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Résultats expérimentaux

Dans le document Atomes froids et fluctuations quantiques (Page 47-52)

3 Montage expérimental et résultats préliminaires 25

3.7 Résultats expérimentaux

3.7.1 Choix des paramètres

Afin d’avoir une

première

idée de la

région

de

l’espace

de

paramètres

nous

pou-vons

espérer

une réduction du

bruit,

nous

présentons

maintenant

quelques arguments

généraux qui

nous

permettrons

de choisir des

paramètres expérimentaux

favorables. Il y a tout d’abord des

paramètres

invariables de notre

système, qui

sont le taux

d’amortissement du

dipôle atomique

03B3 et la

largeur

de la cavité 03BA,

puisqu’ils

sont fixés

par le choix du milieu

atomique

ainsi que de la cavité.

Un

paramètre important

pour l’interaction entre le faisceau sonde et les atomes est le désaccord 03B4 du faisceau sonde par

rapport

à la transition

atomique.

Pour exciter

autant que

possible

une seule transition et ainsi réaliser

l’hypothèse

d’atomes à deux

niveaux,

nous devons examiner l’effet des autres transitions

6S1/2

~

6P3/2

dans le

césium. En

particulier,

notre traitement ne fait pas de distinction entre un désaccord

vers le bleu de la transition

(03B4

<

0)

et un désaccord vers le rouge

(03B4

>

0). Or,

le niveau le

plus proche

de l’état

6P3/2,

F’ = 5 est le niveau

6P3/2,

F’ = 4 vers les basses

fréquences.

Par

conséquent,

le désaccord est limité vers le coté rouge par la condition de ne pas

trop

exciter le niveau immédiatement inférieur. Au-dessus de l’état

6S3/2, F’

= 5 il n’existe

plus

d’autres niveaux. On

pourrait

en déduire

qu’on peut augmenter

le désaccord vers

les hautes

fréquences

autant que l’on veut.

Mais,

il faut aussi tenir

compte

du niveau

6P

3/2

,

F’ =

4,

car si le désaccord entre la

fréquence

du laser et celle de la transition

6S

1/2

,

F = 4 ~

6P

3/2

,

F’ = 5 vers le coté bleu est assez

grand,

il devient de l’ordre ou

supérieur

à l’intervalle en

fréquence

entre les deux états

, 3/26P

F’ = 4 et

6P3/2,

F’ = 5.

Dans ce cas. l’excitation par le laser sonde de la transition

, 1/26S

F = 4 ~

6P3/2,

F’ = 4

ne

peut plus

être

négligée.

Nous allons calculer les

paramètres

pour

lesquels

l’excitation

des atomes dans le niveau

6P3/2,

F’ = 4 reste

négligeable.

Le

rapport

entre les moments

dipolaires

pour les deux états est donné par

(voir

aussi

l’Appendice IV)

Pour ne pas

trop

exciter la transition

6S1/2,

F = 4 ~

6P3/2,

F’ =

4,

les taux

d’absorp-tion doivent obéir à la condid’absorp-tion suivante

Or,

l’intervalle en

fréquence

entre l’état

6P3/2.

F’ = 4 et

6P3/2,

F’ = 5 normalisé par la

demi-largeur 03B3

de la transition

envisagée

vaut

Les deux désaccords sont alors reliés par

où le

signe - correspond

à une excitation dans le rouge et le

signe

+ à une excitation

dans le bleu de la transition

6S1/2,

F = 4 ~

6P3/2,

F’ = 5 . Nous déduisons les deux conditions suivantes pour le désaccord 03B4 ~

03B4F=4,F’=5

Après

avoir fixé le

régime

du

désaccord,

nous allons maintenant étudier pour

quelles

valeurs de la

coopérativité

la réduction du bruit

quantique

est la

plus

favorable. Dans

ce but. nous allons examiner l’influence du milieu

atomique,

en

particulier

son

couplage

au mode fondamental et aux autres mode de la

cavité,

en

plus

de détail. Il est connu

depuis longtemps qu’un

état

comprimé

est très sensible aux

pertes.

En

effet,

ces

pertes

correspondent

à un

couplage

à des modes vides du

rayonnement qui

fait entrer de nouvelles fluctuations dans le

système.

Celles-ci ont tendance à

égaliser

les fluctuations des différentes

quadratures

et donc à détruire la réduction du bruit. Nous pouvons

distinguer

deux sortes de

pertes

dans notre

système:

il y a d’abord les

pertes

"utiles"

qui

sont dans notre cas données par le taux d’amortissement de la

cavité;

ce sont ces

pertes

qui

nous

permettent

d’observer la réduction du

bruit,

tant que nous

récupérons

toute la

lumière sortant de la cavité. Les

pertes

"inutiles"

correspondent

aux

champs rayonnés

ailleurs que dans notre

système

de détection. De ces

arguments

nous pouvons déduire immédiatement un

paramètre qui

limite la réduction du bruit dans notre

système:

c’est la

proportion

du

champ rayonné

par les atomes par émission

spontanée

dans les modes autres que le mode fondamental de la cavité

qui

conduit à une

dégradation

de la réduction du bruit à cause des fluctuations du vide des autres modes

qui

entrent par ce

couplage

dans le mode fondamental. Cet effet

peut

être caractérisé par un taux

d’amortissement 03BA’,

qui

doit être

comparé

aux

pertes

"utiles", donc à la

largeur

de la cavité 03BA. Le

rapport

entre les deux est

proportionnel

au taux

d’absorption

des atomes

au désaccord

03B4,

divisé par le coefficient de

transmission d’énergie

T de la cavité

nous avons

supposé 03B4

1. En utilisant la définition du

paramètre

de

coopérativité

C

Par

conséquent,

pour

optimiser

la réduction du bruit à désaccord

fixe,

nous devons

respecter

la limite

supérieure

pour le nombre d’atomes donnée par la rélation

(3.17)

2C 03B4

2

<

1

(3.18)

Afin de

permettre

une interaction non linéaire suffisante pour

générer

une réduction

du

bruit,

la valeur de la

coopérativité

ne doit pas être

trop

faible non

plus.

Pour voir un

effet de bistabilité, le

déphasage

non linéaire accumulé

pendant plusieurs

aller-retours

dans la cavité doit être du même ordre que la

largeur

de la cavité. Cette condition

peut

s’écrire

soit à l’aide de la relation

(2.21)

dans le

chapitre

2

où X est l’intensité intracavité normalisée par l’intensité de saturation

(et correspond

alors au

paramètre

de

saturation).

De ces deux

conditions,

nous pouvons déduire une

limite inférieure pour l’intensité intracavité X afin d’avoir une réduction du bruit

im-portante

Remarquons

toutefois que la bistabilité n’est pas une condition absolument nécessaire

pour une réduction du

bruit, puisque

celle-ci

peut

être observée pour des intensités

inférieures à celles

qui

donnent le

régime

de bistabilité. Par

conséquent,

pour observer

une réduction du bruit

significative,

il n’est pas

indispensable

de satisfaire des relations

(3.20)

et

(3.21).

Mais, elles définissent la

légion

la

plus

favorable en ce

qui

concerne la réduction du bruit.

Dans

l’expérience.

le

paramètre

de

coopérativité

est donné par le nombre d’atomes

présents

dans le faisceau sonde,

qui

lui. est déterminé par le fonctionnement de notre

piège.

Pour connaître la valeur de la

coopérativité

nous devons estimer le nombre

d’atomes dans le faisceau sonde. Celui-ci

peut

être mesuré par deux méthodes. La

première

consiste à mesurer le

déphasage

linéaire

produit

sur le faisceau sonde en

com-parant

la

position

des

pics

de résonance de la cavité avec et sans atomes. Le

déphasage

linéaire est

proportionnel

au

déphasage

pour un passage du faisceau sonde. comme

spé-cifié dans la relation

(2.20)

dans le

chapitre

2, divisé par le coefficient de transmission

d’énergie

T de la cavité

Le coefficient de

couplage

lumière-atome vaut

g2/203C0

= 4.24Hz dans notre cas. Nous

mesurons le

déplacement

de la résonance 03B403C9 en

présence

des atomes en unités de

largeur

de la cavité 03BA, pour

lequel

nous observons en

général

une valeur

pour un désaccord 03B4 = -44. Avec

03B3/203C0

= 2.6MHz et T = 0.1

(configuration (1)

de la

cavité)

nous en déduisons un nombre d’atomes d’environ N ~

6.7 · 106

dans le faisceau sonde. Ceci

correspond

à une valeur du

paramètre

de

coopérativité

C

de l’ordre de C ~ 110 en

présence

des faisceaux

pièges.

Comme les atomes

interagis-sent en même

temps

avec les faisceaux

pièges,

nous pouvons supposer que le nombre d’atomes réel est encore

plus

élevé.

La deuxième méthode tire

profit

de l’effet non linéaire pour estimer le nombre d’atomes dans le faisceau sonde. La hauteur de la courbe de bistabilité

dépend

du

nombre d’atomes, d’une

part

à cause de

l’absorption

du

milieu,

d’autre

part

par la

déformation de la fonction

d’Airy.

Les deux effets sont inclus dans la théorie de

bista-bilité

dispersive [103]

et on

peut

déduire le nombre d’atomes du

rapport

de la hauteur

des

pics

en absence et en

présence

des atomes de la manière suivante: Soit Y une

va-riable

proportionnelle

à l’intensité

incidente,

normalisée par l’intensité de saturation et

divisée par le coefficient de transmission

d’énergie

T de la cavité:

et X l’intensité intracavité, normalisée par l’intensité de saturation:

En l’absence des atomes, le maximum de la courbe de résonance est donné par

Y,

en

présence

des atomes il est ramené à X. Si les

système

saute de la branche haute vers la

branche basse de la courbe de

bistabilité,

le

rapport

entre les deux

grandeurs permet

de déterminer le nombre d’atomes ainsi que la

coopérativité

par la relation suivante

(voir Appendice II)

Nous avons observé

typiquement

des rapport de l’ordre

Y/X ~

1.25 pour une intensité incidente de Y = 50 dans une cavité dans la

configuiation (1).

Connaissant 03B3, nous en déduisons un nombre d’atomes de N ~ 7.3 ·

106

qui

correspond

à un

paramètre

de

coopérativité

de C ~ 119. Cette valeur est en bon accord avec la valeur calculée par la

première

méthode. Les deux méthodes de mesure du nombre d’atomes sont

expliqués

Finalement,

la bande de

fréquence

de bruit dans

laquelle

le

système peut

modifier

le bruit

quantique

est de l’ordre de la bande

passante

de la cavité. Nous étudierons

donc le bruit à des

fréquences

de

03C9bruit/203C0 ~

5MHz pour la

première configuration

de

la cavité et

03C9bruit/203C0 ~

10MHz pour la deuxième

configuration.

3.7.2

Signaux observés

Après

avoir déterminé le

régime

des

paramètres expérimentaux,

nous

présente-rons maintenant le

comportement

du

système

que nous avons observé avec ce

premier

montage.

En

balayant

la

longueur

de la cavité autour de la

résonance,

nous avons obtenu

les courbes

caractéristiques

de la bistabilité. La

figure 14(a)

montre l’intensité

trans-Fig.

14: Intensité intracavité (a) et signal du bruit (b)

quand

la cavité est balayée lentement autour

de la résonance L’intensité intracavité est normalisée par l’intensité de saturation Le niveau du bruit quantique standard est normalisé à 1 Les oscillations correspondent au

balayage

de la phase de l’oscillateur local. Quand la cavité est hors résonance (cote

gauche

des courbes), les fluctuations sont

indépendantes de la phase de l’oscillateur local et le bruit est au shot noise Quand le faisceau entre

dans la cavité, les fluctuations des quadratures différentes sont transformées par le système bistable d’une manière différente et des oscillations apparaissent

mise par le miroir arrière

pendant

que la cavité est lentement

balayée

sur la résonance.

L’enregistrement

de la courbe a été fait avec la cavité dans la

configuration (2)

pour

un désaccord du faisceau sonde de

0394/03B3

= 03B4 = -44 et une intensité incidente de

I

in

=

5003BCW,

la cavité étant

balayée

à une

fréquence

de

fcav

= 0.5Hz. La

puissance

des faisceaux

pièges

était voisine de

15mW/cm2.

La forme

générale

des courbes de

bistabi-lité

correspond

au résultat

prévu

par la théorie utilisant des

paramètres

de

l’expérience.

En

particulier,

le coté des courbes où

apparaissent

les flancs

abrupts

est

compatible

avec une bistabilité due à la saturation de la transition

atomique.

Le

signal

de bruit

correspondant

est montré sur la

figure

14

(b).

Nous avons

enre-gistré

le

signal

donné par

l’analyseur

de

spectre

en échelle linéaire sur un

oscilloscope

numérique.

La courbe

correspond

alors à

l’amplitude

du bruit en fonction du

décalage

de la cavité. La

fréquence d’analyse

a été choisie

égale

à

03C9bruit/203C0

= 5MHz.

Quand

la cavité est loin de la

résonance,

le faisceau sonde est totalement réfléchi

vers l’extérieur. Ses fluctuations

quantiques

ne sont alors pas

changées,

et elles

corres-pondent

au bruit de

photons

standard. normalisé ici à 1. Comme ce bruit ne

dépend

pas de la

phase

du

champ.

il ne varie pas bien que la

phase

d’observation soit

changée

continûment en

balayant

la

phase

de l’oscillateur local durant toute la mesure. Dès que la cavité

s’approche

de la

résonance,

la lumière entre dans la cavité et

interagit

avec

le nuage

atomique.

Cette interaction se manifeste par un bruit

qui dépend

de la

phase

d’observation: des oscillations

apparaissent

sur le

signal

de

bruit,

suivant la variation

de

phase

de l’oscillateur local. Les maxima de ces oscillations

correspondent

au bruit

quantique maximal,

les minima au bruit

quantique

minimal. Tandis que le bruit

maxi-mal est

beaucoup plus

élevé que le niveau du shot

noise,

le bruit minimal ne descend

pas au-dessous du bruit de

photons

standard.

Pour cette mesure, l’intensité de l’oscillateur local valait

IOL

=

80003BCW,

sa

phase

était

balayée

à une

fréquence

de l’ordre de

fOL ~

12Hz. Lors de ces mesures, la cavité était accordée en

phase

à mieux que ~TEM00 ~ 0.96.

Une estimation du rendement

quantique

total donne ainsi

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