Optique - www.BibSciences.org

Optique : Collection de la Société Française d'Optique (SFO)

Éditeur : EDP Sciences

Volume consulté :

Les lasers et leurs applications scientifiques et médicales
C. Fabre et J.P. Pocholle, éditeurs scientifiques
© EDP Sciences, 1996-2002.

Document consulté :

Refroidissement d'atomes par laser et optique atomique. ( Y. Castin)

Cours rédigé. 37 pages. 2 fichiers pdf (1,4 / 1,6 Mo).
DOI : 10.1051/bib-sfo:2002051
Première mise en ligne : 22/02/2002.

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Résumé. Le but de ce cours est de présenter les processus physiques à la base du contrôle de la position et de la vitesse des atomes avec des faisceaux laser. Le contrôle de la vitesse consiste en le refroidissement du mouvement du centre de masse atomique, donc en un confinement des atomes dans l'espace des impulsions. Le piègeage est un confinement des atomes dans l'espace des positions.

La présentation adoptée repose sur le concept de « forces radiatives ». Ce concept intervient lorsqu'on élimine adiabatiquement les degrés de liberté atomiques internes, donc lorsque ceux-ci relaxent en un temps court devant les temps d'évolution typiques de la vitesse atomique (voir paragraphe 1). Elle a l'avantage de conduire à une analyse simple du refroidissement et de donner accès aux lois d'échelles importantes.

Nous utilisons le concept de forces radiatives pour analyser le modèle le plus simple de refroidissement et de piégeage dans le paragraphe 2 (cas d'un état atomique fondamental de moment angulaire nul). Le mécanisme de base est l'effet Doppler, et les énergies cinétiques les plus basses accessibles sont de l'ordre de $\hbar \Gamma$ où $\Gamma$ est le taux d'émission spontanée de l'état excité.

Expérimentalement, des températures beaucoup plus basses que celle prédites par le modèle Doppler précédent ont été observées. Un des mécanismes de refroidissement mis en jeu est l'effet « Sisyphe », que nous étudions au paragraphe 3 sur un modèle simple à une dimension, qui a le mérite de donner l'ordre de grandeur des résultats expérimentaux. Les énergies cinétiques les plus basses obtenues sont de l'ordre de l'énergie de recul $(\hbar k_{L}^{2}) / 2 M$ où $\hbar k_{L}$ est l'impulsion d'un photon laser et M la masse de l'atome.

Finalement, au paragraphe 4, nous aborderons un domaine actuellement en essor, celui de l'optique atomique, en l'illustrant par des réalisations de miroirs, de cavités et lames séparatrices pour ondes de matière.

Plan

1. Les fondements : du quantique au semi-classique [fichier pdf 1]

1.1 Forme de l'interaction atome-champ dans le refroidissement par laser
1.2 Effet de la lumière sur l'état atomique interne
1.3 Force moyenne et diffusion en impulsion
2. Le cas simple d'une transition « isotrope »

2.1 Force radiative moyenne sur un atome immobile
2.2 Diffusion en impulsion dans un champ laser peu intense
2.3 Le refroidissement Doppler
2.4 Le piè magnéo-optique
3. En dessous de la limite Doppler

3.1 Quelle dynamique pour $j_{s} eq 0$ ?
3.2 Présentation d'un modèle simple [fichier pdf 2]
3.3 Le refroidissement sisyphe en terme de forces radiatives
3.4 En dessous de l'énergie de recul
4. Introduction à l'optique atomique

4.1 Analogie entre ondes lumineuses et ondes de matière
4.2 Lames séparatrices et miroirs à ondes de matière