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.
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.
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.
Trous brûlés spectraux pour les lasers ultra-stables Des trous brûlés spectraux dans des cristaux dopés aux ions de terres rares ont des nombreuses applications en métrologie du temps et de la fréquence. D'une part, les transitions optiques étroites des ions dopants peuvent servir de référence de fréquence pour la stabilisation au laser. La stabilité de fréquence relative attendue peut potentiellement être de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des lasers asservis sur des cavités Fabry-Perot à l'état de l'art. D'autre part, des contraintes mécaniques peuvent déformer la structure cristalline, décalant ainsi la fréquence de la transition dans les ions dopants. Explorer une telle transition à proximité de la résonance permet un couplage opto-mécanique et la réalisation de nouveaux systèmes quantiques hybrides.L'objectif de ce projet de thèse est d'améliorer les techniques de stabilisation de fréquence laser, et d'explorer les limites fondamentales de telles techniques. De nombreux travaux ont été consacrés au développement de techniques de détection à ultra-faible bruit, qui permettent d'obtenir un bruit de détection plus faible en utilisant différentes structures spectrales. L'environnement magique a été exploré, où l'effet sur les trous spectraux de la fluctuation de la température et de la pression appliquée peut être compensé en obtenant une annulation globale de premier ordre. L'expérience réalisée avec un environnement magique devrait permettre au trou spectral d'avoir une largeur de raie ultra-étroite et une immunité sans précédent au bruit et aux fluctuations thermiques. De plus, la sensibilité des trous spectraux vis-à-vis de la contrainte uniaxiale et du champ E externe a été caractérisée, de sorte que l'effet sur la fluctuation de la fréquence laser a pu être déduit et minimisé. L'application d'expériences de combustion spectrale de trous dans le résonateur micromécanique a été étudiée afin d'étudier le couplage opto-mécanique. La physique sous-jacente fera probablement la lumière sur la possibilité de réaliser des capteurs de force à l'échelle atomique dans notre système.
Laser ultra-stable avec gravure de trous spectraux et sondage multicanal Les lasers ultra-stables basés sur le technique de trous brulés spectraux constituent une alternative prometteuse pour surmonter la limitation du bruit thermique dans le schéma traditionnel de cavité Fabry-Perot ultra-stable. Dans cette thèse, un cristal Eu ^{3+} Y _2 SiO_5 à des températures cryogéniques est utilisé pour réaliser des trous spectraux étroits comme référence de fréquence. Un schéma de détection multi-hétérodyne flexible et polyvalent basé sur radio logiciel est réalisé pour obtenir de faibles bruits de détection. Le cristal est refroidi à des températures inférieures à 1 K pour obtenir de meilleures performances en bruit et en sensibilité thermique. Parallèlement, certaines propriétés pertinentes des trous spectraux sont caractérisées dans ce régime de température, et des propriétés intéressantes, non prévues par des modèles théorique simples sont mis en évidence. En outre, un phénomène inédit est observé et analysé de façon préliminairement sur la base de plusieurs mesures de caractérisation, fournissant de nouvelles informations pour comprendre le système du cristal Eu ^{3+} Y _2 SiO _5. De façon remarquable, la stabilité de fréquence fractionnelle du laser, asservi sur des trous spectraux, a été améliorée de manière encourageante à 4(1) times10^{-16} à 1~s, soit environ 2 fois mieux que les meilleurs résultats publiés précédents. Ceci fournit des preuves convaincantes du potentiel de l’approche des trous brûlés spectraux pour de futures applications métrologiques.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.
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.