Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la technique de l'ionisation résonante (qui consiste à ioniser un atome par faisceaux laser) que nous avons appliqué dans deux domaines importants en physique nucléaire : la production sélective de faisceaux d'ions radioactifs exotiques et l'étude de leurs propriétés dans le cadre d'une expérience de spectroscopie laser sur les isotopes de tellure. <br /><br />La naissance du projet ALTO (Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d'Orsay) à l'IPN d'Orsay a fait émerger l'idée d'installer une source d'ions laser. A cet effet, une étude de faisabilité a été entreprise avec une installation laser à faible cadence (30 Hz) celle-ci devant être étendue à 20 kHz sur la future installation de faisceaux radioactifs (ALTO). Après un premier faisceau d'étain ionisé avec succès par cette source, nous avons poursuivi l'étude avec un faisceau de cuivre. Nous avons d'abord effectué des tests de schémas d'ionisation du cuivre stable : un schéma vers le continuum et deux schémas vers des états autoionisants voisins. Le schéma le plus efficace commence par une étape d'excitation de longueur d'onde λ1 = 249.2 nm suivie d'une longueur d'onde d'ionisation λ2 = 439.92 nm. Celle-ci correspond à un état autoionisant situé à 62845 cm-1 non connu auparavant et voisin des deux autres états autoionisants sélectionnés au départ. L'efficacité d'ionisation laser avec ce schéma a été mesurée et elle est semblable à celle prédite par la théorie. <br /><br />L'ionisation résonante par faisceaux laser est également utilisée dans des expériences de spectroscopie auprès de COMPLIS à ISOLDE au CERN. La technique dans ce cas consiste à effectuer un balayage en fréquence autour de la transition d'excitation des atomes pour sonder leur structure hyperfine. Cette étape sera suivie de l'étape d'ionisation pour ioniser les atomes et les détecter. La spectroscopie laser nous permet de déterminer la structure hyperfine et le déplacement isotopique des atomes. Nous avons utilisé cette technique pour étudier les isotopes de tellure sur une longue chaîne isotopique 125m, 127mg, 129mg, 131mg, 132, 133mg, 134, 135 et 136Te. A partir des déplacements isotopiques mesurés nous avons déterminé la variation du rayon carré moyen de charge qui fait apparaître une rupture de pente du rayon de charge à N = 82 : la déformation du noyau diminue jusqu'à N = 82 où elle atteint la sphéricité puis elle augmente au-delà. <br />La mesure de la structure hyperfine des isotopes impairs de tellure nous a permis de déterminer les constantes de structure hyperfine des isotopes 135 et 133 dans leur état fondamental (Iπ = 7/2- et 3/2+ respectivement) et des isotopes 125, 127, 129, 131 et 133 dans leur état isomérique (Iπ = 11/2-). A partir de ces constantes nous avons extrait les moments nucléaires : µI et Qs. La comparaison des valeurs des moments magnétiques µI expérimentales avec les valeurs de moments existantes dans la littérature mesurées par résonance magnétique nucléaire nous donne un parfait accord.<br />L'extraction des valeurs des déformations à partir des moments quadrupolaires spectroscopiques en supposant une symétrie axiale conduit à une quasi sphéricité pour tous ces noyaux. Malgré les grandes barres d'erreurs, elles sont semblables aux valeurs des moments quadrupolaires des isotopes d'étain.

La mesure précise de la fréquence de la transition 1S-3S de l'atome d'hydrogène est d'un grand intérêt pour l'énigme du rayon de charge du proton, qui a pour origine les résultats récents de la spectroscopie de l'hydrogène muonique. Nous excitons la transition à deux photons 1S-3S, dans un jet d'atomes d'hydrogène, à l'aide d'un laser continu à 205 nm obtenu par somme de fréquences dans un cristal non-linéaire. La fréquence de la transition est mesurée par rapport à l'horloge à césium du LNE-SYRTE à l'aide d'un peigne de fréquence. L'enregistrement du signal pour différentes valeurs d'un champ magnétique appliqué permet d'estimer la distribution de vitesse des atomes du jet et d'en déduire l'effet Doppler du deuxième ordre. Les autres effets systématiques qui déplacent la transition ont été pris en compte : interférence quantique, déplacement lumineux, collisions. Une étude systématique en fonction de la pression a permis de montrer que la distribution de vitesse ne dépend pas de la pression et de déterminer le déplacement collisionnel. Finalement, une valeur de la fréquence de transition 1S-3S est obtenue avec une incertitude d'environ 5 kHz, ou 1,7 10^-12 en valeur relative. Elle est en très bon accord avec la valeur recommandée par le CODATA. Cette nouvelle mesure contribue à la recherche autour de l'énigme du rayon du proton. / The precise measurement of the 1S-3S transition frequency of hydrogen could have a great impact on the proton charge radius puzzle, which results from the recent spectroscopy of muonic hydrogen. In our experiment, the two-photon 1S-3S transition is excited in a hydrogen atomic beam, with a continuous-wave 205-nm laser which is obtained by sum frequency generation in a non-linear crystal. The transition frequency is measured with respect to the LNE-SYRTE Cs clock by means of a frequency comb. Recording the signal for several values of an applied magnetic field allows to estimate the velocity distribution of the atoms in the beam and deduce the second-order Doppler shift. Other frequency-shifting systematic effects have been taken into account: cross-damping, light shift, collisions. A complete study has shown that the velocity distribution does not depend significantly on the pressure, and allowed to determine the collisional shift. Eventually, a value of the 1S-3S transition frequency is obtained with an uncertainty of about 5 kHz, or a relative uncertainty of 1.7 10^-12. It is in very good agreement with the CODATA recommended value. This new measurement contributes to the ongoing search to solve the proton radius puzzle.

L’objectif de cette thèse est l'étude par spectroscopie laser colinéaire à haute résolution de la structure nucléaire des isotopes d’étain riches en neutrons, vers de la fermeture de couche N=82 et au-delà. Les structures hyperfines et les déplacements isotopiques le long de ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn ont été mesurés en utilisant l’expérience COLLAPS à ISOLDE au CERN. Deux expériences indépendantes, utilisant des propriétés de transitions complémentaires l’une à 452 et l’autre à 286 nanomètres, ont étudiées les états 5p6s ¹P₁ et 5p6s ³P₁ dans l'atome neutre. L'état singlet fournit une sensibilité élevée au moment quadrupolaire tandis que le triplet facilite une grande séparation magnétique. A partir d'une analyse auto-cohérente des deux ensembles de données, les spins nucléaires, les moments électromagnétiques et les rayons de charge ont été extraits. Les propriétés des isomères à vie longue des noyaux ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn ainsi que l'état fondamental de ¹³³Sn et ¹³⁴Sn ont été évalués pour la première fois. Les moments quadrupolaires des états 11/2⁻, déterminés avec une plus grande précision que les études précédentes, suivent une tendance presque linéaire. Un coude à N=82 dans la courbe des rayons a été observé pour la première fois. Des calculs de champ moyen fournissent une description précise des rayons et relient en outre la tendance globale aux corrélations provenant des fluctuations des moments quadrupolaires. / The aim of this thesis is the study of nuclear structure properties of the neutron-rich Sn isotopes towards the N=82 shell closure and beyond by high-resolution collinear laser spectroscopy. The hyperfine structures and isotope shifts along ¹⁰⁸⁻¹³⁴Sn were measured using the COLLAPS instrumentation at ISOLDE, CERN. Two independent experiments using transitions with complementary properties, respectively at 452 and 286 nanometres studied the 5p6s ¹P₁ and the 5p6s ³P₁ states in the neutral atom. The singlet state provided high sensitivity to quadrupole moments while the triplet facilitated a large magnetic splitting. From a self-consistent analysis of the two data sets, nuclear spins, electromagnetic moments and charge radii have been extracted. The properties of the long-lived isomers in ¹¹³Sn, ¹²³Sn, ¹²⁸Sn and the ground state of ¹³³Sn and ¹³⁴Sn have been assessed for the first time. The quadrupole moments of the 11/2⁻ states, determined with much higher precision than in previous studies, have been found to follow a nearly linear trend. A "kink" in the radii trend at N=82 was observed for the first time. Beyond mean-field calculations provide an accurate description of the radii and further relate the overall trend to correlations stemming from the fluctuations of the quadrupole moments.