Pour polariser les atomes, nous utilisons les faisceaux Raman dans la g´eom´etrie du refroidissement. En effet, chaque transition Raman change le nombre quantique magn´etique m d’une unit´e (∆m = +1). Le repompeur Raman lui aussi contribue `a pomper les atomes vers m = +3 puisqu’une partie du faisceau est polaris´ee σ+ (voir
3. La fr´equence de ces deux transitions ne diff`ere que de 10 Hz pour un champ de 10 mG. 4. La fr´equence de Rabi est plus faible de par la valeur des coefficients de Clebsch-Gordan.
p
s
+p s
-F = 3
F' = 4
F = 4
m = 3 m = 4 m = 4 m = 3 m = 2lasers Raman repompeurRaman
3,5 kHz
Fig.6.2 – Configuration de polarisation des faisceaux Raman (lorsqu’ils sont s´electifs en vitesse) et du repompeur Raman, pr´esent selon deux axes orthogonaux. La polarisation est indiqu´ee en prenant z comme axe de quantification. Un champ magn´etique de 10 mG selon z l`eve la d´eg´en´erescence des sous-niveaux magn´etiques, cr´eant un ´ecart d’environ 3,5 kHz entre sous-niveaux, dans |F = 3i comme dans |F = 4i. Les atomes sont pomp´es par les faisceaux Raman (voir paragraphe 6.2) dans le sous-niveau |F = 3,m = 3i. Le refroidissement a lieu entre |F = 3,m = 3i et |F = 4,m = 4i. Le repompeur, polaris´e π, ram`ene les atomes vers le niveau de d´epart via |F′ = 4,m = 4i. Un seul cycle ne suffisant pas toujours au repompage, un second bras du repompeur polaris´e σ+ permet de ramener les atomes partiellement d´epolaris´es dans F = 4 vers |F = 4,m = 4i ou |F = 3,m = 3i.
figure 6.2). Avec un champ magn´etique de 10 mG, nous r´ep´etons dix `a quinze fois le cycle de pompage suivant : une impulsion Blackman de 400 µs balay´ee de 15 `a -44 kHz suivie d’une impulsion de repompeur Raman de 250 µs. Nous commen¸cons le balayage bien avant la premi`ere r´esonance |F = 3,m = −3i qui se trouve `a δR = −24 kHz envi-ron ; ainsi, les atomes se trouvant au d´epart dans |F = 3,m = −3i sont excit´es, mˆeme si leur vitesse est ´elev´ee (rappelons que la transition Raman est s´elective en vitesse). Le balayage s’arrˆete `a 15 kHz ainsi les atomes de vitesse va nulle (ou positive) dans le sous-niveau |F = 3,m = 3i ne sont pas excit´es. Pour ces atomes, les impulsions utilis´ees pour polariser contribuent d´ej`a au refroidissement. Chaque impulsion Raman est suivie d’une impulsion de repompeur Raman. Apr`es une dizaine de cycles, typiquement 80 % des atomes5 se trouvent dans le niveau |F = 3,m = 3i. Nous mesurons la polarisation
Nombre d'atomes
-20 -10 0 10 20 0 2000 4000 6000 8000d
R/2p (kHz)
Fig. 6.3 – Spectre Raman obtenu avec des faisceaux colin´eaires lorsque les atomes ne sont pas polaris´es. Le champ magn´etique selon z vaut 10 mG, ce qui correspond `a un ´ecart entre deux niveaux magn´etiques cons´ecutifs de 3,5 kHz, soit `a un ´ecart entre pics de 7 kHz. La hauteur des pics est diff´erente car les coefficients de Clebsch-Gordan d´ependent de m et la fr´equence de Rabi n’est pas la mˆeme pour chaque transition. L’impulsion de s´election utilis´ee est un Blackman compens´e de 1 ms r´ealisant une impulsion π pour les pics extrˆemes (qui sont les seuls `a ne correspondre qu’`a une transition).
en effectuant un spectre Raman, les faisceaux ´etant colin´eaires : il n’y a alors pas de s´electivit´e Doppler. Nous ajustons la dur´ee de l’impulsion Blackman compens´ee6 et la puissance des faisceaux Raman de fa¸con `a r´ealiser une impulsion π pour la transition |F = 3,m = 3i −→ |F = 4,m = 4i. L’analyse de la hauteur des huit pics, connais-sant les coefficients de Clebsch-Gordan, nous permet de d´eterminer la population dans chaque niveau magn´etique. Un exemple de spectre Raman obtenu dans ces conditions est pr´esent´e sur la figure 6.4.
On peut obtenir une polarisation allant jusqu’`a 95 % en ´eliminant s´electivement les autres atomes. Pour cela, les faisceaux Raman ´etant colin´eaires, on s´electionne avec une impulsion Blackman balay´ee les atomes se trouvant dans les niveaux diff´erents de |F = 3,m = 3i. Il faut prendre garde de ne pas exciter les deux raies de droite du spectre Raman, auxquelles contribuent les atomes de |F = 3,m = 3i : transition |F = 3,m = 3i −→ |F = 4,m = 4i pour la plus `a droite, transition |F = 3,m = 3i −→ |F = 4,m = 2i pour la suivante. Une fois qu’ils sont dans le niveau F = 4, on allume pendant un temps bref (40 µs) un faisceau ≪pousseur≫ polaris´e σ+, r´esonnant 6. Nous devons utiliser des impulsions longues (1 ms typiquement) pour r´esoudre la structure Zee-man.
Nombre d'atomes
d
R/2p (kHz)
-20 -10 0 10 20 0 5000 10000 15000atomes non polarisés atomes polarisés
Fig. 6.4 – Spectre Raman obtenu avec des faisceaux colin´eaires lorsque les atomes sont polaris´es (trait gras) et avant la polarisation (trait pointill´e). Le champ magn´etique selon z vaut 10 mG. L’impulsion de s´election utilis´ee est un Blackman compens´e de 1 ms r´ealisant une impulsion π pour le pic de droite. L’analyse du poids des raies nous indique que 76 % des atomes se trouvent dans le sous-niveau |F = 3,m = 3i, les autres ´etant principalement dans |F = 3,m = 2i.
sur la transition |F = 4i −→ |F′ = 5i, en onde progressive7. Les atomes absorbent une centaine de photons et acqui`erent donc 100 vrec dans une direction donn´ee, soit une ´energie cin´etique de 104Erec: ils sortent rapidement du pi`ege dont la profondeur n’exc`ede pas 2000 Erec. La figure 6.5 montre un spectre Raman obtenu apr`es une s´equence de polarisation standard suivie d’une s´election des atomes. Pour ce spectre, 92 % des atomes se trouvent dans l’´etat |F = 3,m = 3i.
Nous n’avons pas utilis´e ce type de s´election pour pr´eparer les atomes avant le refroi-dissement car elle induit naturellement une perte d’atomes. Comme le refroirefroi-dissement est fond´e sur les mˆemes impulsions que la s´equence de polarisation, nous ne pouvons esp´erer obtenir une meilleure polarisation dans la suite que celle obtenue avec les seules impulsions Raman, soit 80 % environ, qui r´esulte de l’´equilibre entre la polarisation cr´e´ee par les faisceaux Raman et une d´epolarisation due `a la diffusion de photons du repompeur Raman.
Nombre d'atomes d R/2p (kHz) 0 10 20 30 40 0 20000 40000 60000 80000
Fig. 6.5 – Partie droite (δR > 0) d’un spectre Raman pour un champ magn´etique de 20 mG, les atomes ´etant tr`es bien polaris´es (92 % environ dans |F = 3,m = 3i). Il n’y a pas du tout de signal pour δR< 0. Pour obtenir une telle polarisation, nous utilisons d’abord une s´equence de polarisation standard, puis nous chassons les atomes des sous-niveaux Zeeman diff´erents de |F = 3,m = 3i : nous appliquons une impulsion Raman s´elective en ´energie (un Blackman de 1 ms balay´e de 23 kHz `a - 11 kHz) pour les faire passer dans |F = 4i, puis nous les poussons pendant 50 µs avec un faisceau r´esonnant sur la transition |F = 4,m = 4i −→ |F′ = 5,m = 5i. L’impulsion de s´election est un Blackman compens´e de 400 µs r´ealisant la condition π pour le pic de droite.