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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...
4 mai 2007 Soutenance de thèse 3William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 4William Guerin
- 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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 5William Guerin
Plan
Dispositif expérimental
Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation
Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique
4 mai 2007 Soutenance de thèse 6William Guerin
87Rb (=780 nm)
Ralent. Zeeman
Piège magnétique (ferromagnétique)
|F = 1, mF = -1>
PMO, Mélasse
Évaporation RF
Production d’un condensat
4 mai 2007 Soutenance de thèse 7William Guerin
• 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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 8William Guerin
Condensation
Condensat de 106 atomes en 40 s
4 mai 2007 Soutenance de thèse 9William Guerin
Plan
Couplage radiofréquence
Mode transverse d’un laser à atomes
Dispositif expérimental
Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation
Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique
4 mai 2007 Soutenance de thèse 10William Guerin
Équipotentielles magnétiques
[Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)]
Couplage radiofréquence
Énergie
y
|F =1, mF =-1>
4 mai 2007 Soutenance de thèse 11William Guerin
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
Couplage radiofréquence
y
4 mai 2007 Soutenance de thèse 12William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 13William Guerin
[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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 14William Guerin
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)]
4 mai 2007 Soutenance de thèse 15William Guerin
Mode transverse d’un laser à atomes: observations expérimentales
Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006)
4 mai 2007 Soutenance de thèse 16William Guerin
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)
4 mai 2007 Soutenance de thèse 17William Guerin
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 l’interférométrie atomique
4 mai 2007 Soutenance de thèse 18William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 19William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 20William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 21William Guerin
• 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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 22William Guerin
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 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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 23William Guerin
Condensat de 1 à 2 x 105 atomes
Condensation dans le piège hybride
4 mai 2007 Soutenance de thèse 24William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 25William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 26William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 27William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 28William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 29William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 30William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 31William Guerin
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...
4 mai 2007 Soutenance de thèse 32William Guerin
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...
4 mai 2007 Soutenance de thèse 33William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 34William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 35William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 36William Guerin
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...
4 mai 2007 Soutenance de thèse 37William Guerin
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
4 mai 2007 Soutenance de thèse 38William Guerin
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: