L'objet de cette thèse est la construction d'un dispositif expérimental, et en particulier d'un laser continu, accordable à 205nm, pour la mesure du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'atome d'hydrogène. le chapitre 1 du mémoire présente le déplacement de Lamb d'un point de vue historique, et l'intérêt que présente sa mesure, tant pour la métrologie que pour tester l'électrodynamique quantique. Le chapitre 2 est consacré à un résumé de la théorie de l'atome d'hydrogène. Le principe de l'expérience repose sur la comparaison de deux fréquences qui sont dans un rapport quatre : celles des transitions à deux photons 2S-6S ou 2S-6D et 1S-3S. Le chapitre 3 décrit le dispositif expérimental utilisé pour mesurer la transition 2S-6D, qui est excitée par un laser titane -saphir à 820nm. Le rayonnement à 205nm nécessaire à l'excitation de la transition 1S-3S est obtenu en doublant deux fois la fréquence du laser titane-saphir. Ces deux doublages successifs sont faits dans des cristaux non linéaires placés dans des cavités de surtension externes. Le chapitre 4 est entièrement consacré aux doublages de fréquence : après des rappels théoriques d'optique non linéaire, les deux cavités sont présentées en détail, ainsi que les résultats obtenus. Enfin, le chapitre 5 présente toute la recherche du signal sur la transition 1S-3S : la construction d'un jet d'atomes dans l'état fondamental et la mise au point du système de détection. Ce travail a permis d'obtenir une mesure préliminaire du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'atome d'hydrogène : L(1S) = 8172.850 (174) MHz dont le résultat est en très bon accord, aussi bien avec les mesures précédentes qu'avec les résultats théoriques les plus récents.

L'objet de cette thèse est l'amélioration d'un dispositif expérimental existant en vue d'une mesure absolue de la fréquence de la transition 1S-3S dans l'atome d'hydrogène au kilohertz près.<br />Le premier chapitre de ce manuscrit commence par quelques rappels sommaires sur le calcul des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. Il se poursuit par la description de quelques expériences de spectroscopie de cet atome et par un bilan des déterminations actuelles de la constante de Rydberg et du déplacement de Lamb du niveau fondamental de l'atome d'hydrogène. Enfin, les motivations qui ont conduit à l'étude de la transition 1S-3S sont détaillées, ainsi que le schéma général de cette expérience.<br />La description du montage expérimental est scindée entre les deuxième et troisième chapitre. Plus particulièrement, le chapitre 2 détaille les parties de l'expérience permettant de générer la radiation à 205 nm, nécessaire à l'excitation de la transition 1S-3S à deux-photons. Ainsi ce chapitre contient la description du laser titane-saphir, de ses asservissements et celle des deux cavités de doublage de fréquence. On y voit le rôle déterminant du second doublage de fréquence et les problèmes dus à un effet photoréfractif limitants pour cette expérience.<br />Le troisième chapitre est consacré à la partie de l'expérience relative à l'observation du signal atomique, de sa détection et de son traitement tant électronique qu'informatique. <br />Le quatrième chapitre regroupe les calculs et les mesures qui ont permis une première détermination du décalage Doppler du second ordre sur cette expérience. Les effets d'un champ magnétique appliqué et du champ électrique motionnel induit y sont détaillés, ainsi que les calculs relatifs à l'influence de ces effets sur la fluorescence à 656 nm (3S-2P) que nous détectons. Enfin, la mesure de la distribution de vitesse et la détermination expérimentale du décalage Doppler au second ordre sont commentées.<br />Pour finir, le dernier chapitre de ce manuscrit aborde la mesure absolue de fréquence. On estime l'incertitude potentielle dans l'état actuel de l'expérience à environ 10 kHz. Les possibilités d'amélioration sont également regroupées dans ce chapitre.

L’auto-doublage de fréquence dans des cristaux optiques non linéaires dopés avec des ions ytterbium est actuellement le meilleur moyen d’obtenir une émission efficace dans le vert, tout en garantissant une bonne compacité, un faisceau faiblement divergent et une bonne monochromaticité. Deux nouvelles matrices ont été étudiées en ce sens : BaCaBO3F un oxyfluorure à fusion congruente, et LaxGd1-xSc3(BO3)4 un membre de la famille des huntites à fusion non congruente mais pouvant être obtenu par la méthode Czochralski. Après l’étude des conditions de synthèse et de croissance, les propriétés optiques de l’ion ytterbium dans ces matrices ont été caractérisées, et l’effet laser en régime continu autour de 1µm a été démontré pour la première fois. Pour améliorer les performances d’auto-doublage de fréquence dans des cristaux de YCa4O(BO3)3:Yb, deux pistes ont été envisagées : stabiliser l’émission laser infra-rouge en travaillant sur la cavité résonnante (traitement de surface des optiques), et améliorer le rendement de conversion de Génération de Seconde Harmonique de type I en effectuant le premier suivi expérimental de la courbe d’accord de phase hors des plans principaux à 1064nm. / Self-frequency-doubling in nonlinear optical crystals doped with ytterbium ions is actually the best way to combine both efficient emission in the green region, low divergent beams and good monochomaticity. Two new compounds have therefore been studied: BaCaBO3F a congruent melting oxyfluoride and LaxGd1-xSc3(BO3)3 a huntite-type crystal with incongruent melting that can however be obtained by the Czochralski method. We first studied the synthesis and growth conditions, and then the optical properties of the ytterbium doped crystals. Laser effect in continuous wave operation mode was demonstrated for the first time. In order to improve the self-frequency-doubling performances of the Yb:YCa4O(BO3)3 crystals, we focused on both stabilizing the 1µm laser emission (special anti-reflection coatings) and on maximizing the type I Second Harmonic Generation process at 1064nm (first direct measurements of both the conversion efficiency and the phase-matching directions out of the principal planes).

De nombreuses applications, telles que la spectroscopie résolue en temps, requièrent de développer de nouvelles sources laser, qui émettent des impulsions courtes et accordables dans l'infrarouge moyen. Dans ce domaine, l'optique non linéaire apporte un grand nombre de solutions. D'une part les processus de conversion de fréquence permettent d'envisager l'extension du domaine spectral couvert par les sources laser. D'autre part les spécificités des processus non linéaires permettent d'envisager la création de fonctions optiques rapides. Dans ces travaux, nous mettons à profit ces deux aspects à travers la réalisation de dispositifs originaux de génération d'impulsions picosecondes. La première contribution de la thèse est la réalisation d'une source OPO à pompage synchrone basée sur un cristal de ZGP émettant des impulsions picosecondes dans la bande 3,8 µm- 5,6 µm. Les performances des différents étages de conversion sont discutées à la fois par des considérations expérimentales et numériques. La seconde contribution est le développement d'une source laser ZnSe:Cr2+ à modes verrouillés par un dispositif de miroir non linéaire d'ordre 2 à base de PPLN, accordable dans la bande 2,45 µm - 2,55 µm. Le miroir non linéaire est tout d'abord caractérisé en dehors de la cavité laser, puis le verrouillage de mode du laser est expérimentalement réalisé. Nous proposons enfin de généraliser la fonction miroir non linéaire en donnant les conditions d'obtention d'un verrouillage de modes par la modulation combinée de l'amplitude et de la phase de l'onde laser.

Ce travail rend compte de nouvelles techniques développées pour l'étude expérimentale de gaz ultrafroids de lithium et de potassium fermioniques. Les améliorations de notre expérience 6Li-40K y sont décrites et caractérisées. Nous présentons un laser solide de grande finesse capable d'émettre 5W de puissance à 671 nm. Nous utilisons cette source laser dans le contexte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition atomique D1 des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium. Cette melasse D1 nous permet de refroidir simultanément les atomes de 6Li et de 40K à des températures bien inférieures à la limite Doppler, tout en manipulant des grands nombres d'atomes à des densités importantes. Nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases après l'étape de mélasse de l'ordre de 10-4 à la fois pour le 6Li et le 40K. Le refroidissement laser D1 ouvre la voie à une évaporation rapide vers la dégénérescence quantique dans un piège magnétique ou optique. Nous présentons le refroidissement évaporatif d'atomes de 40K. L'évaporation débute dans une piège magnétique pluggé et continue dans un piège dipolaire optique. A l'issue de l'évaporation, nous obtenons un mélange de spins dégénéré, avec plus de 7x105 atomes dans chacun des deux états de spin et une température T/TF<0.34. / This thesis reports on novel techniques for experimental studies of ultracold, fermionic lithium and potassium quantum gases. The new parts of our 6Li-40K apparatus are described and characterised. We present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5W at 671 nm. We employ the laser source in the context of a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D1 atomic transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium. This D1 molasses allows us to simultaneously cool a mixture of 6Li and 40K atoms to deep sub-Doppler temperatures, while retaining large atom numbers and high atomic densities. The measured phase space densities after the molasses phase are on the order of 10-4 for both 6Li and 40K. The D1 laser cooling paves the way for fast evaporation to quantum degeneracy in magnetic and optical traps. We present the evaporative cooling of 40K atoms. The evaporation starts in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continues in an optical dipole trap. At the end of the evaporation, we obtain a quantum degenerate spin-mixture of 40K atoms, with more than 7x105 atoms in each of the two spin states and T/TF<0.34.

Dans cette thèse, nous présentons des nouvelles techniques et leur application dans l'étude des gaz d'atomes de lithium ultrafroids. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons le développement d'une nouvelle source laser de faible largeur spectrale, capable d'émettre 840mW de puissance dans la gamme des longeurs d'ondes des raies D du lithium atomique à 671nm. La source est basée sur un laser en anneau pompé par diode, capable de produire 1.3W de lumière à 1342nm monomode. Le faisceau de sortie est ensuite doublé en fréquence dans un cristal de phosphate de potassium titanyl (ppKTP) périodiquement polarisé dans une cavité externe. Nous obtenons un rendement du doublage de 86%. Une accordabilité de la fréquence de sortie sur plus de 400GHz et le verrouillage de l'ensemble des cavités par rapport aux raies du lithium sont accomplis. Nous avons mesuré la largeur de raie d'émission à 200+-400kHz. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous employons la source sur un dispositif expérimental pour refroidir et piéger des atomes de lithium. Nous réalisons des echantillons du gaz de Bose unitaire à température finie au voisinage d'une résonance de Fano-Feshbach. Nous présentons des mesures du taux de pertes à trois corps en fonction de la température. Les pertes mésurées atteignent la valeur limite imposée par la mécanique quantique sans aucun paramètre ajustable. Cette mesure permet l'introduction d'un critère de quasi-équilibre. Dans ce régime, en utilisant une technique basée sur l'imagerie in-situ développée dans notre groupe, nous fournissons une première mesure de l'équation d'état du gaz de Bose unitaire à basse fugacité.

Ce travail de thèse s'inscrit dans<br />le cadre du développement d'une horloge optique basée sur une<br />transition à deux photons de 661 nm de l'Ag de largeur naturelle<br />~1 Hz. Afin de profiter du facteur de qualité de la<br />résonance, il faudra travailler sur un échantillon d'atomes<br />refroidis par laser, la longueur d'onde nécessaire étant de 328<br />nm. Ce mémoire concerne plus précisément la mise au point de<br />sources lasers solides pour améliorer la fiabilité de l'expérience<br />actuelle. Le cristal laser de Nd:YLF, pompé par diode laser,<br />permet d'accéder aux longueurs d'onde 1322 nm et 1312 nm. Le<br />doublage en fréquence de la première source fournira la radiation<br />à 661 nm tandis que deux étapes de doublage permettront d'obtenir,<br />à partir des photons à 1312 nm, une onde à 656 nm puis<br />une onde à 328 nm. Nous avons développé un modèle théorique, tenant<br />compte des effets thermiques et notamment des processus de<br />recombinaison Auger, afin de dimensionner différentes<br />configurations laser à tester (cavité linéaire, à mode hélicoïdal,<br />cavité en anneau réinjectée). Grâce à la dernière, nous avons<br />réalisé des sources continues, monomodes, d'environ 2 W, à 1322<br />nm et à 1312 nm. Ces cavités se prêtant au doublage de fréquence,<br />nous avons obtenu des puissances de 440 mW à 661 nm et 340 mW à<br />656 nm. Par ailleurs, une étude théorique des probabilités de<br />transition de l'atome d'argent à l'aide des codes de Cowan a été<br />entreprise, afin d'une part de chiffrer l'ordre de grandeur de la<br />puissance laser nécessaire et d'autre part, d'estimer la durée de<br />vie du niveau métastable, jusqu'alors obtenue<br />uniquement par comparaison<br />avec une transition quadrupolaire de l'ion mercure.

Cette thèse présente de nouvelles techniques pour l'étude expérimentale des gaz quantique ultrafroids d'atomes fermioniques de lithium et de potassium. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons la conception et la caractérisation des nouveaux composants de notre dispositif expérimental capable de piéger et refroidir simultanément des atomes de $^6$Li et de $^{40}$K à des températures ultrabasses. Nous rendons compte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition de la raie D$_1$ des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium et de potassium par laser. Après cette étape de mélasse, nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases de l'ordre de $10^{-4}$ à la fois pour le $^6$Li et le $^{40}$K. Nous présentons le refroidissement par évaporation forcée d'atomes de $^{40}$K qui commence dans un piège magnétique quadripolaire pluggé et continue dans un piège optique dipolaire. Dans ce contexte, nous rendons compte de la production d'un gaz quantique de Fermi dégénéré de $1.5\times10^5$ atomes de $^{40}$K dans un piège dipolaire croisé avec $T/T_{_F} = 0.17$, ce qui ouvre la voie à l'étude des superfluides de $^{40}$K en interaction forte. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons une source laser à état solide, de faible largeur spectrale et capable d'émettre 5.2 W de puissance autour de 671 nm, dans la gamme des longueurs d'onde des transitions de la raie D du lithium. La source repose sur un laser en anneau pompé par diode, émettant sur la transition à 1342 nm de Nd:YVO$_4$, capable de produire 6.5 W de lumière dans un faisceau monomode limité par la diffraction. Nous rendons compte de trois différentes approches pour la génération de seconde harmonique du faisceau de sortie, à savoir en utilisant une cavité amplificatrice comprenant un cristal ppKTP, par doublage de fréquence intracavité et par un structure de guide d'onde de ppZnO:LN. / This thesis presents novel techniques for the experimental study of ultracold quantum gases of fermionic lithium and potassium atoms. In the first part of this thesis, we describe the design and characterization of the new components of our experimental apparatus capable of trapping and cooling simultaneously $^6$Li and $^{40}$K atoms to ultracold temperatures. We report on a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D$_1$ line transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium and potassium. The measured phase space densities after this molasses phase are on the order of $10^{-4}$ for both $^6$Li and $^{40}$K. We present the forced evaporative cooling of $^{40}$K atoms, starting in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continuing in an optical dipole trap. In this context, we report on the production of a quantum degenerate Fermi gas of $1.5\times10^5$ atoms $^{40}$K in a crossed dipole trap with $T/T_{_F} = 0.17$, paving the way for the study of strongly interacting superfluids of $^{40}$K. In the second part of this thesis, we present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5.2 W in the vicinity of the lithium D-line transitions at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342 nm transition of Nd:YVO$_4$, capable of producing 6.5 W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. We report on three different approaches for second-haromonic generation of its output beam, namely by employing an enhancement cavity containing a ppKTP crystal, intracavity frequency doubling and a ppZnO:LN waveguide structure.