Cette thèse a pour objet de repousser les performances d’un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de césium sont refroidis par laser, piégés et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l’effet Sagnac et est proportionnelle à l’aire physique qu’entourent les deux bras de l’interféromètre. L’auteur utilise des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d’interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d’interrogation de 800 ms, il est parvenu à une aire physique de 11 cm². Des améliorations ont été apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d’alignement relatif des faisceaux Raman, à 1 μrad près, a été élaborée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d’interférer. Durant la thèse, la caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection, a été effectuée. Les travaux ont permis de démontrer une sensibilité de 160 nrad·s^–1 à 1 s, et une stabilité à long terme de 1,8 nrad·s^–1 après 10 000 s d’intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d’un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du LNE-SYRTE de 2009, et d’un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse a également permis de développer une nouvelle méthode d’interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01332562/document

Les travaux réalisés au cours de cette thèse traitent de l'étude et de la réalisation de composants à ondes élastiques de surface (SAW) pour des applications de filtrage dans les gammes VHF et UHF.

L’auteur a étudié différentes structures de ces filtres, à commencer par des filtres à couplage acoustique longitudinal centrés aux alentours de 1 GHz, de bande passante relative inférieure à 0,1 % réalisés sur du quartz. Leur fabrication et leur caractérisation ont révélé des pertes d'insertion inférieures à 5 dB et des niveaux de rejet supérieurs à 20 dB, conformément aux prévisions du modèle de matrice mixte. Un tel filtre a été inséré dans un oscillateur pour valider la fonction réalisée.

Pour une maîtrise accrue de la conception de ces filtres, il a été développé un modèle tenant compte de la contribution des modes transverses sur leur fonction de transfert. Des comparaisons entre théorie et expérience ont permis de démontrer la précision de ce modèle.

L’auteur s’est également intéressé à des structures de filtres à éléments d'impédance et à transducteurs en éventails (fan-shaped) pour la réalisation de bandes passantes relatives comprises entre 1 % et 15 % dans la bande 100 MHz à 300 MHz. Pour chacune de ces structures, il a développé un modèle permettant d'en étudier le comportement. Une configuration de filtre en treillis de bande passante relative proche de 2 % a été fabriquée et caractérisée, ainsi que plusieurs filtres à transducteurs en éventails de bandes passantes relatives supérieures à 10 %.

Enfin, il a été étudié deux approches qui ont permis de réaliser des dispositifs fonctionnant à des fréquences voisines de 3 GHz. La première, consiste à exploiter les vitesses de phase supérieures à 5 km·s^–1 d'un guide d'ondes à base de carbone-diamant. La seconde exploite la résolution d'un procédé de lithographie par nano-impression pour réduire la période des réseaux d'électrodes.

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Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultrastable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision. L’auteur a démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultrastable en différents points d'une liaison optique urbaine de 92 km, avec une stabilité de fréquence relative à 1 s de 1,3×10^–15 et sensiblement dégradée sur le long terme par les effets thermiques diurnes. Il a développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement régulé en température et une diode laser permettant de disséminer le signal vers un lien secondaire dont le bruit est activement compensé. Ces deux dispositifs permettront de disséminer le signal à de multiples utilisateurs en région parisienne et sur le réseau REFIMEVE+.

Il a deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type « deux voies » pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. L’équipe a testé la sensibilité de cette comparaison sur une boucle fibrée de télécommunication de 100 km en propagation unidirectionnelle puis bidirectionnelle, avec une excellente stabilité de la fréquence grâce à une très bonne réjection du bruit de la fibre.

Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’un réseau métrologique à l’échelle nationale et internationale pour la dissémination des meilleures horloges optiques.

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https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01301488/document

Cet article présente la nouvelle méthode mise en oeuvre pour générer l'échelle de temps UTC(OP), la réalisation française en temps réel du Temps Universel Coordonné (UTC). Dans une première étape achevée en octobre 2012, un nouvel algorithme fondé sur l'utilisation d'un maser à hydrogène et exploitant les données des fontaines atomiques du LNE-SYRTE, a permis d'améliorer de façon significative la stabilité de UTC(OP). UTC(OP) constitue dorénavant l'une des meilleures échelles de temps au monde. Par la suite l'instrumentation servant à générer et distribuer les signaux de UTC(OP) a été entièrement renouvelée. Certains appareils sont des instruments du commerce, mais, pour les éléments clés, des dispositifs spécifiques ont été développés. En particulier, nous avons développé un commutateur permettant de basculer la distribution des signaux de UTC(OP) entre deux échelles de temps générées à partir de deux masers à hydrogène différents et fonctionnant continûment en parallèle. Ce système garantit la continuité des signaux lorsqu'il est nécessaire de changer de maser principal. Dans la nouvelle distribution, UTC(OP) est matérialisé par trois types de signaux cohérents (100 MHz, 10 MHz et 1 PPS). Sur les trois premières années de fonctionnement, le nouvel UTC(OP) a été maintenu à moins de 10 ns de l'UTC. La différence est même inférieure à 5 ns si l'on exclut une courte période autour du MJD 56650.

Le laboratoire national de métrologie pour le domaine tempsfréquences LNE-SYRTE a développé un simulateur de satellite microonde afin de déterminer le retard différentiel (et sa variation dans le temps) dans sa station terrienne deux voies. Un tel dispositif est de plus en plus recommandé par le groupe de travail TWSTFT du CCTF dans le but de mieux évaluer la variation du retard différentiel d’une station terrienne entre deux campagnes d’étalonnages consécutives. À côté de quelques rares simulateurs commercialement disponibles et basés sur une conception du VSL, nous avons développé un nouveau dispositif d’étalonnage avec au moins deux concepts différents de ceux déjà publiés dans la littérature : un processus plus rapide pour l’étalonnage des retards et une caractérisation de ses retards internes en utilisant un analyseur de réseau vectoriel micro-onde (ARVM). La partie clé de ce simulateur est l’utilisation d’un mélangeur micro-onde doublement équilibré et sa caractérisation en terme de retard absolu ; celui-ci exige un système de mesure spécifique comme un ARVM permettant d’appliquer la technique de calibrage vectorielle par mélange en utilisant un ensemble « mélangeur/filtre » caractérisé en tant qu’« étalon » en liaison directe. Des mesures et incertitudes associées faites avec l’ARVM sont décrites dans ce papier. Elles sont complétées par des mesures effectuées avec le modem SATRE pendant des sessions d’étalonnage dédiées dans le but d’évaluer également les performances de l’ensemble du système en bruit (stabilité).

Le Temps atomique français TA(F) est une échelle de temps calculée à partir de données d’étalons commerciaux à césium, entre vingt et trente horloges selon la période considérée, provenant de neuf institutions ou entreprises situées sur le territoire national. Le TA(F) est la référence nationale scientifique de temps avec des qualités d’exactitude et de stabilité de fréquence. Dans le double but de rapprocher l’intervalle unitaire de l’échelle TA(F) de la seconde du SI et d’améliorer sa stabilité de l’échelle, il a été décidé en 2002 de piloter cette échelle de temps, dont la marche était laissée libre jusque là, sur les étalons primaires de fréquence du LNE-SYRTE. La fréquence du TA(F) a dans un premier temps été corrigée mensuellement pour ramener lentement l’échelle de temps vers le Temps atomique international TAI. Cette correction a permis de compenser la dérive de l’échelle sans perturber sa stabilité à trente jours. Une fois suffisamment proche de la seconde du SI, la fréquence du TA(F) a été dans un deuxième temps pilotée mensuellement sur la fréquence moyenne des étalons primaires du laboratoire ; ce qui a permis l’amélioration de la stabilité à trente jours, avec un gain d’un facteur 2 par rapport à la situation précédente. L’article décrit le pilotage en fréquence du TA(F), c’est-à-dire comment les corrections ont été appliquées, et montre les résultats obtenus, en terme de stabilité relative par rapport au TAI, et en terme d’exactitude en comparant la fréquence du TA(F) à la seconde du SI sur le géoïde en rotation telle qu’elle est publiée dans la Circulaire T du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Depuis juillet 2006, l’écart relatif de fréquence sur 30 d entre le TA(F) et la seconde du SI est pratiquement resté dans les limites de 1,8 × 10^-15. Ce chiffre matérialise les limites de l’accord entre l’intervalle unitaire du TA(F) et la seconde du SI, un résultat majeur qui n’a été rendu possible que par la mise en oeuvre opérationnelle de quatre étalons primaires de fréquence au laboratoire.

L’avènement des peignes de fréquences, au début des années 2000, a révolutionné la métrologie des fréquences optiques (i.e. quelques centaines de térahertz), et a stimulé le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques, référencées sur des transitions optiques. Ces peignes, réalisés avec des lasers à impulsions femtosecondes, sont aujourd’hui le moyen le plus efficace et fiable pour réaliser des comparaisons de fréquences entre une horloge du domaine optique et des étalons primaires du domaine micro-onde, ainsi qu’entre deux horloges optiques fonctionnant à des fréquences différentes. Nous présentons dans cet article divers travaux ayant été effectués au LNE-SYRTE pour caractériser ces dispositifs et les amener à un niveau de performance tel qu’ils ne limitent pas les mesures effectuées à partir des horloges du laboratoire.

Les horloges atomiques basées sur l’effet de piégeage cohérent de population permettent d’obtenir de meilleures performances que les horloges micro-ondes conventionnelles à cellule de vapeur ou de les miniaturiser grâce à une interrogation purement optique. Nous présentons dans cet article un prototype d’horloge à piégeage cohérent de population dans une cellule de vapeur de césium développé au LNE SYRTE. Il réunit deux techniques originales : un schéma d’excitation avec deux polarisations linéaires et orthogonales et une interrogation de type Ramsey. La combinaison de ces deux techniques permet d’observer des résonances étroites avec un bon rapport signal à bruit. Les principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence sont étudiés : l’effet du gaz tampon, celui du champ magnétique et de la puissance du laser, et enfin l’influence du bruit de l’oscillateur local ou effet Dick. La stabilité relative de fréquence obtenue est égale à 7×10^-13 à 1 s et descend jusqu’à 2×10^-14 à 2 000 s.

Nous décrivons le développement d’une horloge à réseau optique à atomes de mercure depuis le stade initial jusqu’aux mesures absolues qui ont permis l’inclusion de la transition horloge de ¹⁹⁹Hg dans la liste des valeurs recommandées des fréquences étalons du CIPM.

We perform Ramsey spectroscopy on the ground state of untracold ⁸⁷Rb atoms magnetically trapped on a chip in the Knudsen regime. Field inhomogeneities over the sample should reduce the contrast of the Ramsey frindges by a factor of 5 for 5 s of interrogation. We measure hardly any decay, only a factor 1.08 corresponding to a coherence time of the order of one minute. This new effect allows us to increase the quality factor of the microwave atomic resonance. We explain this surprising result by a spin self-rephasing mechanism induced by the identical spin rotation effect. The study of decoherence under metrological condition is the key to this synchronisation regime where non-linear effects dominate the evolution of the cloud. We propose a theory of this synchronization mechanism and obtain good agreement with the experimental observations. The effect is general and may appear in other physical systems with trapped atoms. In particular, this effect will exist for fermions and could be exploited to enhance the stability of optical lattice clocks.