L'hélium métastable (23S1) est à ce jour le seul élément qui n'est pas dans son état électronique fondamental pour lequel la condensation de Bose-Einstein a été obtenue. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon rapide et efficace par une galette de micro-canaux (MCP). De plus, cette énergie est responsable de collisions ionisantes au sein de l'échantillon piégé magnétiquement (ionisation Penning). Les ions ainsi formés sont également détectés par le MCP. Une fois les caractéristiques du système de détection déterminées, et la démarche expérimentale permettant de produire des condensats de Bose-Einstein détaillée, cette thèse présente les études réalisées pour déterminer l'origine des ions produits ainsi que certaines des nouvelles possibilités qu'offre le signal d'ions. Pour des échantillons de densité suffisamment faible, les ions proviennent majoritairement des collisions avec le gaz résiduel, et le signal est alors proportionnel au nombre d'atomes piégés. Pour des échantillons de densité suffisamment élevée, comme ceux obtenus proches du seuil de condensation, les ions proviennent majoritairement de collisions à deux corps et à trois corps. Le signal d'ions dépend alors également de la densité de l'échantillon. Suivant la gamme de densité, ce signal nous fournit donc une mesure " non-perturbative " en temps réel de ces différentes grandeurs. Nous avons notamment pu montrer qu'il était un précieux indicateur du moment où se produit la condensation, car il rend compte de la brusque augmentation de densité qui se produit alors. En étudiant le taux d'ions en fonction de la densité et du nombre d'atomes de condensats purs et de nuages thermiques au seuil de condensation, nous avons mesuré pour la première fois les constantes de collisions de ces processus d'ionisation. Les résultats trouvés sont en accord avec les prédictions théoriques.

Cette thèse présente des résultats obtenus par des méthodes originales sur les nuages d'atomes ultra-froids au voisinage de la condensation de Bose-Einstein. Les atomes qui constituent les nuages utilisés dans ces expériences sont particuliers du fait de leur métastabilité. Plus précisément, ce sont des atomes d'hélium métastable. Grâce à l'énergie interne qu'ils possèdent, ces atomes peuvent être détectés électroniquement de façon efficace par une galette de micro-canaux. L'utilisation de l'hélium métastable pour l'étude de la dégénérescence quantique est également particulière du fait de la présence de collisions ionisantes au sein de l'échantillon atomique. Les ions He+ créés lors d'une collision inélastique peuvent être détectés ''en temps réel", ce qui constitue un diagnostic nouveau et intéressant. En particulier, il est possible d'identifier très précisément le seuil de condensation de Bose-Einstein, c'est-à-dire le moment où commencent à s'accumuler les atomes dans l'état quantique fondamental. L'avantage d'utiliser le taux d'ions comme outil d'observation est sa nature ''non-invasive". Contrairement à la technique d'observation habituelle qui exige que les atomes soient lâchés du piège pour permettre leur observation, la mesure du taux d'ions produits par l'échantillon ne change en rien le comportement naturel du nuage. En utilisant cette méthode de diagnostic originale, une mesure des paramètres collisionnels régissant le comportement du nuage a été obtenue : constantes de collisions ionisantes et longueur de diffusion de l'atome d'hélium métastable.

Ce manuscrit de thèse est une contribution à l'étude du couplage fort lumière-matière dans les microcavités planaires à base d'oxyde de zinc. Nous avons déterminé les propriétés de l'interaction entre excitons et photons au travers de mesures résolues en angle pour des hétéro-structures réalisées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur silicium. Il a ainsi été possible de démontrer le régime de couplage fort aussi bien aux températures de l'hélium liquide qu'à température ambiante. Un important travail de conception des cavités et de modélisation de leur réponse optique a été effectué dans le but d'obtenir une émission cohérente de lumière basée sur la condensation des polaritons tel que prédit par les travaux théoriques. Les récentes mesures pour une cavité optimisée conduisent à un facteur de qualité voisin de 500 et à une énergie de Rabi très élevée (120 meV).

Cette thèse décrit la construction d'une nouvelle expérience de condensation de Bose-Einstein visant à obtenir un condensat de rubidium 87 et à le confiner dans un piège en anneau. Une première partie est consacrée à la description du montage. Le design de l'enceinte à vide est présenté, ainsi que le système laser qui comporte une nouvelle source basée sur le doublement de fréquence d'un laser télécom. Le refroidissement des atomes dans ce montage se fait en deux parties. Un piège magnéto optique 3D est chargé par un piège magnéto-optique 2D dans une première partie de l'enceinte, puis les atomes sont transférés dans une petite cellule de verre dans laquelle a lieu le refroidissement évaporatif et la condensation. L'étape de transfert est assurée par le transport mécanique des bobines qui génèrent le champ magnétique de piégeage, et qui sont montées sur une platine de translation motorisée. Le piège final est un piège magnétique quadrupolaire bouché par un faisceau laser à 532~nm. Le montage permet d'obtenir $2\times 10^5$ atomes de rubidium dans un condensat pur en une trentaine de secondes. La seconde partie traite de l'étude théorique d'un superfluide dans un anneau 2D au moyen de simulations numériques. On y calcule d'abord la vitesse critique de rotation par l'étude du spectre des excitations de Bogolyubov du superfluide dans l'anneau, puis on utilise une simulation de l'équation de Gross-Pitaevskii pour étudier l'établissement d'un courant permanent au moyen d'un potentiel en rotation, et la stabilité d'un tel courant en présence d'une barrière de potentiel.

Les atomes neutres sont de bons candidats pour la réalisation de protocoles d'information quantique. Cette thèse présente des expériences effectuées dans cette perspective sur des atomes individuels de rubidium piégés dans des pinces optiques de taille microscopique. Ces pinces sont obtenues en focalisant un faisceau laser sur une taille inférieure à un micromètre. Nous montrons que l'on peut contrôler l'état de chaque atome individuellement en faisant des transitions Raman à deux photons entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental. Nous observons des oscillations de Rabi entre ces deux niveaux à des fréquences pouvant atteindre plusieurs mégaHertz. Nous étudions aussi la cohérence de ce système par des expériences de franges de Ramsey et d'écho de spin. Des temps de cohérence de plusieurs dizaines de millisecondes sont mesurés. De plus, dans le but de manipuler des atomes dans un registre quantique, nous démontrons le déplacement d'une pince optique contenant un atome et le transfert de celui-ci d'une pince dans une autre sans perte de cohérence ni chauffage. Finalement, en vue de réaliser l'intrication conditionnelle de deux atomes, nous étudions l'émission de photons par ces atomes piégés. Nous montrons que ces atomes sont des sources de photons uniques déclenchables efficaces et nous décrivons l'observation d'interférences à deux photons entre deux photons uniques émis par deux atomes voisins indépendants. Ces interférences quantiques prouvent l'indiscernabilité des photons émis par chaque atome.

Présentation de deux expériences, utilisant les corrélations de polarisations entre des paires de photons optiques issus d'une cascade atomique (dont l'une est très proche de l'expérience utilisée par Bell), en utilisant des polariseurs a une voie ou des polarimètres optiques. Discussion de la précision statistique des expériences, en bon accord avec les prédictions quantiques, ce qui semblerait exclure la probabilité de réinterprétation de la mécanique quantique par une théorie locale a paramètres supplémentaires.

Ce mémoire porte sur le développement de deux outils pour réaliser des expériences d'optique atomique. Le premier de ces outils est une source qui produit un faisceau intense d'atomes d'hélium métastables. Elle est produite à partir d'un jet supersonique cryogénique d'hélium. On effectue plusieurs opérations de manipulation par laser afin d'augmenter l'intensité du jet atomique. On applique tout d'abord une mélasse optique transverse afin de collimater le faisceau atomique. Puis on décélère les atomes en utilisant la technique du ralentissement Zeeman. La faible masse de l'hélium a deux conséquences importantes sur le ralentissement: la distance nécessaire pour stopper les atomes est importante (~ 2 m), et le phénomène de diffusion transverse est particulièrement prononcé. Il faut donc recomprimer spatialement le jet atomique. Dans ce but, on utilise un dispositif original, le "concentrateur". Celui-ci permet de focaliser le jet atomique rapide en un point de son axe. Le gain d'intensité atomique au point focal est d'environ 20. La position transverse du point focal peut être balayée en appliquant un champ magnétique variable. Le deuxième outil développé est un miroir à atomes utilisant une onde évanescente. Pour pouvoir s'affranchir de l'émission spontanée pendant la réflexion, qui détruit la cohérence de l'onde de De Broglie réfléchie, il faut disposer d'une intensité lumineuse dans l'onde évanescente très importante. On utilise un système résonnant de couches minces diélectriques déposées sur un prisme pour "exalter" l'intensité de l'onde évanescente par plus de 3 ordres de grandeur. On emploie une méthode optique d'analyse de la lumière réfléchie par le prisme pour estimer le coefficient d'exaltation. Cette technique simple permet le contrôle in-situ de l'exaltation lors des expériences de réflexion d'atomes. Ce système a été utilisé pour réfléchir des atomes de rubidium avec une probabilité d'émission spontanée inférieure à 1 %.

Cette thèse présente deux expériences sur des gaz ultrafroids d'hélium métastable qui constituent l'extension, à des ondes de matière, d'expériences fondamentales en optique quantique. Le succès de ces expériences repose sur l'utilisation d'un détecteur d'atomes uniques capable de reconstruire la position des atomes en trois dimensions. Dans la première expérience nous avons comparé, sur le même dispositif expérimental, la fonction de corrélation à deux corps des atomes appartenant à un nuage froid de fermions identiques à celle d'un nuage froid de bosons identiques à la même température. Comme bosons et fermions suivent deux statistiques quantiques différentes, les deux fonctions de corrélation sont différentes : les bosons ont tendance à arriver groupés sur le détecteur, alors que les fermions ont tendance à arriver dégroupés, à cause du principe d'exclusion de Pauli. Dans la deuxième expérience nous avons étudié la corrélation entre paires d'atomes bosoniques générées dans la collision de deux condensats de Bose-Einstein. La mesure de la fonction de corrélation nous a permis de démontrer que les atomes d'impulsion opposée, dans le référentiel du centre de masse, sont corrélés par paires. De plus l'observation d'une corrélation de type Hanbury Brown Twiss entre paires d'atomes diffusés dans la même direction démontre que notre système ne peut pas être interprété en termes de mécanique classique, mais que la statistique bosonique y joue un rôle important. Une nouvelle génération de cette expérience permettra de mesurer la dépendance angulaire de la population des modes atomiques diffuses et d'étudier le squeezing de la différence de population entre modes opposés.

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.

Les sources laser émettant autour de 976 nm ont des applications dans le domaine des télécommunications optiques, pour le pompage des amplificateurs à fibres dopées par des ions erbium, ou pour la réalisation d'une source à 488 nm après une étape de conversion non linéaire. Les sources monomodes transverses avaient au début de ma thèse des puissances limitées à 1 W. De plus fortes puissances étaient demandées. Nous avons choisi de proposer des sources basées sur les matériaux dopés par des ions ytterbium, qui présentent une importante section efficace d'émission autour de 976 nm. Mais l'absorption à 976 nm est très forte, liée au caractère trois niveaux de la transition, nécessitant un pompage à 915 nm intense pour obtenir la transparence à 976 nm. Deux solutions ont été testées.<br />Les fibres monomodes dopées par des ions ytterbium nous ont permis de développer des sources, dont un laser de spectre fin très efficace, qui a servi à réaliser une source à 488 nm grâce à un guide d'onde non linéaire en niobate de lithium polarisé périodiquement. Nous avons aussi étudié l'amplification d'une diode laser impulsionnelle à 976 nm dans ces fibres, et le doublement de la fréquence de cette source. Pour dimensionner les fibres utilisées, nous avons simulé la propagation des faisceaux dans ces fibres. <br />Les cristaux de Yb:KY(WO4)2 constituent une alternative aux fibres. Ils ont montré un fort gain à 981 nm avec un pompage par un laser à saphir dopé au titane à 931 nm. Les sources réalisées ont été simulées. L'intensité des diodes laser à 931 nm actuelles est limitée, interdisant le pompage par diode de ces cristaux.