Etude théorique et expérimentale de diodes lasers, pour horloges Rubidium et Césium, refroidissement d'atomes et capteurs inertiels

In the framework of light-atom interaction, laser diodes need specific optical performances: high power and narrow linewidth (around 852nm or 894nm for Cesium atoms, 780nm or 795nm for Rubidium atoms) and a single-mode operation in both transverse and longitudinal direction. This thesis presents the design and realization of laser diodes, emitting at 780 nm, meeting these optical requirements. The peculiarity of the laser diodes developed during my PhD is the aluminum free design of the active layers, resulting in a better reliability of the component. In its first part, this thesis describes the fundamentals of optical pumping and atom cooling and determines the specifications for the laser diodes. Then, it exposes the theoretical concepts behind the laser diode operation. The characterization measurements of the actual laser diodes have shown a single transverse mode operation with an output power higher than 100mW for Fabry-Pérot laser diodes. The realization of DFB laser diodes (with a Bragg grating layer integrated in the laser optical cavity) has demonstrated single frequency behavior up to 25mW of output power with a side mode suppression ratio of 45dB and a linewidth of 550kHz. Finally a first theoretical and experimental study of laser diodes emitting at 852nm is presented. This allows to estimate the performances of this component in thermal-beam clock based on Cesium atoms.Dans le cadre de l'interaction lumière-atomes, les diodes lasers nécessitent des performances optiques spécifiques : de fortes puissances optiques à une longueur d'onde spécifique (852 nm ou 894 nm pour les atomes de Césium, 780 nm ou 795 nm pour le Rubidium), un fonctionnement monomode transverse et longitudinale du faisceau. Ce mémoire de thèse présente les différentes étapes permettant la fabrication de diodes lasers, émettant à 780 nm, répondant à ces caractéristiques optiques. La spécificité des diodes lasers développé lors de cette thèse est l'absence d'aluminium dans la zone active des lasers, offrant de meilleures performances en termes de fiabilité. Il décrit dans un premier temps les principes du pompage atomique et du refroidissement d'atome afin de déterminer un cahier des charges spécifiques pour les diodes lasers à développer. Il expose ensuite les concepts théoriques permettant de comprendre le fonctionnement d'une diode laser. La caractérisation des diodes lasers développées lors de cette thèse a pu démontrer un fonctionnement monomode transverse jusqu'à des puissances optiques supérieurs à 100 mW pour des lasers Fabry-Pérot. La réalisation de diodes lasers DFB (ayant un réseau de Bragg intégré dans la cavité optique du laser) a montré un fonctionnement monomode fréquentiel jusqu'à 25 mW avec des taux de réjection des modes satellites supérieurs à 45 dB et une largeur de raie de 550 kHz. Enfin, une première étude théorique et expérimentale à partir de diodes lasers émettant à 852 nm a été réalisé afin d'estimer les performances de ces composants dans des horloges à jet thermique utilisant des atomes de Césium