Nous avons utilisé un nuage d'atomes refroidis par laser comme milieu non linéaire pour réduire les fluctuations quantiques d'un faisceau laser. Le nuage atomique, produit par un piège magnéto-optique en fonctionnement continu, est placé dans une cavité optique. Les fluctuations du faisceau sonde réfléchi par la cavité sont mesurées à l'aide d'une détection homodyne. Une réduction de bruit en quadrature de 15% a été obtenue pendant plusieurs secondes. Sur le plan théorique, nous avons utilisé la méthode des forces de Langevin pour calculer le spectre des fluctuations avec un modèle atomique à trois niveaux. Ce modèle permet de prendre en compte l'effet parasite des faisceaux pièges et de repompage. Il est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Par ailleurs, nous avons utilisé la méthode de tomographie quantique pour mesurer la fonction de Wigner du champ réfléchi par la cavité. Cette fonction permet de caractériser tous les moments statistiques des fluctuations. Cette mesure est la première mesure de la fonction de Wigner d'un état produit par interaction avec un milieu atomique. Cette méthode a permis de mettre en évidence une statistique gaussienne en bon accord avec les prédictions théoriques.

Ce mémoire s'inscrit dans le domaine du piégeage et du refroidissement radiatifs. Il présente la réalisation et l'étude d'un piège magnéto-optique dans une cellule à faible pression de vapeur de césium. Le remplissage du piège est décrit par un modèle Monte-Carlo sur une transition F = 0/F' = 1. Néanmoins une compréhension plus détaillée du fonctionnement du piège fait intervenir la structure des niveaux de l'atome, les nouveaux mécanismes de refroidissement sub-Doppler, ainsi que des effets de densité liés en particulier à la diffusion multiple de photons. Le piège réalisé est très profond (jusqu'à plusieurs Kelvin de profondeur) et permet d'obtenir de fortes densités d'atomes (quelques 10^10 à 10^12 atomes par cm3) à de très basses températures (5 à 100 μK). Nous présentons également une première utilisation de ces atomes froids pour une expérience d'optique non-linéaire mettant en évidence un nouvel effet Raman entre sous-niveaux du niveau fondamental déplacés par la lumière. Nous discutons finalement quelques applications potentielles d'un tel dispositif.

La sensibilité des expériences de spectroscopie avec des sources de lumière classiques est limitée, au mieux, par le bruit de photons des faisceaux. L'Oscillateur Paramétrique Optique (OPO) produit des faisceaux dont les fluctuations sont corrélées au niveau quantique. Leur utilisation en spectroscopie peut donc permettre de réduire le bruit de fond de la mesure en dessous de la limite quantique standard. La partie expérimentale de cette thèse consiste à observer le signal d'absorption de la transition 4S-5S du Potassium sur l'un des faisceaux jumeaux. La mesure est effectuée sur la différence entre l'intensité du faisceau signal et celle du faisceau complémentaire en balayant la fréquence du laser à semi-conducteur qui fournit le second photon de la transition. Pour un faisceau signal de 6 mW produit par un OPO continu et un faisceau du laser à semi conducteur de 20 mW, nous avons observé une absorption relative de 2.5x10^-7 sur une bande passante de 3 Hz. Ce très faible signal a été détecté avec un bruit de fond réduit de 35% par rapport à la limite quantique standard. Sur le plan théorique, nous avons approfondi le modèle décrivant les champs produits par génération paramétrique. Jusqu'à présent, les théories sur le fonctionnement de ces sources de lumière non classique étaient basées sur un modèle en onde plane. Nous avons affiné ce modèle en prenant en compte la structure gaussienne de la lumière. Dans un premier temps, nous avons analysé le fonctionnement multimode transverse de l'OPO. Puis, du point de vue de la réduction des fluctuations quantiques des champs, nous avons étudié les modifications des prédictions du modèle en onde plane, dues aux effets transverses.

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