DÉVELOPPEMENT D'UNE HORLOGE A PIÉGEAGE<br />COHÉRENT DE POPULATION. ÉTUDE THÉORIQUE ET EXPÉRIMENTALE DU RÉGIME<br />IMPULSIONNEL ET CONTINU

We have developed a new method of pulsed interrogation of an atomic transition based on coherent population trapping. In contrast to CPT interrogation in a continuous wave excitation, we show that the pulsed method leads to narrow fringes scaling as 1/2T where T is the duration between pulses. As each pulse serves for the creation and detection of the atomic coherence, this technique allows us to realise Raman-Ramsey or Dark Resonance fringes without any initial atomic preparation. The theoretic predictions are verified experimentally using thermal Cs atoms in a buffer gas cell. Two phase-locked lasers tuned near the optical transitions of Cs D1 line induce a coupling between the two hyperfine ground states. Pulsing the laser light probes the 9.2 GHz clock transition similarly to Ramsey interrogation. The narrowest observed fringe width is around 60 Hz limited in resolution by atomic collisions with the buffer gas. When a hyperfine relaxation of the coherence between the clock states is introduced, a slight shift occurs. Finally, the CPT pulse train is proposed to eliminate any dead time between each interrogation cycle of the clock transition. In summary, our method achieves high resolution spectroscopy with separated CPT fields in order to dilute systematic frequency shifts over the free evolution time T. This also eliminates power broadening of the clock transition which will always appear for continuous excitation. Our model includes external frequency shifts with a density matrix formalism combining precision measurements and quantum optics. Pulse sequences are designed that mix coherent steady states and optical transient nutations with a free evolution time of a ground state coherence. Armed with a set of EIT/Raman Bloch-like equations of motion to describe general composite pulses, dynamical solutions can be used for transient experiments requiring such preparation of coherent states. Phase shifts of internal atomic wave functions can be controlled to engineer a robust coherence while minimizing ac Stark shifts. Atomic states are manipulated via a time resolved detection by monitoring fluorescence, absorption or population transfer. As we shall show, the sensitivity to be expected from detection of such transients is often comparable and in some cases superior to that obtainable from steady state interrogation.La thèse présente une nouvelle méthode d'interrogation d'une transition atomique à partir d'une séquence temporelle d'impulsions de piégeage cohérent de population (Coherent Population Trapping). Chaque impulsion sert pour la préparation, la détection et le renouvellement de la superposition d'états et permet des réaliser des franges d'oscillation de résonance noire sans auncune préparation atomique initiale. La méthode, développée sur une vapeur thermique de Césium en régime Lamb-Dicke, combine le profil de résonance obtenu pendant une interaction impulsionnelle des atomes avec la lumière CPT et les oscillations entre l'état noir $|\Psi_{NC}\rangle$ et l'état radiatif couplé $|\Psi_{+}\rangle$. La largeur à mi-hauteur de la frange centrale suit une loi de type Ramsey en 1/2T. Dans l'expérience réalisée, différentes séquences d'impulsions CPT sont appliquées en fonction de la durée caractéristique de pompage optique dans l'état noir et conduisent à l'osbervation de franges aussi étroites que 60 Hz sur une fréquence de référence de 10 GHz. La réalisation du couplage Lin-perp-Lin en configuration double lambda a permis de modifier la distribution des atomes entre les niveaux hyperfins Zeeman du Cs et de réduire fortement la perte de population sur les sous-niveaux extrêmes. Une étude théorique est menée à partir du formalisme de la matrice densité et de la fonction d'onde complexe qui permettent d'évaluer les déphasages optiques accumulés au cours de l'interaction lumière-atome en régime transitoire ou stationnaire. Le modèle de la fonction d'onde introduit une quantité complexe sur les positions en énergie des niveaux atomiques et permet de calculer les déplacements de fréquence associés uniquement aux déphasages optiques du régime transitoire. Lorsque une relaxation de la cohérence entre les niveaux d'horloges est prise en compte, un faible déplacement de la fréquence de résonance est aussi mis en évidence. Au cours de la thèse, la technique du train d'impulsions CPT a été mise au point et élimine pratiquement les temps morts entre chaque cycle d'interrogation de la fréquence d'horloge