The aim of this project was to develop a passive optical compensating arrangement that would allow the formation and continued stability of interference patterns over a long timescale and also to investigate optical wave scattering in thick gratings at extreme angles of scattering. A novel passive arrangement based on a Sagnac interferometer is described that produces interference patterns more stable than those produced by a conventional arrangement. An analysis of the arrangement is presented that shows it to be an order of magnitude more stable than an equivalent conventional approach. The excellent fringe stability allowed holographic gratings with small periods (~ 0.5 μm) to be written in photorefractive lithium niobate with low intensity writing fields (~mW/cm2) produced by a He:Ne laser, despite long grating fabrication times (~ 1000 s). This was possible because the optical arrangement compensated for phase shifts introduced by translational and rotational mirror motion caused by environmental perturbations. It was shown that the rapid introduction of a phase shift in one of the writing fields can change the direction of energy flow in the two-wave mixing process. It was found that the improvement in stability of the modified Sagnac arrangement over a conventional interferometer decreased when the crossing angle was increased and that the point about which the mirrors are rotated greatly affects the stability of the arrangement. For a crossing angle of 12 degrees, the modified Sagnac arrangement is more than twice as stable when the mirrors are rotated about their midpoints, rather than their endpoints. Investigations into scattering in the extremely asymmetrical scattering (EAS) geometry were undertaken by scattering light from a 532nm Nd:YAG laser off gratings written in photorefractive barium titanate and lithium niobate. Despite the difficulties posed by background noise, there was very good agreement between the observed scattered field and that predicted by a previously established theoretical model. Thus, this work represents the first experimental observation of EAS in the optical part of the spectrum.

Gas composition and analysis forms a large field of research whose requirements demand that measurement equipment be as affordable, uncomplicated and convenient as possible. The precise quantitative composition of an atmospheric, industrial or chemically synthesised sample of gas is of utmost importance when inferring the properties and nature of the environment from which the sample was taken, or for inferring how a prepared sample will react in its application. The most popular and widely used technique to achieve this is Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GCMS) and, without a doubt, this technique has set the standard for gas analysis. Despite the accuracy of the GCMS technique, the equipment itself is bulky, expensive and cannot be applied readily to field work. Instead, most field work is conducted using a single gas detector, capable only of detecting one particular molecule or element at a time. Presented here is an interferometric technique that theoretically, has the ability to address all three issues of bulkiness, affordability and convenience, whilst not being limited to one particular element or molecule in its analysis. Identifying the unknown constituents of a gaseous mixture using the proposed method, employs the optical refractive properties of the mixture to determine its composition. A key aspect of this technique is that the refractive index of an arbitrary mixture of gases will vary depending on pressure and wavelength1. The Lorentz-Lorenz formula and the Sellmeier equations form the foundation of the theoretical background. The optical refractive properties of air and other atmospheric gases have been well established in the literature. The experimental investigations described here have been conducted based on this, insofar as no analysis has been conducted on gases that do not naturally occur in reasonable abundance in the atmosphere. However this does not in any way preclude the results and procedure developed from applying to a synthesised gas mixture. As mentioned, the platform of this technique relies on the pressure and wavelength dependence of the refractivity of the gas. The pressure dependence of the system is easily accounted for, in making this claim however it is still imperative the mixture be impervious to contamination from the wider atmosphere. Wavelength dependence however is perhaps slightly more difficult to accommodate. Multiple lasers, of differing wavelength form the radiative sources which underpin the method developed. Laser sources were chosen because of their coherence, making it easy to produce interference, when combined with the inherent stability of the Sagnac interferometer, provides for a very user friendly system that is able to quickly take results. The other key part of the experimental apparatus is the gas handling system, the gas(es) of interest need to be contained within an optical medium in the path of one of the beams of the interferometer. Precise manipulation of the pressure of the gas is critical in determining concentration, this has been achieved through the use of a gas syringe whose plunger is moved on a finely threaded screw, and measured on a digital manometer. The optical setup has also been explored, specifically in ruling out the use of such radiative sources as passing an incandescent source through a monochromator or the use of LED's to produce interference before settling on lasers to produce the required interference. Finally, a comprehensive theoretical background has been presented using classical electromagnetic theory as well as confirmation from a quantum perspective. The theoretical background for this study relies upon the Lorentz-Lorenz formula. It is commonly presented either from a classical or quantum perspective, in this work both classical and quantum mechanical treatments are given whilst also showing how each confirms the other. Furthermore, a thorough investigation into the dispersion functions of each of the major components of the atmosphere has been compiled from the study of refractivity on individual gases from other authors, in some cases, where no work has been done previously, this has been derived. The technique developed could be considered an ample addition to gas analysis techniques in certain circumstances in terms of expense, convenience and accuracy. The system can predict relative quantities of constituents of the atmosphere to at least 3%. The method described here would allow researchers more time to concentrate on actual results and more resources to allocate to broadening intellectual horizons. This would certainly justify further development.

Ce mémoire présente la conception et réalisation d'un montage expérimental pour le développement d'un interféromètre à atomes froids de 87Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l'objectif final étant la réalisation d'un capteur inertiel de rotations. Nous avons ainsi étudié théoriquement le confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire. Une telle étude nous a permis d'identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d'un paquet d'onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de micro fils employés pour créer ce potentiel, et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse nous proposons des solutions originales à ces problèmes basés sur des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, nous avons monté une nouvelle expérience d'atomes froids dont la principale caractéristique est d'être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. Nous avons donc, au cours de ce travail, assemblé un système à ultra vide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l'interféromètre atomique, ainsi que toute l'électronique de contrôle de cette expérience. / This manuscript present the design and realization of an experimental setup for the development of a cold atom interferometer using 87Rb atoms guided on an atom chip, the final goal being the realization of an inertial sensor for rotation measurements. We have therefore study theoretically the magnetic confinement of these atoms in a circular guide. Such a study allowed us to identify the main challenges linked to the atomic wave packet propagation along a stable circular orbit in a magnetic guide, namely: the roughness of the guiding potential, the magnetic potential defects associated to the pattern of the micro wires used to produce this potential, and the Majorana losses. In this thesis we propose original solutions to these questions based on preliminary studies and on the results of our calculations. From the experimental point of view, we have assembled a new cold atom experiment with the main feature of being compact and therefore transportable for in situ measurement of rotations. We have along this work put together an efficient ultra high vacuum system, developed a compact optical bench containing the laser sources for cooling and trapping, a Bragg laser for the atom interferometer, as well as all the needed electronics to control the experiment.

Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

Este trabalho abordará uma breve descrição de fenômenos óticos não lineares, apresentando resultados de caracterização ótica não linear para diferentes materiais, assim como resultados para uma nova técnica de caracterização. Serão apresentados aspectos básicos de determinação do índice de refração não linear através da técnica de varredura Z que é um método bem estabelecido e amplamente difundido. Esta técnica porém não é eficiente para filmes finos e amostras com baixa não linearidade. Com a utilização de uma montagem interferométrica é possível gerar um crescimento na sensibilidade da técnica, atenuando o oscilador local sem nenhuma perda no sinal não linear gerado, acarretando em uma melhoria da relação sinal-ruído. / An introduction to nonlinear optics will be addressed in this work, presenting results of optical characterization to many different materials as well as results from a new characterization technique. Basic aspects to nonlinear index refraction measurement will be presented through Z-scan, which is a well-established method. This technique is not efficient for thin films or samples presenting low nonlinearity. Using a interferometric setup is possible to produce an increase in sensibility, attenuanting local oscillator without degrading the generated nonlinear signal, what establishes a better signal-noise relation.

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.

Ce mémoire présente l'étude d'un gyromètre fondé sur l'interférence d'onde atomique. L'interféromètre utilise des atomes de césium refroidis et sont manipulés à l'aide de transition Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités comparables aux meilleurs gyromètres à fibre optique. Nous avons notamment caractérisé les performances apportées par les modifications du ystème de lasers Raman et de détection des atomes. Par ailleurs, pour la première fois une étude complète d'un gyromètre à atomes froids est présentée. En particulier, nous avons montré que les déphasages induits lors des interactions Raman limitent à la fois la stabilité long terme des mesures et leurs exactitudes.

Depuis les développements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matière ont fleuri. On présente la première réalisation d'un gyromètre fonctionnant sur des ondes associées à des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilité et une stabilité inégalées. L'appareil, basé sur l'effet Sagnac, est un interféromètre atomique dont les séparatrices et miroirs sont réalisés à l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées aux nuages d'atomes froids de césium. En sortie de l'interféromètre, le déphasage dépend de la vitesse de rotation et de l'accélération de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'accélération de la rotation. Une géométrie novatrice permet de réduire les déphasages parasites dus aux aberrations des optiques, en rétroréfléchissant les faisceaux lasers réalisant les séparatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caractérisation sont présentées dans cette thèse. Grâce à la mise en place d'un système d'isolation des vibrations, les sensibilités obtenues sur une seconde sont de 2,2.10-6 rad.s-1 pour la rotation et 6,2.10-6 m.s-2 pour l'accélération. Cette première caractérisation a mis en évidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'expérience permettront d'améliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interféromètre a été testé, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette géométrie ouvre la voie à de nouveaux types de gyromètres, de très hautes sensibilité et stabilité.

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.

The demand for faster data transmission has been increasing since the wide acceptance of the Internet. To meet this ever increasing demand, optical communication systems use Wavelength Division Multiplexing (WDM) to transport more information per fiber by utilizing multiple wavelength channels. Multi-wavelength laser sources are one of the most important components of such WDM systems. In this thesis a multi-wavelength laser source is proposed. A fiber Sagnac loop filter is used to produce a grid pattern with peaks at a certain set of wavelengths. Then any desired channel is chosen from the grid by using an adjustable Fiber Bragg Grating.