Soutenance de thèse de Mathieu COLLOMBON

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Laser stabilisé en fréquence,Peigne de fréquence,Asservissement de phase,Spectroscopie atomique haute résolution,piégeage cohérent de population,Ions piégés
Keywords
Frequency stabilized laser,High resolution atomic spectroscopie,Phase lock,Coherent population trapping,
Titre de thèse
Résonance noire à trois photons sur un nuage d'ions Calcium confinés.
Three-photon dark resonance in a cloud of confined Calcium ions
Date
Vendredi 8 février 2019 à 11:00
Adresse
52 Avenue Escadrille Normandie Niemen, 13013 Marseille
Salle des thèses
Jury
CoDirecteur de these Mme Martina KNOOP Aix-Marseille Université - CNRS - Laboratoire PIIM
Rapporteur M. Noël DIMARCQ Observatoire de la cote d'azur
Rapporteur M. Thomas ZANON-WILLETTE Université Pierre et Marie Curie - Laboratoire LERMA
CoDirecteur de these M. Gaëtan HAGEL Aix-Marseille université - Laboratoire PIIM
Examinateur Mme Saïda GUELLATI-KHéLIFA Université Pierre et Marie Curie - Laboratoire LKB
Examinateur Mme Anne AMY-KLEIN Université Paris 13, Laboratoire de Physique des Lasers

Résumé de la thèse

Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nu- age d’ions Calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10 −14 à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca + . Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de dif- férents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable.

Thesis resume

The work presented in this thesis describes the complete experimental set-up and approach to realize three-photon coherent population trapping in a cloud of radiofrequency confined Calcium ions. The realization of such a population trapping relies on a stringent conditions of the phase relationship between the three lasers involved in the interrogation process, and also their spec- tral linewidths. Our experimental approach is based on the optimization of the performance of a frequency-stabilized titanium-sapphire laser at 411 THz (729nm) at the 10 −14 level, in term of relative frequency uncertainties. This laser’s frequency stability is subsequently transfered to a optical frequency comb by means of a phase-locked loop. Then the two other lasers involved (866 nm and 794 nm) are phase-locked to the optical frequency comb with the same technique. This work describes the transfer method along with its measured performances. With all the three lasers sharing the same ultra-stable frequency reference we have been able to experimentally observe for the first time a 3-photon dark resonance in the fluorescence spectra of the 40 Ca + , signature of a coherent population trapping in a 3-photon scheme. The dependence of this res- onance at experimental parameters, such as laser powers, laser detunings and local magnetic field, have been studied and are presented in this work. The preliminary results have allowed to explain the behaviour of the dark resonance and explored conditions for the use of the 3-photon dark line as a THz frequency standard