Réalisation expérimentale et étude d'un guide pour atomes froids d'une séparatrice et d'un miroir concave

Experimental realization and studying of guide for cold atoms, a beamsplitter and a cpncave mirror

• Auteur / Autrice : Demascoth Kadio
• Direction : Pierre Pillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Optique atomique

Force dipolaire, guide à atomes

Refroidissement adiabatique, anneau d'atomes

Miroir à atomes, diodes laser

Résumé

Nous avons réalisé et démontré trois éléments d'optique atomique: un guide et une séparatrice qui utilisent la force dipolaire, et un miroir concave qui utilise la force magnétique. Ces éléments ont été appliqués à des atomes 87-Rb initialement refroidis à 10 mK dans une mélasse optique. Le guide est réalisé avec un faisceau laser Nd:YAG très désaccordé de la résonance atomique et crée un piège dipolaire 2D. Lorsque le nuage atomique est libéré de la mélasse optique, il tombe sous l'effet de la gravité, et à cause du guide dipolaire une partie des atomes reste confinée dans le faisceau laser de guidage. L'efficacité du guide obtenue est d'environ 40% sur une distance de 30 cm. De plus, comme le faisceau de guidage est focalisé, une compression du nuage a lieu, et dans la partie de défocalisation du faisceau, on observe un refroidissement adiabatique du nuage jusqu'à environ 2 mK, ce qui correspond à un abaissement de la température des atomes d'un facteur 5 [1]. Les résultats sont interprétés à l'aide d'un modèle numérique qui utilise une méthode statistique de type Monte Carlo. On a observé expérimentalement et montré par les calculs numériques qu'on peut fabriquer un nuage atomique en forme d'anneau si on introduit dans le guide dipolaire des atomes de moment cinétique moyen non nul et si le guide est utilisé en mode impulsionnel. La séparatrice utilise deux guides dipolaires qui se croisent: l'un est suivant la verticale et l'autre suivant la direction oblique fait un angle de 0. 12 radian avec la verticale. Les atomes sont guidés initialement dans le guide vertical. Lorsqu'ils ont chuté de quelques millimètres, le guide oblique est alors soudainement allumé. Le couplage créé au point de croisement des guides permet un transfert des atomes du guide vertical vers le guide oblique. L'observation à environ 10 mm en dessous de la position du piège magnéto-optique, montre une séparation du nuage de l'ordre de quelques millimètres, avec une efficacité de transfert de l'ordre de 30% [2]. Nous avons montré par le calcul qu'une séquence temporelle du guide oblique bien choisie, permettrait d'augmenter l'efficacité de la séparatrice d'environ 50%. Le miroir concave utilise le champ magnétique d'un quadrupôle en mode impulsionnel, appliqué quand les atomes sont tombés de quelques millimètres. On a observé clairement deux rebonds. Le potentiel magnétique vu par les atomes étant courbé dans les trois directions de l'espace, le rebond du nuage atomique s'accompagne d'une refocalisation [3]. Ce miroir n'est pas parfait et présente des aberrations. Les calculs numériques ont montré que l'ajout d'un petit champ magnétique tournant permettrait de réduire sensiblement les aberrations du miroir. [1] L. Provost, D. Marescaux, O. Houde, H. T Duong, Opt. Comm. 166 (1999) 199. [2] O. Houde, D. Kadio, L. Provost, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5543. [3] D. Kadio, O. Houde, L. Provost, Euro. Phys. Lett. 54 (2001) 417.

We have realized and demonstrated three efficients atom optics elements: a guide and a beamsplitter which use the dipole force and a concave mirror which uses the magnetic force. These elements have been tested with a cold atoms 87-Rb cloud at a temperature of 10 mK in an optical molasses. The guide is realized with a far red-detuned Nd:YAG laser beam which creates a 2-D dipole trap. When the atomic cloud is released from the optical molasses, it falls due to gravity and due to the dipole guide the atoms remain localised inside the guiding laser beam. The guide efficiency is about 40% over a distance of 30 cm. Furthermore, as the laser beam is focused an adiabatic compression of the cloud occurs, and in a defocusing region of the laser beam, its adiabatic cooling is observed to 2 mK, corresponding to a factor 5 between the temperature of the cloud in the molasses [1]. The results are numerically interpreted, by using a Monte Carlo statistic method. We have observed in the guide experiment and have demonstrated by calcu1ation that if the atoms enter in the guide with a kinetic moment and if the guide is pulsed, we generate a doughnut clouds. The beamsplitter uses two crossing dipole guides: one is along the vertical axis et the other along an oblique direction making a 0. 12 radian angle with the vertical. The atoms are first guided in the vertical one. When they have travelled a few millimeters the second guide is suddenly switched on. The created coupling at the crossing point of the two guides allows an atom transfer from the vertical to the oblique direction. The observation, 10 mm below the initial trap position, shows a cloud splitting ranging a few millimeters. The measured transfer efficiency is about 30% [2]. We have demonstrated numerically that time control of the switching time of the oblique guide could permit to increase a larger beamsplitter efficiency. The concave mirror uses a pulsed magnetic quadrupole field, applied when the atoms are fallen a few millimeters. We have clearly observed two bounces. The magnetic potential is curved and the atoms bounce and simultaneously are refocused [3]. Nevertheless, this mirror is not perfect and presents some aberrations. We have shown by using a Monte Carlo statistic method that an addition time orbiting magnetic field would significant1y reduce the aberrations of the mirror. [1] L. Provost, D. Marescaux, O. Houde, H. T. Duong, Opt. Comm. 166 (1999) 199. [2] O. Houde, D. Kadio, L. Pruvost, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5543. [3] D. Kadio, O. Houde, L. Provost, Euro. Phys. Lett. 54 (2001) 417.