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Université Paris Sud - Paris XI (06/12/2006), Alain Aspect (Dir.)
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ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS DE PROPAGATION
D'UN LASER À ATOMES
Jean-Félix Riou1

Ce manuscrit présente différents aspects expérimentaux et théoriques concernant un système
propre à l'optique atomique : le laser à atomes. Dans notre expérience, celui-ci est issu
d'un condensat de Bose-Einstein de Rubidium 87. Aussi, dans un premier temps, nous détaillons
les différentes techniques de refroidissement que nous mettons en oeuvre pour obtenir
cette source atomique cohérente dans un piège ferromagnétique hybride.
Les lasers à atomes que nous réalisons sont extraits du nuage condensé par radiofréquence,
et se propagent verticalement sous l'effet de la gravité. Une spécificité de notre expérience
réside dans le fort confinement magnétique utilisé, ce qui a pour conséquence de rendre importantes
les interactions collisionnelles entre le laser et le condensat-source. Nous montrons
que ceci a une influence, non seulement sur la dynamique de couplage du laser, mais aussi sur
sa propagation. Nous observons en effet une structure transverse du faisceau laser contenant
des caustiques. En utilisant des méthodes initialement développées pour l'optique photonique
(approximation iconale, intégrale de Fresnel-Kirchhoff, matrices ABCD), nous calculons la
fonction d'onde du laser à atomes. De plus, nous caractérisons la propagation de l'onde de
matière dans le régime paraxial à l'aide du facteur de qualité M2.
Enfin, nous rapportons la réalisation d'un laser à atomes guidé par un potentiel optique
horizontal, ce qui nous permet d'annuler l'accélération due à la gravité de telle façon à ce
que la longueur d'onde de De Broglie reste constante tout au long de la propagation.
1:  LCFIO - Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique
lcf-oa
Laser à atomes – Condensat de Bose-Einstein – Onde de matière – Iconale – Propagateur – Matrice ABCD – Facteur de qualité M2 – Guide optique

STUDY ON PROPAGATION PROPERTIES OF AN ATOM LASER
This manuscript presents various experimental and theoretical aspects concerning a specific
system of atom optics : the atom laser. In our experiment, this one results from a
Bose-Einstein condensate of rubidium 87 and we thus initially detail the various cooling
techniques used to obtain this coherent atomic source in a hybrid ferromagnetic trap.
The atom lasers we produce are extracted from the condensed cloud by radiofrequency,
and propagate vertically under the effect of gravity. One specificity of our setup lies in the
strong magnetic confinement used, which results in non negligible collisional interactions between
the laser and the condensed source. We show that this has an influence, not only on the
atom laser coupling dynamics, but also on its propagation. We indeed observe a transverse
structure containing caustics on the laser beam. By using methods initially developed for
photonic optics (eikonal approximation, Fresnel-Kirchhoff integral, ABCD matrices), we calculate
the atom laser wavefunction. Moreover, we characterize the matter wave propagation
in the paraxial regime by using the beam quality factor M2.
We finally report the realization of an atom laser, guided by a horizontal optical potential,
which enables us to cancel the acceleration due to gravity in such way, that the De Broglie
wavelength remains constant throughout propagation.
Atom laser – Bose-Einstein condensate – Matterwave – Eikonal – Propagator – ABCD Matrix – Beam quality factor M2 – Optical waveguide

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