largement compatibles avec la r´ealisation de pi`eges dipolaires, dont la profondeur est de l’ordre du millikelvin. Ensuite, la dur´ee de vie caract´eristique de notre pi`ege magn´eto-optique, limit´ee par le vide r´esiduel dans l’enceinte ultra-vide, est de l’ordre de τ = 2 s.
Une quantit´e utile, pour l’´evaluation de certains ordres de grandeur, est le param`etre de sa- turation s, induit par les faisceaux de la m´elasse. Pour une puissance de 10 mW sur un faisceau d’environ 2 cm de diam`etre, on a une intensit´e de l’ordre de 30 mW/cm2, soit environ 10 Isat.
On obtient donc un param`etre de saturation donn´e par : s = 2I
Isat
× 1
1 + 4(δ/Γ)2
qui varie entre 0,1 et 0,3 pour des d´esaccords compris entre 6 et 4 Γ.
2.3
Nouveau pi`ege magn´eto-optique
A cause de l’encombrement de l’objectif, il a ´et´e n´ecessaire de repenser la g´eom´etrie du pi`ege magn´eto-optique. En effet, seul 1 cm s´epare la partie avant de la partie arri`ere, d’o`u la difficult´e de r´ealiser le pi`ege magn´eto-optique autour du foyer de l’objectif. Cette partie est donc destin´ee `
a d´ecrire sa nouvelle g´eom´etrie, la m´ethode utilis´ee pour l’observer et ses caract´eristiques.
2.3.1 Nouvelle g´eom´etrie du pi`ege magn´eto-optique
Le nouveau pi`ege magn´eto-optique sera toujours charg´e par le mˆeme jet que celui que nous avons d´ecrit dans la partie pr´ec´edente. En effet, l’objectif a ´et´e plac´e dans l’enceinte orthogo- nalement `a l’axe du jet.
Quant `a la nouvelle g´eom´etrie des faisceaux du pi`ege magn´eto-optique, elle est repr´esent´ee sur la figure 2.9. Elle consiste en trois faisceaux r´etro-r´efl´echis, l’un vertical et les deux autres dans le plan horizontal. La seule diff´erence, par rapport `a un pi`ege classique, concerne les deux faisceaux de ce plan, qui forment entre eux un angle de 20◦, au lieu d’ˆetre orthogonaux.
De plus, on met `a profit la forme asym´etrique des faisceaux issus d’une diode laser pour augmenter, le plus possible, le volume de pi´egeage. Grˆace `a leur forme ovale, on a fait en sorte que la grande dimension soit toujours orthogonale `a l’axe de MIGOU, direction dans laquelle le faisceau n’est pas diaphragm´e. Les encadr´es de la figure 2.9 repr´esentent la forme des faisceaux par rapport `a l’objectif. Enfin, on a soigneusement choisi la taille des faisceaux pour limiter la diffusion `a cause des diaphragmations des montures de l’objectif.
Malgr´e l’efficacit´e de pi´egeage limit´ee dans la direction de l’axe optique de l’objectif, ce dispositif permet, toutefois, d’obtenir assez facilement un pi`ege magn´eto-optique, comme le t´emoigne la figure 2.10. On dispose, alors, d’un nuage d’atomes froids, d’un diam`etre de l’ordre de 1 `a 2 mm.
A ce stade, un des points cl´es est le centrage de ce pi`ege autour du foyer de l’objectif. Pour cela, on peut utiliser les champs de compensations, d´ecrits dans la partie pr´ec´edente, pour translater le pi`ege dans les trois directions de l’espace. Pour le centrage longitudinal, c’est-`a- dire le long de l’axe optique de l’objectif MIGOU, la vue de la cam´era vid´eo (figure 2.10) est id´eale. Pour le centrage transversal, on peut utiliser la partie arri`ere de l’objectif, `a cause de son champ transverse relativement important. Finalement, on dispose d’un pi`ege magn´eto-optique, centr´e autour du foyer de l’objectif, qui servira de r´eservoir d’atomes froids pour charger le pi`ege dipolaire r´ealis´e `a l’aide de la partie avant de l’objectif MIGOU.
Figure 2.9: Nouvelle g´eom´etrie du pi`ege magn´eto-optique. La principale diff´erence avec un pi`ege classique provient de l’angle de 20◦ que font entre eux les faisceaux horizontaux.
2.3.2 Dispositif d’imagerie bas´e sur la partie arri`ere
Afin de mieux caract´eriser notre pi`ege magn´eto-optique, nous avons utilis´e la partie arri`ere pour r´ealiser un dispositif d’imagerie. Son attrait principal repose sur son ouverture num´erique de 0.7, qui lui permet de collecter 15% de la fluorescence totale des atomes. De plus, contraire- ment `a la partie avant, elle poss`ede un champ transversal important, qui nous permet de voir enti`erement le pi`ege magn´eto-optique.
Cependant, `a cause de son fort grandissement, on ne peut pas placer directement une cam´era dans le plan image de la figure 2.4. En effet, pour un pi`ege de 2 mm de diam`etre, l’image obtenue a un diam`etre de 3.2 cm, dimension bien plus grande que la surface sensible d’une cam´era. On doit alors utiliser une image interm´ediaire et la solution retenue est repr´esent´ee sur la figure 2.11. A cause des angles importants que font les rayons issus des points hors de l’axe, il est n´ecessaire de placer dans le plan de l’image interm´ediaire un verre de champ, form´e d’une lentille de grand diam`etre et de focale f=50 mm, dont le rˆole est de rabattre les rayons sur le dispositif de mesure.
2.3. NOUVEAU PI `EGE MAGN ´ETO-OPTIQUE 53
Figure 2.10: Pi`ege magn´eto-optique r´ealis´e autour du foyer de l’objectif. La photo est prise directement par une cam´era vid´eo, dont l’axe est orthogonal `a l’objectif MIGOU. On voit claire- ment les parties avant et arri`ere, s´epar´ees d’environ 1 cm.
Figure 2.11: Dispositif d’imagerie bas´e sur la partie arri`ere. Les rayons trac´es correspondent `a trois points objets situ´es sur l’axe, `a 0.5 mm et 0.9 mm de l’axe. Le verre de champ de focale f=50 mm, plac´e dans le plan de l’image interm´ediaire, conjugue la pupille de sortie soit avec la surface sensible d’un puissance-m`etre, soit avec l’objectif d’une cam´era vid´eo. En effet, sans cette lentille aucun rayon provenant des deux points hors de l’axe n’entrerait dans ces dispositifs. On peut remarquer, au passage, que le syst`eme n’est pas du tout stigmatique pour les points hors de l’axe.
Ce dernier sera constitu´e soit d’une cam´era vid´eo, pour faire l’image du pi`ege magn´eto-optique, soit d’un puissance-m`etre, pour mesurer la quantit´e de fluorescence ´emise par les atomes.
Malheureusement, `a cause des aberrations, les images obtenues sur la cam´era ne sont pas fameuses. Par contre, grˆace `a la grande efficacit´e de collection, les mesures de puissance de fluorescence ´emise par les atomes permet une bonne ´evaluation du nombre d’atomes pi´eg´es.
2.3.3 Caract´eristiques du pi`ege magn´eto-optique
La d´etermination du nombre d’atomes pi´eg´es d´ecoule directement de la mesure du taux de fluorescence du pi`ege. Comme les faisceaux de m´elasse mettent en jeu une transition ferm´ee, on peut utiliser les formules relatives `a l’atome `a deux niveaux. Dans ce cadre, le taux de photons ´emis par un atome est donn´e par :
dN dt = Γ 2 s 1 + s avec s = 2I Isat 1 1 + 4(δ/Γ)2
La puissance ´emise par Nat atomes est donc de :
P = Γ 2
s
1 + s× hν × Nat
L’ouverture num´erique de 0.7, correspondant `a un cˆone de demi-angle de 45◦, permet de collecter 15% de cette puissance ´emise. Les mesures de puissances effectu´ees pour diff´erents d´esaccords du pi`ege magn´eto-optique ´etant de l’ordre de 1 µW, on peut exprimer le nombre d’atomes par :
Nat= 1.4 106×
1 + s
s × P(µW) Le nombre d’atomes obtenu est r´esum´e sur le figure 2.12.
Figure 2.12: Nombre d’atomes obtenu par la mesure de la fluorescence `a l’arri`ere de l’objectif, pour diff´erentes valeurs du d´esaccord du pi`ege magn´eto-optique. Le d´esaccord est donn´e en unit´e de largeur naturelle Γ et la puissance de fluorescence mesur´ee en µW. Le nombre d’atomes obtenus est de l’ordre de 15 106.
Ce nombre est inf´erieur `a celui que l’on avait obtenu dans le cas du pi`ege magn´eto-optique pr´ec´edent, mais si on consid`ere que ce nouveau pi`ege, avec un diam`etre de l’ordre de 1 mm, est plus petit que le pr´ec´edent, on obtient une densit´e comparable de :
n0 ' 4 10−3 at/µm3
Avec une telle densit´e, il est raisonnable de penser qu’un pi`ege de l’ordre de quelques microns cube sera capable de capturer un atome unique.