Cette thèse s’intéresse à la génération d’états atomiques compressés par la mesure. La mesure consi- dérée est de type quantique non-destructive, et profite de la surtension d‘un résonateur optique de grande finesse. L’interférométrie atomique a démontré des performances inégalées pour la mesure de rotations, d’ac- célérations et du temps. Mais la sensibilité de ces appareils est aujourd’hui limitée par le bruit de gre- naille, qui ne pourra être dépassé que par l’utilisation d’états non-classiques. Dans ce contexte, nous avons développé un appareil contenant une cavité optique de haute-finesse résonante à 1560 nm et à 780 nm. La lumière laser à 1560 nm qui est injectée dans la cavité génère un piège dipolaire où des atomes de 87Rb sont chargés à partir d’un piège magnéto-optique. Le temps de vie de ces atomes dans le piège dipolaire est limité par les collisions avec le gaz résiduel, ce qui donne bon espoir pour l’implémentation d’une évaporation. Les concepts de mesure QND sont ensuite mis en place et un formalisme de fonction d’onde décrivant la dynamique de compression d’états est discuté et appliqué à des situations concrètes. Expérimentalement, cette mesure non-destructive réalisée à 780 nm a été implémentée grâce à une technique de modulation de fréquence particulièrement insensible aux bruits classiques. L’influence de cette sonde sur le système a été quantifiée en simple passage et cet outil a permis de suivre en temps réel l’état d’un interféromètre atomique. En outre, un laser Raman de faible largeur de raie est présenté. Ce laser qui utilise les atomes froids comme milieu à gain serait particulièrement adapté pour réaliser des mesures spectroscopiques de précision.

Abstract :

This thesis investigates the generation of atomic spin-squeezed states by quantum non-demolition (QND) measurements in a high-finesse optical cavity. Cold atom interferometry has demonstrated state of the art performance for the measurement of tiny rotations, accelerations and time. The sensitivity of atom interferometers has already reached the atomic shot noise level, a limit that could be overcome by the use of non-classical atomic states. In this context, we developed a crossed high-finesse cavity resonating both at 1560 nm and 780 nm. Laser light at 1560 nm injected in the cavity generates a far off resonance optical dipole trap where 87Rb cold atoms are loaded from a magneto-optical trap. The lifetime of the atoms in this dipole trap is limited by the residual background collisions, indicating that further evaporation process should be effective. The concepts of QND measurement are introduced and a wavefunction formalism that describes the spin-squeezing dynamics of the atomic state is discussed. This formalism is applied to practical measurement apparatus that are the Mach-Zehnder interferometer and the heterodyne detection. Experimentally, this non-destructive measurement was implemented at 780 nm in a frequency mo- dulation scheme strongly immune to noise. The influence of this non-demolition probe on the atomic sample has been characterized in single pass and this tool has been applied to follow in real time the state of atomic interferometers. In addition to this work, a narrow linewidth Raman laser suitable for high precision spectroscopy was implemented with cold atoms as the gain medium.