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Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (03/04/2012), M. Frédéric Chevy (Dir.)
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Une nouvelle source laser à état solide pour les atomes de lithium et pertes à trois corps dans le gaz de Bose unitaire
Ulrich Eismann1

Dans cette thèse, nous présentons des nouvelles techniques et leur application dans l'étude des gaz d'atomes de lithium ultrafroids. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons le développement d'une nouvelle source laser de faible largeur spectrale, capable d'émettre 840mW de puissance dans la gamme des longeurs d'ondes des raies D du lithium atomique à 671nm. La source est basée sur un laser en anneau pompé par diode, capable de produire 1.3W de lumière à 1342nm monomode. Le faisceau de sortie est ensuite doublé en fréquence dans un cristal de phosphate de potassium titanyl (ppKTP) périodiquement polarisé dans une cavité externe. Nous obtenons un rendement du doublage de 86%. Une accordabilité de la fréquence de sortie sur plus de 400GHz et le verrouillage de l'ensemble des cavités par rapport aux raies du lithium sont accomplis. Nous avons mesuré la largeur de raie d'émission à 200+-400kHz. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous employons la source sur un dispositif expérimental pour refroidir et piéger des atomes de lithium. Nous réalisons des echantillons du gaz de Bose unitaire à température finie au voisinage d'une résonance de Fano-Feshbach. Nous présentons des mesures du taux de pertes à trois corps en fonction de la température. Les pertes mésurées atteignent la valeur limite imposée par la mécanique quantique sans aucun paramètre ajustable. Cette mesure permet l'introduction d'un critère de quasi-équilibre. Dans ce régime, en utilisant une technique basée sur l'imagerie in-situ développée dans notre groupe, nous fournissons une première mesure de l'équation d'état du gaz de Bose unitaire à basse fugacité.
1:  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
Refroidissement d'atomes par laser – Lasers à état solide pompés par diode – Doublage de fréquence – Gaz de Bose unitaire – Pertes à trois corps – Thermodynamique

A novel all-solid-state laser source for lithium atoms and three-body recombination in the unitary Bose gas
In this thesis we present novel techniques for the study of ultracold gases of lithium atoms. In the first part of this thesis, we present the development of a narrow-linewidth laser source emitting 840mW of output power in the vicinity of the lithium D-line resonances at 671 nm. The source is based on a diode-end-pumped unidirectional ring laser operating on the 1342-nm transition in Nd:YVO4, capable of producing 1.3W of single-mode light delivered in a diffraction-limited beam. The output beam is subsequently frequency-doubled using periodically-poled potassium titanyl phosphate (ppKTP) in an external buildup cavity. We obtain doubling efficiencies of up to 86%. Tunability of the output frequency over more than 400GHz and frequency-locking of the cavity ensemble with respect to the lithium D-line transitions are accomplished. We measure the linewidth to be 200+400-200kHz. In the second part of this thesis, we employ the source in an experimental setup to produce to cool and trap lithium atoms. We realize samples of finite-temperature unitary Bose gases around the center of a Fano-Feshbach resonance, where interactions between the atoms are maximized. We present temperature-dependent measurements of the unitarity-limited three-body loss rate. The measured losses attain the limiting value imposed by quantum mechanics without adjustable parameters. This measurement allows for the introduction of a criterion for quasi-equilibrium. In this regime, by using technique based on in-situ imaging developed in our group, we provide a first measurement of the equation of state of the unitary Bose gas at low fugacities.
Laser cooling of atoms – Diode-pumped solid state lasers – Frequency doubling – Unitary Bose gas – Three-body loss – Thermodynamics