Cette étude présente la mise au point d'un interféromètre atomique de Mach Zehnder et son utilisation pour des mesures interférométriques. Un jet supersonique de lithium est diffracté élastiquement dans le régime de Bragg par des ondes laser stationnaires quasi-résonnantes avec la première transition de résonance du lithium à 671 nm. Une modélisation de l'interféromètre est réalisée grâce à une simulation numérique du processus de diffraction, ce qui permet de décrire précisement le caractère sélectif de l'interféromètre en vitesse et en angle d'incidence. Les signaux d'interférences obtenus présentent, au premier ordre de diffraction, une visibilité allant jusqu'à 84.5%. Aux deuxième et troisième ordres de diffraction, la visibilité des signaux observés est réduite et cette réduction est largement due au bruit de phase induit par les vibrations mécaniques de l'interféromètre. La qualité des signaux au premier ordre de diffraction est utilisée pour réaliser deux mesures interférométriques. L'application d'un champ électrique sur un seul des deux faisceaux atomiques, séparés de 90 microns, induit un déphasage du signal d'interférence dont la mesure permet de déterminer très précisément la polarisabilité de l'atome de lithium, alpha = (24.34 ± 0.16) 10-30 m3, en excellent accord avec les calculs les plus précis. De même, en interposant du gaz sur un seul faisceau atomique, on réalise une série de mesures de l'indice de réfraction n de gaz (Ar, Kr, Xe) pour une onde atomique de lithium. La linéarité de (n-1) en fonction de la densité de gaz est bien vérifiée. En faisant varier la longueur d'onde du lithium, j'ai observé les oscillations de gloire des parties réelle et imaginaire de l'indice de réfraction ainsi que de leur rapport rho. Ces mesures sont comparées à des mesures de section efficace totale pour la partie imaginaire de l'indice et à des calculs pour la partie réelle et le rapport rho. Dans tous les cas, la comparaison est très satisfaisante.

La famille des phases géométriques d'origine électromagnétique est formée de la phase Aharonov-Bohm (AB) prédite en 1959 et des phases Aharonov-Casher (AC) et He-McKellar-Wilkens (HMW) prédites en 1984 et 1993-1994 respectivement. Si la phase AB et la phase AC ont été rapidement observées expérimentalement, la phase HMW n'a été détectée qu'en 2011 par notre équipe au cours de la thèse de S. Lepoutre. La phase AC apparaît quand un dipôle magnétique interagit avec un champ électrique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle et la phase HMW, reliée à la phase AC par la dualité de Maxwell, apparaît quand un dipôle électrique interagit avec un champ magnétique perpendiculaire à sa vitesse et au dipôle. Cette thèse présente la mesure de ces deux phases à l'aide d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder fonctionnant avec l'atome de lithium 7Li et utilisant la diffraction de Bragg par des ondes stationnaires laser. Dans ce manuscrit, je commence par présenter l'interféromètre atomique puis je décris le pompage optique du jet atomique de lithium dans un seul sous-niveau Zeeman-hyperfin F = 2,MF = +2 (ou −2) et la caractérisation de son efficacité qui est voisine de 95 ± 5%. Ce pompage a rendu indétectables les effets systématiques qui avaient compliqué la première détection de la phase HMW. Je présente ensuite les mesures des phases AC et HMW qui sont petites, de l'ordre de quelques dizaines de milliradians dans les conditions de cette expérience, avec une incertitude inférieure 10%. En variant la vitesse moyenne des atomes entre 750 m/s et 1500 m/s, nous avons observé que ces deux phases sont bien indépendantes de la vitesse ce qui prouve leur caractère géométrique.

Cette thèse présente une étude quantitative des modes de fragmentation du fullerène C60 en collision avec des ions légers (Hn=1,2,3+ , Heq=1,2+) dans le domaine de vitesse 0,1 - 2,3 u.a.. La technique de multicorrélation (ions, électrons, énergie des électrons) employée a permis de dégager certaines dépendances et propriétés des mécanismes de fragmentation (sections efficaces, spectroscopie d'électrons, distributions de taille, énergies cinétiques des fragments, tracé de Campi, énergies d'activation). L'énergie déposée s'est ainsi révélée comme un paramètre important. Les sections efficaces ont été mesurées pour la première fois sur l'ensemble des processus collisionnels. L'ionisation et la capture ne dépendent que de la vitesse de collision. Une loi d'échelle avec l'énergie déposée a été observée pour les sections efficaces de multifragmentation. L'énergie déposée est aussi apparue comme le paramètre principal dans l'évolution des distributions de taille des fragments chargés émis. La spectroscopie des électrons (inédite sur un agrégat), réalisée à un angle d'émission de 35°, a montré des spectres piqués à des énergies d'électron importantes (de 5 à 20 eV). La forme de ces spectres dépend de la vitesse de collision. Un début d'analyse théorique semble montrer que cette structure particulière est liée à la présence d'une barrière de potentiel centrifuge. Enfin, les corrélations ions produits et énergie des électrons mettent en évidence que l'énergie des électrons augmente avec l'énergie interne.

Ce manuscrit présente une série d'expériences réalisées sur des atomes de Rubidium piégés et refroidis grâce à des forces induites par laser. Lorsque le laser est très désaccordé par rapport aux résonances de l'atome, la force exercée est conservative et l'on parle de potentiels lumineux. Dans un premier temps, nous présentons un piège optique basé sur ce principe, créé par un laser à 1565 nm. Dans ce piège, les atomes sont refroidis par évaporation jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, dans le régime d'emballement. Dans ce régime la densité augmente au cours du refroidissement ce qui rend la procédure plus efficace. Nous présentons ensuite deux expériences dans lesquelles le condensat est placé dans un trampoline à atomes vertical. Ce trampoline résulte de l'application périodique d'un potentiel lumineux formé par une onde stationnaire verticale. Nous étudions deux régimes de fonctionnement de ce système : un régime classique dans lequel les atomes rebondissent périodiquement sur l'onde lumineuse, et un régime quantique dans lequel les ondes de matière atomiques sont en plus séparées par les pulses et suivent des trajectoires différentes qui se recombinent périodiquement, donnant lieu à des interférences. Dans les deux cas, notre système peut être utilisé comme gravimètre. Enfin, nous plaçons notre condensat dans un potentiel très confinant dans la direction verticale, ce qui le comprime dans une géométrie bidimensionnelle. Le condensat est ensuite soumis à un potentiel lumineux aléatoire réalisé par une figure de speckle. Nous présentons une étude préliminaire des propriétés de transport du nuage dans le plan, en présence du potentiel aléatoire.

Ce mémoire présente le confinement d'atomes froids dans des pièges dipolaires mis en forme par des micro-structures gravées à la surface d'un miroir, à la manière de lentilles de Fresnel.<br />Dans la première partie, nous détaillons le dispositif expérimental que nous avons mis en place pour former un piège magnéto-optique à miroir, et donnons ses caractéristiques.<br />Dans la deuxième partie, nous décrivons les moyens théoriques, numériques et expérimentaux que nous avons utilisés pour dessiner et caractériser différents motifs de lentilles. Nous étudions alors le chargement, la température et la durée de vie des atomes de Césium capturés. Plusieurs géométries sont présentées : lentilles simples (cylindriques ou circulaires), lentille à focale variable, réseaux de lentilles.<br />Un adressage dynamique de ces derniers est démontré. Quelques perspectives sont finalement dégagées, en particulier au sujet des lentilles à focales variables et d'une possibilité d'adressage magnétique des pièges.

Mes travaux postoctoraux ont commencé par un séjour théorique de un an à Aarhus, au Danemark où j'ai travaillé avec Klaus Moelmer sur des méthodes de compression de spin d'une assemblée d'atomes. Je suis ensuite entrée au Laboratoire Charles-Fabry de l'Institut d'Optique, dans l'équipe de Chris Westbrook et Alain Aspect, en tant que chargée de recherche au CNRS. J'ai participé à la mise en place d'une nouvelle expérience de puce atomique. Dans une telle expérience, les atomes sont piégés dans des pièges magnétiques réalisés par des micro-fils déposés sur un substrat et des guides magnétiques de très fort confinement transverse peuvent être réalisés. Mes travaux, théoriques et expérimentaux, sont tous en lien avec cette expérience et ils concernent la physique des gaz très allongés et les propriétés des micro-guides magnétiques. Une application envisagée des puces atomiques est la réalisation d'un interféromètre à atomes guidés. Sur le plan purement théorique, je me suis intéressée, à l'effet des interactions entre atomes dans un ''laser à atomes'' guidé. Une séparatrice cohérente pour atomes peut être réalisée par couplage tunnel entre deux guides et nous avons proposé une méthode expérimentale pour réaliser un tel couplage. J'ai étudié différents aspects théoriques liés à cette proposition. D'autre part, nous avons utilisé étudié expérimentalement la transition vers un quasi-condensat dans un gaz de Bose très allongé. Nous avons pour cela mis au point une technique de mesure des fluctuations de densité. Nous avons mis en évidence l'échec d'une analyse de type champ moyen qui néglige les corrélations entre atomes. Sur le plan théorique, j'ai <br />étudié la transition dans le cas d'un gaz purement unidimensionnel. Enfin nous avons déterminé l'origine de la rugosité d'un guide magnétique produit par un micro-fil. Nous avons mis en évidence une méthode pour s'affranchir de cette rugosité, qui constituait une limite importante des puces atomique.

Le stockage holographique de données est actuellement une voie très prometteuse pour accroître de manière conséquente les capacités et débits des mémoires optiques amovibles. L'architecture de mémoire holographique visée à long terme par ces travaux consiste en une couche de données structurée en une matrice de microfibres perpendiculaires au disque. Les hologrammes sont des réseaux de Bragg multiplexés en longueur d'onde dans chaque microfibre. Le matériau d'enregistrement envisagé est un photopolymère dopé par des centres moléculaires bistables, le photopolymère servant à la structuration en microfibres et les centres à l'enregistrement des réseaux. L'impact de la répartition discrète de ces centres et de la non linéarité de leur réponse optique sur le rapport signal sur bruit de lecture a tout d'abord été évalué par de premières modélisations. Par ailleurs, une procédure d'écriture-lecture en configuration de type Lippmann a été définie afin de simplifier l'architecture de la mémoire et accroître le signal de lecture grâce à une détection homodyne des hologrammes. La mise en œuvre pratique de cette procédure a alors par la suite été étudiée au travers de deux dispositifs expérimentaux d'écriture-lecture. Le premier montage a ainsi abouti à une démonstration de la procédure dans une configuration simplifiée, limitant les difficultés relatives au matériau et à la géométrie d'enregistrement, en bon accord avec notre modèle théorique. L'acquis obtenu avec cette première démonstration a ensuite été utilisé pour mettre en place un second dispositif, afin de valider notre procédure dans une configuration plus réaliste impliquant un photopolymère comme milieu de stockage.

Cette thèse étudie deux caractéristiques de l'atome hélium métastable importantes pour le refroidissement radiatif. Dans une première partie, on mesure le taux de pertes à deux corps dans un piège magnéto-optique. Ces pertes, accentuées en présence d'une irradiation quasi-résonante, sont principalement dues aux collisions ionisantes entre deux atomes métastables. On mesure le taux de pertes en étudiant l'évolution du nombre d'atomes dans le piège magnéto-optique par observation de la fluorescence ou des ions produits par les collisions. Nous étudions aussi les variations de ce taux en fonction du désaccord des lasers piège. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la description des expériences de mesurer les taux de transition des raies intercombinaison: 2^3P_1 vers 1^1S_0 et 2^3P_2 vers 1^1S_0. Le taux 2^3P_1 vers 1^1S_0 est mesuré en excitant une petite fraction d'atomes contenus dans un piège magnéto-optique vers l'état 2^3P_1. On observe une baisse de la durée de vie du piège magnéto-optique qui est la signature de la fuite vers l'état fondamental. Dans une deuxième expérience, on mesure le rapport des taux de transition de 2^3P_2 et 2^3P_1 vers 1^1S_0 en effectuant le rapport des flux de photons UV associés à la transition.

Cette thèse expérimentale utilise un interféromètre atomique fonctionnant avec l'atome de lithium. Trois ondes laser stationnaires quasi-résonantes avec la première transition de résonance du lithium à 671 nm diffractent l'onde atomique dans le régime de Bragg et réalisent des séparatrices et des miroirs dans la configuration géométrique de Mach-Zehnder. Les deux bras de l'interféromètre sont séparés dans l'espace et ses performances permettent de réaliser des mesures interférométriques de précision. Cette thèse présente les résultats de deux expériences réalisées entre 2007 et 2011. La première expérience a mesuré l'interaction entre l'atome de lithium et la surface des barres d'un réseau de dimensions nanométriques (pas de 100 nm) lorsque celui-ci intercepte un des deux bras. L'amplitude complexe de diffraction dans l'ordre 0 a été mesurée pour une large gamme de vitesses atomiques s'étendant de 750 à 3300 m/s. Les résultats ont permis de caractériser l'interaction atome-surface de Van der Waals. La deuxième expérience a réalisé la première détection de l'effet prédit par He, McKellar et Wilkens en 1993-1994 pour un dipôle électrique en interaction avec un champ magnétique. C'est une phase géométrique similaire à l'effet prédit par Aharonov et Bohm en 1959. Le déphasage prévu est de l'ordre de 10 mrad, ce qui est comparable à de nombreux effets parasites qu'il a fallu caractériser avec soin. Les mesures sont en bon accord avec les prédictions théoriques.

Le développement récent des fibres à large cœur quasi-monomodes a permis une montée en puissance rapide des lasers à fibre. En effet, l'utilisation d'un gros cœur permet de limiter les effets non linéaires indésirables et d'augmenter les seuils de dommage. Afin de poursuivre la montée en puissance, nous avons exploré une voie originale utilisant des fibres amplificatrices dopée Ytterbium à très large cœur, donc multimodes, suivies d'interactions non linéaires de remise en forme. Deux concepts ont été étudiés pour la restitution d'un faisceau limité par la diffraction :<br />- le premier réalise la remise en forme par effet photoréfractif dans un cristal de Rh:BaTiO3. Un schéma original a été proposé et validé expérimentalement. Ce convertisseur de mode transforme tout faisceau laser cohérent, dépolarisé et aberrant en un faisceau polarisé et limité par la diffraction,<br />- le second est issu d'une étude théorique et expérimentale détaillée de la rétrodiffusion Brillouin stimulée (SBS) dans des fibres multimodes. S'il est bien connu que des effets de conjugaison de phase ou de nettoyage de faisceau peuvent être observés par SBS dans les fibres multimodes, leurs conditions d'observation le sont moins. Cette étude permet de définir les conditions dans lesquelles les effets de conjugaison de phase (fibre à saut d'indice courte) ou de nettoyage de faisceau (fibres à gradient d'indice) sont attendus. Le schéma original proposé et validé expérimentalement est une cavité Brillouin auto-alignée contenant une fibre multimode à gradient d'indice. La remise en forme est effectuée par réflexion efficace du faisceau multimode vers le mode fondamental de la fibre à gradient d'indice.