Manipulation of cold atoms using confined optical fields : theory and numerical simulation.
Manipulation d'atomes froids par champs optiques confinés : théorie et simulation numérique
Résumé
This work concerns the interaction between neutral atoms and electromagnetic fields through dipolar interaction. The optical field is structured on a subwavelength scale, and is obtained by coupling a Fresnel evanescent wave with nanostructures deposited on a glass surface. The first part of this thesis presents a theoritical study of an atomic diffraction experiment using a nanostructured atomic mirror. The modulation of the potential arises from the interaction of the evanescent wave with a dielectric, subwavelength grating. At first, the main features of this method are explained through an analytical calculation based on several approximations about the optical-field structure and the internal atomic structure. The thesis is then completed with a numerical study which allows us to take into account all the complexity of this problem. The second part concerns the near-field structure of the light confined by a set of coupled resonant rings. These nanostructures, when excited near a resonance by an evanescent gaussian beam, increase the intensity and the gradient of the light by several hundred. The motivation is to find a configuration allowing the concentration or focusing of an atomic beam for applications in nanolithography. This study combines two methods. The first is a precise calculation of the optical field with an ab initio algorithm based on Green's dyadic functions, the second is a simple analytic model describing the modal behaviour of these stuctures with respect to their geometrical characteristics.
Ce travail porte sur l'interaction dipolaire d'atomes neutres avec un rayonnement électromagnétique structuré sur une échelle plus petite que la longueur d'onde de la lumière. Ces champs optiques sont obtenus par interaction d'une onde évanescente de Fresnel avec des nanostructures diélectriques à haut indice de réfraction déposées à la surface d'un prisme. Deux thèmes sont abordés. Le premier concerne l'étude, d'un point de vue théorique, d'une expérience de diffraction d'atomes neutres par un miroir atomique nanostructuré. La modulation du potentiel provient de l'interaction de l'onde évanescente avec un réseau matériel périodique sub-longueur d'onde. Dans un premier temps, les spécificités de cette méthode de diffraction sont dégagées par un calcul analytique reposant sur plusieurs approximations concernant la structure du champ optique et la structure interne atomique. Elle est ensuite complétée d'une étude numérique qui permet de prendre en compte toute la complexité du problème. Le deuxième thème est une étude du comportement en champ proche de cavités résonantes constituées d'ensembles d'anneaux diélectriques couplés. Ces nanostructures, adressées par un faisceau gaussien évanescent, amplifient à la résonance l'intensité et le gradient du champ électrique d'un facteur de plusieurs centaines. L'objectif est de trouver une configuration permettant la concentration ou la focalisation transversale d'un faisceau d'atomes en vue d'applications en nanolithographie. Cette étude est effectuée en couplant une méthode ab-initio permettant un calcul précis du champ rayonné dans tout l'espace à un modèle analytique simplifié décrivant le comportement modal de ces structures en fonction de leurs caractéristiques géométriques.
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