Optimisation de la fluorescence et pompage optique

La conclusion de la partie pr´ec´edente est que la sonde perturbe, de fa¸con non n´egligeable, les atomes sond´es. Exp´erimentalement, pour un temps d’int´egration fix´e et un pi`ege dipolaire donn´e, nous avons modifi´e sa puissance, dans une gamme o`u le param`etre de saturation reste toutefois inf´erieur `a un. En diminuant cette puissance, nous esp´erions plus de fluorescence puisque nous perturbions moins les atomes, mais nous avons observ´e le mˆeme ph´enom`ene qui limitait la fluorescence lors de l’observation du pi`ege magn´eto-optique `a la section 3.7.1.

Avant de voir l’effet du repompeur annexe, nous avons sond´e les diff´erentes transitions sur la sonde. Pour la raie D1, quatre transitions sont possibles, deux pour chaque sous-niveau

fondamental. A priori, `a cause du repompeur du pi`ege magn´eto-optique, les atomes sont pi´eg´es dans le sous-niveau F = 2. Cependant, nous avons pu observer qu’une partie non n´egligeable des atomes ´etait dans l’autre sous-niveau. Le nombre de coups mesur´es sur la cam´era, avec les diverses transitions de la sonde, est r´esum´e dans le tableau 3.4.

En supposant que les raies ont toutes les mˆemes intensit´es, ces valeurs montrent qu’il y a, `a peu pr`es, autant d’atomes pi´eg´es dans les deux sous-niveaux fondamentaux. Le repompeur, qui

Transition F → F0

de la raie D1 2 → 1 2 → 2 1 → 1 1 → 2

Nombre de coups 1000 850 400 750

Tableau 3.4: Nombre de coups observ´es dans le pi`ege dipolaire crois´e en fonction de la transition utilis´ee pour la sonde. Le temps d’int´egration sur la cam´era est de 200 ms et la puissance de la sonde de 100 µW.

agit sur les atomes du pi`ege magn´eto-optique, semble donc avoir un effet beaucoup plus faible sur les atomes du pi`ege dipolaire, `a cause des d´eplacements lumineux. Pour assurer un repompage efficace `a l’int´erieur du pi`ege dipolaire, nous avons ´etudi´e l’effet du repompeur annexe dont nous d´ecalons la fr´equence vers le bleu. En prenant un repompeur de mˆeme polarisation que la sonde, on obtient les r´esultats du tableau 3.5.

D’une part, on observe une augmentation claire du signal de fluorescence, puisque ce dernier est deux fois plus important que sans repompeur. D’autre part, cette augmentation se comprend tr`es bien si on se reporte au tableau 3.4. En effet, placer une sonde sur la transition 5S1/2(F =

2) → 5S_1/2F0 et un repompeur sur 5S_1/2(F = 1) → 5S_1/2F0 revient `a sonder en mˆeme temps les deux sous niveaux fondamentaux, donc `a ajouter la fluorescence de ceux-ci, ce qui conduit au taux de fluorescence observ´e sur le tableau 3.5. Enfin, en prenant des polarisations diff´erentes pour la sonde et le repompeur, nous obtenons les mˆemes valeurs.

Transition F → F0

du repompeur Sans Repompeur 1 → 2 1 → 1 Nombre de coups 1000 2000 1700

Tableau 3.5: Effet du repompeur annexe lorsque la sonde se trouve sur le bleu de la transition 5S1/2(F = 2) → 5S1/2(F0 = 1). Le temps d’int´egration sur la cam´era est de 200 ms et la

puissance de la sonde de 100 µW.

Pour conclure, le pompage optique ne semble pas ˆetre le facteur le plus limitant pour la quantit´e de fluorescence obtenue. En effet, l’ajout du repompeur permet de r´ecup´erer toute la lumi`ere perdue `a cause du pompage optique puisque tous les sous-niveaux fondamentaux sont sond´es. C’est donc la perturbation des atomes pi´eg´es par chauffage ou par pression de radiation qui limite le plus la lumi`ere de fluorescence.

3.8

Conclusion

Nous avons donc r´ealis´e un pi`ege dipolaire crois´e `a l’aide de deux faisceaux pi`eges “ peu convergents ”, puisque leur waist ´etait de l’ordre de w0 = 16 µm. La mise au point critique de

l’imagerie, compar´ee au cas d’un pi`ege dipolaire r´ealis´e par un faisceau unique, est la preuve d’un confinement tridimensionnel. Comme dans le cas du pi`ege dipolaire vu en absorption, nous avons encore utilis´e des profondeurs de pi`ege de quelques mK, ce qui semble ˆetre le bon compromis pour avoir un potentiel suffisamment profond, mais des d´eplacements lumineux raisonnables pour permettre un chargement du pi`ege. De plus, nous avons pu tester notre syst`eme d’imagerie sur un pi`ege de taille raisonnable.

Par contre, le choix de la transition D1 pour l’observation des atomes ne semble pas ˆetre

judicieuse. En effet, en comparant cette technique `a celle utilisant les faisceaux de m´elasse pour l’observation du pi`ege magn´eto-optique, nous avons remarqu´e un signal presque 200 fois plus

3.8. CONCLUSION 101

faible. De plus, pour ne pas perturber les atomes, soit par chauffage, soit `a cause de la pression de radiation, il faut choisir des puissances tr`es faibles, mais pour lesquelles le signal est si faible qu’il se perd dans le bruit. De plus, le fait que cette transition soit ouverte limite ´egalement le taux de fluorescence. Nous avons r´esolu ce probl`eme de d´epompage en ajoutant un repompeur en parall`ele avec la sonde.

Pour des atomes du pi`ege dipolaire, un dernier ph´enom`ene, qui limite la fluorescence obtenue, provient des grands d´eplacements lumineux. Avec des valeurs qui varient de 0 `a 100 MHz, il induisent une grande variation du taux de fluorescence, mˆeme si l’on prend une sonde d´esaccord´ee de 50 MHz vers le bleu. Pour toutes ces raisons, il a ´et´e impossible de d´eterminer avec pr´ecision le nombre d’atomes pr´esents dans le pi`ege dipolaire.

Pour conclure, l’id´eal est l’utilisation d’une lumi`ere de fluorescence induite par un faisceau qui ne perturbe que tr`es peu les atomes et une transition ferm´ee. Si cette fluorescence permet en outre de refroidir les atomes, comme dans le cas des pi`eges `a ions, on a alors tous les avantages. C’est pourquoi la d´etection `a l’aide d’une sonde annexe, utilisant la transition ouverte `a 795 nm, a ´et´e abandonn´ee, au profit de l’utilisation des faisceaux de la m´elasse qui, `a 780 nm, mettent en jeu une transition ferm´ee, refroidissant en plus les atomes.

Chapitre 4

Micro-pi`ege dipolaire

L’objet de ce chapitre est la description d’un pi`ege dipolaire de tr`es petite taille, puisque son volume sera de l’ordre de quelques microns cube. Pour cela, nous utiliserons toute l’ouverture num´erique disponible pour focaliser le faisceau pi`ege sur un spot de waist w0 = 0.7 µm. Pour

cette ´etude, deux changements ont ´et´e effectu´es sur le dispositif exp´erimental. Le premier a ´et´e d’ajouter, en parall`ele `a la cam´era CCD, un syst`eme de d´etection bas´e sur une photodiode `

a avalanche, afin de disposer d’une plus grande r´esolution temporelle pour l’´etude de la dy- namique du pi`ege dipolaire. Le second a consist´e `a mettre en place un contrˆole informatique de l’exp´erience, afin de disposer d’une certaine souplesse dans la r´ealisation de diff´erentes s´equences temporelles. De plus, comme l’acquisition des signaux de la photodiode `a avalanche se fait ´egale- ment sur le mˆeme ordinateur, ce dispositif permet de synchroniser, avec une grande r´esolution, les s´equences temporelles et la d´etection.

De plus, contrairement au pi`ege dipolaire crois´e ´evoqu´e au chapitre 3, nous avons choisi d’utiliser la lumi`ere de fluorescence, issue directement des faisceaux de la m´elasse, pour ´etudier le pi`ege dipolaire r´ealis´e. Comme nous l’avons d´ej`a signal´e, l’utilisation de la raie D2 permet-

tra d’´eviter tous les probl`emes rencontr´es lors de l’´etude du pi`ege crois´e, comme l’absence de transition ferm´ee ou la perturbation des atomes par chauffage ou pression de radiation.

Nous commencerons, donc, par d´ecrire les am´eliorations exp´erimentales mises en œuvre ainsi que les caract´eristiques du micro-pi`ege dipolaire r´ealis´e. Ensuite, nous ´etudierons la dynamique de ce pi`ege, en particulier son chargement et sa dur´ee de vie, ainsi que les effets de la m´elasse. Enfin, grˆace `a une ´etude minutieuse de la distribution statistique de la lumi`ere provenant des atomes pi´eg´es, nous pourrons ´evaluer le nombre d’atomes pr´esents dans le pi`ege dipolaire.