Coherent atomic source in optical and magnetic traps: realization of a guided atom laser
Source atomique cohérente dans des pièges optique et magnétique: réalisation d'un laser à atomes guidé
Résumé
An "atom laser" is an atomic beam extracted from a Bose-Einstein condensate, which is a cloud of trapped atoms, cooled down to quantum degeneracy. For the prospect to use this coherent atomic source in future applications, as for instance precision atom interferometry, a sufficient control over the beam properties is needed. In particular, some characteristics make atom lasers different from photonic lasers, as the strong interaction between atoms, and their sensitivity togravity.
In our thesis, we report a study of the transverse mode of an atom laser, and we show that it is highly degraded by interactions with the source-condensate. By extending the formalism of photonic laser optics, we characterize the beam by a quality factor M2.
In a second part, we demonstrate a method allowing to cancel the effect of gravity, which usually accelerates the atoms, thus causing a rapid decrease of the matterwave de Broglie wavelength. We use an optical waveguide, consisting of a very elongated dipole trap, to guide the atom laser horizontally. We thus obtain an atom laser with a constant wavelength over the propagation, at a value of 0.5 μm. In order to efficiently couple the beam into the guide, we produce the condensate in the hybrid trap obtained at the intersection of the optical guide and a magnetic trap. We show that this configuration ensures an intrinsically good transverse mode matching.
In our thesis, we report a study of the transverse mode of an atom laser, and we show that it is highly degraded by interactions with the source-condensate. By extending the formalism of photonic laser optics, we characterize the beam by a quality factor M2.
In a second part, we demonstrate a method allowing to cancel the effect of gravity, which usually accelerates the atoms, thus causing a rapid decrease of the matterwave de Broglie wavelength. We use an optical waveguide, consisting of a very elongated dipole trap, to guide the atom laser horizontally. We thus obtain an atom laser with a constant wavelength over the propagation, at a value of 0.5 μm. In order to efficiently couple the beam into the guide, we produce the condensate in the hybrid trap obtained at the intersection of the optical guide and a magnetic trap. We show that this configuration ensures an intrinsically good transverse mode matching.
Un "laser à atomes" est un faisceau atomique extrait d'un condensat de Bose-Einstein, nuage d'atomes piégé et refroidi jusqu'à la dégénérescence quantique. Dans la perspective de futures applications de cette source atomique cohérente, par exemple à l'interférométrie atomique de précision, il est nécessaire de bien maîtriser les propriétés du faisceau. Certaines caractéristiques, en particulier, rendent les lasers à atomes bien différents des lasers photoniques, comme la présence d'interactions fortes entre les atomes, et leur sensibilité à la gravité.
Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2.
Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.
Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2.
Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.
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