Afin de surpasser les performances des meilleures horloges micro-ondes actuelles, les fontaines atomiques, les recherches de ces vingt dernières années se sont portées sur les horloges optiques. Utilisant des transitions à des fréquences de quatre ordres de grandeur plus importantes, l'exactitude et la stabilité de fréquence de ces horloges, par rapport aux fontaines atomiques, pourraient être améliorées d'un facteur cent. Néanmoins, les premières horloges optiques, utilisant soit des atomes neutres en chute libre soit un ion piégé, présentent des limites. Suite à une proposition datant de 2001, un nouveau type d'horloge est apparu, capable de combiner l'exactitude des meilleures horloges à ion ainsi que la très bonne stabilité des horloges à atomes neutres, grâce au piégeage des atomes dans un réseau optique. Ainsi, le LNE-SYRTE développe une horloge à réseau optique avec des atomes de strontium utilisant la transition ¹S₀ ‑ ³P₀. Les résultats obtenus s'articulent selon trois axes. Le premier est l'évaluation des effets du piège sur l'exactitude de l'horloge. En effet, l'idée originale de ce nouveau type d'horloge est de pouvoir piéger les atomes à une longueur d'onde qui annule le déplacement lumineux du premier ordre de la fréquence de la transition. Il a été cependant nécessaire d'évaluer le niveau de cette annulation ainsi que les effets d'ordre plus élevé. Ensuite, les performances de l'horloge ont été évaluées en utilisant l'isotope fermionique ⁸⁷Sr, pour lequel ce type d'horloge avait initialement été imaginé. Une exactitude au niveau de 10^–15 et une fréquence en excellent accord entre les différents groupes utilisant le même isotope ont été obtenues. Enfin, suite à de récentes propositions théoriques, une mesure originale a été effectuée avec l'isotope bosonique ⁸⁸Sr en adaptant le dispositif expérimental. Cette mesure a été la première pour cet isotope et a permis de comparer les deux fonctionnements de l'horloge.

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Ces travaux décrivent la conception et la construction d'une horloge atomique sur une puce à atomes. Cette horloge vise une stabilité de fréquence de quelques 10^–13 à 1 s de temps de mesure, et une application en tant qu'étalon secondaire. Elle est fondée sur la transition à deux photons entre les sous-états hyperfins |1,-1> et |2,1> de l'état fondamental de l'atome ⁸⁷Rb. L’interrogation de cette transition est effectuée par spectroscopie de type Ramsey, soit sur un nuage thermique d'atomes froids, soit sur un condensat de Bose-Einstein. Contrairement aux fontaines atomiques, ce nuage est magnétiquement piégé sur une puce à atomes.

Ainsi, un modèle théorique de la stabilité de fréquence de l’horloge a d’abord était établi. Ensuite, un montage expérimental capable de contrôler le champ magnétique à 10^–5, et doté d'une puce hybride, a été réalisé. Cette puce contient des conducteurs à courant continu ainsi qu'un guide d'onde pour acheminer le rayonnement micro-onde d’interrogation de la transition d’horloge des atomes de rubidium.

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Ces travaux détaillent les premiers résultats expérimentaux du projet d'horloge à réseau optique de mercure neutre obtenus au LNE-SYRTE. Ainsi, le piégeage magnéto-optique du mercure a été obtenu, une source laser ultra-stable pour l’interrogation de la transition d’horloge a été développée et, pour la première fois au monde, la spectroscopie laser de la transition d’horloge a été étudiée. Cela a permis d'améliorer de plus de quatre ordres de grandeur, la connaissance de la fréquence de cette transition.

Une des premières étapes a consisté à réaliser la source laser de refroidissement de plusieurs centaines de milliwatts de puissance continue. Cette source laser de longueur d'onde 253,7 nm, correspondant à la transition 1S₀–3P₁, est stabilisée en fréquence.

En employant cette source laser de refroidissement, un piège magnéto-optique de mercure neutre fondé sur une présélection par un piège magnéto-optique à deux dimensions, a été obtenu, pour plusieurs isotopes.

A partir des atomes piégés dans le piège magnéto-optique, la spectroscopie laser de la transition l'horloge 1S₀–3P₀ à 265,5 nm des isotopes fermioniques du mercure, a été réalisée pour la première fois au monde. Cette spectroscopie de la transition d’horloge a été réalisée avec une source laser ultra-stable à 265,5 nm.

La comparaison de cette source avec un second système laser ultra-stable similaire, fonctionnant à 1 062,5 nm, a montré une stabilité de fréquence de 8·10^–16 à 1 s de temps de mesure. Ainsi, ces résultats démontrent la faisabilité d'une horloge à réseau optique de haute performance utilisant l’atome de mercure neutre.

Ce mémoire présente l’étude de diodes lasers à base de semi-conducteurs permettant d’adresser les applications, tant scientifiques qu’industrielles, d’horloges et d’interféromètres atomiques. Ces applications requièrent des caractéristiques particulières des diodes lasers : forte puissance (> 150 mW), émission monomode spatial (M² < 1,5) et spectral (SMSR > 30 dB), faible largeur de raie (< 1 MHz).

Partant du besoin, le mémoire s’articule sur une étude théorique de la conception de structures lasers à 852 nm (pompage du césium) et 780 nm (pompage du rubidium). Le type de structure optimale à réaliser, notamment pour des applications spatiales, est le laser à contre réaction répartie (Distributed FeedBack – DFB) sans aluminium dans la zone active, pour une meilleure fiabilité.

Les principaux résultats expérimentaux obtenus sur les composants réalisés sont présentés et permettent d’illustrer la démarche expérimentale de réalisation et d’optimisation de composants : lasers larges, Ridge Fabry-Perot et DFB.

Le critère de faible largeur de raie est un point crucial du travail de thèse : étude théorique, différentes méthodes de mesure, résultats expérimentaux, étude des facteurs limitant. Enfin, l’adéquation du composant avec les besoins est illustrée par une description de la « mise en application » des composants : mise en cavité étendue d’un Ridge Fabry-Perot, expérience d’interaction laser-matière (absorption saturée).

Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications « grand public » telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité imposées aux horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes.

Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ces travaux présentent l´évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court terme de l'horloge HORACE réalisée au LNE-SYRTE. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ 2·10⁸ atomes pouvaient être obtenus à une température de 35 μK. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'à 2·10^–4. Cette grande stabilité de fréquence a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1 000 en fonctionnement.

L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de 2,2·10⁻¹³ t^−1/2 s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités de fréquence obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permet de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40 ms et d'obtenir, in fine, un rapport cyclique proche de 50 %. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12 Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme.

Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

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Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique  à atomes de strontium du LNE-SYRTE. Après avoir passé en revue les principes généraux des horloges à réseau optique et le fonctionnement de l'horloge, l'accent est mis sur les améliorations qui ont été apportées à l'expérience depuis 2007. Les éléments les plus importants sont une nouvelle cavité ultra-stable de référence pour le laser d'horloge, le développement d'une technique de détection non-destructive, et la construction d'une deuxième horloge à réseau optique de strontium. La cavité ultra-stable est composée d'un spacer ULE et deux miroirs en silice fondue et a montré un niveau de bruit thermique à 6,5×10^–16, ce qui la place parmi les meilleures du monde. La détection non-destructive est réalisée par une mesure de phase d'un faisceau sonde de faible intensité qui traverse les atomes placés dans un bras d'un interféromètre Mach-Zehnder. L'aspect non-destructif permet de recycler les atomes d'un cycle à l'autre et augmente par conséquent le rapport cyclique, ce qui permet d'optimiser la stabilité de l'horloge. Avec ces nouveaux outils la stabilité de fréquence attendue est à 2,2×10^–16×τ^–1/2 pour une séquence optimisée. Les comparaisons les plus récentes entre les deux horloges à strontium atteignent un niveau de stabilité de 1×10^–16 après environ 1 000 s, ce qui a permis de carac-tériser les décalages de fréquence liés au réseau avec une précision sans précédent. Ces mesures assurent un con-trôle des effets liés au réseau au niveau de 1×10^–18, même pour des profondeurs de piège aussi grandes que 50·E_r.

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Les travaux présentés dans cette thèse de doctorat portent sur l’étude et la réalisation d’un système de génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase et à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en fréquence le taux de répétition d’un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d’une référence optique dans le domaine micro-onde.

Dans un premier temps, des lasers ultra-stables ont été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot utilisée comme étalon de fréquence. Des cavités Fabry-Perot permettant d’atteindre une stabilité relative de fréquence de l’ordre de 4×10^–16 à 1 s ont donc été conçues. L’étude qui s’appuie sur des calculs numériques a permis de minimiser l’influence de la source de bruit dominante : les vibrations de l’environnement des cavités.

Cette démarche a donné lieu à la réalisation de deux lasers ultra-stables dont la comparaison atteint une stabilité relative de fréquence de 5,8×10^–16 à 1 s. La longueur des cavités étant de 100 mm, ce résultat est possible grâce à l’emploi de substrat de miroirs en silice fondue qui permet de suffisamment réduire le bruit thermique des miroirs de la cavité.

Ensuite, le peigne de fréquence optique produit par un laser femtoseconde fibré est stabilisé sur un laser ultra-stable similaire (1,4×10^–15 à 1 s) pour générer un signal micro-onde de l’ordre de 12 GHz avec une stabilité inférieure à 4×10^–15 entre 1 s et 50 s. L’horloge atomique à fontaine (FO2), interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^–14×τ^–1/2, sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. La contri-bution du bruit du signal d’interrogation sur la stabilité de l’horloge (effet Dick) est ainsi rendue négligeable.

La limitation ultime du processus de transfert de l’optique vers la micro-onde provient du bruit intrinsèque du laser femtoseconde, de la photodiode détectant le signal micro-onde et du bruit des amplificateurs. Cette limitation a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 3×10^–16 entre 1 s et 10 s.

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Le projet balance du watt propose de relier la définition du kilogramme à la constante de Planck h. La pesée de la masse impliquée nécessite une détermination de l’accélération de la pesanteur g avec une exactitude meilleure que 10^–8. Cette thèse vise à réaliser cette détermination à l’aide d’un gravimètre atomique et d’un site gravimétrique dédié. Avec un gravimètre relatif caractérisé, une cartographie gravimétrique des deux massifs consacrés à l’expérience du LNE a été réalisée puis un modèle des variations de gravité a été développé. Il permet de déterminer la différence de gravité entre deux points dans un volume de 50 m³ au-dessus des massifs avec une incertitude inférieure à 3 µGal (3×10^–8 m·s^–2). Entre les deux points centraux, l’incertitude est inférieure au µGal. La détermination absolue de g est réalisée avec un nouveau gravimètre absolu mobile à ondes de matières de ⁸⁷Rb. Sa conception repose sur le travail débuté en 2002 avec la réalisation d’un prototype dont les limites ont été identifiées. Les différents éléments de ce nouveau gravimètre sont caractérisés dans la thèse. Les premiers signaux ont été obtenus en 2009 puis l’instrument a été le premier gravimètre atomique à participer à une comparaison internationale, l’International Comparison of Absolute Gravimeters de 2009 au BIPM. La caractérisation de l’instrument a été poursuivie sur le site du LNE où la sensibilité atteint un plateau à 0,4 µGal après 100 min de mesure. Le budget d’incertitude obtenu de 5,4 µGal a été éprouvé lors d’une comparaison bilatérale avec un FG5 : l’écart de mesure obtenu est de (4,3 ± 6,2) µGal (k = 1).

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Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. La thèse présente le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude a ensuite porté sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie du travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à quatre impulsions Raman stimulées sont présentés dans la thèse. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.

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La thèse porte sur le concept d’horloge à réseau optique à atomes de strontium tel qu’il est mis en œuvre sur un premier dispositif au LNE-SYRTE, sur les résultats expérimentaux obtenus avec cette horloge lors de la campagne de spectroscopie effectuée au début de la thèse sur le fermion ⁸⁷Sr, et sur la mise en perspective avec les performances ultimes attendues. Cette évaluation à un niveau d’exactitude de 2,6×10^–15 amène à justifier les motivations pour la conception d’une nouvelle horloge à réseau optique au strontium indépendante. Les étapes de la réalisation de cette nouvelle horloge sont ensuite détaillées, en insistant sur les améliorations apportées vis-à-vis de la première :

–       mise en place de l’enceinte à vide où le jet atomique est tour à tour éjecté du four, défléchi, ralenti puis capturé au niveau d’un piège magnéto-optique. L'étape de déflexion constitue une nouveauté qui contribue à l’amélioration des performances ; elle a fait l’objet d’une simulation numérique préalable validée par l’expérience ;

–       description du réseau optique où les atomes sont transférés et confinés par interaction dipolaire avec la démonstration de la possibilité de réaliser efficacement ce piégeage à l’aide uniquement de sources laser à semi-conducteur, moyennant la diminution des effets de chauffage paramétrique grâce à la stabilisation en amont du bruit de fréquence de cette source ;

–       le refroidissement des atomes piégés, leur interrogation à l’aide d’un nouveau laser ultra-stable, et la détection de la probabilité de transition d’horloge a conduit in fine à observer des premiers signaux de résonance atomique.

Enfin, les premières séries de comparaisons entre les deux horloges au strontium du laboratoire viennent conclure ce travail.