Two tools for atom optics: an intense beam of metastable atoms and an evanscent wave mirror
Deux outils pour l'optique atomique : Jet intense d'hélium métastable et Miroir à onde évanescente exaltée
Résumé
This thesis describes two tools for atom optics experiments. The first one is a bright metastable helium beam. The source of helium atoms is a liquid-nitrogen cooled supersonic beam. Several steps of laser manipulation are used to increase the intensity of the atomic beam. First, the diverging beam is collimated by applying a transverse 2D optical molasses. The atomic beam is then dece1erated using the Zeeman slowing technique. Two important consequences arise from the small mass ofthe helium atom : the stopping distance is large (~ 2 m), and the transverse spreading of the beam during the slowing process is significant. Thus, a spatial recompression ofthe atomic beam is needed. This is achieved by a new device, called a "concentrator". This device focuses the atomic beam on its axis. The atomic intensity at the focal point is increased by a factor 20. The transverse position ofthe focal point can be scaned by applying a time-dependent magnetic field. The second too1 is an evanescent-wave atomic mirror. To avoid spontaneous emission during reflection, which destroys the coherence ofthe reflected De Broglie wave, one needs a large intensity in the evanescent wave. A resonant system, based on thin dielectric 1ayers deposited on a prism, is used to enhance the intensity in the evanescent wave by more than 3 orders of magnitude. An optical technique ofana1ysis ofthe reflected light intensity is used to determine the enhancement factor. It allows for an easy in-situ monitoring ofthe enhancement during atom reflection experiments. This waveguide structure was used to reflect rubidium atoms with a spontaneous emission probability below 1 %
Ce mémoire porte sur le développement de deux outils pour réaliser des expériences d'optique atomique. Le premier de ces outils est une source qui produit un faisceau intense d'atomes d'hélium métastables. Elle est produite à partir d'un jet supersonique cryogénique d'hélium. On effectue plusieurs opérations de manipulation par laser afin d'augmenter l'intensité du jet atomique. On applique tout d'abord une mélasse optique transverse afin de collimater le faisceau atomique. Puis on décélère les atomes en utilisant la technique du ralentissement Zeeman. La faible masse de l'hélium a deux conséquences importantes sur le ralentissement: la distance nécessaire pour stopper les atomes est importante (~ 2 m), et le phénomène de diffusion transverse est particulièrement prononcé. Il faut donc recomprimer spatialement le jet atomique. Dans ce but, on utilise un dispositif original, le "concentrateur". Celui-ci permet de focaliser le jet atomique rapide en un point de son axe. Le gain d'intensité atomique au point focal est d'environ 20. La position transverse du point focal peut être balayée en appliquant un champ magnétique variable. Le deuxième outil développé est un miroir à atomes utilisant une onde évanescente. Pour pouvoir s'affranchir de l'émission spontanée pendant la réflexion, qui détruit la cohérence de l'onde de De Broglie réfléchie, il faut disposer d'une intensité lumineuse dans l'onde évanescente très importante. On utilise un système résonnant de couches minces diélectriques déposées sur un prisme pour "exalter" l'intensité de l'onde évanescente par plus de 3 ordres de grandeur. On emploie une méthode optique d'analyse de la lumière réfléchie par le prisme pour estimer le coefficient d'exaltation. Cette technique simple permet le contrôle in-situ de l'exaltation lors des expériences de réflexion d'atomes. Ce système a été utilisé pour réfléchir des atomes de rubidium avec une probabilité d'émission spontanée inférieure à 1 %.