Toward Cold Atom Guidance in a Hollow-Core Photonic Crystal Fibre Using a Blue Detuned Hollow Laser Beam

Cette thèse décrit les progrès et techniques réalisées pour obtenir un couplage efficace d'atomes froids 85Rb dans une fibre optique en cristaux photonique à coeur vide et utilisant un guidage atomique à l'aide d'un faisceau laser creux de premier ordre décalé en fréquence vers le bleu. Dans le système proposé, la faible diffraction de ce faisceau de premier ordre lui permet d'agir comme un entonnoir optique à potentiel répulsif servant à guider les atomes froids,avec l'aide de la gravité, dans le coeur de la fibre optique. L'utilisation d'une fibre optique à faible perte, plutôt qu'un capillaire permet de développer le potentiel de guider les atomes sur une trajectoire arbitraire et des distances à l'échelle du laboratoire. Ceci permettrait ainsi plusieurs nouvelles applications en nanofabrication et en métrologie optique. Pour réaliser cet objectif, un piège Magnéto-Optique de 85Rb a été bâtit de zéro et en utilisant les techniques les plus avancées de refroidissement laser par gradient de polarisation a permis d'atteindre régulièrement des températures de 9K dans une mélasse optique contenant 10 7 atomes. Ces atomes froids furent guidés au-delà de 23 cm dans un faisceau creux collimé et décalé vers le bleu et au travers de ce faisceau focalisé de manière à reproduire les conditions d'entrée dans une fibre optique tout en permettant une observation précise des dynamiques de couplage. Trois classes d'atomes furent observées : perdus, piégés et guidés. Les dynamiques de ce système ainsi que les conditions optimales de couplage ont été identifiés grâce au modèle physique numérique ayant été développée. Une nouvelle approche au problème de la modélisation de la dynamique des atomes froids dans l'entonnoir optique a été développée au cours de cette thèse. Ce nouveau modèle a permis de reproduire la dynamique des atomes observés dans l'expérience mais a aussi pu être appliqué dans la simulation d'atomes froids dans le piège Magnéto-Optique et à la prédiction des températures atteintes dans diverses conditions expérimentales. Ceci a été réalisé grâce à la modélisation 3D des composantes conservatives and non-conservatives des forces optiques agissant sur les atomes. L'implémentation des mécanismes d'échauffement connu des atomes :la diffusion de lumière et de leur quantité de mouvement, fût aussi cruciale à cette fin. Ce modèle nous a aidé à identifier les meilleures conditions de couplage dans ce système,corroboré par l'expérience, et qu'il existait un potentiel optique optimal, pour une distance de couplage déterminé, qu'il ne fallait pas dépasser. Un faisceau LG01, monomode et de haute pureté fût généré avec une efficacité supérieure à 50% en utilisant un hologramme à valeurs complexes généré par ordinateur et rendu grâce à un modulateur de phase spatiale à base de cristaux liquides.

Abstract

This thesis describes advances and techniques toward the efficient coupling of cold 85Rb atoms into a low loss hollow core photonic crystal fibre using a blue-detuned first order hollow beam. In the proposed system, the low diffraction of the blue-detuned first order hollow beam acts as a repulsive potential optical funnel that allows the coupling of cold atoms under the influence of gravity into the fibre's hollow core. Using a low loss fibre with a blue detuned hollow beam shows potential for guiding atoms over an arbitrary path and longer distances on the laboratory scale, which would enable several new applications in nanofabrication and optical metrology. To realize this objective, a Magneto-Optical Trap of 85Rb was built from scratch and by using advanced polarization gradient cooling techniques was turned into a 9 K cold optical molasses containing 107 atoms. These cold atoms were guided over 23 cm in a collimated blue detuned hollow beam tunnel and through a focused hollow beam mimicking as closely as possible the coupling conditions for a hollow core optical fibre. Three classes of atoms were observed: lost, trapped and guided atoms. The dynamics of the system as well as the optimal coupling conditions were identifed through the use of a numerical model. A novel approach to modelling cold atom dynamics in an optical funnel was developed during the course of this thesis. This new model was not only able to reproduce the dynamics of atoms in the experiment but also simulate dense cold atoms cooled into the MOT and predict final temperatures attained. This was achieved by 3D modelling of the conservative and non-conservative components of optical forces acting on atoms but also through the implementation of known heat mechanisms: light scattering and momentum diffusion. The model identifed the best coupling conditions of this system, confirmed by experiment, and an optimal light potential for a given distance of coupling that must not be exceeded. A single mode, high purity, LG01 beam was generated with over 50% conversion efficiency from a Gaussian mode using a complex-valued computer generated hologram (CGH) rendered on a phase-only liquid-crystal spatial light modulator (SLM). A system-wide 35% conversion efficiency was achieved from the laser output to the vacuum chamber input. Several micro-structured polymer optical fibres and silica hollow-core band-gap photonic crystal fibres with Kagome claddings were evaluated. A single defect, large hollow core (50m diameter) Kagome cladding fibre was identified as a suitable solution for guiding cold 85Rb atoms.