Refroidissement et piégeage d'atomes de césium dans des structures lumineuses à faible taux de diffusion

We experimentally study cooling and trapping of cesium atoms in low scattering rate light structures. We investigate gray molasses for which the cooling occurs on a Jf → Je = Jf - 1 transition with a blue detuning of the laser beams (laser frequency higher than atomic frequency). Because the atoms are pumped m states which are weakly coupled to the light field, the photon scattering rate is reduced and the minimum temperature (~ 1 μK) is three times lower than in a conventional molasses Confinement of these cold atoms is made using a far-detuned dipole trap created by an intense YAG laser beam. In a first step, the atoms are trapped m the waist of single focused Gaussian beam. The atomic cloud has a cylindrical shape with a strong tranverse confinement (rms size of ~ 6 μm) and a peak density of 10^12 at/cm^3. The optical density along the trapping beam is estimated to 500. We show that in this anisotropic geometry the heating due to photon multiple scattenng within the atomic cloud is greatly reduced. Then, by imaging onto the cold atoms a transmission grating illuminated by the YAG beam we create a far-detuned optical lattice with a 29 μm period (rms width of ~ 3 μm in a lattice site). Absorption images give a direct observation of the atomic localization. The lattice contains no vacancies. Because of the Talbot effect, the confinement is three-dimensional and leads to a peak density greater than 10^13 at/cm^3 and a phase space density of ~ 10^-3. The strong confinement and the high atomic densities that we have achieved open the way for various applications.L'objet de cette thèse est l'étude du refroidissement et du piégeage d'atomes de cesium dans des structures lumineuses à faible taux de diffusion. Nous avons mis au point une mélasse optique dite grise dans laquelle le refroidissement est réalisé sur une transition de type Jf → Je = Jf - 1 à l'aide de faisceaux lumineux désaccordés sur le bleu de la transition atomique (fréquence du laser supérieure à la fréquence de la transition atomique). Les atomes étant pompés dans des états faiblement couplés à la lumière, le taux de diffusion de photons est réduit et la température minimale trois fois plus faible que dans une mélasse traditionnelle. Le confinement des atomes refroidis dans une mélasse grise est assuré par un piège dipolaire très désaccordé créé par un laser YAG: Nd3+. Dans une première étape les atomes sont piégés dans un faisceau unique. Le nuage atomique a alors une structure cylindrique avec un fort confinement transverse (taille de l'ordre de six microns). Dans cette situation nous avons mesuré une densité atomique de 2x10^12at/cm3 et l'épaisseur optique le long du faisceau piégeant est estimée à 500. Nous avons montré que dans cette géométrie anisotrope le chauffage par diffusion multiple de photons est fortement diminué. Dans un deuxième temps, nous avons créé un réseau optique très désaccordé de pas 29 microns en faisant l'image d'un réseau matériel sur les atomes par le faisceau YAG. Une image par absorption a permis une observation directe de la localisation des atomes dans cette structure périodique (taille du nuage atomique par site de l'ordre de 3 μm). Le réseau atomique est non lacunaire. Par effet Talbot ce confinement est tridimensionnel et conduit à des densités atomiques de l'ordre de 10^13 at/cm3 et des densités dans l'espace des phases de l'ordre de 10^-3. Le fort confinement et les densités atomiques importantes que nous avons obtenus ouvrent de nombreuses perspectives