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.

Les lasers stabilisés à long terme sont utilisés dans de nombreux domaines en métrologie, leur incursion dans les applications spatiales se précise depuis quelques années, missions de physique fondamentale, géodésie... Ce travail concerne les lasers stables pour le projet LISA (détection spatiale des ondes de gravitation, mission prévue dans 10 ans); en vue de cette application spatiale, les montages doivent satisfaire plusieurs critères: compacité, stabilité mécanique, robustesse et fiabilité. Les références utilisables pour l'asservissement long terme (iode, chapitre 3) et court terme (cavité de Fabry-Pérot, chapitre 4) sont décrites, ainsi que leurs limitations principales. L'analyse et le choix de ces références de stabilisation seront couplés avec le choix des techniques de stabilisation (PDH, Tilt-Locking, Modulation Transfer). Dans les techniques de stabilisation, celle de Pound-Drever-Hall (PDH), un classique en matière de configuration, est comparée au Tilt-Locking, une technique continu et peu consommatrice en énergie, dans le cas d'une référence Fabry-Perot monolithique. Les calcules théorique pour chaque technique et chaque type de référence ammeneront à une description des sources de bruit et à une simulation des signaux d'erreur attendus. Les performances théoriques sur le long terme et les efficacités quantiques sont intercomparées. La deuxième partie, présentera les montages expérimentaux et les résultats obtenus, pour des lasers stabilisés sur Fabry-Perot et sur l'Iode moléculaire. Pour calibrer les dérives de fréquence du Fabry-Perot, sa fréquence de résonance sera mesurée par rapport à celle de la molécule, ce qui permettra de présenter des solutions obtenues analytiquement et numériquement pour l'asservissement en longueur de cette référence mécanique. En appendices, les détails de dimensionnement des bruits de LISA conduisant aux spécifications des lasers, le rappel théorique des ondes de gravitation ainsi que divers simulations de calculs effectués.