Ce manuscrit regroupe les résultats obtenus sur deux expériences d'optique atomique. La première partie du mémoire est consacrée à l'étude de la rugosité d'un miroir atomique. Le potentiel lumineux d'une onde évanescente à la surface d'un prisme est utilisé pour réfléchir les atomes tombant d'un piège magnéto-optique. Nous présentons une méthode de mesure interférométrique du maintien de la cohérence de l'onde atomique incidente lors de sa réflexion sur le miroir. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse à une expérience de puce atomique. Le champ magnétique rayonné par les fils microfabriqués qui constituent la puce nous permet de piéger et de manipuler des atomes froids. Nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein dans le piège créé par la puce. Ce piège s'avère être rugueux, nous mesurons et déterminons l'origine de cette rugosité. Enfin nous envisageons la réalisation d'éléments d'optique atomique intégrée, tel qu'un interféromètre, sur une puce atomique.

Dans ce mémoire, nous présentons une étude à haute résolution de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente. Pour cette étude, nous avons utilisé des transitions Raman sélectives en vitesse. Ces transitions sont doublement exploitées. On réalise d'une part, à l'aide de ces transitions, une sélection en vitesse sur le nuage issu d'un piège magnéto-optique. Cette sélection permet de collimater spatialement l'onde atomique incidente sur le miroir afin d'avoir une bonne résolution dans l'étude de la spécularité. A l'aide des transitions Raman, on sonde finement d'autre part la distribution en vitesse des atomes après le rebond. La mise en place expérimentale de ces transitions est d'abord décrite. On utilise des impulsions de type Blackman. Avec ce dispositif,une mesure de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente est ensuite réalisée. Le rebond observé est compatible avec une réflexion spéculaire, à condition de choisir une onde évanescente suffisamment désaccordée par rapport à la transition atomique. Nous avons donné une limite supérieure de l'incertitude sur la mesure de la rugosité. Nous présentons également la mise en place d'une détection optique d'atomes froids induisant peu d'émission spontanée sur les atomes. Cette détection consiste à mesurer la phase induite par un échantillon d'atomes sur un faisceau laser en utilisant les techniques de spectroscopie par modulation de phase. Au cours de la détection, 80% des atomes n'absorbent aucun photon.

Ce manuscrit présente une synthèse des travaux réalisés sur les miroirs à atomes dans le groupe d'Optique Atomique de 1991 à 2000. Il s'agit principalement d'expériences utilisant un miroir à onde évanescente pour réfléchir des atomes de rubidium. Notre objectif étant la réalisation d'éléments optiques de qualité pour l'optique atomique, nous nous sommes attachés à l'étude du maintien de la cohérence à la réflexion : réduction de l'émission spontanée grâce à l'exaltation de l'onde évanescente, influence de la rugosité de surface voire d'une « rugosité contrôlée », en incidence normale et en incidence rasante. Nous avons également mis à profit la grande sensibilité de notre dispositif pour utiliser les atomes comme nanosonde d'effets de surface : mesure de l'interaction de van der Waals, y compris grâce à une méthode interférométrique prometteuse pour la mesure des effets de retard, et caractérisation de la rugosité de surface grâce à une nouvelle méthode, basée sur des transitions Raman sélectives en vitesse.

Nous présentons l'étude de la diffraction en incidence rasante d'atomes de rubidium froids sur une onde évanescente. Cette étude a été effectuée en incidence normale, en utilisant une onde évanescente périodique glissante pour simuler l'incidence oblique. En s'appuyant sur un modèle non scalaire utilisant des transitions Raman stimulées entre sous-niveaux Zeeman de l'atome, nous avons expliqué le signe et le nombre des ordres de diffraction observés. Les rôles primordiaux de la polarisation des composantes de l'onde évanescente et de l'état interne initial de l'atome ont également été montrés. De plus, l'étude de l'efficacité de diffraction a révélé une modulation que nous interprétons comme le résultat d'interférences entre plusieurs trajectoires atomiques dans l'onde évanescente. Les calculs utilisant le modèle semi-classique de Landau-Zener (à 2 ou 3 niveaux) ou la résolution numérique de l'équation de Schrödinger (à 2, 3 ou 5 niveaux) ont permis de confirmer la phase et la période des oscillations obtenues, et en particulier leur grande sensibilité à l'interaction de van der Waals entre l'atome et la paroi diélectrique. Nous présentons par ailleurs l'étude d'un miroir pour atomes paramagnétiques constitué d'un réseau de fils parcourus par un courant. La hauteur du potentiel réflecteur associé au champ magnétique du miroir a été mesurée en fonction de l'état interne de l'atome. De plus, en mesurant la distribution angulaire des atomes après rebond, le caractère non-spéculaire de la réflexion a été mis en évidence et interprété par une rugosité du miroir. L'influence de la parité du nombre de fils sur cette rugosité a été démontrée ainsi que celle de la direction du champ magnétique directeur. Cette rugosité a pu être réduite grâce à l'utilisation de fils de compensation.

Ce manuscrit décrit les expériences menées sur le montage "hélium métastable" de 1998 à 2008. Dès mon arrivée à l'Institut d'Optique, nous avions décidé de nous lancer dans la course de la condensation de Bose-Einstein de l'hélium métastable. Cet atome a en effet un atout : sa métastabilité. Son énergie interne de 20 eV est suffisamment grande pour que cet atome puisse être détecté électroniquement de façon très efficace par une galette de micro-canaux ; il est ainsi possible de faire du comptage d'atomes uniques, d'où la thématique optique atomique quantique. De plus, la probabilité d'avoir une ionisation lors d'une collision entre deux ou trois atomes d'hélium métastable est assez importante aux densités atomiques auxquelles nous travaillons. Les ions produits, détectables par la même galette permettent d'avoir un diagnostic in situ original de la densité atomique. On peut chronologiquement distinguer trois périodes. De 1998 à 2004 nous avons obtenu le condensat et étudié ces propriétés collisionnelles. De 2004 à 2007 nous avons mesuré les propriétés de corrélation à deux corps des nuages au-dessus ou en dessous de la dégénérescence quantique, suite à une amélioration de notre système de détection. Depuis 2006, nous avons commencé une nouvelle thématique portant sur l'optique atomique quantique et une première expérience sur la création de paires d'atomes a déjà eu lieu.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d'un dispositif de condensation de Bose-Eistein combinée à la mise en place d'une pince optique pour le transport du condensat. L'intérêt de ce dispositif est de séparer la zone de production du condensat de sa zone d'étude. Il a été conçu en vue d'expériences d'interférométrie à base d'ondes de matière cohérentes, guidées dans des structures lumineuses générées à partir de la pince optique.<br />Un effort particulier a été apporté tant au niveau de l'optique qu'au niveau de la génération de champs magnétiques afin de disposer d'un échantillon cohérent d'atomes de grande stabilité. L'utilisation d'un électroaimant hybride (combinaison d'une structure ferromagnétique pour générer le champ quadrupolaire et de bobines ordinaires pour le champ dipolaire) nous a permis d'une part, de bénéficier de forts gradients magnétiques nécessaires au bon déroulement de l'évaporation radio-fréquence et d'autre part, de faciliter la compensation des champs rémanents inhérents à l'usage de matériaux ferromagnétiques. A l'issue du cycle de condensation, nous obtenons typiquement 5.10^5 atomes à 300 nK. L'implémentation de la pince optique sur les atomes a nécessité le développement d'une technique d'alignement originale, une imagerie directe de la pince n'étant pas envisageable. Finalement, nous sommes parvenus à transférer 2.10^5 atomes à 1 µK dans la pince. Par ailleurs, une étude du profil de déplacement de la pince pour le transport a été effectuée.

Ce mémoire présente deux expériences réalisées à l'aide d'un miroir à atomes à onde évanescente. Le miroir utilise la force dipolaire due à l'interaction entre les atomes et une onde évanescente créée par réflexion totale interne d'un faisceau laser à l'intérieur d'un prisme. Ces deux expériences montrent que, lors de leur réflexion, les atomes constituent une sonde des champs proches de la surface du prisme. La première expérience a permis la mesure de la force de van der Waals entre un atome de rubidium dans l'état fondamental et une paroi diélectrique. Lors de la réflexion, les atomes s'approchent très près de la surface du diélectrique (~ 50 nm) et sont donc sensibles à la force attractive de van der Waals due à la présence de la paroi. L'expérience consiste à mesurer la force dipolaire nécessaire pour équilibrer la force de van der Waals. Elle montre également le rôle crucial de la force de van der Waals dans le fonctionnement du miroir à atomes, d'une part, la réduction d'un facteur trois de l'efficacité du miroir et d'autre part, la modification de la forme du potentiel réflecteur total. La seconde expérience décrit la diffraction d'atomes en incidence normale sur un miroir modulé spatialement, créé à l'aide d'une onde évanescente partiellement stationnaire. Ce processus de diffraction est lié à la modulation de phase de l'onde de de Broglie lors de la réflexion et apparaît pour une modulation très faible du potentiel. Elle est similaire à la diffraction de Raman-Nath en optique traditionnelle. L'étude des populations dans les différents ordres de diffraction en fonction de la profondeur de modulation confirme quantitativement ce processus scalaire de diffraction.

Un "laser à atomes" est un faisceau atomique extrait d'un condensat de Bose-Einstein, nuage d'atomes piégé et refroidi jusqu'à la dégénérescence quantique. Dans la perspective de futures applications de cette source atomique cohérente, par exemple à l'interférométrie atomique de précision, il est nécessaire de bien maîtriser les propriétés du faisceau. Certaines caractéristiques, en particulier, rendent les lasers à atomes bien différents des lasers photoniques, comme la présence d'interactions fortes entre les atomes, et leur sensibilité à la gravité.<br />Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2.<br />Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.

La première partie décrit trois expériences réalisées avec l'interféromètre atomique à jet de lithium supersonique développé à Toulouse. La seconde partie présente le nouvel interféromètre atomique à condensats de Bose-Einstein (CBE) développé dans le but de tester la neutralité de la matière. Les trois premières expériences exploitent l'interaction entre un atome de lithium et différents champs électromagnétiques. Une différence de potentiel électrique dépendant du temps a servi à moduler la phase des deux bras de notre interféromètre à des fréquences différentes, ce qui a permis une détection homodyne et hétérodyne d'ondes de matière. Une phase géométrique de la lumière (la phase de Pancharatnam) a été transférée à notre signal interférométrique par les réseaux de diffraction de Bragg ce qui a ajouté un nouvel outil à la panoplie permettant le contrôle d'ondes de matières. Enfin, un faisceau laser focalisé sur un seul des deux bras nous a permis de mesurer avec exactitude une des longueurs d'onde d'extinction du lithium (correspondant à une valeur de polarisabilité dynamique nulle). L'objectif du nouvel interféromètre à CBE est de réaliser une nouvelle mesure de la charge électrique résiduelle de la matière et en particulier des isotopes du rubidium 85Rb et 87Rb. Cette mesure nous permettra de connaître avec une plus grande sensibilité la différence de charge entre le proton et l'électron ainsi que la charge du neutron. Le principe de cette mesure repose sur une séparation spatiale importante entre les deux bras d'un interféromètre en fontaine ainsi que sur un temps de cycle de 5 s. Ces caractéristiques ont nécessité un travail de conception à la fois au niveau de la source (une puce à atome) et au niveau du phénomène de diffraction (séparation en impulsion importante) qui sera exposé dans un premier temps. Dans un second temps, les choix techniques en matière de chambre à vide, système laser et sources de champs magnétiques seront décrits et caractérisés. Enfin, les performances actuelles de cette source d'atomes froids seront présentées et comparées à nos attentes. / This thesis's first part describes the realization of three experiments using an atom interferometer operated with a lithium supersonic beam. The second part presents the development of a new BEC interferometer designed to test matter neutrality. The first three experiments rely on the interactions of lithium atom with different electromagnetic fields. A time dependent electric potential difference was used to produce phase modulation of both interferometer arms at different frequencies, leading to homodyne and heterodyne detection of atom waves. A geometric phase of light (the Pancharatnam phase) was successfully transferred to our interferometer signal during Bragg diffraction, enlarging the atom optics toolbox for phase control in an atom interferometer. Finally, a focused laser beam was used to measure accurately the value of one lithium tune-out wavelength (for which its dynamic polarizability is zero). The new BEC interferometer was designed to measure a possible non-zero electric charge of rubidium isotopes 85Rb and 87Rb with enhanced sensitivity to the electron-proton charge difference and neutron neutrality. This setup relies on a large spatial separation between the two interferometer arms in a fountain configuration aiming at a cycle time of 5s. These features required particular design work both on the atomic source (atom-chip) and the diffraction process (Large Momentum Transfer). The technical choices on the vacuum chambers, laser system and magnetic sources are described and characterized. Finally, the up-to-date cold-atom source performances is shown and compared to our expectations.

Cette thèse porte sur la manipulation d'atomes à l'aide d'objets<br /> nanostructurés. Deux études expérimentales liées à cette<br /> thématique ont été menées. La première a été consacrée à la mise<br /> en place d'un jet de césium intense refroidi transversalement par<br /> mélasse optique et à sa caractérisation. Cette souce a été<br /> appliquée à la lithographie atomique de film d'or \emph{via} des<br /> monocouches moléculaires auto-assemblées. Après une<br /> caractérisation des différentes étapes du procédé, nous avons<br /> employé des masques matériels pour graver des motifs de taille<br /> sub-micrométrique sur la surface d'or. Nous avons obtenu des<br /> trous de 250 nm de diamètre, cette résolution étant limitée par la<br /> taille des masques employés. <br /><br /> Le deuxième ensemble d'expériences concerne la réponse optique<br /> d'ouvertures sub-l'ongueur d'onde dans des films minces<br /> métalliques. Nous avons d'abord mis en place un dispositif<br /> d'imagerie par microscopie de fluorescence qui nous a permis de<br /> cartographier le champ lumineux mis en forme par une fente \SLO<br /> entourée par des sillons périodiques. Pour mieux comprendre les<br /> méchanismes en jeu dans la transmission de la lumière par ces<br /> éléments, les propriétés de structures simples on été étudiées par<br /> interférométrie en champ lointain. Les résultats quantitatif<br /> obtenus permettent une description phénoménologique des procédés<br /> élémentaires en jeu dans ces éléments qui peut être comparée aux<br /> modèles théoriques.