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

Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Groupe d’Optique Atomique. Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique: Réalisation d’un laser à atomes guidé. William Guerin. Thèse effectuée sous la direction d’Alain Aspect et Philippe Bouyer.

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

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Presentation Transcript

  1. Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Groupe d’Optique Atomique Sources atomiques cohérentes dans des pièges optique et magnétique: Réalisation d’un laser à atomes guidé William Guerin Thèse effectuée sous la direction d’Alain Aspect et Philippe Bouyer Soutenance de thèse de doctorat, 4 mai 2007

  2. Interférométrie atomique: grande sensibilité aux effets inertiels (gyromètres, gravimètres), constantes fondamentales (ћ/m), etc. L’optique atomique Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers... • Source cohérente pour l’interférométrie atomique ? (Observation d’interférences hors de la teinte plate) Soutenance de thèse

  3. Interférences entre deux CBE indépendants Condensation de Bose-Einstein W. Ketterle Lasers à atomes «Source atomique cohérente» ? Faire avec les atomes ce qu’on fait usuellement avec la lumière: lentilles, miroirs, réseaux, interférences, guides d’onde, lasers... Faisceau (quasi) continu ? Soutenance de thèse

  4. Principales différences : Aussi à Orsay (2001) • Interactions fortes entre atomes (collisions). • Gravité : Faisceau accéléré, pas de longueur d’onde fixe. Les lasers à atomes • - Analogies/différences avec les lasers photoniques ? • Meilleurs caractérisation/contrôle ? Soutenance de thèse

  5. Plan • Dispositif expérimental • Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation • Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique Soutenance de thèse

  6. Production d’un condensat 87Rb (l=780 nm) Ralent. Zeeman PMO, Mélasse Piège magnétique (ferromagnétique) |F = 1, mF = -1> Évaporation RF Soutenance de thèse

  7. Production d’un condensat Axe du faisceau ralentisseur z • Axe du dipôle (axe long du CBE) • Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) x Axe vertical : y Soutenance de thèse

  8. Condensation Condensat de 106 atomes en 40 s Soutenance de thèse

  9. Plan  • Dispositif expérimental • Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation • Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique • Couplage radiofréquence • Mode transverse d’un laser à atomes Soutenance de thèse

  10. Équipotentielles magnétiques Couplage radiofréquence Énergie |F =1, mF=-1> y [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] Soutenance de thèse

  11. ECBE Elaser Équipotentielles magnétiques Énergie g CBE Couteau RF hnrf Laser à atomes CBE Couplage radiofréquence ysag |F =1, mF=-1> En changeant nrf, on choisit la hauteur d’extraction dans le condensat y |F =1, mF=0> [Bloch et al., Phys. Rev. Lett. 82, 3008 (1999)] Soutenance de thèse

  12. 2 mm Fluctuations du biais coup sur coup : ~1 mG Réalisation expérimentale • Paramètres typiques • Temps de couplage : 10 à 20 ms • Flux F ~ 107 at/s (interactions négligeables) • Largeur spectrale du CBE : D=2mgR/h = 14 kHz Soutenance de thèse

  13. ECBE Elasers Énergie CBE hnrf |F =1, mF =-1> y |F =1, mF=0> dnrf = 2 kHz dnrf = 1 kHz Interférences entre deux lasers • 2 fréquences d’extraction • 2 lasers à atomes issus du même condensat • Battements [Bloch et al., Nature 403, 166 (2000)] Soutenance de thèse

  14. Vint V z V ysag Vint - mgy y Accumulation de rayons sur les bords: « caustiques » [Busch et al., PRA 65, 043615 (2002)] Effet des interactions entre atomes Interactions avec le condensat-source: potentiel répulsif (parabole inversée de courbure wPM) Vint = gcoll |yCBE|2 • effet de lentille divergente Divergence déjà observée dans le groupe [Le Coq et al., PRL 87, 170403 (2001)]. Notre expérience : confinement plus fort (wPM/2p = 280 Hz) et imagerie selon l’axe long (x). Soutenance de thèse

  15. Mode transverse d’un laser à atomes: observations expérimentales Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006) Soutenance de thèse

  16. Mode transverse d’un laser à atomes: caractérisation Application des outils de l’optique pour caractériser le faisceau: • En régime paraxial : matrices ABCD  « loi de Rayleigh » faisant intervenir le facteur de qualité M² du faisceau Phys. Rev. Lett 96, 070404 (2006) Soutenance de thèse

  17. Plan  • Dispositif expérimental • Lasers à atomes « verticaux » : propriétés de propagation • Laser à atomes guidé horizontalement : une source atomique adaptée pour l’interférométrie atomique  • Condensation dans le piège hybride • Couplage et propagation dans le guide • Mode transverse Soutenance de thèse

  18. Puce à atomes du groupe Piégeage dipolaire indépendant du sous-niveau magnétique mF 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 Soutenance de thèse

  19. La pince optique • Piège dipolaire très désacordé (YAG,1064 nm) • P = 1 W max • Waist (1/e2) = 23 µm • Très anisotrope (zR= 3 mm) Valeurs typiques naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz Soutenance de thèse

  20. 3.106 atomes à 4 µK La pince optique • Piège dipolaire très désacordé (YAG,1064 nm) • P = 1 W max • Waist (1/e2) = 23 µm • Très anisotrope (zR= 3 mm) Valeurs typiques naxial = 3 Hz nradial = 360 Hz Soutenance de thèse

  21. La pince optique Axe du faisceau ralentisseur et de la pince optique z • Axe du dipôle • Axe du faisceau sonde (imagerie par absorption) x Axe vertical : y Soutenance de thèse

  22. Condensation dans le piège hybride • 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 Soutenance de thèse

  23. Condensation dans le piège hybride Condensat de 1 à 2 x 105 atomes Soutenance de thèse

  24. PM PO mF = -1 Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz hnrf mF = 0 Confinement du piège « hybride » : 360 x 360 x 35 Hz Couplage vers le guide guide seul En résumé : CBE dans le piège hybride + couplage RF = laser à atomes dans le guide Soutenance de thèse

  25. 1.4 mm Laser à atomes guidé • Paramètres typiques • tlaser = 100 ms • Flux F ~ 105 at/s • n1d ~ 30 at/µm (interactions faibles) Efficacité optimale : tous les atomes extraits sont injectés dans le guide Phys. Rev. Lett. 97, 200402 (2006). Soutenance de thèse

  26. Énergie |F=1, mF=-1> g CBE z ECBE hrf Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique Potentiel dipolaire Elaser zE z Potentiels et couplage RF |F=1, mF=0> Effet Zeeman du 2nd ordre g wop wZQ3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable Soutenance de thèse

  27. Énergie |F=1, mF=-1> g CBE z ECBE hrf Pente contrôlée par la position du waist de la pince optique Potentiel dipolaire Elaser zE z Potentiels et couplage RF |F=1, mF=0> Effet Zeeman du 2nd ordre wop wZQ3 Hz  Potentiel linéaire, accélération réglable Soutenance de thèse

  28. Accélération et longueur d’onde v0 = 9 ± 2 mm/s , - aeff = 0.36 ± 0.04 m.s−2 - aeff = 0.07 ± 0.06 m.s−2 (i.e. négligeable) ldB 500 nm Soutenance de thèse

  29. Énergie |F=1, mF=-1> g CBE z ECBE hrf |F=1, mF=0> Champ moyen du CBE Elaser zE z Effet des interactions Largeur du couplage donnée par µ  3 kHz Vitesse initiale donnée par les interactions avec le CBE. Soutenance de thèse

  30. changent aussi le potentiel ressenti par les atomes du laser. Mode transverse ? • Guide intrinsèquement multimode: U0 >> ħ w (U0/h ~ 0.3 MHz) • Les interactions augmentent la taille du CBE : • sCBE = 1.1 µm > sHO = 0.6 µm •  projection sur plusieurs modes ? Les potentiels transverses ressentis par les 2 états ne diffèrent que par le champ magnétique  négligeable à l'échelle (transverse) du CBE Soutenance de thèse

  31. z = 0.8 Rz z = 0 z > Rz z = 0.9 Rz Mode transverse ?  Couplage vers le mode fondamental transverse Mais après: propagation jusqu'au guide...  Suivi adiabatique du mode fondamental ? Soutenance de thèse

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

  33. 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 Mode transverse: expérience Énergie transverse mesurée (par temps de vol) : E┴ 5 ћw Soutenance de thèse

  34. Conclusion • 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, ldB = 500 nm. • Régime d’interaction perturbative (asn1d << 1), et possibilité de jouer sur le taux de couplage. Soutenance de thèse

  35. 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. Perspectives Court terme Soutenance de thèse

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

  37. Remerciements: l’équipe Pince Starring : (in order of appearance) 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-...) Frédéric Moron André Villing Soutenance de thèse

  38. 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: Soutenance de thèse

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