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

Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’OptiqueGroupe d’Optique Atomique

William Guerin

Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique:Réalisation d’un laser à atomes guidé

Soutenance de thèse de doctorat, 4 mai 2007

Thèse effectuée sous la direction d’Alain Aspect et Philippe Bouyer

4 mai 2007 Soutenance de thèse 2William Guerin

Interférométrie atomique: grande sensibilité aux effets inertiels (gyromètres, gravimètres), constantes fondamentales (ћ/m), etc.

Source cohérente pour

l’interférométrie atomique ?

(Observation d’interférences hors de la teinte plate)

L’optique atomique

Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers...


Faisceau (quasi) continu ?

CTT CTT

Condensation de Bose-Einstein

«Source atomique cohérente» ?

W. Ketterle

Interférences entre deux CBE indépendants

Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers...

Lasers à atomes


- Analogies/différences avec les lasers photoniques ?

- Meilleurs caractérisation/contrôle ?

Principales différences :

• Interactions fortes entre atomes (collisions).

• Gravité : Faisceau accéléré, pas de longueur d’onde fixe.

Aussi à Orsay (2001)

Les lasers à atomes


Plan

Dispositif expérimental

Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation

Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique


87Rb (=780 nm)

Ralent. Zeeman

Piège magnétique (ferromagnétique)

|F = 1, mF = -1>

PMO, Mélasse

Évaporation RF

Production d’un condensat


• Axe du dipôle (axe long du CBE)

• Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption)

x

Axe du faisceau ralentisseur

z

Axe vertical : y

Production d’un condensat


Condensation

Condensat de 106 atomes en 40 s


Plan

Couplage radiofréquence

Mode transverse d’un laser à atomes





Équipotentielles magnétiques

[Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)]


Énergie

y

|F =1, mF =-1>


Laser à atomes |F =1, mF =-1>

ECBE

ysag

g

|F =

1, m

F =

0>

CBECBE

Elaser

hrf

Couteau RF

[Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)]

En changeant rf, on choisit la hauteur

d’extraction dans le condensat

ÉnergieÉquipotentielles magnétiques


y


Réalisation expérimentale

Paramètres typiques

• Temps de couplage : 10 à 20 ms

• Flux F ~ 107 at/s (interactions négligeables)

• Largeur spectrale du CBE : =2mgR/h = 14 kHz

Fluctuations du biais coup sur coup : ~1 mG

2 m

m


[Bloch et al., Nature 403, 166 (2000)]

2 fréquences d’extraction

2 lasers à atomes issus du même condensat

Battements

Interférences entre deux lasers

|F =1, mF =-1>

ECBE

|F =

1, m

F =

0>

CBE

Elasers

hrf

Énergie

y

rf = 1 kHz rf = 2 kHz


Effet des interactions entre atomes

effet de lentille divergente

Divergence déjà observée dans le groupe [Le Coq et al., PRL 87, 170403 (2001)].

Notre expérience : confinement plus fort (PM/2 = 280 Hz) et imagerie selon l’axe

long (x).

Vint = gcoll |CBE|2

Interactions avec le condensat-source: potentiel répulsif (parabole inversée de courbure PM)

V

z

Vint

V

y

Vint - mgy

ysa

g

Accumulation de rayons sur les bords:

« caustiques »

[Busch et al., PRA 65, 043615 (2002)]


Mode transverse d’un laser à atomes: observations expérimentales

Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006)


Application des outils de l’optique pour caractériser le faisceau:

• En régime paraxial : matrices ABCD

Mode transverse d’un laser à atomes: caractérisation

« loi de Rayleigh » faisant intervenir le facteur de qualité M² du faisceau

Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006)


Plan

Condensation dans le piège hybride

Couplage et propagation dans le guide

Mode transverse





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 mF


Valeurs typiques

axial = 3 Hzradial = 360 Hz

• Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm)• P = 1 W max• Waist (1/e2) = 23 µm• Très anisotrope (zR = 3 mm)

La pince optique


Valeurs typiques

axial = 3 Hzradial = 360 Hz

• Piège dipolaire très désacordé (YAG, 1064 nm)• P = 1 W max• Waist (1/e2) = 23 µm• Très anisotrope (zR = 3 mm)

La pince optique

3.106 atomes à 4 µK


• 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


Confinement longitudinal assuré par le piège magnétique

Confinement transverse dû au guide optique (360 Hz)


• Évaporation dans le PM seul jusqu’au seuil

• Attention aux pertes à 3 corps

Décompression du PM jusqu’à 35 Hz

• Évaporation le long de l’axe du guide optique

Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz


Condensat de 1 à 2 x 105 atomes



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 PMmF = -1

hrf

mF = 0

Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hzguide seul


Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006).

Efficacité optimale : tous les atomes extraits sont injectés dans le guide

Laser à atomes guidé

Paramètres typiques

• tlaser = 100 ms

• Flux F ~ 105 at/s

• n1d ~ 30 at/µm (interactions faibles)

1.4 mm


Potentiels et couplage RF

op ZQ 3 Hz Potentiel linéaire, accélération réglable

|F=1, mF=0>

Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique

hrf

Énergie

z

Elaser

|F=1, mF=-1>

ECBE

zE

CBE

Potentiel dipolaire

Effet Zeeman du 2nd ordreg

gz


Potentiels et couplage RF

op ZQ 3 Hz Potentiel linéaire, accélération réglable

|F=1, mF=0>

Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique

hrf

Énergie

z

Elaser

|F=1, mF=-1>

ECBE

zE

CBE

Potentiel dipolaire

Effet Zeeman du 2nd ordre

gz


v0 = 9 ± 2 mm/s , - aeff = 0.36 ± 0.04 m.s−2

- aeff = 0.07 ± 0.06 m.s−2

(i.e. négligeable)

dB 500 nm

Accélération et longueur d’onde


gz

Largeur du couplage

donnée par µ 3 kHz

Vitesse initiale donnée par les interactions avec le CBE.

Effet des interactions

|F=1, mF=0>

hrf

Énergie

z

Elaser

|F=1, mF=-1>

ECBE

zE

CBE

Champ moyen du CBE


Mode transverse ?

• Les interactions augmentent la taille du CBE :

CBE = 1.1 µm > HO = 0.6 µm

projection sur plusieurs modes ?

• Guide intrinsèquement multimode: U0 >> ħ (U0/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


Couplage vers le mode fondamental transverse

Mode transverse ?

Suivi adiabatique du mode fondamental ?

z > Rzz = 0.9 Rz

z = 0.8 Rzz = 0

Mais après: propagation jusqu'au guide...


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...


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 n’est pas parfaitement centré sur le piège magnétique.

• Excitations du condensat ?

• Présence d’un peu d’atomes thermiques ?

En cours d'amélioration


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 d’interaction perturbative (asn1d << 1), et possibilité de jouer sur le taux de couplage.

Conclusion


Perspectives

Quelques améliorations du laser à atomes guidé (en cours):

• Faisceau monomode.

• Meilleure stabilité magnétique. Largeur spectrale mesurée à l’aide d’une barrière de potentiel (filtre passe-haut).

• Longueur d'onde encore plus grande.

Court terme


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...


Remerciements: l’équipe 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


Remerciements(suite)

L’ensemble du groupe d’optique atomique

Les TP de SupOptique

L’ensemble des services techniques et administratifs de l’Institut d’Optique

Ma bourse:

Documents

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