Imaging and manipulating cold atoms through a multimode optical fiber

Cold atoms experiments became considerably more complex in the past years, inparticular those where neutral atoms are coupled to other quantum systems, suchas the field inside a cavity, a nanoresonator or superconducting circuits. Thisrequires introducing various devices next to the atoms, and reduces the opticalaccess available to image and manipulate them. Adding a high-resolution opticalsystem, bulky and close to the atoms, can then raise uneasy questions of spatialconstraints. A multimode fiber is a flexible waveguide with a small transversesize and a relatively high numerical aperture, and constitutes a space-savingoptical system well suited for uses in places difficult to reach. Wavefrontshaping technologies, with in particular the development of liquid crystaldisplays and digital micro-mirror matrices, have made possible to shape a beamand to reconstruct an image through a multimode fiber, creating interestingperspectives for biomedical imaging applications. This thesis proposes a firstexperimental exploration of the opportunities offered by the transfer of thesetechniques to the field of cold atoms manipulation and imaging. We demonstratethe ability to shape a beam through a multimode optical fiber, allowing us tomanipulate atoms with a dipole trap, and slow them down with Doppler cooling. Wecan also detect the atomic cloud through the fiber by absorption or fluorescenceimaging, provided that the transmission matrix is measured beforehand. Using afiber with a diameter of $SI{230}{um}$, we reach a microscopic resolution,limited by diffraction. Many approaches could be explored to improve thesystem's stability and ease the characterization of the multimode fiber,providing an advantageous substitute for a microscope objective.
Les expériences de manipulation d'atomes froids se sont considérablementcomplexifiées au cours des dernières années, avec en particulier l'objectif decoupler des atomes neutres à d'autres systèmes quantiques, comme le champ àl'intérieur d'une cavité, un nanorésonateur, ou encore des circuitssupraconducteurs. Cela nécessite d'introduire des dispositifs variés à proximitédes atomes, et a forcément pour conséquence de limiter l'accès optiqueutilisable pour les manipuler et les observer. Il peut être dès lors délicatd'inclure également un système optique de haute résolution, volumineux et situéprès des atomes, pour des questions d'encombrement spatial. Une fibre multimodeest un guide d'onde flexible de faible dimension transverse qui présente unerelativement haute ouverture numérique, et constitue ainsi un système optiquepeu encombrant qui peut être installé à des endroits difficilement accessibles.Les technologies de modulation de front d'onde, avec en particulier ledéveloppement des écrans à cristaux liquides et des matrices de micro-miroirs,ont rendu possibles la reconstruction d'une image et la mise en forme d'unfaisceau à travers une fibre multimode, et des applications en imageriebiomédicale sont activement étudiées. Cette thèse propose une premièreexploration expérimentale des perspectives offertes par le transfert de cestechniques au domaine de l'imagerie et de la manipulation d'atomes froids. Nousdémontrons la capacité de mettre en forme un faisceau à travers une fibreoptique multimode ce qui nous permet de manipuler les atomes par piégeagedipolaire, ou encore de les ralentir par refroidissement Doppler. Il estégalement possible de détecter le nuage atomique par absorption ou parfluorescence à travers la fibre, à condition de mesurer au préalable sa matricede transmission. Avec une fibre de $SI{230}{um}$ de diamètre, nous atteignonsainsi une résolution microscopique, limitée par la diffraction. De trèsnombreuses voies restent à explorer pour améliorer la stabilité du système etfaciliter la caractérisation de la fibre multimode, qui pourrait alors êtreavantageusement substituée à un objectif de microscope.