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Condensats de Bose-Einstein et Lasers à atomes Y. Le Coq Soutenance de thèse de doctorat, 13 décembre 2002.

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1 Condensats de Bose-Einstein et Lasers à atomes Y. Le Coq Soutenance de thèse de doctorat, 13 décembre 2002

2 A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe dun laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence dun laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) Introduction C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu Plan de lexposé

3 A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe dun laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence dun laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) Introduction C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu Plan de lexposé

4 Condensation de Bose-Einstein : Principe

5 Réalisation expérimentale : pré-refroidissement laser

6 Ralent.PMOMélasse Charg. Piège Mag. Compression piège Evap. CBE! Laser atomique Coupure piège & Image Atome : 87 Rb Niveau Zeeman : F = 1, m F = -1 Ioffe-Pritchard trap created by an iron-core electromagnet: 1 kG/cm gradient 54 G bias 100 W power Typically 3x10 5 atoms in condensate Montage expérimental

7 Réalisation expérimentale : refroidissement évaporatif

8 Position Énergie Position État interne piégé Le laser à atomes : parallèle avec le laser à photons

9 Position État interne piégé g État interne non piégé Énergie Position

10 Réalisation pratique Magnetic equipot. x z y Resonant RF z sag Energy Position Atom Laser BECBEC BEC |F=1, m F =-1> BEC |F=1, m F =0>

11 Ralent.PMOMélasse Charg. Piège Mag. Compression piège Evap. CBE! Laser atomique Coupure piège & Image Atome : 87 Rb Niveau Zeeman : F = 1, m F = -1 Ioffe-Pritchard trap created by an iron-core electromagnet: 1 kG/cm gradient 54 G bias 100 W power Typically 3x10 5 atoms in condensate Précautions à prendre

12 A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe dun laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence dun laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) Introduction C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu Plan de lexposé

13 Experimental results : Divergence of an atom laser BEC N.B.: Absorption imaging (vertical), after turn-off of the magnetic field, and Stern-Gerlach separation. BEC

14 Limitation de flux Outcoupler detuning (kHz) -550 Flux (au) For output coupler on the edges of the condensate => Flux -> 0 Sensitivity of imaging imposes data set range Hence,

15 Causes possibles de divergence Diffraction (quantum pressure expansion) Interactions inside laser Interactions laser/BEC Quadratic Zeeman effect Low density -> negligeable |F=1, mF=0> sees a second order Zeeman effect (quadratic potential due to strong gradiants) Atom expeled see repulsive potential due to mean field

16 Matrices ABCD : Le cas optique (habituel) ABCD matrices for light rays –Free propagation : –Lenses : quadratic potentiel terms ; thin lens : Application to gaussian beams Transformation law for gaussian beams

17 Matrices ABCD : Adaptation aux lasers atomiques laser Quadratic Zeeman effect => thick lens 2. Time of flight => Free space propagation 3. Interactions with the condensate => thin lens 1. BEC

18 Le condensat : une lentille mince pour le laser Laser crosses condensate and feels mean-field potential We ignore the transverse motion (thin lens approximation) and integrate phase along z, paramerterizing z by time: z0z0 laser Near x=0, the phase is quadratic, as for a lens, hence one can define its power c(z0) x z x

19 Comparaison expérience/théorie Théorie ABCD Théorie ABCD sans effets des interactions (diffraction seule) (N.B. : pas de paramètres ajustables) Fréquence du coupleur (kHz) Divergence (mrad) Données expérimentales

20 A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe dun laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence dun laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) Introduction C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu Plan de lexposé

21 Quand les atomes interfèrent : multi-lasers atomiques (principe) z E1 BEC (z) (E) z E2 Battement spatial + temporel visible si Constants pendant lexpérience

22 Lasers à atomes à phases bloquées : lasers pulsés BEC Peigne de fréquences à phases relatives contrôlées, généré par FM ou bien AM Laser multi-modes à phases bloquées = laser pulsé FM 600 Hz FM 200 Hz FM 2 kHz

23 Théorie

24 A) Condensats de Bose et Lasers à Atomes - le phénomène de condensation - principe dun laser atomique (parallèle avec les lasers optiques) - mise en oeuvre expérimentale B) Divergence dun laser à atomes - expériences - modélisation (matrices ABCD) Introduction C) Interférences entre lasers - principe - modélisation - résultats expérimentaux Conclusion et perspectives -> Vers un laser atomique continu Plan de lexposé

25 Conclusion Creation of a stable quasi-continuous atom laser in an iron-core electro-magnet, in spite of high bias field (54 gauss ± 1mG). Studies of propagation of transverse mode of an atom laser. Importance of interactions (in stark contrast with optics). ABCD matrices treatment is adaptable to atom lasers (and very usefull) Strong parallel between atom laser and photon lasers

26 Nouveau dispositif expérimental

27 Remerciements


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