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L'objet de cette thèse est l'étude du refroidissement et du piégeage d'atomes de cesium dans des structures lumineuses à faible taux de diffusion. Nous avons mis au point une mélasse optique dite grise dans laquelle le refroidissement est réalisé sur une transition de type Jf → Je = Jf - 1 à l'aide de faisceaux lumineux désaccordés sur le bleu de la transition atomique (fréquence du laser supérieure à la fréquence de la transition atomique). Les atomes étant pompés dans des états faiblement couplés à la lumière, le taux de diffusion de photons est réduit et la température minimale trois fois plus faible que dans une mélasse traditionnelle. Le confinement des atomes refroidis dans une mélasse grise est assuré par un piège dipolaire très désaccordé créé par un laser YAG: Nd3+. Dans une première étape les atomes sont piégés dans un faisceau unique. Le nuage atomique a alors une structure cylindrique avec un fort confinement transverse (taille de l'ordre de six microns). Dans cette situation nous avons mesuré une densité atomique de 2x10^12at/cm3 et l'épaisseur optique le long du faisceau piégeant est estimée à 500. Nous avons montré que dans cette géométrie anisotrope le chauffage par diffusion multiple de photons est fortement diminué. Dans un deuxième temps, nous avons créé un réseau optique très désaccordé de pas 29 microns en faisant l'image d'un réseau matériel sur les atomes par le faisceau YAG. Une image par absorption a permis une observation directe de la localisation des atomes dans cette structure périodique (taille du nuage atomique par site de l'ordre de 3 μm). Le réseau atomique est non lacunaire. Par effet Talbot ce confinement est tridimensionnel et conduit à des densités atomiques de l'ordre de 10^13 at/cm3 et des densités dans l'espace des phases de l'ordre de 10^-3. Le fort confinement et les densités atomiques importantes que nous avons obtenus ouvrent de nombreuses perspectives.

Parmi les mécanismes de refroidissements d'atomes par laser, l'effet Sisyphe conduit à une situation où les atomes sont localisés aux minima d'un potentiel périodique induit par la lumière. Il est ainsi possible de créer un "cristal" optique dont les caractéristiques sont déterminées par la géométrie des faisceaux lasers. Cette thèse propose une étude expérimentale de la dynamique d'atomes alcalins (cesium, rubidium) piégés dans un réseau de lumière tridimensionnel, par une méthode de spectroscopie pompe-sonde. La localisation des atomes dans des puits de potentiels à l'échelle d'une fraction de longueur d'onde optique est démontrée par l'observation de résonances Raman stimulées entre niveaux de vibration quantiques. Ce type de résonance a également révélé le comportement paramagnétique d'un tel réseau. Un effet nouveau de propagation d'ondes de densité dans le réseau conduit à une diffusion de type Brillouin stimulée qui présente l'originalité de ne pas faire intervenir d'interaction entre les particules diffusantes. La diffusion Rayleigh stimulée donne accès à la diffusion spatiales des atomes dans le réseau. Une étude détaillée des résonances Rayleigh démontre également l'importance de la pression de radiation qu'exerce la lumière sur les atomes, mettant en évidence un effet analogue à l'effet photoréfractif observé dans des cristaux de BaTiO3 ou LiNbO3.

L'échelle naturelle de vitesse en refroidissement laser est la vitesse de recul communiquée à un atome initialement au repos lorsqu'il absorbe ou émet un photon. La méthode des résonances noires sélectives en vitesses permet de réduire la vitesse des atomes en-dessous de cette limite. Nous présentons les premiers résultats expérimentaux du refroidissement subrecul d'atomes d'hélium à trois dimensions par résonances noires. Nous obtenons des températures aussi basses que 180 nK par des movens tout optiques. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les prédictions d'un modèle théorique utilisant les statistiques de Lévy. Les atomes refroidis par résonances noires sont préparés dans une superposition cohérente de plusieurs paquets d'ondes de de Broglie. En utilisant le transfert adiabatique induit par laser nous avons réussi à transférer la population atomique dans un seul paquet d'onde. Nous avons démontré que le transfert fonctionne aussi à deux et trois dimensions et nous avons mesuré une efficacité de l'ordre de 90% à deux dimensions et de 75% environ à trois dimensions. Le passage adiabatique nous a permis de préparer un paquet d'onde ayant une dispersion en vitesses subrecul, ainsi qu'un état de spin et une direction choisis arbitrairement. Enfin, nous avons mis en évidence les états noirs sélectifs en vitesses sur une transition J = 1 → J = 0 et nous avons développé une méthode théorique simple qui permet de prédire la structure de ces états dans l'espace des impulsions.

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Les collisions réactives entre un atome et une molécule représentent l'acte chimique élémentaire le plus simple. C'est donc à travers l'étude de ces collisions que l'on peut atteindre une compréhension fondamentale de la réaction chimique. Une technique particulièrement efficace pour ces études est la détection par fluorescence induite par laser des produits moléculaires de réaction. Cette technique de détection, sélective en état interne, permet de connaître la distribution du produit moléculaire sur les états internes, et même de mesurer pour chacun de ces états la section efficace différentielle, la vitesse étant déterminée par effet Doppler. Nous nous sommes intéressé à la collision F + I2 —-> I F + I que nous avons étudiée dans une expérience de jets croisés. La section efficace de réaction est importante et la molécule IF est facilement détectable par fluorescence induite par laser grâce à la transition (B<-X) qui intense et située dans le visible. Nous avons ainsi pu travailler avec des lasers à colorants continus monomodes. La saturation du processus d'excitation laser de cette transition a été soigneusement étudiée, de manière théorique et expérimentale. Cette étude, ainsi qu'une analyse détaillée de la spectroscopie de la transition (B<-X) nous a permis de déduire des intensités des raies de fluorescence les populations des différents niveaux rovibrationnels peuplés de l'état X, avec la plus grande cohérence interne possible. D'une part nous avons ainsi pu établir une cartographie détaillée de la distribution rotationnelle des niveaux vibrationnels v = 8 à 20 de l'état X de IF. Celle-ci s'étend jusqu'à la limite d'énergie disponible dans tous ces niveaux. Ces distributions rotationnelles présentent un aspect bimodal qui implique la coexistence de deux chemins réactionnels microscopiques différents. Cette bimodalité a été observée récemment dans une autre, étude expérimentale de cette réaction (où IF est détecté de manière non sélective, mais où sa vitesse de recul est mesurée) et prévue dans une simulation numérique de la réaction. D'autre part, nous avons montré que l'important signal observé dans des expériences antérieures sur le niveau v=0 était un artefact provoqué par des réactions de surface. Enfin, des mesures préliminaires par effet Doppler de la section efficace différentielle sont présentées. En conclusion, de nombreux résultats nouveaux onc été obtenus sur cette collision reactive. Nous avons montré, par exemple, que l'utilisation soignée; de la fluorescence induite par laser mène à des mesures précises de la distribution des molécules sur leurs états internes. La connaissance de cette réaction a ainsi pu être considérablement approfondie: celle-ci est sans doute actuellement l'une des collisions réactives les mieux décrites expérimentalement.