Nous avons réalisé le premier oscillateur maser à deux photons. Il fonctionne en continu sur une transition atomique à deux photons. Sa réalisation a été rendue possible grâce à l'utilisation d'une cavité micro-onde supraconductrice (f = 68 GHz) de très haute surtension (Q = 10^8) accordée sur une transition à deux photons entre états de Rydberg du Rubidium présentant des configurations de niveaux particulièrement favorables. Ce système suscite un grand intérêt aussi bien théorique qu'expérimental car c'est à la fois le premier oscillateur utilisant un processus atomique intrinsèquement non linéaire et un système quantique microscopique où seulement quelques atomes interagissent avec quelques dizaines de photons (micromaser). C'est donc un système particulièrement bien adapté à l'étude quantique de l'interaction entre matière et rayonnement. Ce travail présente la description de l'expérience ainsi qu'une étude théorique d'abord semi-classique puis quantique des propriétés spécifiques du micromaser à deux photons. Dans le modèle quantique, nous nous sommes attachés à prendre en compte les phénomènes de fluctuations. Nous montrons que leur importance est primordiale pour la compréhension de ce système microscopique.

Ce travail est consacré à l'étude des atomes de Rydberg plongés dans des champs extérieurs statiques. Quand l'énergie d'interaction avec le champ devient comparable à l'énergie de liaison coulombienne (régime de champ intense), la structure atomique est profondément bouleversée. Dans ces conditions,on ne sait en général pas calculer le spectre du système. Nous montrons, théoriquement et expérimentalement, l'importance primordiale des considérations de symétries dynamiques (c'est-à-dire non purement géométriques) pour traiter cette classe de problèmes, aussi bien en mécanique classique qu'en mécanique quantique. L'interaction coulombienne possède une symétrie dynamique SO(4) responsable, entre autres, de la dégénérescence en "l" du spectre de l'atome d'hydrogène non relativiste. Dans le régime où le champ extérieur est faible, il brise cette symétrie. Nous utilisons le groupe dynamique SO(4,2) pour étudier algébriquement ce processus et prévoir le comportement de l'atome en présence d'un champ extérieur. Dans le régime de champ intense, le comportement du système dépend du caractère compatible ou non compatible des symétries de l'interaction coulombienne et de l'interaction avec le champ extérieur. Dans le premier cas, le système reste "régulier" et les spectres sont relativement simples à interpréter (l'effet Stark hydrogénoide en est un exemple). Dans le second cas, la dynamique classique peut devenir chaotique. Un cas remarquable est celui de l'atome d'hydrogène en champ magnétique intense. L'ensemble de la dynamique est analysé en détail et le spectre du système peut être calculé numériquement en utilisant une base de fonctions d'onde adaptée aux symétries dynamiques (base Sturmienne). Ces éléments font du magnétisme atomique un prototype pour l'étude du chaos quantique. Nous avons pu confirmer sur ce système certaines conjectures concernant les fluctuations de la distribution des niveaux d'énergie, établies en physique nucléaire, et montrer, qu'au-delà des théories statistiques de matrices aléatoires, les symétries quantiques ne sont pas complètement détruites dans la région où le chaos classique est complet. Ceci se traduit par des régularités observées expérimentalement et l'existence d'un "ordre quantique" à grande échelle. Nous étudions l'influence du coeur atomique et nous montrons qu'elle peut être prise en compte de façon satisfaisante à partir d'un modèle purement hydrogénoide. Nous avons étudié expérimentalement l'effet Stark linéaire de l'atome de Césium. Nous mettons en évidence le processus de redistribution des états de faible moment cinétique (non-hydrogénoides) sur les multiplets hydrogénoïdes lorsque l'intensité du champ augmente. Ce processus, qui traduit l'évolution de la symétrie, sphérique en champ nul vers la symétrie parabolique en champ fort, conduit en particulier à l'observation de profils asymétriques. Pour la première fois, nous avons observé le spectre atomique en présence de champs électrique et magnétique perpendiculaires faibles. Bien que l'atome utilisé soit le Rubidium, et non l'hydrogène, cette expérience constitue sans doute la mise en évidence la plus directe de la symétrie dynamique SO(4) de l'interaction coulombienne. Enfin, nous étudions le diamagnétisme de l'atome de Césium. Nous montrons l'excellent accord entre les prédictions théoriques et les spectres expérimentaux, jusque dans la région de champ intense.

Ce mémoire décrit une mesure de la constante de Rydberg par spectroscopie à deux photons sans effet Doppler des atomes d'hydrogène et de deutérium. Les transitions étudiées relient l'état métastable 2S1/2 (largeur naturelle 1,3 Hz) aux états nD5:2 avec n=8,10,12 (largeur naturelle du niveau n=10 de l'ordre de 300 kHz) de façon à avoir de raies très fines. La largeur expérimentale observée est de l'ordre de 1 MHz, correspondant à une largeur relative d'environ 10^-9, ce qui est la meilleure résolution obtenue sur l'hydrogène dans le domaine optique. Les signaux atomiques obtenus sont comparés à des courbes théoriques de façon à éliminer les effets dûs au "light-shift" ou déplacement lumineux. Notre résultat est : R = 10 973 731,570 9 (18) m-1. La mesure de la fréquence absolue de transition se fait par comparaison interférométrique avec un laser hélium-néon stabilisé sur la molécule d'iode dont la fréquence a été mesurée avec une exactitude de 1,6 x 10^-10. La précision de notre mesure par rapport au laser de référence est de 4 x 10^-11. L'incertitude totale 1,7 x 10^-10 est donc due essentiellement à la mesure de la fréquence absolue de la raie de l'iode. Notre laser de référence a été calibré par comparaison avec un laser standard du Bureau International des Poids et Mesures. Notre expérience permet aussi d'obtenir les déplacements isotopiques pour les trois niveaux de Rydberg étudiés d'où on peut déduire une valeur pour le rapport de masse entre le proton et l'électron : mP/me = 1836,152 59 (24) en très bon accord avec la valeur plus précise actuellement disponible.

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Ce mémoire présente une expérience d'optique quantique basée sur l'utilisation de l'Oscillateur Paramétrique Optique (O.P.O ). Une particularité de l'effet paramétrique est de créer des paires de photons jumeaux. L'O.P.O. engendre donc deux faisceaux dont les fluctuations quantiques d'intensité sont fortement corrélées. La première partie donne une étude détaillée de son fonctionnement : conditions d'oscillation, intensité et fréquence des faisceaux produits. On détermine ensuite les caractéristiques des fluctuations quantiques des deux faisceaux. Dans la seconde partie, nous décrivons le montage expérimental permettant de produire ces faisceaux jumeaux et de mesurer leur corrélation. Nous avons ainsi obtenu une réduction du bruit quantique de 69% dans une bande-passante de 12 MHz sur la différence des intensités des deux champs. Dans la troisième partie, nous nous intéressons aux propriétés des faisceaux jumeaux lorsque l'O.P.O. fonctionne au voisinage de la dégénérescence. Nous décrivons le laser Nd:YAG doublé et le montage expérimental qui ont permis d'observer le battement entre les deux faisceaux.

Ce mémoire présente un nouveau mécanisme de refroidissement d'atomes par laser: les résonances noires sélectives en vitesse. La première partie de ce travail est consacrée à la description d'un jet supersonique d'hélium métastable, refroidi par cryogénie, sur lequel nous avons effectué nos expériences de refroidissement par laser. Un deuxième chapitre, dans lequel nous introduisons les outils théoriques nécessaires pour l'analyse du chapitre III, nous donne l'occasion de présenter l'effet Hanle mécanique. Il s'agit là d'une résonance très fine de la force de pression de radiation sur un atome ayant un sous-niveau Zeeman piège, lorsqu'on varie le champ magnétique autour de zéro. Le troisième chapitre consiste finalement en une présentation des résonances noires sélectives en vitesse. A côté d'une étude théorique détaillée, nous présentons la mise en évidence expérimentale de cet effet: nous avons en effet réussi à comprimer à une dimension la distribution des vitesses en-dessous de la vitesse de recul \hbar k/M d'un seul photon.

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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