Etude à haute résolution de la spécularité d’un miroir atomique à onde évanescente

Table des matières

Introduction générale
1 Miroir atomique à onde évanes ente : réflexion spéulaire et réflexion diffuse
1.1 Rappels sur le miroir à onde évanesente
1.1.1 Etude de l’onde évanesente
1.1.1.1 Notations et expression générale du champ
1.1.1.2 Polarisation TE
1.1.1.3 Polarisation TM
1.1.1.4 Applications numériques pour notre dispositif
1.1.2 Potentiel dipolaire
1.1.2.1 Couplage dipolaire électrique atome-champ
1.1.2.2 Forme du potentiel dipolaire pour un atome à deux niveaux
1.1.2.3 Généralisation à un atome à plusieurs niveaux : le 85Rb
1.1.3 Intera tion de van der Waals .
1.1.3.1 Approximation de Lennard-Jones
1.1.3.2 Résultats de l’éle trodynamique quantique
1.1.4 Potentiel récepteur total
1.1.5 Conclusion
1.2 Description théorique de la rugosité
1.2.1 Description d’une surfa e rugueuse
1.2.2 Réflexion d’atomes sur un miroir dur rugueux
1.2.3 Réflexion d’atomes sur le potentiel réel
1.2.3.1 Evaluation de la réexion diffuse dans nos expériences
1.2.4 Conclusion
1.3 Expériences déjà réalisées dans le laboratoire
1.3.1 Dispositif expérimental utilisé dans les expériences pré édentes
1.3.2 Résumé des résultats antérieurs sur le miroir lumineux .
1.3.3 Bilan des études pré édentes
2 Séle tion en vitesse par transitions Raman pour l’étude de la réflexion d’atomes c
2.1 Prin ipes généraux sur les transitions Raman
2.1.1 Transitions Raman séle tives en vitesse
2.1.1.1 Equations de S hrödinger
2.1.1.2 Condition de résonance
2.1.2 Forme du profil de la sélection
2.1.2.1 Impulsion de faible puissance
2.1.2.2 Impulsion de forte saturation
2.1.3 Evaluation de l’émission spontanée induite par les fais eaux
2.1.4 Effet du dépla ement lumineux des états fondamentaux
2.1.5 Cas où les fais eaux ne sont pas rigoureusement parallèles
2.2 Appli ation à l’atome de Rubidium 85
2.2.1 Choix des niveaux j1i et j2i
2.2.2 Choix de la polarisation des fais eaux
2.2.3 Cal ul de la pulsation de Rabi effective
2.3 Utilisation des transitions Raman dans notre expérience
2.3.1 Sélection en vitesse
2.3.2 Analyse en vitesse
2.3.3 Séquences possibles
2.4 Description réaliste du rebond
2.4.1 Evaluation de l’émission spontanée au ours du rebond
2.4.1.1 Rebond sur un potentiel dipolaire exponentiel   5
2.4.1.2 Prise en compte de l’interaction de van der Waals 66
2.4.2 Etude de la surface effective du miroir
2.4.3 Evaluation de la ourbure du miroir due au profil d’intensité
2.5 Choix de la méthode de détection
2.5.1 Evaluation des pertes d’atomes au ours de la séquence
2.5.2 Choix de la méthode de détection
2.5.3 Conclusion
3 Dispositif expérimental
3.1 Sour e d’atomes froids
3.1.1 Piège magnéto-optique
3.1.2 Mélasse optique
3.1.3 Préparation des atomes dans les états fondamentaux F=2 ou F=3
3.2 Miroir à atomes
3.2.1 Laser Ti:Sa .
3.2.2 Réalisation du miroir
3.3 Fais eaux Raman
3.3.1 Réalisation des fais eaux
3.3.2 Cohérence des fais eaux
3.3.3 Réalisation des impulsions Raman
3.3.4 Les fais eaux dans l’enceinte à vide .
3.3.4.1 Disposition des fais eaux dans l’enceinte
3.3.4.2 Direction et sens de la composante de vitesse étudiée expérimentalement
3.3.5 Champ magnétique directeur
3.4 Déte tion des atomes
3.4.1 Fais eau sonde
3.4.2 Photomultiplicateur
3.4.3 Prote tion du photomultiplicateur
3.4.4 Fluctuations sur les signaux de temps-de-vol
3.5 Fais eau pousseur
3.6 Séquences temporelles et acquisitions
3.6.1 Séquences temporelles .
3.6.2 Acquisitions
4 Résultats expérimentaux
4.1 Effet du miroir sur les atomes dans F = 3 et F = 2 109
4.2 Compensation du champ magnétique résiduel
4.2.1 Le processus de compensation
4.2.2 Observation des transitions en présence d’un champ directeur .
4.3 Cara térisation expérimentale des transitions dans la onfiguration opropageante
4.3.1 Choix de la durée de l’impulsion Raman, du désacord et de l’intensité des fais eaux
4.3.2 Etude expérimentale des os illations de Rabi
4.3.2.1 Os illations observées
4.3.2.2 Discussion des résultats
4.3.3 Paramètres à hoisir pour des impulsions de différentes durées .
4.3.4 Analyse du profil d’excitation
4.4 Etude de la séle tion en vitesse dans la onguration ontrapropageante
4.5 Analyse de la distribution en vitesse des atomes après le piège et après le rebond
4.5.1 Analyse de la distribution en vitesse après le piège
4.5.2 Analyse de la distribution en vitesse après le rebond
4.6 Etude de la spécularité du miroir
4.6.1 Analyse de la distribution en vitesse après la sélection et le rebond
4.6.2 Etude de la vitesse centrale récé hie en fonction de la vitesse centrale incidente .
4.6.3 Evaluation d’une limite supérieure de la réexion diffuse
4.6.4 Rôle du champ magnétique directeur
4.6.5 Effet du désacord de l’onde évanes ente sur la distribution en vitesse après
la sélection et le rebond
4.7 Conclusion
5 Déte tion optique d’atomes froids sans émission spontanée
5.1 Prin ipe de la déte tion
5.1.1 Cara tère dispersif et absorbant d’un é hantillon atomique
5.1.2 Cas de l’atome de Rubidium
5.1.3 Signal théorique
5.1.4 Choix des paramètres expérimentaux .
5.1.4.1 Choix du désacord et de l’intensité du fais eau sonde
5.1.4.2 Choix de la taille du fais eau
5.2 Dispositif expérimental
5.2.1 Description du montage
5.2.2 Caractérisation de la modulation
5.2.3 Ajustement expérimental de la phase relative
5.2.4 Caractérisation du bruit dans le dispositif
5.3 Résultats expérimentaux 1
5.3.1 Loi de puissan e à grand désa ord
5.3.2 Temps de vol sans émission spontanée 1
5.3.2.1 Présentation des temps de vol .
5.3.2.2 Estimation du nombre de photons diffusés par atome
5.4 Con lusion et perspe tives .
5.4.1 Con lusion
5.4.2 Perspe tives
Con lusion générale
Annexes
A Grandeurs et notations importantes utilisées
B Matériel utilisé pour les études sur la spé ularité du miroir
C Soustra tion du fond sur les données brutes pour l’étude de la spé ularité
D Matériel utilisé pour la déte tion d’atomes sans émission spontanée
E Arti le paru en 1998 (diffra tion en in iden e rasante)
F Arti le paru en 1999 (étude de la rugosité d’un miroir magnétique)