Ce travail de thèse consiste en la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch ν_B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5×10^–6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01302845/document

Depuis quelques décennies, la technologie de contrôle de la fréquence a été au cœur de l’électronique des temps modernes grâce à son vaste domaine d’applications dans les systèmes de communication, les ordinateurs, les systèmes de navigation ou de défense militaire. Les dispositifs temps-fréquence fournissent des stabilités de fréquences et de puretés spectrales élevées dans le domaine de la stabilité à court terme. L’amélioration de la performance de ces dispositifs reste un grand défi pour les chercheurs. La réduction du bruit, afin d’augmenter cette stabilité à court terme et d’éviter les communications non souhaitées entre les canaux, est donc très souhaitable. Il est communément admis que la limitation fondamentale à cette stabilité à court terme est due au bruit de Flicker de fréquence des résonateurs. Dans le manuscrit de thèse, un premier chapitre rappelle quelques faits de base sur l’acoustique, la cristallographie et les définitions du domaine temps-fréquence nécessaires à l’étude des résonateurs et oscillateurs ultrastables. Le deuxième chapitre est consacré à un résumé des publications sur le bruit de fréquence en 1/f. Le troisième chapitre concerne les études faites sur le modèle quantique de bruit en 1/f du professeur Handel, qui, bien que critiqué par beaucoup, est encore le seul qui fournit une estimation de l’amplitude de plancher de bruit en 1/f et qui n’est pas infirmé par les données expérimentales. Dans le quatrième chapitre, une autre approche, basée sur le théorème de fluctuation-dissipation, est utilisée afin de mettre des contraintes numériques sur un modèle de bruit en 1/f causé par une dissipation interne (ou de structure) proportionnelle à l’amplitude, et non à la vitesse. Le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux. La conception et les paramètres du résonateur ultrastable utilisé lors de cette étude sont décrits. Les mesures de bruit de phase sur plusieurs lots de résonateurs sont données. Les mesures des paramètres du résonateur ont été effectuées à basse température afin de les corréler avec les résultats du bruit. Afin d’évaluer rapidement la qualité des différents résonateurs, une autre approche dans le domaine temporel a été testée : elle utilise des oscillations pseudo-périodiques transitoires mettant les oscilloscopes numériques actuellement disponibles à leurs limites de capacité. Enfin, les conclusions et perspectives sont présentées.

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http://www.theses.fr/2014BESA2046/document

Cette thèse porte sur l’étude de la stabilité de fréquence d’une horloge atomique à piégeage cohérent de population. Le cadre de cette étude est d’une part d’approfondir la connaissance du piégeage cohérent de population en cellule de vapeur et d’autre part de construire un prototype d’horloge démontrant une stabilité de fréquence à l’état de l’art des meilleures horloges compactes de laboratoire. Grâce à une interrogation impulsionnelle et un schéma d’excitation en polarisations linéaires et orthogonales, cette horloge présenterait une stabilité de fréquence relative nettement inférieure à 10^–13 à 1 s si elle était limitée par un bruit fondamental tel que le bruit de photon. Après une présentation du montage expérimental, la première partie de ce mémoire est consacrée à l’étude des différentes sources de bruit limitant la stabilité de fréquence court-terme. Le soin particulier donné à la modélisation, à la caractérisation expérimentale et à la réduction des transferts de bruit de fréquence de l’oscillateur local (effet Dick) et du bruit d’intensité du laser en bruit de fréquence de l’horloge, a permis de mesurer une stabilité de fréquence au niveau de 3,2×10^–13 à 1 s. Dans un deuxième temps, une étude théorique et expérimentale du déplacement de fréquence micro-onde en fonction de la puissance laser est présentée. Au-delà de la mise en évidence du caractère clé de la déformation de la raie dans l’explication de ce déplacement, elle a posé les bases de la dernière partie de ce mémoire qui propose une méthode d’insensibilisation du déplacement de fréquence aux fluctuations de puissance.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01126999/document

Ces travaux de thèse portent sur le développement d'un outil d'analyse numérique dédié à l'étude de nouveaux résonateurs à quartz à ondes de volume et utilisant les éléments finis. Cette méthode de caractérisation permet la détermination des éléments du schéma électrique équivalent (résistance, inductance et capacité) d'une fréquence de résonance donnée ainsi que son facteur de qualité, tout en prenant en compte dans le modèle la sensibilité du cristal de quartz à la température et aux contraintes induites par le montage. Une étape de validation est d'abord réalisée afin de vérifier les choix, en termes de modélisation et de calcul, en confrontant les données issues de la simulation aux mesures de résonateurs déjà existants. Les trois dispositifs analysés (40 MHz, 10 MHz et 100 MHz) montrent une bonne concordance entre théorie et expérience. Pour obtenir de tels résultats, la structure de maintien est prise en compte et modélisée sous forme de zones d'amortissement de Rayleigh lorsque le piégeage de l'énergie n'est pas optimal (présence d'un mode de plaque). Un aspect important des résonateurs est ensuite étudié : le comportement en température. En effet, les contraintes de dilatation thermique ainsi que l'évolution des coefficients élastiques en fonction de la température induisent une dérive fréquentielle. La comparaison entre théorie et expérience a permis de vérifier l'allure des courbes et de quantifier le degré de précision du modèle. L'effet d'une contrainte mécanique appliquée sur le pourtour de la lame de quartz est par la suite introduit dans le modèle en utilisant la méthode de perturbation de Sinha-Tiersten. Il est alors possible de définir l'impact des défauts de fabrication sur la fréquence du résonateur. Enfin, la méthode numérique est appliquée à l'étude de structures innovantes dans le cadre du projet FREQUENCE2009. Il s'agit de revisiter le concept du résonateur BVA et d'envisager des procédés de fabrication collective. L'idée consiste ainsi à remplacer le rayon de courbure d'un résonateur, dont la fréquence utile se trouve aux alentours de 9 MHz, par une série de marches, plus compatible avec les procédés de la microélectronique (DRIE : Deep Reactive Ion Etching). Bien que les résultats expérimentaux soient, dans ce cas, loin des attentes, il a été constaté que l'outil d'analyse est parfaitement capable de prédire les caractéristiques de nouvelles structures.

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http://www.theses.fr/2014BESA2034/document

Le travail en bande de base permet de s'affranchir du bruit de multiplication de fréquence d'un signal. Cependant, la conception d'un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessite d'avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteur de qualité élevée. L'approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à onde élastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d'un oscillateur compact et stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d'utilisation de source de fréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de –100 dBc·Hz^–1 pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d'amélioration de l’ordre de 10 dBc·Hz^–1 de cette valeur d'après la simulation. L'étude porte également sur l'analyse de l'influence du bruit de phase de l'oscillateur local sur la résolution d'une mesure RADAR dont l'effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface (SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative a permis d'aboutir à un prototype l'électronique embarqué pour l'interrogation de lignes à retard à ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L'architecture de l'interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d'échantillonnage en temps équivalent permettant de réduire l'importance de la puissance de calcul dans le traitement de la réponse. Les inconvénients de l'échantillonnage en temps équivalent sont minimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à la mesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolution de 0,2 °C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bande passante plus élevée (allant jusqu'à 200 kHz), un second prototype n'ayant pas de restriction sur les ressources de calcul mises en œuvre est également présenté dans cette thèse, combinant la même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel.

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http://www.theses.fr/2014BESA2028/document

La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protection des personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils de simulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outils technologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportant des réponses à ces problématiques. Ces derniers, fondés sur les propriétés des ondes de Love, ont ainsi permis la détection du monoxyde de carbone dans la gamme d’une partie par million. De même, la mesure de concentration d’hydrogène de l’ordre de un pour cent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh.

Les efforts fournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard sur du quartz affichant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à 30 dB sur du quartz, augmente les potentialités de ces capteurs en termes d’autonomie et de fonctionnalisation de surface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhension de ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein de notre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfaces sensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal direct des dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Le potentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeuse a pu être établie sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse.

Dans la continuité de cette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY), visant le contrôle de la qualité de l’air en milieu urbain, ont d’ores et déjà été engagés.

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http://www.theses.fr/2015BESA2022/document

Les deux premiers chapitres de la thèse présentent le principe d’un étalon de fréquence optique et les applications qui en découlent. Les principaux avantages métrologiques de l’horloge à réseau optique de mercure sont mis en avant, et quelques rappels théoriques d’interaction matière-rayonnement appliquée à la métrologie des fréquences sont effectués. Le montage expérimental est décrit de manière générale dans le chapitre 3, en insistant particulièrement sur les différentes sources laser utilisées. Les améliorations apportées au montage durant la thèse, font l’objet du chapitre 4. La première amélioration concerne le laser de refroidissement à 254 nm. Ces travaux de thèse ont permis d’augmenter le temps d’interrogation des atomes, étape nécessaire pour une nouvelle mesure de stabilité de l’horloge et la caractérisation des effets systématiques. Afin d’augmenter ultérieurement la stabilité, une refonte de la cavité optique qui piège les atomes dans le réseau s’est révélée indispensable. La nouvelle cavité permet de capturer 10 fois plus d’atomes grâce à une profondeur de piégeage accrue d’un facteur 3, influant directement sur le rapport signal sur bruit. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sont décrits dans le 5^e et dernier chapitre. La spectroscopie sur fond noir d’un échantillon de mercure polarisé en spin avec une largeur de raie record de 3,3 Hz a permis de mesurer une stabilité de 1,2×10^–15 à une seconde, soit meilleur de presque un facteur 5 par rapport à la précédente mesure. Une caractérisation de plusieurs effets systématiques sur la transitions d’horloge (déplacement colisionnel, effet Zeeman ou encore effet de la lumière de piégeage) a été menée au niveau de 10^–16.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01243987/document

Cette thèse porte sur deux sujets principaux : l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement de grande stabilité.

L’auteur présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec son prédécesseur, ils ont démontré des fluctuations de fréquences relatives de 5,8×10^–13 à 1 s intégrant jusqu'à 6×10^–15 à 30 000 s.

La deuxième partie de la thèse vise à étendre la polyvalence de la puce atomique pour créer un interféromètre. L’auteur a étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par micro-ondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre. À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01260339/document

Le cœur des horloges atomiques sur la base du phénomène de piégeage cohérent de population (CPT) est constitué d’une cellule renfermant de la vapeur alcaline, ici du césium. Dans cet espace confiné, les atomes alcalins viennent percuter les parois de la cellule et la cohérence CPT est détruite.

Pour pallier ce problème, un gaz ou un mélange de gaz tampon est introduit dans la cellule. Le gaz tampon va rendre le mouvement des atomes alcalins diffusif, et non plus balistique, et ainsi augmenter leur temps de vol. Ceci a pour effet de réduire considérablement la largeur de la cohérence CPT par effet Dicke, la ramenant de plusieurs centaines de kilohertz à quelques kilohertz ! Néanmoins, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d’horloge des atomes alcalins en fonction de la température de la cellule. Ce déplacement collisionnel de fréquence est caractérisé par trois coefficients β, δ et γ. Le caractère quadratique du déplacement de fréquence implique un optimum en température où la sensibilité thermique est annulée au premier ordre. Cette température, dite d’inversion, est propre à chaque gaz tampon. Il est possible d’obtenir une température d’inversion particulière en introduisant un mélange de gaz. Dans ce cas, la température d’inversion dépend du rapport des pressions partielles entre les deux espèces de gaz tampon ! Cette température d’inversion est un point de fonctionnement de choix pour les horloges atomiques miniatures. La micro-horloge MAC-TFC contient du néon comme gaz tampon. Ce gaz présente une température d’inversion autour de 80 °C mais celle-ci n’est pas suffisante pour des applications à contraintes environnementales sévères où des températures de l’ordre de 90 °C à 100 °C sont préférables.

Ce travail de thèse se focalise principalement sur l’étude de nouveaux gaz tampon autorisant des températures d’inversion supérieures à 80 °C. Pour cela, les coefficients de déplacement collisionnel de divers gaz tampon ont été répertoriés dans la littérature. Ces coefficients sont relativement mal connus voire inconnus dans le cas du césium. Néanmoins, l’auteur a pu dégager de ces données deux candidats potentiels : l’hélium et le xénon. Il a également mené une étude sur la dépendance thermique du déplacement et de l’élargissement des transitions optiques du césium en présence d’hélium ou de xénon.

L’auteur a mesuré une première estimation des coefficients de déplacement collisionnel dans des cellules de taille centimétrique : βHe = (1 233 ± 32) Hz/Torr, δHe = (2,01 ± 0,12) Hz/(Torr·K) et γHe = (–7,51 ± 0,44) mHz/(Torr·K²), où 1 Torr ≈ 133,322 Pa. Ces coefficients révèlent qu’un mélange néon-hélium, avec un faible pourcentage d’hélium, autoriserait une température d’inversion supérieure à 80 °C. Pour valider ce mélange de gaz tampon, il a été fabriqué des microcellules à vapeur de césium remplies avec un mélange néon-hélium qui ont ensuite été mesurées avec des températures d’inversion de l’ordre de 89 °C à 94 °C.

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http://www.theses.fr/2015BESA2047/document

La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radiofréquences depuis plusieurs décennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaques de silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsi que pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différents paramètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et en compacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étape technologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère difficilement transposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium.

Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériaux monocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique de domaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant des couplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmes structures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiques couramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointement le guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettent l’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structures ont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrement vaste.

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http://www.theses.fr/2015BESA2032/document