Modes de Laguerre-Gauss et canalisation d’atomes froids

Laguerre-Gaussian modes of light and channeling of cold atoms

• Auteur / Autrice : Naty Citlali Cabrera Gutiérrez
• Direction : Laurence Pruvost
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Aimé Cotton (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Michèle Leduc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Leduc, Alberto Bramati, François Hache, Patrice Hello, Peter Rosenbusch, Yvan Sortais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Bramati, François Hache

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moment angulaire

Atomes froids

Mots clés libres

Modes de Laguerre-Gauss

Atomes froids

Canalisation

Guidage

MOT-2D

Détection

Laguerre-Gaussian modes

Cold atoms

Channeling

Guiding

2D-MOT

Detection

Résumé

Les modes de Laguerre-Gauss sont une des solutions de l’équation de propagation de la lumière dans l’approximation paraxiale en coordonnées cylindriques. Ces modes sont caractérisés par deux indices (azimutal et radial) et présentent des propriétés particulières : une structure en forme d’anneau et une phase en hélice. Ces propriétés ont été mises au profit pour plusieurs applications allant de la microscopie à l’astronomie. Cette thèse a été dédiée à l’étude de ces modes et à leur application dans le domaine des atomes froids. Dans un premier temps, la pureté des modes fabriqués par la méthode d’holographie numérique a été étudiée, ainsi que le rôle que la pureté joue dans leur propagation. Ces modes ont été ensuite utilisés pour l’obtention une source d’atomes froids brillante. Depuis plus de 20 ans, des efforts considérables ont été faits pour obtenir des sources d’atomes froids les plus brillantes et les plus compactes possibles. Un piège magnéto-optique à deux dimensions (2D-MOT) est couramment utilisé pour obtenir une source continue d’atomes froids avec un flux important de l’ordre de 1010 atomes/s. Toutefois, le jet atomique ainsi obtenu présente une divergence d’environ 40 mrad ce qui contraint l’utilisateur à travailler près de la sortie mais avec un accès optique limité ou bien loin où il a un bon accès optique mais au prix d’une densité atomique plus faible. Une alternative est présentée, dans laquelle un mode de Laguerre-Gauss est utilisé pour canaliser les atomes à la sortie d’un 2D-MOT. Le mode de Laguerre-Gauss réalise un piégeage dipolaire qui confine les atomes sont le centre noir du mode, ce qui présente l’intérêt de limiter le chauffage dû à l’absorption/émission de la lumière. Ainsi, puisque les modes de Laguerre-Gauss gardent leur forme au cours de leur propagation, les atomes sont canalisés sur une distance de plusieurs décimètres. Nous avons étudié le fonctionnement de ce système pour différents ordres du mode de Laguerre-Gauss et différentes fréquences, et nous avons montré que ce système est efficace et permet d’atteindre un gain en densité d’un facteur 200 par rapport au cas d’un 2D-MOT conventionnel. Un cas particulier est aussi présenté, dans lequel la fréquence du mode de Laguerre-Gauss est choisie pour effectuer non seulement la canalisation des atomes mais aussi leur repompage, ce qui conduit à une simplification importante du système. D’un autre côté, les modes de Laguerre-Gauss sont d’un grand intérêt dans le domaine de l’information et la cryptographie quantique car ils peuvent être utilisés pour encoder et enregistrer l’information. Pour cela, il est indispensable de pouvoir les détecter de façon non-équivoque. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la détermination de ces modes. Jusqu’à maintenant, les techniques de détection ont permis de mesurer l’indice azimutal mais peu d’entre elles mesurent l’indice radial. Si on est capable de mesurer aussi l’indice radial, il peut être utilisé comme une nouvelle variable pour le codage et l’enregistrement de l’information. Sous cette motivation, une technique basée sur la transformation du mode de Laguerre-Gauss par un système astigmatique a été mise au point pour déterminer les deux indices qui le caractérisent. Nous avons montré que cette technique peut aussi être utilisée pour optimiser expérimentalement la fabrication des modes de Laguerre-Gauss d’ordre élevé les plus purs possibles.

Laguerre-Gaussian modes of light are one of the solutions to the propagation equation of light in the paraxial approximation in cylindrical coordinates. These modes are characterized by two indices (azimuthal and radial) and present particular properties: ring-shaped structure and a helical phase. These properties have been put to use in several applications going from microscopy to astronomy. This work has been devoted to the study of these modes and their application in the cold atom domain. Initially, the purity of such modes generated by numerical holography was studied, as well as the role played by the purity in their propagation. These modes were then used to obtain a bright source of cold atoms. For more than 20 years, considerable efforts have been made to create sources of cold atoms as bright and compact as possible. A two dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) is currently used to obtain a continuous source of cold atoms with high flux of the order of 1010 atomes/s. Nevertheless, the source of cold atoms thereby achieved show a divergence of about 40 mrad which constrains the user to work by output but with a limited optical access or far from the output but at the cost of lower density. An alternative is presented, in which a Laguerre-Gaussian mode of light is used to channel the atoms at the output of a 2D-MOT. The Laguerre-Gaussian mode of light carries out a dipole trapping that confines the atoms in the black center of the mode, which has the advantage of limiting the heating due to absorption/emission of light. Thus, since the Laguerre-Gaussian modes of light keep their ring-shape along their propagation, the atoms are channeled over a distance of several decimeters. We studied the functioning of this system for different orders of the Laguerre-Gaussian mode and at different frequencies, and we showed that this system is efficient and allows to achieve a density gain of a factor 200 compared to a conventional 2D-MOT. A particular case is also presented, in which the frequency of the Laguerre-Gaussian mode of light is chosen to carry out not only the channeling of the atoms, but also their repumping, which leads to an important simplification of the system. Laguerre-Gaussian modes of light are also of great interest in the domain of quantum information and quantum cryptography because they can be used to encode and store information. In order to do that, it is crucial to be able to detect them in an unequivocal way. In this context, we are interested in the determination of these modes. Until now, different detection techniques have measured the azimuthal index, but few of them have been able to measure the radial index. If we are able to measure the radial index, it can be used as a new variable to encode and store information. Under this motivation, a technique based on the transformation of a Laguerre-Gaussian mode of light by an astigmatic system has been extended to determine the two indices characterizing them. We showed that this technique can also be used to experimentally optimize the generation of the purest possible Laguerre-Gaussian modes of high order.