Etude du pompage optique par laser et par lampe spectrale dans les horloges à vapeur de rubidium

V. Giordano

Dans ce memoire on etudie a la fois du point de vue theorique et experimental les caracteristiques du signal d'horloge fourni par un resonateur a jet de cesium lorsque la preparation atomique et la detection sont realises par pompage optique a l'aide de diodes laser. Dans une premiere partie nous determinons grâce aux equations d'evolution des populations les meilleures configurations de pompage et de detection conduisant a une amplitude du signal d'horloge maximale Dans une deuxieme partie ces predictions theoriques sont confrontees avec l'experience. Nous nous interessons tout particulierement au montage utilisant une seule source laser. Sa mise en œuvre est simple Ce montage delivre un signal' d'horloge avec un excellent rapport signal sur bruit du plus haut interet pour un eventuel fonctionnement en horloge atomique. Nous analysons enfin dans une derniere partie les configurations plus sophistiquees utilisant plusieurs sources laser. Ces dernieres doivent conduire en principe a une augmentation notable du rapport signal sur bruit. Nous montrons que ces ameliorations sont conditionnees par une reduction du bruit de frequence des diodes laser utilisees dans l'experience. En conclusion, cette etude montre que l'emploi du pompage optique dans les horloges a jet de cesium permet d'accroitre leurs performances.

Marie-Anne Bouchiat

Gaëlle Lucas-Leclin

Ce mémoire présente des résultats théoriques et expérimentaux sur les interactions entre atomes et lumière laser dans les horloges atomiques à pompage optique. On présente tout d'abord l'affinement spectral de lasers à semiconducteurs par la technique de la cavité étendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testés et comparés. La conception de structures performantes est présentée,et une méthode d'auto-alignement est mise en œuvre pour réduire la sensibilité des ces lasers aux perturbations extérieures. Ensuite, les interactions atomes/lumière sont décrites par le formalisme de la matrice densité, en prenant en compte le bruit de fréquence et la modulation du laser. Cette partie développe plus particulièrement l'analyse du pompage optique. On montre que le flux atomique présente, à pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de fréquence du laser. Enfin, en dernière partie, une évaluation expérimentale de l'influence des paramètres des lasers sur les signaux d'horloge est menée. Les rôles des lasers de pompage et de détection sont étudiés séparément, et l'extra-bruit de détection des atomes non-pompés est mesuré pour des lasers de pompage de largeurs de raie différentes. L'influence de l'efficacité du pompage sur le rapport signal-à-bruit du signal d'horloge est déterminée expérimentalement pour une horloge à jet thermique de césium, dans une configuration de frange brillante.

A. Michaud

Anders Brusch

Francis Hartmann

L’obtention de l’auto-oscillation maser sur la transition 0 — 0 des atomes alcalins d'une vapeur soumise au pompage optique présente un grand intérêt par suite de l’excellente stabilité de fréquence à court terme (Aν/ν < 10-12 sur 0,1 seconde, pour une puissance de sortie P = 10-10 watt) prévue pour cet oscillateur. En vue de préciser les conditions nécessaires à la réalisation d'un tel appareil, nous avons effectué une étude théorique détaillée de l’amplification maser par la transition 0 — 0, et appliqué les relations générales ainsi obtenues au cas du rubidium 85. Une étude expérimentale systématique dans les directions ainsi définies nous permet d’optimiser les divers paramètres du montage par approximations successives ; nous avons actuellement atteint une valeur de l’amplification correspondant à 88 p. 100 du seuil d’oscillation. Par ailleurs, en insérant la cavité du maser dans une boucle de réaction comprenant un amplificateur, nous avons réalisé un oscillateur dont les propriétés semblent également très intéressantes (puissance 10-8 watt; très faible instabilité de fréquence à court terme ; volume relativement réduit).