Activités de recherche portant sur le développement d'une nouvelle génération de lasers produisant des impulsions ultra−brèves et directement pompés par diode. Ces travaux comportent plusieurs volets : 1− un volet sur les oscillateurs et amplificateurs laser femtoseconde à base de nouveaux cristaux dopés à l'ytterbium (en collaboration avec des laboratoires de cristallogenèse) 2− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'ytterbium et en particulier sur l'optimisation des effets non−linéaires et de la dispersion pour réduire la durée et améliorer la qualité temporelle des impulsions 3− un volet sur les amplificateurs à base de fibres optiques dopées à l'erbium pour des applications en chirurgie oculaire 4− un volet sur le développement de sources et systèmes appliqués à l'imagerie biomédicale 5− un volet consacré au laser Pilote du projet Apollon pour l'Institut de la Lumière Extrême.

Dans la première partie de ce travail de thèse, on a étudié les causes d'anomalie de pesanteur, et plusieurs causes de bruit afin d'en tirer des conclusions sur la faisabilité de certaines applications industrielles qui impliqueraient notamment l'utilisation de gravimètres ou de gradiomètres embarqués. On envisage en particulier la possibilité de constituer un système de prévention des collisions pour la navigation sous-marine, d'utiliser un gravimètre pour détecter des cavités enfouies ou encore d'observer l'anomalie de pesanteur créée par le passage d'une vague de tsunami d'une part, et d'autre part on cherche autant que possible à quantifier en spectre de puissance les bruits classiques rencontrés en gravimétrie embarquée, ainsi que le bruit gravitationnel causé par les vagues. Dans la seconde partie, on décrit la réalisation d'un gravimètre à ondes de matière, qui aura la particularité d'utiliser des atomes piégés au voisinage d'une puce en carbure de silicium. Le développement des gravimètres à ondes de matière est en effet extrêmement prometteur en terme d'exactitude de mesure du champ de pesanteur, mais le principe de réalisation utilisé jusqu'à maintenant implique que la sensibilité limite de l'instrument est proportionnelle à sa taille. D'un autre côté depuis une dizaine d'années des puces constituées de fils conducteurs déposés sur un substrat en silicium ont été développées pour le piégeage et le refroidissement d'atomes. L'utilisation d'une puce à atomes devra permettre de démontrer la possibilité de mesurer le champ de pesanteur avec une sensibilité indépendante de la taille de l'instrument, ce qui mènera à la réalisation d'un gravimètre à atomes froids compact, donc potentiellement utilisable dans un véhicule. Le défi de ce démonstrateur est d'effectuer pour la première fois la séparation spatiale cohérente d'un nuage d'atomes sur une puce atomique, à des fins de métrologie / In the first part of this work causes of gravity anomalies are studied, along with causes of noise. The feasibilities of a few industrial applications involving mobile gravity or gravity gradient meters were hence evaluated. These applications include in particular the realization of a collision avoidance device for underwater navigation, detection of underground void spaces and tsunami wave detection. Classical noises encountered in on-board gravity measurements are studied, as well as the less conventional gravity noise caused by ocean waves. The second part of the work is devoted to the implementation of a matter waves interferometry gravimeter. The particularity of the device is to use atoms trapped in the vicinity of a silicon carbide atom chip. The goal of the project is to reach for the measurement accuracies of current matter waves gravimeters with free falling atoms, with a principle that does not imply a proportionality between the size of the device and its sensitivity limit. We hope to demonstrate a proof of concept that may lead to a new generation of atomic gravimeters that are compact and therefore better suited for mobile uses. Coherent splitting of a non-condensed atom cloud for metrology purposes is probably the main challenge of the project

Le calcul des propriétés radiatives des plasmas denses fait en général appel au concept d'atome dans un plasma. Parmi les modèles qui définissent un tel concept, les modèles d'atome moyen représentent souvent un point de départ indispensable avant des approches statistiques plus sophistiquées. En outre, ils permettent de calculer les propriétés thermodynamiques ainsi que certains coefficients de transport. Depuis l'application du modèle quasiclassique de Thomas-Fermi aux plasmas denses par Feynman, Metropolis et Teller, toutes ses généralisations quantiques ont conduit à des modèles qui présentent des inconsistances thermodynamiques. Ce travail porte sur un modèle variationnel d'atome moyen pour la description des plasmas denses. Contrairement aux autres modèles, ce dernier donne, par construction, accès à l'équilibre thermodynamique et vérifie le théorème du viriel. Afin de résoudre les équations de ce modèle, un code nommé VAAQP (Variational Average-Atom in Quantum Plasmas) a été réalisé. Il permet notamment le calcul de l'équation d'état des plasmas denses. Après un état de l'art des modèles d'atome moyen, le formalisme du modèle variationnel est décrit dans ses versions Thomas-Fermi, quantique non-relativiste et quantique relativiste. La validité du théorème du viriel pour ce modèle est démontrée et l'inconsistance thermodynamique des autres modèles est expliquée. Les méthodes numériques qui sont appliquées dans VAAQP sont ensuite exposées. Enfin, les résultats obtenus avec le modèle variationnel, concernant les équations d'état, sont commentés et comparés aux résultats d'autres modèles, dont le modèle INFERNO, ainsi qu'à des résultats d'expériences sur les adiabatiques d'Hugoniot.

De récentes révolutions dans la technologie des lasers infrarouges permettent d'exposer la matière à des champs laser pulsés ultra intenses ( de 1013 W cm-2 à 1016 W cm-2 ) et ultra courts (de l'ordre de quelques femtosecondes). Nous nous intéressons dans cette étude théorique à la dynamique de l'interaction entre de tels champs lasers basse fréquence et l'hydrogène atomique modélisant un système à un électron actif. Nous étudions les deux processus en compétition lors d'une telle interaction. D'une part, la génération d'harmoniques d'ordre élevé et particulièrement les effets de la phase absolue du champ laser sur les spectres d'émission ainsi que le rôle joué par la structure atomique sont analysés. D'autre part, la dynamique de l'ionisation dans le régime tunnel ou au-dessus de la barrière fait l'objet d'une étude détaillée dans le cadre de l'approximation du champ fort en sondant le rôle du potentiel Coulombien dans le mécanisme d'ionisation. Théoriquement, deux démarches sont envisagées. L'équation de Schrödinger dépendante du temps peut être résolue exactement numériquement. D'autre part, une solution (analytique) approchée peut être déterminée en s'appuyant sur la méthode aux états atomiques essentiels ainsi que sur les rôles effectifs du champ électrique et du potentiel Coulombien. Cette approximation du champ fort, introduite par Keldysh en 1965, dans laquelle l'effet du champ électrique domine la dynamique de l'interaction a permis d'expliquer l'allure d'une partie des spectres des harmoniques émises par l'atome et des spectres des électrons éjectés. Elle postule que le mécanisme d'ionisation, aux basses fréquences considérées est l'éjection d'électrons par effet tunnel suite à laquelle l'analyse du mouvement de l'électron fait abstraction de la présence du potentiel Coulombien. L'électron peut être considéré comme un électron libre oscillant classiquement dans le champ laser. Ce mouvement quasi-classique lui permet éventuellement de revenir vers le noyau résiduel et de se recombiner radiativement (émission d'une harmonique) avec l'état fondamental ou d'être rediffusé par le potentiel. Ces mécanismes permettent effectivement de comprendre qualitativement l'allure des spectres. Toutefois les prédictions des taux d'ionisation ou de l'amplitude des harmoniques émises ne coïncident pas quantitativement avec les mesures expérimentales. Dans un premier temps, nous tirons profit de l'accord qualitatif entre les deux méthodes en ce qui concerne la génération d'harmoniques d'ordre élevé. Dans le cadre d'impulsions ultra-courtes, l'interaction ayant lieu pendant quelques périodes laser uniquement, la phase absolue du champ laser modifie sensiblement la dynamique de l'interaction d'un point de vue énergétique et par conséquent les spectres d'harmoniques émises. Une analyse temps-fréquence du signal harmonique émis par un seul atome nous permet de montrer que l'influence de la phase peut être comprise classiquement. Nous suggérons une méthode de diagnostic de ce paramètre non-adiabatique qui, jusqu'à présent, ne fait l'objet que d'une stabilisation et non d'un contrôle à l'échelle expérimentale. Nous considérons d'autre part, le point de vue macroscopique, c'est-à-dire la propagation des champs harmoniques dans le milieu gazeux partiellement ionisé en résolvant les équations de propagation de Maxwell. Nous constatons une survie de l'influence de la phase absolue pour des interactions inférieures à une dizaine de cycles optiques. Par ailleurs, l'approximation du champ fort, que nous avons étudiée dans le cadre de la génération d'harmoniques d'ordre élevé par un atome soumis à une impulsion laser de quelques femtosecondes, nous permet de comprendre l'importance du moment canonique dans la dynamique de l'interaction. La représentation des processus atomiques en terme de moment que nous effectuons s'avère être une remarquable sonde des effets réels du potentiel Coulombien sur la dynamique du mouvement des électrons. Nous développons une méthode de résolution de l'équation de Schrödinger dans l'espace des moments; nos résultats démontrent que, du point de vue de l'ionisation, les contributions dominantes ne sont pas celles décrites par l'approximation du champ fort mais qu'en revanche, la présence du potentiel Coulombien ne peut être négligée lorsque nous voulons décrire le mécanisme d'ionisation ; et ce même si l'on s'approche de l'intensité de saturation au-delà de laquelle l'atome s'ionise en moins d'une période laser. Notre étude replace en quelque sorte le potentiel Coulombien au centre du processus d'ionisation malgré l'idée consensuelle selon laquelle aux basses fréquences considérées, l'ionisation par le champ (effet tunnel ou ionisation au-dessus de la barrière) est dominante.

La réalisation d'une mémoire quantique pour la lumière met en jeu les aspects les plus fondamentaux de l'interaction matière-rayonnement. Pour capturer l'information quantique portée par la lumière, le matériau doit être capable de se maintenir dans un état de superposition quantique. Le temps de stockage est limité par la durée de vie de cet état, caractérisée par le temps de cohérence. Les premières expériences ont été réalisées dans des vapeurs atomiques froides, bien connues. Plus récemment, les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) ont attiré l'attention par leurs long temps de cohérence, associés à de larges bandes passantes d'interaction. Pour exploiter ces bonnes propriétés, des protocoles spécifiques ont été proposés. Nous nous sommes tournés vers un dérivé prometteur de l'écho de photon, le Peigne Atomique de Fréquences (AFC, proposé en 2008), fondé sur la transmission du champ incident à travers un profil d'absorption spectralement périodique. Les premiers chapitres de ce manuscrit présentent ce protocole et les travaux effectués durant cette thèse pour en améliorer l'efficacité (i.e. la probabilité de capter et de restituer l'information incidente), en augmenter la bande passante et la capacité de multiplexage et en mesurer le bruit. Les chapitres suivants présentent un nouveau protocole, proposé dans notre groupe durant cette thèse, et baptisé ROSE (Revival Of Silenced Echo). Ce protocole, très proche de l'écho de photon, a été démontré et caractérisé expérimentalement. Il semble très prometteur en termes d'efficacité, de bande passante et de bruit.

Cette thèse met à profit l'émergence des nouvelles sources de lumière de 4ème génération, les lasers à électrons libres, pour créer et caractériser un état de matière sous conditions extrêmes encore mal connu : la matière dense et tiède (WDM). Une expérience a permis d'étudier les transitions entre les différentes phases solide/WDM/plasma et de caractériser le mécanisme responsable de la thermalisation. L'impulsion laser XUV FLASH, de durée et d'énergie égales à environ 20 femtosecondes et 30 µJ respectivement, est micro-focalisée sur une cible solide et entraîne un chauffage isochore. L'intensité, supérieure à 10^16 W/cm^2, n'a encore jamais été atteinte dans un tel contexte expérimental. Les spectres d'émission d'un plasma d'aluminium sont étudiés pour la première fois à l'aide d'un code couplant un algorithme génétique et un code de physique atomique, afin de remonter à l'évolution temporelle complète de l'interaction entre le laser XUV et la matière solide, et ce malgré l'intégration temporelle des spectres expérimentaux. La première preuve expérimentale de l'importance de l'effet Auger est établie pour le chauffage isochorique d'une cible d'aluminium. La première observation de l'émission X d'une cible de nitrure de bore irradiée sous conditions extrêmes a donné lieu à une étude préliminaire du phénomène. En parallèle, l'effet des électrons supra-thermiques sur la distribution des populations électroniques dans les niveaux d'énergie des ions est analysé et montre une importante similitude avec le processus de photo-ionisation à l'oeuvre dans l'interaction laser XUV-matière.

L'objectif de ma thèse a été la mise en œuvre d'un nouveau dispositif expérimental couplant la source ECR SIMPA à un nouveau type de piège électrostatique. Différentes applications sont possibles. Tout d'abord, la source ECR SIMPA produit des ions dans des états métastables avec des temps de vie de l'ordre de la dizaine de milliseconde. Notre dispositif expérimental permet de mesurer les durées de vie de transitions (M1) des états métastables de l'Ar9+,de l'Ar13+ et de l'Ar14+. Ceci nous permet de tester les théories du problème relativiste à n corps. D'autre part, le piégeage des ions multichargés permet de mesurer des sections efficaces pertinentes pour l'astrophysique (Vents solaires, Nébuleuses planétaires) et les plasmas peu denses. En effet, il est ainsi possible de mesurer les sections efficaces de capture d'électron des ions multichargés, mais aussi les sections efficaces de diffusion ion-ion, ou ion-particule neutre.

Revue des protocoles de stockage quantique; Traitement classique de l'information sur porteuse optique; Comprendre les matériaux et leur interaction avec la lumière.

Ce manuscrit présente deux réalisations d'un double puit magnétique pour des condensats de Bose-Einstein (CBE) sure une puce atomique. Une approche utilise des pièges statiques, crées par des micro fils (en amènent ?) manipulant les atomes proche a la surface de la puce. Comme dans toute manipes, on observe une fragmentation du nuage atomique, quand on approche les atomes vers la structure piégeant. Cet effet était expliqué par une déviation du courant dans le fil à cause d'une rugosité des bords. Pour éviter la fragmentation, une nouvelle technique de fabrication (lithographie a faisceaux a électrons, évaporation d'or) a été utilisé pour créer des fils d'un section de 700nm et une qualité amélioré. Un CBE a été crée et chargé dans le double puit généré par la nano structure. On a testé le double puit comme séparatrice avec des atomes thermiques. Des nombreuses problèmes techniques nous empêchent pour le moment d'effectuer la manip avec un CBE.<br />La deuxième approche poursuit dans cette thèse combine des pièges magnétique statique avec un champ (RF) magnétique alternant et génère un double puit dans le potentiel habillé. Car ce schéma peut être réalisé loin de la surface de la puce, la fragmentation n'apparaisse pas et on a pu séparer un CBE en deux. Une interféromètre d'ondes a matière est réalisé en recombinant les deux nuages en expansion libre. La figure d'interférence permet de mesurer la phase relative, on trouve une distribution étroite de cette phase et donc la séparation est cohérente. L'évolution de la phase relative est mesurée pendant et après la séparation et contrôlé par déséquilibrant le double puit.

Le laser femtoseconde constitue un outil de découpe chirurgicale de grande précision. Son usage est en particulier très fréquent en ophtalmologie dans le cadre de la découpe de cornées transparentes. Cependant la découpe de cornées diffusantes nécessite le développement de nouvelles sources à impulsions courtes optimisées. La région spectrale comprise entre 1,6 μm et 1,7 μm a été identifiée comme optimale pour réduire l'impact de la diffusion tout en minimisant l'absorption des tissus. Dans ce manuscrit de thèse, une source laser d'impulsions courtes à 1,6 μm adaptée à la greffe de cornée est présentée. La combinaison de composants fibrés monomodes et d'une fibre à large aire modale, dans une architecture d'amplification à dérive de fréquence, a permis d'extraire des impulsions de forte énergie tout en conservant une bonne qualité temporelle. Un modèle numérique a également été développé afin d'étudier et d'optimiser l'amplification à haute énergie à 1,6 μm dans les fibres dopées à l'erbium en régime femtoseconde. Les premiers tests de découpe sur cornées humaines ont confirmé le potentiel de la source développée. Comparativement aux sources traditionnelles, les études menées montrent en effet une nette augmentation de la profondeur de découpe.