que permettrait le refroidissement laser pour l'étude des transitions interdites.