le laser pompe doit ˆetre polaris´e π et accord´e sur l’une des deux transitions
F = 3 → F0 = 3 ou F = 4 → F0 = 4 pour accumuler les atomes dans le
sous-niveau mF = 0. Notez que ceci implique qu’il est impossible d’´eviter le
r´echauffement par pompage hyperfin dans ce sch´ema de refroidissement. Le tableau 8.1 pr´esente quelques configurations des lasers qui respectent les contraintes ci-dessus. Ces configurations sont class´ees par ordre croissant de complexit´e exp´erimentale. En effet, la configuration 2 est plus compliqu´ee que la premi`ere car elle n´ecessite un laser de plus, `a savoir le repompeur. Quant `a la configuration 3, elle est un peu plus compliqu´ee `a r´ealiser que la deuxi`eme `a cause de l’asservissement du laser du r´eseau optique. En effet, pour la configuration 2, il existe une raie au voisinage de la fr´equence sur laquelle il faut asservir le r´eseau optique. Par contre, pour la configuration 3, le c´esium n’a pas de raie au voisinage de la fr´equence F = 4 → F0 − 10 GHz
ce qui complique l’ajustement de fr´equence, sans parler de l’asservissement.
Tab. 8.1: Configurations des lasers qui pourraient donner lieu `a du refroidissement si- deband Raman d´eg´en´er´e par effet Stark dynamique, class´ees par ordre croissant de com- plexit´e exp´erimentale. C’est essentiellement le laser repompeur qui diff´erencie ces trois configurations.
Etat Laser Laser du Laser de
fondamental repompeur r´eseau optique pompage optique de travail (raie D2) (raie D2) (raie D1)
1 F = 3 Laser du F = 3 → F0 F = 3 → F0= 3
r´eseau optique −9.2 GHz + quelques MHz
2 F = 3 F = 4 → F0= 4 F = 3 → F0 F = 3 → F0= 3
−7 `a 8 GHz + quelques MHz
3 F = 4 F = 3 → F0= 4 F = 4 → F0 F = 4 → F0= 4
−10 GHz + quelques MHz
Nous avons r´ealis´e exp´erimentalement ces diverses configurations et les r´esultats obtenus sont pr´esent´es dans les paragraphes suivants.
8.4
Exp´erience dans la configuration 1
Nous avons commenc´e par rechercher le refroidissement sideband Raman d´eg´en´er´e par effet Stark dynamique dans la configuration 1 des faisceaux laser (tableau 8.1). Cette configuration est repr´esent´ee graphiquement dans la figure 8.3. Le refroidissement se d´eroule dans l’´etat fondamental F = 3, et c’est le laser du r´eseau optique qui joue le rˆole de laser repompeur. Dans le but d’observer un signe de refroidissement sideband, nous avons enregistr´e le signal de fluorescence d´etect´e au centre du jet atomique en fonction de la
146 Chapitre 8. Refroidissement sideband Stark F=3 F=4 F’=3 F’=4 F’=2 F’=3 F’=4 F’=5 Pumper D1 line Lattice D2 line
Fig. 8.3: Fr´equences des lasers dans la configuration 1.
fr´equence du laser pompe. Nous avons balay´e la fr´equence sur les transitions
F = 3 → F0= 3, 4 de la raie D
1 du c´esium en 20 secondes. Les r´esultats que
nous avons obtenus sont pr´esent´es dans la figure 8.4.
8.4.1
R´eseau optique sur la transition 44’
Lorsque le r´eseau optique est accord´e sur la transition F = 4 → F0= 4,
nous n’observons pas de collimation (voir le graphe (a) de la figure 8.4). Nous avons r´ep´et´e cette mesure pour des puissances plus faibles du faisceau pompe, allant jusqu’`a 0.1 mW, et les r´esultats sont qualitativement iden- tiques : le r´echauffement diminue mais il est toujours pr´esent. Dans le but de comprendre ce qui nous empˆeche d’observer le refroidissement sideband Ra- man d´eg´en´er´e par effet Stark dynamique, nous avons r´ep´et´e la mˆeme mesure en changeant la fr´equence du r´eseau optique.
8.4.2
R´eseau optique sur le crossover 44’-45’
Lorsque le r´eseau optique est accord´e sur le crossover entre F = 4 → F0= 4
et F = 4 → F0= 5, nous observons deux grands pics de collimation (voir le
graphe (b) de la figure 8.4). Nous avons mesur´e la temp´erature de ces deux pics1 et nous avons obtenu T = 16 µK pour le premier pic, et T = 19 µK
pour le second. Ceci signifie qu’il ne s’agit pas de refroidissement sideband, mais probablement d’un refroidissement de type Sisyphe qui a lieu lorsque l’atome est dans l’´etat F = 4, comme nous l’avions d´ej`a observ´e au chapitre
1En accordant la fr´equence du laser pompe successivement sur les transitions F = 3 →
F0= 3 et F = 3 → F0= 4 de la raie D
8.4. Exp´erience dans la configuration 1 147 2 1 0 Fluorescence signal [mV] 2000 1500 1000 500 0 -500
Pumping beam detuning with respect to D1 F=3 → F'=3 [MHz]
33' 34' (a) Lattice on 44' Pump 1mW, pol.lin.Oz 5 4 3 2 1 0 Fluorescence signal [mV] 2000 1500 1000 500 0 -500
Pumping beam detuning with respect to D1 F=3 → F'=3 [MHz]
(b) Lattice on co44'-45' Pump 1mW, pol.lin.Oz 2 1 0 Fluorescence signal [mV] 2000 1500 1000 500 0 -500
Pumping beam detuning with respect to D1 F=3 → F'=3 [MHz]
(c)
Lattice 45'+1GHz Pump 1mW, pol.lin.Oz°
Fig. 8.4: Signal de fluorescence d´etect´e au centre du jet atomique en fonction de la fr´equence du laser pompe, dans la configuration 1 des faisceaux laser (tableau 8.1). Nous avons obtenu ces graphes en balayant la fr´equence du laser pompe sur les transitions
F = 3 → F0= 3, 4 de la raie D
1 du c´esium en 20 secondes. Dans la mˆeme configuration,
nous avons r´ep´et´e l’exp´erience pour trois fr´equences diff´erentes du laser du r´eseau optique.
Nous l’avons accord´e sur la transition F = 4 → F0= 4 pour le graphe (a), sur le crossover
entre F = 4 → F0= 4 et F = 4 → F0= 5 pour le graphe (b), et 1 GHz en-dessus de la
transition F = 4 → F0= 5 pour le graphe (c). Les autres conditions, qui sont communes
aux trois graphes, sont : B = 0 ± 10 mG, α = 22.5◦, polarisation du faisceau pompe
lin´eaire verticale, puissance du r´eseau optique 190 mW et puissance de la pompe 1 mW. Nous avons calibr´e l’´echelle de fr´equence en utilisant le signal d’absorption satur´ee du laser pompe.
148 Chapitre 8. Refroidissement sideband Stark
7, paragraphe 7.7.7. Nous avons r´ep´et´e cette mesure pour des puissances plus faibles du faisceau pompe, allant jusqu’`a 0.1 mW, et nous avons observ´e que la taille des pics diminue.
8.4.3
R´eseau optique sur 45’ + 1 GHz
Nous pensons que le r´echauffement observ´e sur le graphique (a) ainsi que le refroidissement observ´e sur le graphique (b) sont dus `a l’interaction des atomes avec le r´eseau optique apr`es qu’ils ont ´et´e transf´er´es dans l’´etat fondamental F = 4. Pour cette raison, nous avons d´ecid´e de d´esaccorder le r´eseau optique dans le bleu de la transition F = 4 → F0= 5. Le r´esultat est
pr´esent´e sur le graphe (c) de la figure 8.4. Nous observons deux petits pics de collimation qui pourraient ˆetre dus au refroidissement sideband. Mais nous n’avons pas r´eussi `a mesurer la temp´erature transverse qui leur correspond car la densit´e de flux est trop faible2. Ces pics disparaissent lorsque l’on
diminue la puissance du laser pompe.
Heureusement, nous avons r´ep´et´e la mˆeme mesure en variant la polarisa- tion du r´eseau optique. Pour α = 5◦, ce qui signifie que la polarisation du
r´eseau optique vaut ±10◦ par rapport `a la direction verticale, nous avons en-
registr´e la courbe de la figure 8.5. Cette fois les pics sont plus grands et nous avons r´eussi `a mesurer leur temp´erature. Nous avons obtenu T = 50 ± 20 µK pour le premier pic, et T = 40 ± 10 µK pour le second. L’incertitude est grande sur ces deux mesures car la forme du profil du jet atomique n’est pas gaussienne. Quoi qu’il en soit, la temp´erature est trop ´elev´ee pour qu’il s’agisse de refroidissement sideband.
8.4.4
Discussion
Il semblerait que le pompage hyperfin provoqu´e par le laser pompe nous empˆeche d’observer le refroidissement sideband Raman d´eg´en´er´e par effet Stark dynamique. En effet, une fraction importante (3/4) des atomes qui sont pomp´es vers F0 = 3 retombe dans l’´etat fondamental F = 4. Lorsqu’ils
sont dans l’´etat F = 4, les atomes interagissent fortement avec les faisceaux du r´eseau optique. Ceci provoque un r´echauffement lorsque le laser du r´eseau optique est accord´e sur la transition F = 4 → F0= 4, et un refroidissement
lorsqu’il est accord´e sur le crossover entre les transitions F = 4 → F0= 4 et F = 4 → F0= 5.
Par cons´equent, pour observer le refroidissement sideband Raman d´eg´en´er´e par effet Stark dynamique, nous devons d´esaccorder le r´eseau optique par rapport aux transitions F = 4 → F0. Ceci signifie que nous ne pouvons plus
2Le profil transverse du jet est pratiquement plat, ce qui rend l’ajustement de la gaus-
8.5. Exp´erience dans la configuration 2 149