Figure 2.5: Photo de l’ensemble du dispositif.
la mesure de la r´eponse percussionnelle, enti`erement d´ecrits dans [65]. Nous avons ainsi pu constater la robustesse du syst`eme `a une haute temp´erature. Apr`es toutes ces v´erifications, nous avons plac´e l’ensemble du dispositif `a l’int´erieur de l’enceinte ultra-vide.
2.2
Dispositif exp´erimental existant
Nous nous sommes appuy´e sur un dispositif exp´erimental existant, dont l’´etude d´etaill´ee a ´et´e r´ealis´ee dans les th`eses pr´ec´edentes [65, 66]. Nous n’en rappellerons donc que les grandes lignes, avant de d´ecrire le nouveau pi`ege magn´eto-optique qu’il a fallu mettre en place. De plus, nous d´ecrirons, dans le chapitre 3, la r´ealisation d’un pi`ege dipolaire sur la base de ce dispositif.
2.2.1 Dispositif ultra-vide
L’ensemble du dispositif, repr´esent´e sur la figure 2.6, est construit autour d’une enceinte ultra-vide de grande taille (60 cm de diam`etre et 25 cm de haut), capable de contenir un certain nombre d’optiques ou d’autres dispositifs utiles aux exp´eriences envisag´ees. Le dispositif de pompage, constitu´e d’une pompe ionique et d’une pompe `a sublimation de Titane, permet d’obtenir un vide de l’ordre de 10−9 Torr. Par un syst`eme de vide diff´erentiel, la pression au sein du syst`eme contenant la source de Rubidium et le jet atomique est maintenue `a quelques 10−7 mbar par une pompe primaire et une pompe turbo-mol´eculaire.
2.2.2 Pi`ege magn´eto-optique
Le pi`ege magn´eto-optique, que l’on utilise dans cette exp´erience, est un pi`ege d’atomes de Rubidium, charg´e par jet ralenti et plac´e au centre de l’enceinte ultra-vide. La figure 2.7 repr´esente les diff´erents faisceaux utilis´es pour sa r´ealisation.
Figure 2.6: Sch´ema g´en´eral du dispositif exp´erimental
Source d’atomes et jet ralenti
La source d’atome est un four dont la temp´erature approche les 200◦C. Grˆace `a un syst`eme collimateur, il en sort un jet atomique dont le diam`etre est de l’ordre de 1 cm et dont la vitesse moyenne est de l’ordre de :
v =
s
2kT
m ' 300 m.s
−1
La premi`ere ´etape dans la r´ealisation du pi`ege magn´eto-optique consiste `a ralentir ces atomes `
a l’aide de la pression de radiation. Pour cela, on utilise un faisceau laser contre-propageant, qualifi´e de “ ralentisseur ”, provenant d’une diode laser accord´ee sur la transition ferm´ee de la raie D2, du 87Rb, 5S1/2(F = 2) → 5P3/2(F0 = 3). De plus, pour compenser la variation de
l’effet Doppler due au ralentissement des atomes, on balaie la fr´equence du laser en appliquant une rampe sur le courant de la diode. Cette technique, moins efficace qu’un ralentisseur Zeeman puisqu’elle ne permet de ralentir les atomes que par bouff´ees, est largement suffisante dans notre cas, o`u le nombre initial d’atomes dans le pi`ege magn´eto-optique n’est pas critique.
Comme l’´ecart en fr´equence entre les sous-niveaux 5P3/2(F0 = 3) et 5P3/2(F0 = 2) est
faible, certains atomes sont excit´es dans le sous-niveau 5P3/2(F0 = 2), bien que la transition
5S1/2(F = 2) → 5P3/2(F0 = 3) soit ferm´ee. Il peuvent ensuite se d´esexciter dans le sous niveau 5S1/2(F = 1) du fondamental, niveau dans lequel ils ne peuvent plus ˆetre excit´es, `a cause des
quelques 6.8 GHz qui le s´epare de l’autre sous-niveau fondamental 5S1/2(F = 2). Il est donc
n´ecessaire d’utiliser, en parall`ele, une autre diode laser faisant office de repompeur qui, accord´ee sur la transition 5S1/2(F = 1) → 5P3/2(F0 = 2), r´einjecte les atomes dans le sous-niveau
5S1/2(F = 2).
Enfin, cette application ne n´ecessitant pas de source spectralement ´etroite, la dizaine de MHz de largeur spectrale des diodes laser libres est amplement suffisante.
Pi`ege magn´eto-optique proprement dit
Les faisceaux du pi`ege magn´eto-optique sont ´egalement r´ealis´es int´egralement `a l’aide de diodes laser. Contrairement au cas pr´ec´edent, il est n´ecessaire de disposer de sources spectrale- ment plus fines. Dans ce but, nous avons utilis´e une diode laser avec cavit´e externe. Cette derni`ere est r´ealis´ee `a l’aide d’un r´eseau qui r´einjecte `a l’int´erieur de la diode laser l’ordre −1 et extrait l’ordre z´ero. On parvient, avec cette technique, `a obtenir une puissance de quelques milliwatts avec une largeur spectrale inf´erieure au MHz [66].
2.2. DISPOSITIF EXP ´ERIMENTAL EXISTANT 49
Figure 2.7: Sch´ema du pi`ege magn´eto-optique charg´e par jet. Sur la vue de dessus, on distingue le jet atomique ralenti et le faisceau du pi`ege magn´eto-optique horizontal. Sur la vue de cˆot´e, les deux autres paires de faisceaux sont repr´esent´ees.
Cette puissance ´etant insuffisante pour r´ealiser un pi`ege magn´eto-optique, on utilise cette diode laser, qualifi´ee de laser “maˆıtre”, pour injecter une diode de puissance, qualifi´ee de laser “esclave”, qui poss`ede ainsi une puissance suffisante pour la r´ealisation du pi`ege magn´eto-optique et les qualit´es spectrale du laser “maˆıtre”, `a savoir sa fr´equence et sa finesse. Pour stabiliser la fr´equence du laser “maˆıtre”, on utilise un asservissement bas´e sur un signal d’erreur provenant d’un syst`eme d’absorption satur´ee. Les lasers de la m´elasse sont accord´es sur le rouge de la tran- sition ferm´ee 5S1/2(F = 2) → 5P3/2(F0 = 3) avec un d´esaccord de quelques largeurs naturelles, ajustable entre 2 et 6 Γ. De plus, comme ces faisceaux de m´elasse sont proches de r´esonance, ils induisent une ´emission spontan´ee non n´egligeable qui permet, par un syst`eme d’imagerie qui collecte ces photons, d’observer les atomes pi´eg´es grˆace `a une cam´era, voire mˆeme directement `
a l’œil nu.
Ensuite, le gradient de champ magn´etique, n´ecessaire au pi`ege magn´eto-optique, est r´ealis´e `
a l’aide de deux bobines en configuration anti-Helmoltz, plac´ees `a l’int´erieur de l’enceinte ultra- vide. Ces derni`eres ´etant refroidies par air comprim´e, on peut y faire passer jusqu’`a 20 Amp`eres. En plus, afin de compenser d’´eventuels champs magn´etiques parasites, trois paires de bobines
en configuration Helmholtz ont ´et´e plac´ees en dehors de l’enceinte sur les trois directions de l’espace.
Enfin, comme pour le dispositif de ralentissement, il est n´ecessaire de superposer sur les faisceaux de la m´elasse un laser de repompage, le “repompeur pi`ege”, obtenu grˆace `a une diode laser libre.
Pi`ege sombre et Dark spot
A cause du pompage optique induit par la pr´esence des repompeurs, les atomes pi´eg´es sont essentiellement dans le sous-niveau 5S1/2(F = 2). Pour obtenir des atomes dans le sous-niveau
5S1/2(F = 1), et donc d´ecoupl´es des faisceaux pi`eges, il faut masquer localement le repompeur du pi`ege [60]. Malheureusement, s’ils n’interagissent plus avec les faisceaux du pi`ege, ils ne subissent plus de force de rappel et s’´echappent alors en quelques millisecondes.
Figure 2.8: Sch´ema de principe du Dark Spot.
On peut n´eanmoins tirer profit de cette id´ee en remarquant qu’il est inutile que les atomes situ´es au centre du pi`ege subissent cette force de rappel. En effet, celle-ci n’a besoin d’agir uniquement sur les atomes qui tentent de s’enfuir `a la circonf´erence du pi`ege. C’est pourquoi, comme le montre la figure 2.8, on dispose, sur le trajet des repompeurs du pi`ege, une pastille noire absorbante au centre du faisceau. Ainsi, au niveau du nuage atomique, le repompeur est absent au centre, laissant les atomes tomber dans F = 1. Par contre, `a la p´eriph´erie, il repompe dans F = 2 les atomes qui s’´echappent, pour que ceux-ci soient ensuite ramen´es au centre grˆace `
a la force de rappel. Comme les atomes qui sont dans le sous-niveau F = 1 ne voient plus les faisceaux de m´elasse, ils n’absorbent plus de photons et deviennent donc invisibles, d’o`u le nom de pi`ege sombre pour un tel dispositif.
Conclusion
Finalement, le pi`ege magn´eto-optique poss`ede un diam`etre de l’ordre de 3 `a 4 millim`etres. Il peut contenir jusqu’`a 100 millions d’atomes qui sont soit dans l’´etat 5S1/2(F = 1), soit dans
l’´etat 5S1/2(F = 2), suivant l’utilisation ou non du dispositif de Dark-Spot. Des mesures de temp´eratures ont ´egalement ´et´e r´ealis´ees par temps de vol et ont montr´e que la temp´erature du nuage atomique ´etait bien sub-Doppler [58, 67]. Comprises entre 10 et 50 µK, ces derni`eres sont