Résumé de la thèse
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Résumé de la thèse
Pour des applications liées à la métrologie Temps-Fréquence comme pour des mesures de physique fondamentale, l’utilisation d’oscillateurs bas bruit et de haute stabilité est essentielle. La mise en œuvre et le coût d’exploitation de tels oscillateurs sont tels qu’ils restent inaccessibles pour la plupart des utilisateurs, ce qui freine la réalisation d’expériences de très haute résolution. Actuellement, les comparaisons d’horloges à distance sont effectuées soit par GPS, soit par satellite de télécommunications. Cependant, les comparaisons sont limitées en stabilité relative à quelques 10–15 pour un jour de mesure, donc insuffisantes pour les performances ultimes des étalons atomiques micro-ondes et a fortiori pour les horloges optiques.
Profitant de la redondance du réseau fibré de télécommunication métropolitain, un dispositif de dissémination de références de fréquence par fibres optiques a été développé en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Lasers (Université Paris 13/ Institut Galilée). Ce dispositif est complété par un système actif électronique permettant la compensation des fluctuations de phase ajoutées lors du transfert sur fibre (vibrations mécaniques, fluctuations thermiques, effets non-linéaires dans la fibre…). Ainsi, il a été démontré la possibilité de transférer un signal de référence à 1 GHz, par modulation d’amplitude d’une porteuse optique à 1 550 nm, avec des instabilités relatives de fréquence de l’ordre de 2·10–15 à 3·10–15 pour une seconde de temps d’intégration et quelques 10–18 sur la journée, sur une distance de 86 km (quelques 10–14 t–1 sur environ 200 km). Il est alors possible de comparer des fontaines atomiques de performances égales à celles du LNE-SYRTE sur quelques centaines de kilomètres. Une nouvelle méthode, « tout optique », en cours d’étude, a pour but de transférer directement une référence optique sur des distances pouvant aller jusqu’à 1 000 km dans la perspective de comparer des horloges optiques et de constituer un réseau fibré européen.
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L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.
Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources fibrées à 1 560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 °C à 25 °C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1 560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.
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Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10–16. Cependant, il apparaît clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type.
L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0 – J = 0.
A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1S0 – 3P0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 µK. Ces travaux d'une part démontrent la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part exposent une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87Sr, à un niveau de quelques 10–15.
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Ces travaux constituent l’étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations. Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions π/2-π-π/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales, qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude de l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux), dont l'influence est déterminée. Les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux sont étudiées. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5·10–7 rad·s–1 et 8·10–7 m·s–2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.
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L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur, afin de fournir une mesure exacte de g à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Cette thèse est d'abord consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Notamment, la contribution du bruit de phase dû à la propagation des lasers dans le schéma conventionnel de faisceaux Raman rétro-réfléchis est détaillée. Une partie importante du travail a ensuite consisté à étudier et réduire la contribution des vibrations, source principale de bruit de phase. A partir de la mesure d'un sismomètre, nous réduisons de près d’un facteur 3 la contribution des vibrations par deux méthodes différentes. On montre qu'un traitement numérique du signal délivré par un sismomètre permet de réduire encore ce bruit d'un facteur 3 quand l’expérience n’est pas isolée des vibrations du sol. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d’environnement optimales, est de 1,4·10‑8 g/Hz1/2. Par ailleurs, l’étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de la thèse. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, il a été entrepris de recenser des effets systématiques. Parmi les biais étudiés, on distingue ceux qui dépendent de l'orientation, vers le haut ou vers le bas, du vecteur d'onde effectif associé à la transition Raman. Une méthode de mesures différentielles est définie, ainsi que les limites de cette méthode. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, la mesure effectuée présente un biais résiduel de 16·10–9 g. Le montage actuel provisoire n'a cependant pas permis d'évaluer exactement l'effet Sagnac résiduel, ni l'effet des aberrations des faisceaux Raman.
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Les atomes froids jouent un rôle primordial dans le développement d’horloges et de capteurs inertiels de haute exactitude. Ces expériences n’ont utilisé jusqu’alors que des nuages incohérents, mais l’avènement des lasers à atomes rend désormais possible l’utilisation de sources atomiques pleinement cohérentes dans de tels dispositifs. Les perspectives offertes par ces nouvelles sources sont étudiées au moyen de deux propositions expérimentales originales, impliquant en particulier des résonateurs à ondes de matière.
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Cette thèse présente l'étude d'un gyromètre à atomes froids fondé sur l'interférence de paquets d'onde atomiques, manipulés à l'aide de transitions Raman stimulées. L'amélioration du dispositif expérimental a permis d'atteindre des sensibilités sur une seconde de 2,4·10–7 rad·s–1 et de 6·10–7 m·s–2 pour des mesures de rotation et d'accélération. Ainsi, les performances obtenues sont comparables à celles des meilleurs gyromètres à fibre optique. L'influence des déphasages induits lors des interactions Raman (déplacement lumineux, défauts de front d'onde des lasers) a été étudié en détail. En particulier, il a été montré que ces effets limitent la stabilité à long terme des mesures. Une étude de l'exactitude des mesures qui utilise la rotation de la Terre a été également réalisée.
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Les méthodes de transfert de temps actuelles atteignent des performances telles que leur utilisation permet de tester les lois de la physique fondamentale. Dans ce cadre, la mission ACES vise, entre autres, l'étude des effets de la gravitation sur le battement des horloges à travers un lien de communication performant, le lien micro-onde. Cette thèse se focalise sur la comparaison des horloges de cette mission pour en développer un modèle précis au dixième de picoseconde. De ce modèle, découle un algorithme de traitement des mesures brutes qui servira lors de la mission. Des tests de ce programme ont été réalisés à l'aide d'une simulation des mesures de la mission afin d'en évaluer les performances. Par ailleurs, les besoins de la mission en précision de l'orbitographie des stations et des calibrations temporelles de la mission sont approfondis et montrent de limites moins contraignantes que celles naïvement estimées. Enfin, la résolution statistique des ambiguïtés de phase est étudiée à l'aide d'un modèle réaliste de bruit des mesures. Ce travail conduit à des méthodes permettant de réduire considérablement le taux d'échec de cette détermination. Ce travail s'ouvre sur l'étude du projet SAGAS et de son concept avancé de lien optique. Des combinaisons de mesures et leur optimisation permettent d'évaluer les performances du projet sur plusieurs de ses objectifs scientifiques, tels que l'exploration spatiale, les tests des lois de la gravitation ou les ondes gravitationnelles.
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Les fontaines atomiques constituent l'état de l'art en matière d'horloges atomiques fondées sur l'atome de césium, atome dont une résonance hyperfine est depuis 1967 à la base de la définition de la seconde. Cette thèse présente les dernières avancées de la fontaine double à atomes froids de césium et de rubidium du LNE-SYRTE. Combinant deux types d'atomes, ce dispositif unique au monde permet d'envisager des tests de physique fondamentale reposant sur la comparaison de fréquences de transition atomique avec une résolution exceptionnelle. Afin d'autoriser le fonctionnement à deux atomes simultanément, de nouveaux systèmes optiques, chargés de combiner les lumières utiles à la manipulation des deux espèces atomiques, ont été conçus, testés et mis en place. Sans attendre le fonctionnement double, la comparaison de la fontaine rubidium avec l’autre fontaine césium a permis de tester sur dix ans la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 5·10–16 par an. En outre, le travail d'amélioration de l'exactitude de l'horloge s’est poursuivi en concentrant les efforts sur les effets liés aux gradients de phase dans la cavité d'interrogation et sur l'atténuation des fuites micro-ondes. L'exactitude de la fontaine a alors été évaluée à 4·10–16 pour la partie césium et à 5·10–16 pour la partie rubidium complètement rénovée. Instrument de métrologie puissant, la fontaine a été impliquée dans de nombreuses comparaisons d'horloges et a contribué à maintes reprises à l'étalonnage du Temps Atomique International (TAI). Enfin, un test inédit de l'invariance de Lorentz a été mené.
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