Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.

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.

Ce travail rend compte de nouvelles techniques développées pour l'étude expérimentale de gaz ultrafroids de lithium et de potassium fermioniques. Les améliorations de notre expérience 6Li-40K y sont décrites et caractérisées. Nous présentons un laser solide de grande finesse capable d'émettre 5W de puissance à 671 nm. Nous utilisons cette source laser dans le contexte d'une nouvelle technique de refroidissement sub-Doppler, reposant sur la transition atomique D1 des atomes alcalins, pour refroidir des atomes de lithium. Cette melasse D1 nous permet de refroidir simultanément les atomes de 6Li et de 40K à des températures bien inférieures à la limite Doppler, tout en manipulant des grands nombres d'atomes à des densités importantes. Nous avons mesuré une densité dans l'espace des phases après l'étape de mélasse de l'ordre de 10-4 à la fois pour le 6Li et le 40K. Le refroidissement laser D1 ouvre la voie à une évaporation rapide vers la dégénérescence quantique dans un piège magnétique ou optique. Nous présentons le refroidissement évaporatif d'atomes de 40K. L'évaporation débute dans une piège magnétique pluggé et continue dans un piège dipolaire optique. A l'issue de l'évaporation, nous obtenons un mélange de spins dégénéré, avec plus de 7x105 atomes dans chacun des deux états de spin et une température T/TF<0.34. / This thesis reports on novel techniques for experimental studies of ultracold, fermionic lithium and potassium quantum gases. The new parts of our 6Li-40K apparatus are described and characterised. We present a narrow-linewidth, all-solid-state laser source, emitting 5W at 671 nm. We employ the laser source in the context of a novel sub-Doppler cooling mechanism, operating on the D1 atomic transition of alkali atoms, for laser cooling of lithium. This D1 molasses allows us to simultaneously cool a mixture of 6Li and 40K atoms to deep sub-Doppler temperatures, while retaining large atom numbers and high atomic densities. The measured phase space densities after the molasses phase are on the order of 10-4 for both 6Li and 40K. The D1 laser cooling paves the way for fast evaporation to quantum degeneracy in magnetic and optical traps. We present the evaporative cooling of 40K atoms. The evaporation starts in an optically plugged magnetic quadrupole trap and continues in an optical dipole trap. At the end of the evaporation, we obtain a quantum degenerate spin-mixture of 40K atoms, with more than 7x105 atoms in each of the two spin states and T/TF<0.34.

Dans cette thèse, nous présentons des nouvelles techniques et leur application dans l'étude des gaz d'atomes de lithium ultrafroids. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons le développement d'une nouvelle source laser de faible largeur spectrale, capable d'émettre 840mW de puissance dans la gamme des longeurs d'ondes des raies D du lithium atomique à 671nm. La source est basée sur un laser en anneau pompé par diode, capable de produire 1.3W de lumière à 1342nm monomode. Le faisceau de sortie est ensuite doublé en fréquence dans un cristal de phosphate de potassium titanyl (ppKTP) périodiquement polarisé dans une cavité externe. Nous obtenons un rendement du doublage de 86%. Une accordabilité de la fréquence de sortie sur plus de 400GHz et le verrouillage de l'ensemble des cavités par rapport aux raies du lithium sont accomplis. Nous avons mesuré la largeur de raie d'émission à 200+-400kHz. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous employons la source sur un dispositif expérimental pour refroidir et piéger des atomes de lithium. Nous réalisons des echantillons du gaz de Bose unitaire à température finie au voisinage d'une résonance de Fano-Feshbach. Nous présentons des mesures du taux de pertes à trois corps en fonction de la température. Les pertes mésurées atteignent la valeur limite imposée par la mécanique quantique sans aucun paramètre ajustable. Cette mesure permet l'introduction d'un critère de quasi-équilibre. Dans ce régime, en utilisant une technique basée sur l'imagerie in-situ développée dans notre groupe, nous fournissons une première mesure de l'équation d'état du gaz de Bose unitaire à basse fugacité.