Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge.
Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge.
Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge.
Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge.
Ce manuscrit présente l'étude des performances ultimes d'une horloge micro-onde à atomes refroidis par laser. Cette horloge, nommée la MuClock, est entièrement intégrée et automatisée dans un volume de 0,7 m3. Son fonctionnement de principe est conçu autour de sa cavité sphérique en cuivre. Celle-ci est utilisée à la fois en tant que résonateur micro-onde pour interroger les atomes, et comme une sphère intégrante afin de générer un champ de lumière isotrope pour le refroidissement des atomes. La MuClock réalise une mesure de la fréquence de transition hyperfine de l'état 5²S1/2 du rubidium 87 à partir d'une séquence constituée de trois étapes distinctes. Premièrement, en utilisant les technologies de doublage de fréquence à 1 560 nm, 10 millions d'atomes sont refroidis à une température d'environ 70 μK par la méthode de refroidissement isotrope. Ensuite, on utilise la méthode de spectroscopie de Ramsey en appliquant deux impulsions micro-ondes séparées d'une durée effective de 40 ms pour interroger les atomes en chute libre dans la cavité. Enfin, environ 1,5 millions d'atomes sont détectés à mi-frange par absorption d'un faisceau lumineux vertical. Cette séquence d'environ 150 ms permet à la MuClock d'atteindre une performance en stabilité relative de la fréquence d'horloge entre 3 × 10−13 et 5 × 10−13 à 1 s et de 1 × 10−15 en moins de deux jours maintenu pendant plus d'un mois. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le bilan d'exactitude de la fréquence d'horloge mesurée avec une incertitude totale inférieure à 5 × 10−14.Chacun des effets systématiques contribuant à décaler la mesure de fréquence d'horloge de la MuClock est étudié dans cette thèse. Le plus large d'entre eux, l'effet Zeeman quadratique, est corrigé en interrogeant les transitions magnétiques des atomes. Un autre effet que l'on ne peut pas mesurer en utilisant les atomes est l'effet de transitoires de phase, pour lequel un banc de mesure est spécifiquement conçu. Les mesures réalisées permettent d'optimiser la séquence d'horloge pour réduire la contribution de cet effet. Ce banc est également utilisé pour mesurer la variation de phase due à un changement de la taille de la cavité au cours de l'interrogation des atomes. Cet effet est supprimé en adaptant la méthode de chauffage de la cavité de la MuClock. Par ailleurs, une expérience d'imagerie par tomographie permet de mesurer la distribution spatiale des atomes et de la modéliser. Ce modèle est validé par des simulations numériques reconstruisant les signaux d'oscillations de Rabi et les franges de Ramsey de la MuClock. La distribution spatiale des atomes ainsi modélisée permet d'estimer plusieurs effets systématiques, comme les décalages par collisions entre atomes froids ou l'impact de la distribution spatiale de la phase du champ micro-onde. Cette distribution est modélisée à partir de simulations par éléments finis du mode de résonance de la cavité. Ces simulations sont également utilisées afin d'appréhender les biais possibles sur l'effet d'entraînement de fréquence de la cavité, dont la contribution est rendue négligeable en asservissant la fréquence de résonance de la cavité. Concernant les décalages de Ramsey et Rabi, ces effets sont mesurés à partir de spectroscopies de Ramsey de durées effectives variées. L'effet de rayonnement corps noir est évalué en considérant la géométrie spécifique de la MuClock. Enfin, on vérifie que des effets comme le décalage lumineux ou des phénomènes d'excitation hors résonance sont négligeables dans le bilan d'exactitude. Au terme de ces études, on peut définir l'exactitude d'une MuClock avec une incertitude de 1,3 × 10−14. Des mesures de fréquence d'horloge pour une MuClock contre les références de fréquence du Laboratoire Temps-Espace valident la fréquence d'horloge évaluée avec un écart de 4 × 10−15. Néanmoins, l'incertitude pour ces mesures est plus élevée, de l'ordre de 2,6 × 10−14.
Depuis 1967, la seconde est définie par rapport à une transition atomique. Plus précisément, la seconde est déterminée par rapport à 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à deux états hyperfins de l’état fondamental d’un atome de césium 133 non perturbé. Aujourd’hui, les horloges atomiques les plus performantes se situent dans le domaine optique : un laser est utilisé pour interroger la transition d’une référence atomique. Les éléments atomiques utilisés sont par exemple du strontium, du mercure ou de l’ytterbium. D’autres horloges optiques exploitent un ion unique piégé pour établir une référence de fréquence. Les meilleures horloges optiques occupent des volumes de plusieurs milliers de litres. Bien qu’il existe des réseaux fibrés disséminant les références optiques entre différents laboratoires, la nécessité de pouvoir transporter les horloges reste un enjeu majeur pour la physique fondamental ou pour d’autres applications comme la géodésie. Le département temps fréquence de l’institut FEMTO-ST développe une horloge optique transportable à ion piégé Yb+. L’objectif du projet est d’avoir un volume total de l’ expérience de 500 L avec des performances dix fois supérieures aux horloges compactes actuelles. Un ion unique est piégé à l’aide de champs électriques générés par une puce constituant un piège de Paul surfacique. Un unique faisceau laser permet son refroidissement dans les trois directions de l’espace. Un laser d’une longueur d’onde d’environ 435,5 nm est utilisé pour interroger l’ion et constituer un oscillateur ultra-stable.Pour piéger des ions, un piège prototype en cuivre sur FR-4 a été utilisé pendant qu’en parallèle un piège était conçu et fabriqué au sein du département. Le rapide confinement d’ions avec le piège prototype a permis de mettre en place le système expérimental et établir nos premiers résultats. Des mesures caractérisant le piège ont pu être effectués et des techniques expérimentales pour le contrôle du piège ont été mises en place. Le laser d’horloge nécessitant une pré stabilisation pour sa réduction du bruit de fréquence, son asservissement sur une cavité ultra-stable fonctionnant à une longueur d’onde télécoms a été réalisée à l’aide d’un peigne de fréquence optique. Différentes simulations ont été effectuées pour prédire la stabilité relative de fréquence de l’horloge ou le comportement du nouveau piège.
Cette these presente l'application de deux techniques de refroidissement d'atomes neutres par laser, a la spectroscopie a haute resolution de la transition de l'horloge a cesium. Dans une premiere experience, on utilise un jet atomique ralenti et refroidi a l'aide de diode-lasers balayees en frequence. Un modele theorique permet de caracteriser les proprietes de ce jet. Les atomes du jet ralenti traversent une cavite micro-ondes de un centimetre de longueur, on observe sur la transition d'horloge, une resonance de ramsey de trois kilohertz de large. Dans la seconde experience, nous avons dans une premiere etape etudier la temperature d'equilibre des atomes d'une melasse optique a trois dimensions, en fonction de l'intensite et du desaccord a resonance du laser. Cette etude a permis de tester les nouvelles theories de refroidissement sub-doppler et de determiner precisement la temperature limite realisable avec ces mecanismes. Nous avons ensuite realise une fontaine atomique en decalant de facon symetrique les frequences des faisceaux verticaux de la melasse. Les atomes de la fontaine font un double passage dans une cavite micro-onde (aller et retour), on observe une resonance de ramsey de deux hertz de large. Le dernier chapitre est consacre a l'evaluation des erreurs systematiques et a la discussion des perspectives offertes par les techniques proposees
Le but du projet horace est de reduire les dimensions des horloges atomiques en utilisant des atomes refroidis, tout en conservant les stabilites et exactitudes des etalons commerciaux actuels. L'etude menee contribue a l'etablissement des meilleures configurations pour un futur prototype. La reduction de l'horloge est realisee en refroidissant et en interrogeant des atomes de cesium dans une cavite hyperfrequence. Cette cavite doit egalement etre une cellule optique dans laquelle la lumiere laser, injectee par des fibres optiques, refroidit des atomes de cesium. Deux types de cellule ont ete etudies : des cellules diffusantes en spectralon et des cellules reflechissantes en cuivre. Des temperatures inferieures a 10 k ont ete mesurees a grand desaccord, ce qui correspond a un regime de refroidissement sub-doppler. Nous avons mesure a desaccord optimal 9. 10 8 atomes froids avec les cellules diffusantes et 3. 10 7 atomes froids en cellule reflechissante. Une etude de l'effet d'echantillonnage (effet dick) pour une horloge de type horace nous indique que la stabilite de l'horloge pourra descendre dans la gamme des quelques 10 1 3 1 / 2 avec un oscillateur a quartz local faible bruit, en supposant que le rapport signal a bruit n'est pas un facteur limitant. Deux effets potentiellement limitants pour l'exactitude de l'horloge sont le deplacement de frequence du au gradient de phase et le deplacement de frequence radiatif. Le premier a ete evalue au pire a quelques 10 1 4 sur terre. Afin que le second reste inferieur a quelques 10 1 5, nous avons determine qu'il fallait obturer les faisceaux laser avec un taux de coupure de 1:10 8. Horace possede un fort potentiel grace a la grande adaptabilite des fonctions appliquees aux atomes. Sa taille reduite et sa souplesse d'emploi la destinent tout particulierement a devenir une horloge embarquee pour les systemes de navigation et de communication de demain.