Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultra-stable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision en métrologie et au-delà. Nous avons démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultra-stable 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. Nous avons développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement thermalisé 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+. Nous avons deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type Two-Way pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. Nous avons 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.
Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultra-stable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision en métrologie et au-delà. Nous avons démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultra-stable 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. Nous avons développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement thermalisé 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+. Nous avons deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type Two-Way pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. Nous avons 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.
Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultra-stable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision en métrologie et au-delà. Nous avons démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultra-stable 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. Nous avons développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement thermalisé 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+. Nous avons deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type Two-Way pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. Nous avons 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.
Le transfert des fréquences ultra-stables entre laboratoires distants est requis par de nombreuses applications concernant la métrologie temps/fréquence, la physique fondamentale, les accélérateurs de particules et l'astrophysique. Cette thèse décrit le développement de liaisons optiques ultra-stables sur des distances de 86 à 300 km. L'objectif à long terme est de développer des liens optiques de 1000 km environ afin de relier les principaux instituts nationaux de métrologie en Europe. Le lien optique est basé sur le transfert de la phase optique d'un laser ultra-stable de longueur d'onde 1542 nm par une fibre optique du réseau de télécommunications. Pour cela ont été développés des lasers stabilisés sur cavité Fabry-Perot et sur fibre optique. L'instabilité relative des lasers stabilisés sur cavité est de l ordre de 10-15 pour un temps d'intégration de 1 s. Les lasers stabilisés sur fibre sont robustes, compacts, simples, accordables et leur bruit de fréquence est comparable à celui des lasers stabilisés sur cavité pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de Hertz. Les liens optiques ont d'abord été démontrés sur 86 km et 172 km en utilisant des fibres dédiées reliant les laboratoires LNE-SYRTE et LPL. L'instabilité relative de fréquence obtenue était de l'ordre de 10-19 pour des temps d'intégration de 104 s. Pour des distances plus grandes, le signal ultra-stable est transféré directement sur le réseau Internet en utilisant un canal de fréquence dédiée, par la technique de multiplexage en longueur d ondes. Un lien multiplexé a ainsi été démontré sur une distance de 300 km, avec une instabilité relative de fréquence au même niveau qu avec des fibres dédiées.
Développements théoriques et expérimentaux pour un laser superradiant continu Le domaine de la métrologie du temps et des fréquences a connu des avancées majeures grâce aux progrès dans la stabilisation des lasers, les peignes de fréquences optiques et le contrôle des atomes ultrafroids. Ces développements ont permis des applications allant de la navigation à la physique fondamentale, où la mesure du temps atteint une précision inédite. Au cœur de ces réalisations se trouvent les horloges atomiques, dont la fréquence repose sur une transition stable. Les horloges optiques, basées sur des transitions de très haute fréquence, dépassent aujourd’hui les standards micro-ondes, atteignant des incertitudes relatives de l’ordre de 10⁻¹⁹.Malgré leurs performances remarquables, les horloges optiques actuelles sont limitées par le bruit thermique des cavités utilisées comme références passives. Pour dépasser cette limite, des approches actives ont été explorées, telles que les lasers superradiants, où les atomes eux-mêmes génèrent le champ optique stable. Fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, ces lasers émettent à une fréquence indépendante des fluctuations de la cavité, ouvrant la voie à une nouvelle génération de références optiques.Ce travail s’inscrit dans le développement d’un laser superradiant continu à base d’atomes de ytterbium froids. L’objectif est de démontrer une émission superradiante stable sur la transition étroite à 578 nm en régime continu, à l’aide d’un transport atomique séquentiel et d’un repompage incohérent. L’installation expérimentale comprend un four atomique, un ralentisseur Zeeman, un piège magnéto-optique et une cavité optique de haute finesse fonctionnant en régime de mauvaise cavité.Les premières optimisations ont porté sur le ralentisseur Zeeman, dont le profil de champ magnétique et l’alignement ont été ajustés, augmentant le flux atomique et le nombre d’atomes piégés (≈ 10⁸ à 100 µK). Une attention particulière a ensuite été portée à la caractérisation du transport atomique, utilisant un faisceau gaussien et un faisceau de Bessel contrôlé par des cristaux biréfringents, permettant de délivrer successivement des ensembles atomiques vers la cavité.Parallèlement, un schéma de repompage incohérent a été conçu et modélisé pour maintenir l’inversion de population pendant l’émission. Basé sur un modèle réaliste à plusieurs niveaux, il montre qu’un équilibre stationnaire peut être atteint pour des taux de repompage optimaux, fournissant les bases quantitatives de la mise en œuvre expérimentale.Sur le plan théorique, le modèle atome-cavité a été étudié via une équation maîtresse de Lindblad. Les analyses numériques, réalisées avec un programme Python développé pour ce travail, montrent que notre dispositif, opérant dans le régime de mauvaise cavité, peut produire des puissances de l’ordre du picowatt et des largeurs de raie sub-millihertz, compatibles avec une détection optique sensible.Une configuration de transport séquentiel avec deux sites atomiques, décalés symétriquement par rapport à la résonance de la cavité, a également été étudiée. Dans le régime où les sites se synchronisent, la fréquence centrale du spectre suit la moyenne pondérée de leurs fréquences. Le système se comporte comme lorsque les deux sites sont en résonance : au-delà du seuil critique d’atomes, la largeur de raie atteint le millihertz. Cela montre que le désaccord entre sites détermine directement la fréquence d’émission et doit être contrôlé avec la précision requise pour la stabilité visée du laser superradiant.Les travaux présentés sur l’optimisation du dispositif expérimental et la simulation de la dynamique atome-cavité établissent les conditions nécessaires à la réalisation d’un laser superradiant continu. Bien que l’émission superradiante n’ait pas encore été observée, ces résultats tracent une feuille de route claire vers la mise en œuvre d’une horloge optique active à haute stabilité en fréquence.
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
Réseaux de liens fibrés en métrologie pour la dissemination de fréquence : étude, exploitation, et sensibilités à l'effet Sagnac et autres perturbations terrestres Les horloges atomiques sont les outils modernes de la mesure du temps. Depuis la redéfinition de la seconde en 1967 fondée sur l'interrogation d'une transition atomique du Césium 133, les horloges atomiques se sont considérablement améliorées. Cela a conduit à de nombreuses avancées technologiques au cours des 55 dernières années, dont beaucoup nécessitent un transfert précis des signaux de temps et de fréquence, un exemple important étant le système de positionnement global (GPS). Avec les récents progrès des horloges atomiques de dernière génération, dites optique, les moyens traditionnels de diffusion des signaux d'horloge(s) ne sont plus adaptés si on n'accepte pas de ne pas dégrader leurs performances. La mise en œuvre d'une nouvelle technologie a été développée à cette fin dans plusieurs pays du monde ces dernières années. Elle utilise les fibres optiques comme support pour transférer et comparer les signaux des références de fréquence atomique. Dans cette thèse, j'aborderai la mise en œuvre d'un réseau de fibres optiques en France. Je discuterai des processus généraux de bruit de ces liaisons par fibre optique, et de leurs limites techniques et fondamentales. Des études approfondies de plusieurs applications d'un réseau de fibres sont présentées. Celles-ci incluent l'évaluation de la contribution de l'incertitude du réseau français de fibres optiques à la comparaison des horloges optiques. Ensuite, je présenterai une études sur l'utilisation de réseaux de fibres pour la détection de phénomènes géophysiques. Cela inclut la détection de l'effet Sagnac dans un lien à fibre déployé dans une topologie en anneau autour de Paris. Ensuite, je montrerai une étude de la détection des tremblements de terre avec le réseau de fibres français, et je discuterai des perspectives d'utilisation d'une telle technologie.
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.