Ce travail de thèse présente une étude numérique et théorique de l’influence des effets coopératifs sur la localisation de la lumière dans des vapeurs atomiques, suivie d’une étude expérimentale de ces effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple dans des nuages d’atomes froids dilués. Le premier chapitre décrit le modèle que nous utilisons, basé sur l’Hamiltonien effectif d’interaction matière rayonnement, afin d’étudier numériquement la localisation de la lumière et les effets coopératifs. Nous discutons également des différences fondamentales existant entre la situation réelle où la lumière est assimilée à une onde vectorielle et l’approximation scalaire plus facile à traiter analytiquement. Le deuxième chapitre se concentre sur la présentation des résultats numériques complétée d’une comparaison systématique entre les cas scalaire et vectoriel. Nous remarquons dans cette partie que l’approximation scalaire, valable dans la limite des milieux spatialement dilués, présente des différences drastiques avec le cas vectoriel lorsque nous considérons des milieux spatialement denses. Nous n’observons pas également d’indications suffisantes nous permettant de discriminer le fait que les effets coopératifs ne soient pas à la base des mécanismes de localisation de la lumière. Dans la dernière partie nous nous intéressons expérimentalement aux signatures des effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple en confrontant à nos résultats expérimentaux plusieurs approches théoriques tenant compte ou pas des effets d’interférences. / In this thesis we present a numerical and theoretical study of the interplay between cooperative effects and light localization in atomic vapour, completed by an experimental study of these cooperative effects for dilute cold atom clouds in the multiple scattering regime. The first chapter describes the model we use, based on the light matter effective Hamiltonian, in order to investigate numerically light localization and cooperative effects. We also discuss the fundamental differences existing between the real situation where light is considered as a vector wave and its scalar approximation easier to treat analytically. The second chapter focuses on the numerical results where we compare systematically the scalar and the vector cases. We show that the scalar approximation, valid for spatially dilute systems, leads to drastic differences compared to the vector case when we consider spatially dense clouds. We also do not observe sufficient proofs to establish that cooperative effects are not at the origin of light localization mechanisms. In the last chapter we investigate experimentally the signatures of cooperative effects in the multiple scattering regime, comparing our results to several theoretical approaches taking or not into account interference effects related to the wave nature of light.

Ce travail de thèse présente une étude numérique et théorique de l'influence des effets coopératifs sur la localisation de la lumière dans des vapeurs atomiques, suivie d'une étude expérimentale de ces effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple dans des nuages d'atomes froids dilués. Le premier chapitre décrit le modèle que nous utilisons, basé sur l'Hamiltonien effectif d'interaction matière rayonnement, afin d'étudier numériquement la localisation de la lumière et les effets coopératifs. Nous discutons également des différences fondamentales existant entre la situation réelle où la lumière est assimilée à une onde vectorielle et l'approximation scalaire plus facile à traiter analytiquement. Le deuxième chapitre se concentre sur la présentation des résultats numériques complétée d'une comparaison systématique entre les cas scalaire et vectoriel. Nous remarquons dans cette partie que l'approximation scalaire, valable dans la limite des milieux spatialement dilués, présente des différences drastiques avec le cas vectoriel lorsque nous considérons des milieux spatialement denses. Nous n'observons pas également d'indications suffisantes nous permettant de discriminer le fait que les effets coopératifs ne soient pas à la base des mécanismes de localisation de la lumière. Dans la dernière partie nous nous intéressons expérimentalement aux signatures des effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple en confrontant à nos résultats expérimentaux plusieurs approches théoriques tenant compte ou pas des effets d'interférences.

Au travers d'une sélection d'articles, ce document propose de suivre le parcours de l'auteur dans le vaste et riche domaine du chaos ondulatoire. L'accent est en particulier mis sur les activités expérimentales dont il a été l'initiateur, et qu'il anime actuellement. Le lecteur parcourra ainsi plusieurs ordres de grandeur de longueurs d'onde : de quelques centaines de nanomètres à la dizaine de centimètres, et croisera des objets aussi simple, en apparence, qu'une boîte en cuivre, ou de plus haute technologie, comme une fibre optique amplificatrice à double cœur ! Il verra des comportements universels à l'œuvre, mais aussi des attitudes violemment atypiques, comme font montre les \emph{scars} et les \emph{modes localisés}. Et, si l'objectif du document est atteint, il sortira de sa lecture convaincu que les travaux menés par l'auteur concourent efficacement à un seul et même objectif : comprendre les mécanismes de propagation des ondes dans les milieux complexes.

Ce travail de thèse concerne d'une part l'étude théorique et expérimentale des effets coopératifs dans les nuages d'atomes froids dilués et, d'autre part, le développement d'un piège dipolaire pour comprimer le nuage vers les régimes denses afin d'étudier la compétition entre les effets coopératifs et la localisation forte. Le premier chapitre montre comment un système de N atomes interagissant via le champ électromagnétique donne naissance aux effets coopératifs : superradiance, sousradiance, déplacement de Lamb collectif. En considérant la situation où les atomes sont pilotés par un champ laser extérieur, nous montrons comment les effets coopératifs se manifestent et calculons la force de pression de radiation collective s'exerçant sur le centre de masse du nuage. Le phénomène de sousradiance est ensuite étudié en considérant la relaxation du système après avoir coupé le laser. Le deuxième chapitre traite l'étude expérimentale des effets coopératifs en mesurant la force de pression de radiation coopérative. Les mesures sont en bon accord avec le modèle théorique développé précédemment. Enfin, le dernier chapitre décrit la réalisation d'un piège dipolaire croisé, désaccordé dans le bleu, dont la taille peut être ajustée dynamiquement pour comprimer le nuage dans les régimes de forte densité.