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Composition du jury : C. Imbert,Président J. Dalibard, Rapporteur J. Mlynek, Rapporteur K. M\o lmer, Rapporteur C. Bordé, Examinateur J.-J. Greffet, Examinateur R. Kaiser, Examinateur A. Aspect, Directeur de thèse; An evanescent light wave may realize an atomic mirror provided the atoms are incident with a sufficiently small kinetic energy. In the low-saturation regime, the atoms are coherently reflected by a repulsive potential barrier, (\em viz.\ )the dipole potential. We characterize the reflection quantum-mechanically, using an exact solution of the (\sc Schrödinger) equation. The theory of atomic diffraction by a stationary evanescent wave is developed. Introducing the thin phase grating approximation which is valid in the semiclassical regime, we show that normally incident atoms are efficiently diffracted even for a weakly modulated light intensity. At grazing incidence, atomic diffraction may be interpreted in terms of (\sc Raman) transitions between magnetic sublevels with different light shifts. The atomic reflection is diffuse rather than specular if the dielectric above which the evanescent wave propagates has a surface roughness larger than the atomic wavelength. The momentum distribution of the scattered atoms gives access to the roughness power spectrum at a length scale around the optical wavelength.; Une onde évanescente lumineuse permet de réaliser un miroir à atomes, à condition que ceux-ci soient incidents avec une énergie cinétique suffisamment faible. Dans le régime de faible saturation, les atomes sont réfléchis de façon cohérente par un potentiel répulsif, le potentiel dipolaire. Nous caractérisons la réflexion d'un point de vue quantique, moyennant une solution analytique de l'équation de (\sc Schrödinger). La théorie de la diffraction d'atomes par une onde évanescente stationnaire est développée. Nous introduisons l'approximation du réseau de phase mince, valable dans le régime semi-classique, qui montre qu'en incidence normale la diffraction est efficace pour une faible modulation spatiale de l'intensité lumineuse. Pour interpréter la diffraction d'atomes en incidence rasante, il faut prendre en compte des transitions (\sc Raman) stimulées entre les sous-niveaux magnétiques. La réflexion atomique devient diffuse lorsque la rugosité de la surface du diélectrique, au-dessus de laquelle se propage l'onde évanescente, dépasse la longueur d'onde atomique incidente. La distribution angulaire des atomes diffusés donne accès à la densité spectrale de rugosité pour des échelles spatiales autour de la longueur d'onde lumineuse.

This thesis presents new experimental and theoretical approaches of laser cooling by dark resonances. The recoil energy is the kinetic energy communicated to an atom initially at rest by the absorption or by the emission of a single photon. This important milestone in laser cooling has been overcome for the first time in 1988 by the method of velocity selective dark resonances. This work deals with extensions of this method to the long interaction time regime and to several dimensions. The new experimental setup is based on the development of a laser trap of ultracold metastable helium atoms. The atoms are released in free fall and their small velocities allow the interaction time to be increased by 2 orders of magnitude. Stray magnetic fields are compensated to one milligauss by mechanical Hanle effect experiments. The first experiments with this new setup reached one fortieth of the recoil energy (100 nanokelvins) in one dimension. The recoil limit has been passed for the first time in two dimensions, reaching one twentieth of the recoil energy, i e. 200 nanokelvins. Theoretically, a new type of quantum Monte-Carlo simulations much more efficient than the resolution of optical Bloch equations. The long interaction time behaviour has been explored. These simulations suggested another new approach, based on the Lévy statistics recently introduced to study anomalous diffusion. With this approach, we proved a conjecture predicting a decrease of the temperature as the inverse of the interaction time. We also give new analytical results, for example about the proportion of cooled atoms or about the role of dimensionality., Ce mémoire présente de nouvelles approches expérimentales et théoriques du refroidissement laser sub-recul par résonances noires. L'énergie de recul est l'énergie cinétique communiquée à un atome initialement immobile par l'absorption ou l'émission d'un seul photon. C'est une échelle importante dans le refroidissement d'atomes par laser, franchie pour la première fois en 1988, sur un jet d'hélium métastable, grâce à la méthode des résonances noires sélectives en vitesse. Ce travail porte sur les développements de cette méthode, d'une part dans le régime des temps longs, d'autre part à plusieurs dimensions. Le nouveau schéma expérimental repose sur la réalisation d'un piège laser d'atomes d'hélium métastables ultrafroids, à partir duquel on lâche en chute libre le nuage d'atomes piégés, dont les vitesses autorisent des temps d'interaction accrus par deux ordres de grandeur. Les champs magnétiques ont été compensés à un milligauss près par des expériences d'effet Hanle mécanique. Les premières expériences effectuées avec le nouveau dispositif ont permis d'atteindre un quarantième de l'énergie de recul (100 nanokelvins) à une dimension. La limite du recul à deux dimensions a pu être franchie pour la première fois (un vingtième de l'énergie du recul, soit 200 nanokelvins) Sur le plan théorique, on a développé un nouveau type de simulations Monte-Carlo quantiques beaucoup plus efficaces que la résolution des équations de Bloch optiques On a pu explorer ainsi le régime des temps longs. Ces simulations ont suggéré une approche statistique complètement nouvelle du problème, basée sur les statistiques de Lévy récemment introduites pour étudier la diffusion anormale. Cette approche a permis de confirmer une conjecture prédisant une décroissance de la température atteinte comme l'inverse du temps d'interaction. Elle fournit également des résultats analytiques nouveaux, par exemple sur la proportion d'atomes refroidis ou sur le rôle de la dimensionnalité.

This dissertation presents the study of the cooling of atoms in the presence of a small transverse magnetic field (magnetically assisted Sisyphus effect) on a J = 1 → J' = 1 transition. The first part is dedicated to the optimization of a supersonic metastable helium beam that we used for our cooling experiments. The optimization of the beam in the purpose of trapping atoms in a magneto-optical trap is also described. The second part deals with the magnetically assisted Sisyphus effect on metastable helium. After a qualitative discussion on the magnetically assisted Sisyphus effect, we present experimental results supported by detailled theoretical calculations., Ce mémoire présente l'étude du refroidissement d'atomes par laser en présence d'un champ magnétique transverse faible (effet Sisyphe magnétique) sur une transition J = 1 → J' = 1. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation d'un jet supersonique d'hélium métastable sur lequel nous avons effectué nos expériences de refroidissement laser. L'optimisation du jet en vue de piéger les atomes dans un piège magnéto-optique est aussi décrite. La deuxième partie consiste en une description de l'effet Sisyphe magnétique sur l'hélium métastable. Après une présentation qualitative du mécanisme mettant en jeu l'effet Sisyphe magnétique, nous discutons les résultats expérimentaux à la lumière de calculs théoriques détaillés.

Ce mémoire présente quelques expériences de refroidissement radiatif transverse d'un jet d'hélium 4 métastable sur la transition 23S → 2 3P . Une première partie est consacrée à la description du laser à solide (LNA), en anneau, monomode et asservi sur la raie atomique à 1.083 micron de l'hélium, qui a été construit pour ces expériences. La seconde partie décrit quelques expériences de refroidissement radiatif transverse d'un jet d'hélium métastable qui ont été réalisées avec ce laser ; on y présente en particulier une expérience utilisant un piégeage cohérent de population ("résonance noire") sélectif en vitesse, qui a permis d'atteindre une température à une dimension de 2 microKelvins, inférieure à l'énergie de recul d'un seul photon.

Jury : C. Imbert, A. Aspect, J. Bauche, C. Cohen-Tannoudji, H. Doucet, S. Reynaud, R. J. Glauber; This thesis describes several experiments, in which the quantization of the electromagnetic fiels plays a crucial role to describe theoretically and to understand physically the observed phenomena. In particular, the need for a quantum approach appears by evidencing a quantum state of the field where a single quantum is excited (single photon Fock state). A single photon state can be characterized by using two photomultipliers on both sides of a beamsplitter : the probability for two photodetections within a time w has to be much smaller than the product of probabilities for single detections during the same time. This "non-classical" property, that we call "anticorrelation", is demonstrated by using a radiative cascade in Calcium, and fast photon counting techniques. Then we present an interference experiment, using the same light as the one exhibiting the anticorrelation effect. With a Mach-Zehnder interferometer adjusted close to zero path difference, the visibility of the interference fringes has been measured to be larger than 98%, in excellent agreement with the value expected from the interferometer design. Finally we present two other experiments, also illustrating the general idea of single photon interferences : a quantum beat experiment in a continuously excited radiative cascade, and an interference effect in the fluorescence of two atoms, obtained by photodissociating a Ca2 molecule with a short laser pulse.; Ce mémoire décrit plusieurs expériences pour lesquelles la quantification du champ électromagnétique joue un rôle essentiel dans la description théorique et la compréhension physique des phénomènes observés. En particulier, la nécessité de cette quantification apparaît à travers la mise en évidence d'un état d'un champ très proche d'un état de Fock, dans lequel un seul quantum est excité (état à un seul photon). Un état à un seul photon peut être caractérisé en utilisant deux photomultiplicateurs placés de part et d'autre d'une lame semi-réfléchissante : la probabilité d'observer deux photodétections pendant un temps w doit être beaucoup plus petite que le produit des probabilités de photodétections simples pendant le même temps. Cette propriété "non-classique", que nous désignons par le terme d'anticorrélation, est mise en évidence expérimentalement pour une cascade radiative du Calcium, en utilisant des techniques de comptages rapides. Nous avons ensuite réalisé une expérience d'interférences, avec la lumière ayant permis d'observer l'effet d'anticorrélation. En utilisant un interféromètre de Mach-Zehnder réglé au voisinage de la teinte plate, le contraste mesuré des franges d'interférences a été supérieur à 98%, en parfait accord avec les performances calculées de l'interféromètre. Nous présentons enfin deux autres expériences, qui illustrent de façon plus générale la notion d'interférence à un photon : une expérience de battements quantiques dans une cascade radiative excitée de façon continue, et un effet d'interférence apparaissant dans la fluorescence d'un système de deux atomes, obtenus par photodissociation d'une molécule Ca2 par une impulsion laser.