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Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique Groupe dOptique Atomique William Guerin Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique:

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1 Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique Groupe dOptique Atomique William Guerin Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique: Réalisation dun laser à atomes guidé Soutenance de thèse de doctorat, 4 mai 2007 Thèse effectuée sous la direction dAlain Aspect et Philippe Bouyer

2 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse2 Interférométrie atomique: grande sensibilité aux effets inertiels (gyromètres, gravimètres), constantes fondamentales (ћ/m), etc. Source cohérente pour linterférométrie atomique ? (Observation dinterférences hors de la teinte plate) Loptique atomique Faire avec les atomes ce quon fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides donde, lasers...

3 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse3 Faisceau (quasi) continu ? Condensation de Bose-Einstein «Source atomique cohérente» ? W. Ketterle Interférences entre deux CBE indépendants Faire avec les atomes ce quon fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides donde, lasers... Lasers à atomes

4 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse4 - Analogies/différences avec les lasers photoniques ? - Meilleurs caractérisation/contrôle ? Principales différences : Interactions fortes entre atomes (collisions). Gravité : Faisceau accéléré, pas de longueur donde fixe. Aussi à Orsay (2001) Les lasers à atomes

5 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse5 Plan Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour linterférométrie atomique

6 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse6 87 Rb ( =780 nm) Ralent. Zeeman Piège magnétique (ferromagnétique) |F = 1, m F = -1> PMO, Mélasse Évaporation RF Production dun condensat

7 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse7 Axe du dipôle (axe long du CBE) Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) x Axe du faisceau ralentisseur z Axe vertical : y Production dun condensat

8 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse8 Condensation Condensat de 10 6 atomes en 40 s

9 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse9 Plan Couplage radiofréquence Mode transverse dun laser à atomes Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour linterférométrie atomique

10 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse10 Équipotentielles magnétiques [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] Couplage radiofréquence Énergie y |F =1, m F =-1>

11 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse11 Laser à atomes |F =1, m F =-1> E CBE y sag g |F =1, m F =0> CBE CBECBE E laser h rf Couteau RF [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] En changeant rf, on choisit la hauteur dextraction dans le condensat Énergie Équipotentielles magnétiques Couplage radiofréquence y

12 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse12 Réalisation expérimentale Paramètres typiques Temps de couplage : 10 à 20 ms Flux F ~ 10 7 at/s (interactions négligeables) Largeur spectrale du CBE : =2mgR/h = 14 kHz Fluctuations du biais coup sur coup : ~1 mG 2 mm

13 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse13 [Bloch et al., Nature 403, 166 (2000)] 2 fréquences dextraction 2 lasers à atomes issus du même condensat Battements Interférences entre deux lasers |F =1, m F =- 1> E CBE |F =1, m F =0> CBECBE E lasers h rf Énergie y rf = 1 kHz rf = 2 kHz

14 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse14 Effet des interactions entre atomes effet de lentille divergente Divergence déjà observée dans le groupe [Le Coq et al., PRL 87, (2001)]. Notre expérience : confinement plus fort ( PM /2 = 280 Hz) et imagerie selon laxe long (x). V int = g coll | CBE | 2 Interactions avec le condensat- source: potentiel répulsif (parabole inversée de courbure PM ) V z V int V y V int - mgy y sag Accumulation de rayons sur les bords: « caustiques » [Busch et al., PRA 65, (2002)]

15 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse15 Mode transverse dun laser à atomes: observations expérimentales Phys. Rev. Lett 96, (2006)

16 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse16 Application des outils de loptique pour caractériser le faisceau: En régime paraxial : matrices ABCD Mode transverse dun laser à atomes: caractérisation « loi de Rayleigh » faisant intervenir le facteur de qualité M² du faisceau Phys. Rev. Lett 96, (2006)

17 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse17 Plan Condensation dans le piège hybride Couplage et propagation dans le guide Mode transverse Dispositif expérimental Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour linterférométrie atomique

18 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse18 Vaincre la gravité Guide magnétique Fils macroscopiques Film magnétique Fils microscopiques (« puces à atomes ») Guide optique Faisceau gaussien très désaccordé vers le rouge (« pince optique ») Faisceau de Laguerre-Gauss désaccordé vers le bleu Fibre creuse Puce à atomes du groupe Piégeage dipolaire indépendant du sous-niveau magnétique m F

19 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse19 Valeurs typiques axial = 3 Hz radial = 360 Hz Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm) P = 1 W max Waist (1/e 2 ) = 23 µm Très anisotrope (z R = 3 mm) La pince optique

20 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse20 Valeurs typiques axial = 3 Hz radial = 360 Hz Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm) P = 1 W max Waist (1/e 2 ) = 23 µm Très anisotrope (z R = 3 mm) La pince optique atomes à 4 µK

21 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse21 Axe du dipôle Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) x Axe du faisceau ralentisseur et de la pince optique z Axe vertical : y La pince optique

22 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse22 Confinement longitudinal assuré par le piège magnétique Confinement transverse dû au guide optique (360 Hz) Condensation dans le piège hybride Évaporation dans le PM seul jusquau seuil Attention aux pertes à 3 corps Décompression du PM jusquà 35 Hz Évaporation le long de laxe du guide optique Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz

23 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse23 Condensat de 1 à 2 x 10 5 atomes Condensation dans le piège hybride

24 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse24 En résumé : CBE dans le piège hybride + couplage RF = laser à atomes dans le guide Couplage vers le guide Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz PO PM m F = -1 h rf m F = 0 Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz guide seul

25 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse25 Phys. Rev. Lett. 97, (2006). Efficacité optimale : tous les atomes extraits sont injectés dans le guide Laser à atomes guidé Paramètres typiques t laser = 100 ms Flux F ~ 10 5 at/s n 1d ~ 30 at/µm (interactions faibles) 1.4 mm

26 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse26 Potentiels et couplage RF op ZQ 3 Hz Potentiel linéaire, accélération réglable | F =1, m F =0> Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique h rf Énergie z E laser | F =1, m F =-1> E CBE zEzE CBE Potentiel dipolaire Effet Zeeman du 2 nd ordre g g z

27 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse27 Potentiels et couplage RF op ZQ 3 Hz Potentiel linéaire, accélération réglable | F =1, m F =0> Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique h rf Énergie z E laser | F =1, m F =-1> E CBE zEzE CBE Potentiel dipolaire Effet Zeeman du 2 nd ordre g z

28 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse28 v 0 = 9 ± 2 mm/s, - a eff = 0.36 ± 0.04 m.s 2 - a eff = 0.07 ± 0.06 m.s 2 (i.e. négligeable) dB 500 nm Accélération et longueur donde

29 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse29 g z Largeur du couplage donnée par µ 3 kHz Vitesse initiale donnée par les interactions avec le CBE. Effet des interactions | F =1, m F =0> h rf Énergie z E laser | F =1, m F =-1> E CBE zEzE CBE Champ moyen du CBE

30 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse30 Mode transverse ? Les interactions augmentent la taille du CBE : CBE = 1.1 µm > HO = 0.6 µm projection sur plusieurs modes ? Guide intrinsèquement multimode: U 0 >> ħ (U 0 /h ~ 0.3 MHz) changent aussi le potentiel ressenti par les atomes du laser. Les potentiels transverses ressentis par les 2 états ne diffèrent que par le champ magnétique négligeable à l'échelle (transverse) du CBE

31 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse31 Couplage vers le mode fondamental transverse Mode transverse ? Suivi adiabatique du mode fondamental ? z > R z z = 0.9 R z z = 0.8 R z z = 0 Mais après: propagation jusqu'au guide...

32 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse32 OUI ! Mode transverse ? Propagation suffisamment lente, telle que le critère d'adiabaticité est vérifié (aussi simulation GP). Couplage vers le mode fondamental transverse Suivi adiabatique du mode fondamental ? Mais après: propagation jusqu'au guide...

33 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse33 Énergie transverse mesurée (par temps de vol) : E 5 ћ Mode transverse: expérience Temps de vol (ms) Limitations techniques : Adaptation de mode imparfaite si le guide nest pas parfaitement centré sur le piège magnétique. Excitations du condensat ? Présence dun peu datomes thermiques ? En cours d'amélioration

34 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse34 Réalisation d'un laser à atomes guidé Contrôle de la direction de propagation (au µrad près !) Efficacité optimale d'injection & adaptation de mode favorable. Suppression de l'accélération: longueur d'onde grande et fixe au cours de la propagation, dB = 500 nm. Régime dinteraction perturbative (a s n 1d << 1), et possibilité de jouer sur le taux de couplage. Conclusion

35 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse35 Perspectives Quelques améliorations du laser à atomes guidé (en cours): Faisceau monomode. Meilleure stabilité magnétique. Largeur spectrale mesurée à laide dune barrière de potentiel (filtre passe-haut). Longueur d'onde encore plus grande. Court terme

36 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse36 Perspectives Le laser à atomes guidé est LA source idéale Grande longueur d'onde (transmission tunnel...) Finesse spectrale (résonance...) Peu d'intéraction 1 D Étude des phénomènes de transport quantique Et ensuite...

37 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse37 Remerciements: léquipe Pince Alain Aspect Philippe Bouyer Yann Le Coq (01-04) Marie Fauquembergue (01-04) Jean-Félix Riou (02-06) John Gaebler (2005) Vincent Josse (05-...) Juliette Billy (06-...) Zhanchun Zuo (06-...) Starring : (in order of appearance) Frédéric Moron André Villing

38 William Guerin 4 mai 2007Soutenance de thèse38 Remerciements(suite) Lensemble du groupe doptique atomique Les TP de SupOptique Lensemble des services techniques et administratifs de lInstitut dOptique Ma bourse:


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