Cette thèse propose des solutions scientifiques et technologiques innovantes pour la démonstration d’une horloge atomique CPT à cellule micro-fabriquée à la stabilité de fréquence long-terme améliorée.

Un premier axe d’étude a concerné la mise en place de protocoles d’interrogation impulsionnels pour réduire les déplacements de fréquence induits lors de l’interaction entre les atomes et le champ d’interrogation lumineux. La mise en œuvre d’une séquence avancée nommée Symmetric Auto-Balanced Ramsey (SABR) a notamment permis une réduction de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations du champ laser par plus de deux ordres de grandeur, bénéficiant à la stabilité de fréquence pour des temps d’intégration supérieurs à 100 s. Un second axe de recherche a porté sur la preuve de concept et le développement d’une nouvelle technologie de microcellule à vapeur de césium reposant sur l’exploitation de vannes ouvrantes et fermantes micro-fabriquées actionnables par laser, combinées à l’utilisation de substrats de verre à faible perméation, permettant un choix étendu et un contrôle renforcé de son atmosphère interne. Une réduction du taux de perméation par un facteur supérieur à 1000 a été démontrée dans des cellules avec verres alumino-silicatés et revêtements d’alumine. Des études pour le développement de cellules exploitant de nouveaux mélanges de gaz tampon et pouvant ainsi opérer à haute température (> 90 °C) ont été entreprises. Enfin, les résultats complémentaires de ces deux axes de recherche ont été valorisés par la démonstration d’une horloge à microcellule Cs-Ne à verres alumino-silicatés exploitant la séquence d’interrogation SABR.

La combinaison de ces approches, renforcées par la mise en œuvre de contrôles actifs de paramètres expérimentaux clés, a mené à une stabilité relative de fréquence de 7×10⁻¹¹ à 1 s et 1.4×10⁻¹² à 10⁵ s. Ces performances de stabilité journalières sont compétitives avec celles des meilleures horloges micro-ondes à microcellule.

micro-horloges atomiques, cellules microfabriquées, stabilité relative de fréquence, perméation de gaz tampon, déplacement lumineux, spectroscopie Ramsey

Consultez la thèse (FR) : HAL-04474336

Cette thèse présente le développement et la caractérisation d'une référence de fréquence optique à 895 nm fondée sur l'interrogation d'atomes de césium confinés dans une cellule microfabriquée par spectroscopie sub-Doppler bifréquence. Cette référence comprend une diode laser accordée sur la raie D1 du césium (895 nm), un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, une microcellule de césium et une électronique de contrôle.

Deux systèmes laser quasi-identiques ont d’abord été développés, l'un avec une diode laser DFB (Distributed FeedBack), l'autre avec une diode laser à cavité étendue (ECDL). Le battement entre ces deux lasers a démontré une stabilité relative de fréquence de 1,1×10^-12 à 1 s, limitée par le bruit de fréquence de l’ECDL, alors modulé à une fréquence trop faible.

Une référence de fréquence ultra-stable à 895 nm a ensuite été développée pour caractériser sans ambiguïté les performances du laser ECDL. Cette dernière repose sur un laser ECDL annexe, asservi en phase sur un peigne de fréquence spectralement étendu, lui-même référencé sur un laser à 1 542 nm stabilisé sur une cavité Fabry-Perot ultra-stable. Un lien fibré compensé, avec un bruit de phase résiduel de –55 dB‧rad²/Hz à 1 Hz, a été aussi mis en place pour le transfert du signal ultra-stable.

Par battement hétérodyne avec la référence, le laser ECDL à microcellule a démontré une stabilité relative de fréquence au niveau de 2,9×10^-13 à 1 s, en bon accord avec son bruit de phase (+40 dB‧rad²/Hz à f = 1 Hz), et meilleure que 5×10^-14 à 100 s.

En dernier lieu, des travaux préliminaires ont été initiés pour mesurer la sensibilité de la fréquence laser aux variations des paramètres expérimentaux. Parmi les effets évalués, les défauts de superposition entre les faisceaux contra-propageants, la puissance micro-onde et la champ magnétique, semblent constituer des contributions importantes à la stabilité à moyen terme du laser.

référence de fréquence, microcellule à vapeur de césium, spectroscopie sub-Doppler, stabilité de fréquence, laser

Consultez la thèse (FR) : HAL-04412404

Cette thèse porte sur le développement d’un laser ultrastable en fréquence asservi sur l’iode, transportable et intégrant des composants fibrés de télécommunication avec un haut niveau de maturité technologique. Ce système laser est une référence de fréquence ultrastable pour l’assemblage, l’intégration, la validation et les tests de la charge utile de la mission LISA. Il est développé par le laboratoire du SYRTE pour les activités françaises de la mission, activités réalisées par un consortium de partenaires mené par le CNES. Le banc sera compact et transportable pour être rapidement utilisé sur différents sites.

Le système livré par le SYRTE au CNES est composé d’un tandem de lasers Nd:YAG verrouillés en phase, et dont le laser maître est verrouillé en phase sur une référence de fréquence. Cette référence de fréquence est un laser de télécommunication fibré, triplé en fréquence grâce à l’optique non-linaire et asservi sur une vapeur d’iode. Le bruit résiduel de fréquence du dispositif est dans la gamme de 10⁻¹⁴ en dessous de 30 s en terme de variance d’Allan. La partie optique du système occupe un volume de 30 L et sa transportabilité a été démontrée.

laser ultrastable, optique non linéaire, référence de fréquence, laser compact, laser transportable, laser fibré, LISA

Consultez la thèse (FR) : HAL-04511838

L’objet de la thèse est la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms.

Un test de physique fondamentale est réalisé avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an démontrent une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm.

En outre, la thèse traite la mise en œuvre de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. La thèse décrit dans le détail ces deux méthodes, leur mise en œuvre physique ainsi que leur caractérisation. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également proposée.

Cette thèse ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique fondé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.

interférométrie atomique, capteur inertiel, atomes froids, test physique fondamentale

Consultez la thèse (EN) : HAL-04346752

Les capteurs atomiques sont des dispositifs très sensibles utilisés dans les étalons de temps et de fréquence, la détection inertielle et les mesures de précision des champs électromagnétiques. Aujourd'hui, ils sont développés au point d'être limités par leur nature quantique, c'est-à-dire la limite quantique standard (SQL). Cette limite découle du comportement individuel et non corrélé des atomes utilisés. Toutefois, il a été démontré que l'on peut surmonter cette limite en générant des corrélations quantiques et un enchevêtrement entre les atomes.

La preuve de principe de la génération d'intrication peut être accomplie via différents protocoles, mais cela a très rarement été fait dans des dispositifs de qualité métrologique. Dans cette thèse, nous utilisons une plateforme d'électrodynamique quantique en cavité (cQED) pour créer un type d'état corrélé quantique dit état comprimé de spin. Nous utilisons comme plateforme une horloge à atomes piégés sur puce (TACC) pour générer ces états intriqués.

Ce dispositif de qualité métrologique nous permet d'étudier la dynamique due aux interactions de spin sur une longue échelle de temps, de l'ordre de la seconde. La stabilité de l'appareil est confirmée par une déviation fractionnelle de la fréquence d'Allan de 6×10⁻¹³ à 1 s, une performance battant les horloges à atomes compactes disponibles dans le commerce.

métrologie quantique, puce à atomes, intrication, horloge atomique, états comprimés de spin, électrodynamique quantique en cavité

Consultez la thèse (EN) : HAL-04597522

À l’échelle du micromètre, les interactions atome-surface sont dominées par le potentiel de Casimir-Polder. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de l’expérience ForCa-G (Force de Casimir et Gravitation à courte distance) où la mesure des forces à courte distance (de l’ordre du micromètre) est réalisée à l’aide d’atomes de ⁸⁷Rb refroidis à des températures de l’ordre de quelques centaines de nano-kelvins et piégés dans un réseau optique vertical à proximité d’une surface diélectrique.

Afin d’éviter la contamination de cette surface lors des étapes de refroidissement, les atomes sont préparés 30 cm plus bas. Nous prouvons l’efficacité de notre méthode de transport à l’aide d’oscillations de Bloch, permettant à la fois un contrôle satisfaisant de leur position finale sans échauffement ni élargissement excessif du nuage dans la direction verticale. Une efficacité jusque 30 % des atomes initiaux a été mesurée après le transport, qui s’abaisse à 10 % après recapture dans le réseau vertical.

Une séquence de transitions Raman stimulées permet alors la séparation spatiale et cohérente des paquets d’onde atomique sur des puits adjacents du réseau puis leur recombinaison. Cet interféromètre nous permet de remonter à la différence d’énergie entre ces puits, liée aux différents potentiels vus par les atomes. Une première mesure de force a ainsi pu être réalisée jusqu’à une distance de 1 µm de la surface et mettre clairement en évidence l’apparition d’un potentiel attractif. De premières analyses suggèrent toutefois qu’un champ électrique parasite dû à l’adsorption d’atomes de rubidium sur la surface s’additionnent à la contribution due au potentiel de Casimir-Polder attendu.

atome froid, interférométrie atomique, Casimir-Polder

Consultez la thèse (FR) : HAL-04514581

Le phénomène de piégeage cohérent de population (Coherent Population Trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.

Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire.

Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel.

Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations.

Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser. Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés.

horloge atomique CPT, asservissement optoélectronique, stabilité de fréquence, laser à semi-conducteur, corrélations de bruit

Consultez la thèse (FR) : HAL-04221413

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BIZE S., “Optical lattice clocks”, Frequency Standards and Precision Measurement Summer School, Gold Coast, Queensland, Australia, conf. invitée le 10 oct. 2023.

BIZE S., FANG B., Y. LE COQ, R. LE TARGAT, J. LODEWYCK, P.-E. POTTIE and members of the FOP team, “Developments to improve the stability of optical lattice clocks”, Symposium on Frequency Standards and Metrology, Kingscliff, NSW, Australia, conf. invitée le 17 oct. 2023.

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BIZE S., « Progrès et applications des horloges optiques : vers une nouvelle définition de la seconde », Académie des Technologies / Journées thématiques « Le système international d’unités (SI) version 2018 - Quels impacts et quelles perspectives ? », Paris, France, conf. invitée le 25 oct. 2023.

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HARTMAN M., LIN X., POINTARD B., LE TARGAT R., SEIDELIN S., GOLDNER P., FANG B. and LE COQ Y., “Detection techniques and fundamental limits in frequency stabilization via spectral hole burning”, Assemblée générale de la Fédération de Recherche FIRST-TF 2023, Nice, France, 8 nov. 2023, HAL-04460577.

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Le temps est la grandeur physique qui se mesure avec la plus grande précision, loin devant toutes les autres. Les progrès récents des horloges atomiques ont permis d’atteindre des stabilités relatives de l’ordre de quelques 10⁻¹⁸, correspondant ainsi à une incertitude d’environ une seconde sur l’âge de l’Univers. Cependant, ce n’est pas parce que ces incertitudes deviennent dérisoires qu’il faut les négliger, bien au contraire. Le but de ce travail est de contribuer à améliorer la détermination de ces incertitudes. Il est divisé en deux parties et porte sur la caractérisation fine et l’amélioration d’un ensemble de méthodes d’estimation.

La première partie du travail a consisté à décrire une procédure pour déterminer les sauts qui peuvent affecter les liens de transfert de temps utilisés dans le calcul de l’échelle du Temps Universel Coordonnée (UTC), calculé par le BIPM. Cet outil, basé sur un filtre de Kalman, devrait déterminer correctement la date des sauts et leur grandeur, principalement pour les sauts de temps, et avertir le service du temps du BIPM de ce problème inattendu. Cet avertissement aidera à comprendre la nature des étapes qui, dans certains cas, peuvent affecter le comportement d’UTC. Un exemple critique est l’étalonnage du récepteur qui provoque un saut dans les transferts de temps et qui a potentiellement un impact sur le comportement d’UTC. Pour assurer la stabilité à long terme d’UTC, il est crucial de vérifier les données et d’identifier les problèmes.

La deuxième partie du travail porte principalement sur une analyse détaillée en termes de statistiques bayésiennes des instabilités de fréquence. En particulier, l’objectif est d’obtenir des intervalles de confiance fiables autour des mesures du spectre de puissance des processus de bruit rouge aux fréquences les plus basses, par ex. l’observation des pulsars millisecondes en radioastronomie. Ainsi, il n’est possible de faire la moyenne que sur l’observation simultanée de plusieurs instruments. Nous comparons la limite supérieure à 95% sur le paramètre de bruit rouge en utilisant la moyenne du spectre et le spectre croisé. Vérifié par des simulations massives de Monte Carlo, l’estimateur à spectre croisé conduit à la distribution variance-Gamma avec deux instruments et une généralisation à n instruments sur la base de la transformée de Fourier des fonctions caractéristiques est fournie.

analyse temps-fréquence, densité de probabilité, horloges atomiques, intervalle de confiance, métrologie, moyenne du spectre, saut de phase, spectre croisé, stabilité temporelle, statistiques bayésiennes

Consultez la thèse (EN) : TEL-04083649

Cette thèse consiste au développement d’un laser stabilisé en fréquence sur une cavité Fabry-Perot à très basse température. La cavité optique utilisée, conçue à partir d’un bloc de silicium, est portée à une température de 18,1 K. Un cryogénérateur à faibles vibrations à tube pulsé est pour refroidir la cavité autour de la température optimale souhaitée. Le fait de travailler à cette température où le coefficient de dilatation thermique est faible, et où les contraintes mécaniques agissant sur la cavité sont réduites, offre la possibilité d’atteindre des performances du laser stabilisé en dessous de 1×10⁻¹⁶ sur des temps courts pour répondre aux besoins des horloges optiques. Le système est constitué d’un laser fibré à 1,5 µm dont la fréquence est asservie sur la fréquence d’un mode de résonance de la cavité via la technique Pound-Drever-Hall. Cette cavité a une longueur de 14 cm et un revêtement diélectrique a été déposé sur le substrat des miroirs. Ces travaux ont consisté également à mettre en place un système de contrôle de la modulation d’amplitude résiduelle, qui fait partie des principales limitations des performances du laser ultra-stable. Pour cette cavité, la limite théorique, déterminée par le bruit thermique de la cavité et évaluée en terme de stabilité relative de fréquence, est d’environ 3×10⁻¹⁷ à 1 s.

laser ultra-stable, cavité optique Fabry-Perot, asservissement de fréquence, température cryogénique

Consultez la thèse (FR) : TEL-03851524