Les liens optiques cohérents par fibre optique permettent de transférer sur des distances continentales une référence de fréquence optique avec une stabilité et une exactitude surpassant de plusieurs ordres de grandeurs les méthodes satellitaires. Ce sont les seuls outils capables de comparer sans dégradation les étalons de fréquence optique de dernière génération.

Objectifs

Poursuivre l'implantation géographique de liens optiques métrologiques pour la comparaison des références de fréquences, en Europe

 

Comparaisons d’étalons de fréquence à ultra haute résolution sur des réseaux fibrés de télécommunication nationaux et européen

Permettre un raccordement direct par cette implantation aux étalons nationaux de temps et fréquence

Interconnecter les réseaux nationaux allemand, italien et anglais et ainsi faciliter la dissémination et la comparaison des références de fréquence

Résumé et premiers résultats

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Carte des liaisons métrologique par fibre optique envisagées pour l'Europe ; en vert : liaisons existantes, en jaune : liaisons en cours de réalisation, en violet : liaisons envisagées à moyen terme.

Le niveau de performance des liaisons optiques permettraient de vérifier le bilan d’incertitude des étalons de fréquence les plus exacts, de mettre à jour des effets de relativité générale, et de tester les variations des constantes fondamentales. Les performances du système, déjà impressionnantes, peuvent encore être améliorées pour rendre encore plus sensibles ces tests de physique et de métrologie fondamentales. Les limites de performances des liens cohérents sont liées au temps de propagation de la lumière dans la fibre et aux bruits intrinsèques de l’instrumentation. Le projet LICORNE vise à améliorer la qualité de l’instrumentation des liens optiques cohérents, à mieux comprendre les limites fondamentales et techniques des liens, et à développer de nouvelles liaisons optiques cohérentes à l’échelle nationale et européenne. Ce projet intervient alors que le laboratoire, avec le soutien de RENATER, a mis au point et validé la technique des liens cascadés, qui nous permettent d’atteindre pratiquement le même niveau de performance mais sur un lien de 1100 km, et bientôt de 1500 km.

Ainsi, les principaux travaux du projet LICORNE porteront sur l’amélioration des techniques, en travaillant sur la sensibilité des interféromètres et à leur isolation thermique, et en travaillant vers des électroniques plus puissantes, plus agiles, et mieux intégrées. Il faudra également développer des méthodes de comparaisons de fréquence de type 2-voies (two-way), techniques alternatives à celle de la compensation active, en configuration uni-directionnelles et bi-directionnelles. De plus, l’équipe s’intéressera également au développement de méthodes de transfert double permettant l’envoi simultané de fréquence RF et optique. Enfin, pour valider les travaux sur les nouvelles techniques et méthode, l’équipe mènera une  campagne de comparaison entre les différents moyens de comparaison existant actuellement : liens satellitaires (TWSTFT, GNSS) et les liens cohérents fibrés.

Impacts scientifiques et industriels

  • Comparaisons par fibres optiques des étalons nationaux de fréquence à ultra haute résolution sur les réseaux de télécommunications européens.
  • Liaisons opérationnelles pour la dissémination des références de fréquences optiques et micro-ondes, en France et en Europe.

Partenaires

  • Laboratoire de Physique des Lasers (LPL)
  • REFIMEVE+
  • Labex First-TF
  • Observatoire de Nançay
  • PTB
  • INRIM
  • NPL
  • KRISS

Les étalons atomiques de fréquences de haute performance (fontaines atomiques et horloges optiques) atteignent aujourd’hui des stabilités relatives de fréquence de l’ordre de 10-14 à une seconde (quelques 10-16 sur une journée) pour les fontaines et un ordre de grandeur de mieux pour les étalons optiques. L’exactitude pour les fontaines est de quelques 10-16 et les horloges optiques ont une exactitude de 10-17 (avec une stabilité à une seconde de l’ordre de 10-15 avec en perspective quelques 10-16). Ces performances impressionnantes vont bien au-delà des capacités de stabilité des systèmes de comparaison d’horloges à distance existants, limités aujourd’hui à 10-15 à un jour.

Objectifs

Réalisation de liens optiques fibrés pour la comparaison de fréquences ultrastables

Résumé et premiers résultats

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Représentation des liens optiques pour la comparaison et la dissémination du temps entre horloges réparties sur le territoire national et européen.

Ce projet fait suite au travail pionnier du projet LO2 (Lien optique longue distance) consacré au développement d’un lien optique ultra-stable dédié au transfert d'une fréquence ultra-stable entre laboratoires distants sans aucune dégradation de ses performances de stabilité. Un lien optique utilise la propagation d'un laser stabilisé émettant autour de 1,55 μm dans des fibres optiques avec une correction active du bruit de phase induit par la propagation dans la fibre. Le résultat principal de LO2 a été la démonstration d'un lien optique multiplexé sur un réseau fibré de télécommunications dans lequel se propageaient simultanément les données Internet. Pour cela, le LNE-SYRTE a  étroitement collaboré avec le Réseau National pour la Technologie, l’Enseignement et la Recherche, RENATER. Ce nouveau type de lien optique est une avancée majeure car il permet d’utiliser le réseau de fibres optiques déjà existant entre chaque laboratoire pour les applications Internet.

Le projet ROME a les objectifs suivant  :

  • Etudier et réaliser des amplificateurs optiques fibrés dopées Erbium optimisés et pilotables à distance (permettant d’amplifier le signal).
  • Démontrer la faisabilité d’un lien optique fibré de 1 100 km Paris-Nancy-Paris ;
  • Réaliser une version améliorée de station de régénération optique ;
  • Réaliser et tester un lien Paris-Strasbourg-Paris de 1400 km environ avec 3 à 5 stations régénératrices ;
  • Démontrer le transfert simultané temps-fréquence sur porteuse optique ;
  • Etudier des méthodes de type 2-voies pour les comparaisons de fréquences optiques.

Un travail important a été réalisé afin de valider les amplificateurs fibrés permettant d’amplifier les signaux métrologiques, ainsi que les stations régénératrices où les signaux voient leurs dérives corrigées afin qu’ils conservent leurs caractéristiques de stabilité et d’exactitude.

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SIB-TF-10_Fig2

Un premier lien cascadé de 1 100 km (ayant 4 stations régénératrices) à été réalisé du Laboratoire de Physique des Laser (LPL), situé à Villetaneuse, à Nancy puis un retour au LPL par un autre canal. Fort de cette démonstration, la station de Nancy a été déplacé à Strasbourg permettant au lien d’atteindre presque 1 500 km. Les résultats en termes de stabilité de fréquence montrent que pour les 3 liens (LPL-Nancy-LPL, LPL-Strasbourg-LPL et SYRTE-Strasbourg-SYRTE) le plancher des 10-18 est atteint après une centaine de secondes d’intégration et que celui des 10-19 est atteint au bout de 4 000 secondes (soit un petit peu plus d’une heure d’intégration).

Ainsi, ce projet a permis jusqu’à maintenant de démontrer des stabilités de liens de presque 1 500 km bien supérieures à celles des meilleures horloges optiques du monde et ouvre donc la voie à des comparaisons par liens fibrés des différentes horloges (fontaines atomiques et horloges optiques) des laboratoires de métrologie européen. Des comparaisons entre les horloges optiques du NPL (GB), du SYRTE (F) et de la PTB (DE) sont en cours de réalisation et font l’objet du projet LICORNE

Impacts scientifiques et industriels

  • Réaliser des liens fibrés permettant des comparaisons intercontinentales d’horloges,
  • Maitrise des stabilités pour disséminer le SI jusqu’aux utilisateurs.

Publications et communications

LOPEZ O., HABOUCHA A., CHANTEAU B., CHARDONNET C., AMY-KLEIN A.., et SANTARELLI G. , "Ultra-stable long distance optical frequency distribution using the Internet fiber network.",  Opt. Expr. 20, 2012, 23518-23526.

LOPEZ O., KANJ A., POTTIE P.E., ROVERA D., ACHKAR J., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G., "Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network", Applied Physics B: Lasers and Optics, 2012, DOI: 10.1007/s00340-012-5241-0.

BERCY A., STEFANI F., LOPEZ O., CHARDONNET CH., POTTIE P.-E. et AMY-KLEIN A., “Two-way optical frequency comparisons at 5×10-21 relative stability over 100-km telecommunication network fibers”, Phys. Rev. A, 90, 2014, 061802(R), DOI: 10.1103/PhysRevA.90.061802.

STEFANI F., LOPEZ O., BERCY A., LEE W.-K., CHARDONNET CH., SANTARELLI G., POTTIE P.-E. et AMY-KLEIN A., “Tackling the Limits of Optical Fiber Links”, JOSA B, 32, 2015, 787, DOI: 10.1364/JOSAB.32.000787.

BERCY A., STEFANI F., LOPEZ O., POTTIE P.-E., CHARDONNET CH. AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G, "Towards large scale metrological fibre network", EFTF-IFCS 2013, Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

LOPEZ O., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A., KANJ A., POTTIE P.-E., ROVERA D., ACHKAR J. et SANTARELLI G., “Simultaneous remote transfer of accurate timing and optical frequency over a public fiber network”, Joint Meeting of the 26th European Frequency and Time Forum (EFTF) and the 2013 IEEE Frequency Control Symposium (FCS), Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

RAUPACH S., KOCZWARA A., GROSCHE G., STEFANI F, LOPEZ O , AMY-KLEIN A., CHARDONNET CH., POTTIE P.-E, et SANTARELLI G., "Bi-directional optical amplifiers for long-distance fibre links", EFTF-IFCS 2013, Prague, République Tchèque, 21–25 juillet 2013.

LOPEZ O., POTTIE P.-E., CHANTEAU B, STEFANI F., BERCY A., CHARDONNET CH., SANTARELLI G. et AMY-KLEIN A., "Long distance ultra-stable frequency dissemination on a dedicated wavelength channel of a telecommunication network.",  CLEO 2013

POTTIE P.-E, LOPEZ O., KANJ A., ROVERA D., ACHKAR J., CHARDONNET CH., AMY-KLEIN A. et SANTARELLI G, "Time and Frequency comparisons with Optical Fiber Links", Journées des Systèmes de Référence Temps-Espace, 2013.

STEFANI F., BERCY A., LOPEZ O., AMY-KLEIN A. et POTTIE P.-E.,  "Theoretical and Experimental Investigation of Phase Noise Processes on Optical Fiber Links for Frequency Comparison and Dissemination", European Time and Frequency Forum, Neuchâtel, Suisse, 23-26 juin 2014.

KRONJÄGER J., MARRA G., LEE W.-K., POTTIE P.-E., AMY-KLEIN A., LOPEZ O., SPAHIC F., CALONICO D., ROBERTS G. et SCHNATZ H., Towards an international optical clock comparison between NPL and SYRTE using an optical fibre network”, 8th Symposium on Frequency Standards and Metrology, Potsdam, Allemagne, 12-16 octobre 2015.

LOPEZ O et al., "Progress on a Cascaded Optical Link Between Paris and Strasbourg", European Time and Frequency Forum, Neuchâtel, Suisse, 23-26 juin 2014.

LOPEZ O et al., "Progress towards a metrological fiber wide-area network", 3rd VLBI workshop 2014

POTTIE P.-E. et al., « Vers la comparaison d’horloges optiques par liens optiques fibrés », Journée GRAM, Bordeaux, France, 3-4 avril 2014.

SCHNATZ H. et al., “NEAT-FT: the European Fiber Link Collaboration", https://www.ptb.de/emrp/neatft_home.html

Partenaires

  • Laboratoire de Physique des Lasers (LPL),
  • INRIM,
  • PTB
  • IDIL Fibres Optiques

Le projet de LAser Stabilisé sur Iode en Cavité (LASIC) porte sur la stabilisation en fréquence d’un laser Nd:YAG doublé en fréquence, sur une transition de l’iode moléculaire au voisinage de 532 nm. La vapeur d’iode est contenue dans une courte cellule en quartz scellée, refroidie et placée dans une cavité optique de faible finesse, fonctionnant sous ultravide.

Objectifs

Développement d’un étalon de fréquence, compact et robuste et très stable au voisinage de 532 nm

Résumé et résultats

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Le but de ce projet est la mise en place d’un dispositif instrumental compact, ultra stable en fréquence et susceptible de répondre à des besoins pour des applications spatiales. Le projet a été initié et principalement financé par le CNES, qui souhaitait répondre aux besoins de la mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dédiée à la détection d’ondes gravitationnelles dans l’espace. Ce projet spatial implique un lien interférométrique longue distance utilisant la radiation infrarouge, alors que l’harmonique deux de cette radiation est utilisée pour sonder la vapeur d’iode pour les besoins de la stabilisation en fréquence.

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Stabilité de fréquence du laser asservi LASIC.

Habituellement, la stabilisation en fréquence de lasers Nd:YAG sur l’iode moléculaire est opérée en utilisant la technique d’absorption saturée basée sur deux faisceaux lasers contra-propageant dans une cellule d’iode. Cette approche a été développée dans de nombreux laboratoires de métrologie pour la mise en place d’étalons secondaires de fréquence transportables, notamment dans le cadre de la mise en pratique de la définition du mètre. Le recouvrement des faisceaux laser contra-propageant dans la vapeur d’iode a été clairement identifié comme un des paramètres importants limitant la stabilité de fréquence à long terme du laser asservi. L’utilisation d’une cavité en anneau, permet théoriquement d’améliorer cette stabilité de fréquence, le contraste des raies d’absorption étant proportionnel à la finesse de la cavité.

Les premières mesures, réalisées sur la cavité à l’air libre, ont montré des performances de stabilités relatives de fréquence à court terme de l’ordre de 8×10-14t-1/2, la dérive de fréquence observée après quelques dizaines de ms étant attribuée au dispositif laser asservi sur une fibre optique (qui permet d’effectuer le battement et la comparaison de stabilité de fréquence)

Après avoir réalisés ces expériences à l’air libre, une seconde cavité a été développée, prenant mieux en compte les aspects vibrationnels des supports miroirs, afin d’obtenir de nouvelles mesures sous vide poussé (~ 4×10-5 Pa). En comparant la fréquence asservie sur iode à celle d’un laser femtoseconde,  la stabilité de fréquence obtenue à 1 s est de 4×10-13. La différence de résultat entre les deux mesures (à l’air libre et sous vide poussé) est sans doute due à des spécifications non conformes d’un point de vue de la stabilité mécanique mais également du dispositif en anneau qui est susceptible d’introduire des fluctuations de recouvrement des faisceaux optiques.

Impacts scientifiques et industriels

  • Réalisation d’un étalon de fréquence au voisinage de 532 nm ;
  • Dispositif compact, adapté aux missions spatiales.

Publications et communications

TURAZZA O., ACEF O., AUGER G., HALLOIN H., DUBURCK F., PLAGNOL E., HOLLEVILLE D., DIMARCQ N., BINETRUY P., BRILLET A., LEMONDE P., DEVISMES E., PRAT P., LOURS M., TUCKEY P. et ARGENCE B., Lasic-Cavity-enhanced molecular iodine laser frequency stabilization for space projects”, 38th COSPAR Scientific Assembly, Bremen, Allemagne, 15-18 juillet 2010.

Partenaires

  • Laboratoire AstroParticule et Cosmologie (APC) 
  • Observatoire de la Côte d’Azur (OCA-ARTEMIS)

Le laboratoire LNE-SYRTE travaille depuis de nombreuses années sur le programme spatial PHARAO/ACES. ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) est une mission spatiale de l'ESA (Agence Spatiale Européenne), dédiée à la physique fondamentale au travers de mesures fines de l’espace-temps. PHARAO (Projet d’Horloge A Refroidissement d’Atomes en Orbite) est une horloge primaire spatiale à atomes froids de césium, réalisée sous la maîtrise d’œuvre du CNES (Centre national d’études spatiales).

Objectifs

Réalisation d’une horloge atomique en microgravité dans l’Espace,

Tests de physique fondamentale (relativité générale, définition de la seconde…).

Résumé et premiers résultats

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La mission spatiale ACES repose sur deux premières étapes : l’étude d’un ensemble de nouvelles horloges spatiales en microgravité pour fournir une référence de temps/fréquence avec des performances inégalées et le transfert de ces performances sans altération entre les horloges situées dans l’Espace et celles des stations métrologiques sur Terre.

Les travaux de recherche portent sur la physique fondamentale (tests sur les invariances), la physique associée à la réalisation d'une horloge à atomes froids en microgravité et le transfert de temps/fréquence. Le principal domaine d'application est la métrologie espace-temps et aura des applications en géodésie et sur les systèmes de positionnement/navigation. Le laboratoire Kastler Brossel (LKB) et le LNE-SYRTE ont été les initiateurs de cette mission. En outre ils sont fortement impliqués dans le développement industriel de PHARAO ainsi que dans toutes les phases d'évaluation des instruments et de la préparation de la mission.

La charge utile ACES sera installée sur l’ISS (Station Spatiale Internationale). Elle est composée de deux horloges atomiques, d'un moyen de comparaison local, d'une station de transfert de temps deux voies et d'un récepteur GPS/GALILEO. La première horloge est un nouvel étalon primaire avec des atomes de césium refroidis comme source atomique. Elle fournira un signal métrologique avec une exactitude relative de fréquence de 10–16 et une stabilité de 10–13×τ–1/2. Son développement est assuré par le CNES à Toulouse. La seconde horloge est un maser à hydrogène développé par la société Spectra Time en Suisse. Ce maser devrait avoir la meilleure stabilité de phase/fréquence sur des durées de 5 s à 10 000 s. Le dispositif de transfert de temps, bord et sol, est développé en Allemagne par Timetech. C'est un système « deux voies » avec des niveaux de bruit de 0,3 ps à 300 s, 7 ps à 1 jour et 23 ps à 10 jours. Le récepteur double GPS/GALILEO aura deux rôles : fournir des informations pour affiner l'orbitographie de la charge utile et assurer un lien avec l'ensemble des satellites de positionnement à des fins de caractérisation (effets atmosphériques par exemple).

Au sol, le système d’étude est complété d’un réseau de laboratoires qui possèdent des horloges de hautes performances. Environ 35 laboratoires répartis sur la Terre devraient participer à des comparaisons avec leurs propres moyens au sol. À ces laboratoires, il faut ajouter les équipes intéressées par l'analyse des données pour explorer les domaines de la relativité, de la géodésie, de l'atmosphère ou du positionnement.

Dans ce cadre, le LNE-SYRTE intervient sur les quatre phases suivantes du programme :

–   la participation au développement instrumental de PHARAO et à la validation de ses performances au sol puis en vol ;

–   la mise en œuvre d’une station métrologique au sol avec l’antenne pointée vers la station spatiale internationale (ISS), où sera implantée la charge utile ACES, le module d’émission et de réception des signaux métrologiques (MWL, MicroWave Link). Ce module est référencé sur le signal physique UTC(OP), échelle de temps reposant sur le fonctionnement continu des fontaines atomiques ;

–   le développement d’un centre d’analyse scientifique des données fournies par le moyen de comparaison à distance MWL ;

–   la participation au suivi du programme ACES puis à son exploitation.

Le LNE-SYRTE est partenaire de la mission spatiale internationale ACES de l’Agence Spatiale Européenne (ESA). Son rôle est majeur puisqu’il a la responsabilité scientifique de l’étalon primaire de fréquence, PHARAO, instrument clé du segment spatial développé par le CNES, et des moyens métrologiques au sol pour effectuer des comparaisons de temps avec le segment spatial. Il accueillera une antenne d’émission/réception pour effectuer ces comparaisons et sera une station maîtresse de la mission ACES. En outre, le LNE-SYRTE est aussi responsable du traitement des données de comparaison entre l’échelle de temps spatial et les échelles de temps des stations au sol pour en extraire les résultats scientifiques.

Actuellement, les performances du prototype de l’horloge ont été testées et montrent une exactitude de fréquence de 2×10–15, limitée par le fonctionnement au sol. Au total l’exactitude de l’horloge devrait s’établir au niveau de 1,3×10–16 en vol. Le montage du modèle de vol a été réalisé et des comparaisons avec la fontaine mobile du LNE-SYRTE ont également eu lieu. Ces comparaisons ont démontré l’accord de la stabilité et de l’exactitude avec les objectifs du projet. Le déploiement des stations micro-ondes ACES au sol a commencé en France, ainsi que dans les laboratoires européens partenaires du projet. Ces stations permettront de comparer l’horloge PHARAO avec les horloges de ces laboratoires.

Le modèle de vol de l’horloge PHARAO, après sa qualification technique et scientifique, a été livré à l’ESA en juillet 2014. La mission ACES a pris beaucoup de retard suite à des problèmes de développement sur le maser à hydrogène (compagnon de PHARAO) et sur les modules de comparaison MWL bord et sol, instruments sous la responsabilité de l’ESA. Les difficultés sont maintenant surmontées et le lancement de la charge utile, prévu initialement en 2016, a été programmé en 2020.

Aujourd’hui le maser à hydrogène est terminé ; il a passé les tests en vibration avec succès (fin 2017) et il est en cours de qualification sur les aspects thermiques. Concernant les modules MWL, des tests de performances sont en cours.

L’activité en cours au LNE-SYRTE sur le projet PHARAO consiste en l’approfondissement de scenarios d’opération en cours de mission pour l’évaluation des effets systématiques et établir le meilleur compromis entre la stabilité et l’exactitude de fréquence (collab. avec K. Gibble). Ces études sont basées sur des simulations Monte Carlo et des retours d’expériences effectuées lors des tests au sol. Le choix du meilleur scenario sera effectué lors des premières mesures de stabilité de fréquence de PHARAO en vol, car la géométrie de PHARAO est, bien sûr, optimisée pour fonctionner en microgravité.

Les travaux pour l’installation de la station MWL à l’Observatoire de Paris sont terminés. Le signal physique UTC(OP) est disponible. Les logiciels permettant de simuler et d’analyser des données de comparaison des horloges via la mission ACES incluant la totalité des effets physiques connus sont opérationnels.

Impacts scientifiques et industriels

  • Comparaison des échelles de temps,
  • Relativité générale,
  • Mesure pour la géodésie et systèmes embarqués.

Publications / Communications

DELVA P., HEES A. et WOLF P., “Clocks in Space for Tests of Fundamental Physics”, Space Science Reviews, 2017, 1-37.

LAURENT P. et al., “The ACES/PHARAO space mission”, Comptes Rendus de Physique, 16, 2015, 540.

DELVA P., LE PONCIN-LAFITTE C., LAURENT PH., MEYNADIER F. et WOLF P., “Time and frequency transfer with the ESA/CNES ACES-PHARAO mission”, Highlights of Astronomy, 16, 2015, 211-212.

MEYNADIER F., DELVA P., LE PONCIN-LAFFITE C., GUERLIN C., LAURENT P. et WOLF P., “Preparing ACES-PHARAO data analysis”, Proceedings ICFS-EFTF, 2015.

PETERMAN P., GIBBLE K., LAURENT P. et SALOMON CH., “Microwave lensing frequency shift of the PHARAO laser-cooled microgravity atomic clock”, Metrologia, 53(2), 2016, 899.

MEYNADIER FR., DELVA P., LE PONCIN-LAFFITE CH., GUERLIN C., LAURENT PH. et WOLF P., “ACES MWL data Analysis center at SYRTE”, Rencontres de Moriond – Gravitation, La Thuile, Italy, 25 mars – 01 avril, 2017.

DELVA P., “Atomic Clocks on the Ground and in Space: Towards Chronometric Geodesy and New Tests of the Gravitational Redshift”, Rencontres de Moriond, Gravitation: 100 years after GR, La Thuile, Italy, 21-28 mars 2015.

GUÉNA J. et al., “Clock tests of space-time variation of fundamental constants”, Rencontres de Moriond on Gravitation: 100 years after GR, La Thuile, Italy, 21-28 mars 2015.

SCHMEISSNER R., FAVARD PH., DOUAHI A., PEREZ P., MESTRE N., BALDY M., ROMER A., CHASTELLAIN FR., COPPOOLSE W.W., VON BANDEL N., GARCIA M., KRAKOWSKI M., GUÉRANDEL S., FOLCO Y. et KONRAD W., “Optically pumped Cs space clock development”, 2017 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium the European Frequency and Time Forum, 2017,136.

 

Partenaires

  • Laboratoire Kastler Brossel,
  • Institut de recherche XLIM.
  • Thales,
  • CNES,
  • SODERN,
  • CS SI,
  • EREMS.

Les horloges atomiques de nouvelle génération (horloges optiques) montrent déjà des performances meilleures (de plus d’un ordre de grandeur) que les horloges micro-ondes « classiques », atteignant même des incertitudes inférieures à 1×10-17. Cela les rend particulièrement prometteuses pour des applications spatiales, de physique fondamentale, ou de science de la Terre, telles la navigation géolocalisée, l'observation de la Terre, etc.

Cependant, le problème de la comparaison de ces horloges, à hauteur de leurs performances, en sol-espace ou sur des distances intercontinentales, n'a pas encore été résolu actuellement. Des solutions existent, sur des distances continentales, en utilisant des liens optiques fibrés. Et des essais pour reproduire ce type de lien en espace libre ont vu le jour, dont le projet Mini-DOLL.

Objectifs

Démontrer la faisabilité d’un lien optique cohérent à travers l’atmosphère turbulente en quantifiant le bruit de la transmission dans l'atmosphère et la limite basse de la puissance du signal reçu et les variations/ perturbations possibles du signal transmis à long terme.

Evaluer ce nouveau système en comparaison aux systèmes de liaison satellitaire déjà existants.

Résumé et premiers résultats

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Dans la première phase, en 2009, une expérience relativement simple a démontré la faisabilité du lien sol-sol sur une distance de 2,5 km, expérience encourageantes pour les futures comparaisons d’horloges à distance en utilisant la phase optique en espace libre. Le laboratoire a ainsi démontré que le principal effet perturbateur était dû aux turbulences atmosphériques qui pouvaient être compensé suffisamment pour que la technique soit intéressante pour les horloges actuelles et futures, et comparable aux liens fibrés, potentiellement sur des distances bien plus importantes. Ces résultats ont été publiés et confirmés récemment par une équipe américaine.

La suite du projet a consisté à étendre l’expérience à un lien sol-satellite en utilisant des coins de cubes embarqués sur des satellites existants. Ce projet a été l’occasion de relever de nombreux défis, essentiellement à cause du bilan de puissance de la liaison qui est très défavorable (< 1 pW de la puissance émise par le laser attendu au retour). Ce bilan est bien plus défavorable, d’au moins 6 ordres de grandeurs, que dans un lien avec émission de chaque côté (un laser dans le satellites). L’expérience Mini-DOLL vise donc à démontrer la faisabilité et à mesurer le bruit d’un tel lien dans des conditions particulièrement défavorables.

Pour cela, un nouveau montage a été nécessaire et développé au LNE-SYRTE entre 2010 et 2012. Ce montage inclut deux lasers stabilisés sur des fibres à délai avec une stabilité relativement bonne (< 10-13en fréquence relative) et la possibilité de balayer l’un des lasers de plusieurs dizaines de GHz d’une manière bien contrôlée afin de compenser l’effet Doppler dû au mouvement du satellite dans le ciel. Ce système de lasers et ses performances ont donné de très bons résultats et ont également été publiés.

Finalement, ce montage a été transporté à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) et installé sur le télescope MéO du site de Calern. Trois campagnes expérimentales ont eu lieu entre novembre 2012 et mars 2013. Initialement il a été prévu d’utiliser un système d’optique adaptative (OA) déjà sur place et fourni par l’ONERA afin d’améliorer le bilan de liaison et le pointage du satellite pour capter le signal retour. Malheureusement il s’est avéré que le système OA sur place n’était pas assez performant en termes de luminosité pour les satellites d’intérêt pour Mini-DOLL. Ainsi, le montage a dû être modifié pour essayer de capter un signal retour en l’absence d’OA, mais sans succès.

Malheureusement, l’expérience n’a pas été positive, et il va être nécessaire d’utiliser une optique adaptative opérationnelle, ou au minimum un suivi actif du satellite. Actuellement un nouveau banc d’optique adaptative est en cours de test sur MéO, et en fonction de ses performances, il est envisagé d’effectuer des nouvelles expériences avec Mini-DOLL.

Malgré tout, le projet Mini-DOLL a permis d’avancer significativement vers la réalisation de liens sol-satellite pour la comparaison d’horloges de nouvelle génération, mais aussi pour des applications dans d’autres domaines comme l’observation de la Terre et les télécommunications.

Impacts scientifiques et industriels

  • Démonstration de la faisabilité d'un lien sol-sol en utilisant la phase optique en espace libre ;
  • Comparaisons de fréquence intercontinentales.

Publications et communications

DJERROUD K. et al., “Coherent optical link through the turbulent atmosphere”, Opt. Lett., 35, 2010, 1479 – 1481, DOI: 10.1364/OL.35.001479.

CHIODO N. et al., “Lasers for coherent optical satellite links with large dynamics”, Applied Optics, 52, 2013, 7342-7351, DOI: 10.1364/AO.52.007342.

La seconde est l’unité de temps du SI définie à partir de la fréquence de la radiation de transition entre deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133. La fréquence de cette radiation se situe dans le domaine des micro-ondes (autour de 9 GHz). Or depuis quelques années, plusieurs références de fréquence développées dans les laboratoires nationaux de métrologie du temps, fournissent des radiations dont la fréquence se situe dans le domaine du rayonnement optique.

Objectifs

Mise en oeuvre de comparaisons d'horloges optiques

 

Démonter les performances des horloges optiques afin de les intégrer dans le calcul des échelles de temps internationales

Résumé et résultats

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Schématisation des liens 2-voies pour la comparaison d’horloges par satellites.

Les références de fréquence qui émettent un rayonnement dans la bande optique atteignent désormais, et surpassent même, les performances en termes de stabilité et d’exactitude, des meilleurs étalons primaires actuels que sont les fontaines à atomes de césium ; elles ont des incertitudes relatives très inférieures à 10–16 et atteignent même moins que 10–17 pour les meilleures au monde. Ces évolutions technologiques sont telles qu’il est désormais envisagé de réviser la définition de la seconde afin de disposer d’étalons primaires de fréquence et donc de réaliser la seconde avec ces ultimes performances.

Ce projet collaboratif européen, ITOC, s’inscrit dans ce contexte, pour effectuer les travaux préalables nécessaires à la proposition d'une nouvelle définition de la seconde en apportant des données de mesure pour argumenter les choix possibles. Ces données sont obtenues en effectuant des comparaisons de fréquence des horloges fournissant un signal dans le domaine optique et ayant des incertitudes référencées à la définition actuelle de la seconde. Avant ce projet, peu de données de comparaison existaient. C’est pourquoi ce projet a pour but de mettre en oeuvre des comparaisons d'horloges optiques développées dans 5 laboratoires nationaux de métrologie européens dont le LNE-SYRTE. Le projet européen est coordonné par le NPL (UK) et a débuté en mai 2013.

L’objectif était donc de comparer ces références de fréquences potentielles de telle sorte que seule la limite de comparaison soit l’exactitude des horloges elles-mêmes, en utilisant diverses techniques de comparaison : il y a des comparaisons locales dans un laboratoire (directes entre horloges de même nature ou à l'aide de peignes de fréquence) et des comparaisons distantes entre laboratoires (horloge transportable, liens optiques fibrés ou liens satellitaires à bande passante large – Two Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT).

Dans le cadre de ce projet, les participants ont effectué des mesures de fréquence absolue de leurs horloges optiques à l'aide de peignes de fréquence et de fontaines atomiques. Ils ont évalués complètement tous les effets relativistes influençant les comparaisons de temps et de fréquence entre les horloges optiques avec une exactitude de l'ordre de 10-18, en établissant une connexion avec les techniques géodésiques classiques (nivellement géométrique, modèle de champ gravitationnel à haute résolution, mesures GNSS…). La possibilité d'utiliser des horloges optiques transportables fonctionnant en continu a été étudiée pour la comparaison des horloges à distance. Une expérience a été effectuée pour mesurer une grande différence de potentiel de gravité en utilisant des horloges optiques. Le consortium de laboratoires a effectué une analyse du programme de comparaison afin de vérifier la cohérence des mesures et obtenir des valeurs optimisées pour la fréquence de chaque transition d'horloge par rapport à la définition courante de la seconde SI. Il a également envisagé les facteurs importants influençant l'utilisation des horloges optiques en tant que représentations secondaires de la seconde pour le pilotage du temps atomique international (TAI) et du temps universel coordonné (UTC).

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Fig. 1 : Types d’horloges opérationnelles dans différents laboratoires nationaux européens : MIKES (Finlande), INRIM (Italie), NPL (Royaume-Unis), LNE-SYRTE (France).

En tant que participant au projet ITOC, le LNE-SYRTE a été fortement impliqué dans :

  • La comparaison des horloges optiques au sein du laboratoire, avec en particulier la mesure directe du rapport de fréquence optique 199Hg/87Sr avec une inexactitude de 1,8×10–16 ;
  • La mise en œuvre d'un moyen de transfert de fréquence à deux voies satellitaire (TWSTFT) large bande. Une unique campagne a été organisée en juin 2015 pour effectuer la plus grande et première comparaison d'horloges optiques à distance, avec des incertitudes de quelques 10-16. Il a été montré que la technique GPS-IPPP, introduite récemment, présente une performance similaire, en stabilité de fréquence, à celle du TWSTFT large bande mais avec un coût opérationnel considérablement réduit ;
  • Des mesures absolues de fréquences optiques au laboratoire : strontium/césium et mercure/césium à la limite d’exactitude des fontaines (2,8×10-16 pour Sr/Cs), et également stromtium/rubidium et mercure/rubidium, à un niveau similaire ;
  • Pilotage du lot de travail du projet « Échelles de temps relativistes et géodésie » ;
  • Campagne de nivellement et GNSS au sein de l'Observatoire de Paris, afin de déterminer, avec la plus grande exactitude possible, les corrections de décalage gravitationnel à appliquer aux horloges atomiques lors de leurs comparaisons locales et distantes, ainsi que pour leur contribution aux échelles de temps internationales ;
  • Modélisation relativiste du transfert de temps-fréquence par fibre optique, avec une exactitude relative inférieure à 10–18 ;
  • Évaluation de la correction relativiste à appliquer aux comparaisons par TWSTFT, en prenant en compte le mouvement résiduel du satellite dans le repère terrestre ;
  • Collaboration étroite avec l’Université de Hanovre (LUH) pour l'élaboration de méthodes et de conventions pour la mesure et la définition des corrections relativistes à appliquer aux horloges atomiques dans le cadre des syntonisations d'horloges et pour la fabrication d'échelles de temps internationales.

La réunion finale du projet européen ITOC a permis de partager les résultats remarquables obtenus dans le cadre de cette collaboration. Elle a eu lieu le 8 avril 2016 à l’University of York (UK) en association avec la conférence EFTF de 2016.

 

Site internet du projet :

http://projects.npl.co.uk/itoc/

Impacts scientifiques et industriels

  • Résultats de comparaisons d’horloges optiques
  • Intégration des horloges optiques dans le calcul des échelles de temps internationales (TAI)
  • Redéfinition de la seconde
  • Contribution à la mission ACES de l’ESA

Publications et communications

MARGOLIS H.S., GODUN R.M., GILL P., JOHNSON L.A.M., SHEMAR S.L., WHIBBERLEY P.B., CALONICO D., LEVI F., LORINI L., PIZZOCARO M., DELVA P., BIZE S., ACHKAR J., DENKER H., TIMMEN L., VOIGT C., FALKE S., PIESTER D., LISDAT C., STERR U., VOGT S., WEYERS S., GERSL J., LINDVALL T. et MERIMAA M., International timescales with optical clocks (ITOC)”, Proceedings of the 2013 Joint European Frequency and Time Forum and International Frequency Control Symposium, 2013, 908–911.

GERŠL J., DELVA P. et WOLF P., Relativistic corrections for time and frequency transfer in optical fibres”, Metrologia, 52, 2015, 552–564.

ABGRALL M., CHUPIN B., DE SARLO L., GUÉNA J., LAURENT P., LE COQ Y., LE TARGAT R., LODEWYCK J., LOURS M., ROSENBUSCH P., ROVERA G. D. ET BIZE S., Atomic fountains and optical clocks at SYRTE: Status and perspectives”, Comptes Rendus de Physique, 16, 461–470, 2015.

DE SARLO L., FAVIER M., TYUMENEV R. AND BIZE S., A mercury optical lattice clock at LNE-SYRTE", Journal of Physics: Conference Series, 723, 2016, 012017.

LISDAT C., GROSCHE G., QUINTIN N., SHI C., RAUPACH S.M.F., GREBING C., NICOLODI D., STEFANI F., AL-MASOUDI A., DÔRSCHER S., HÄFNER S., ROBYR J.-L., CHIODO N., BILICKI S., BOOKJANS E., KOCZWARA A., KOKE S., KUHL A., WIOTTA F., MEYNADIER F., CAMISARD E., ABGRALL M., LOURS M., LEGERO T., SCHNATZ H., STERR U., DENKER H., CHARDONNET C., LE COQ Y., SANTARELLI G., AMY-KLEIN A., LE TARGAT R., LODEWYCK J., LOPEZ O. et POTTIE P.-E., A clock network for geodesy and fundamental science, 2015, arXiv :1511.07735.

TYUMENEV R., FAVIER M., BILICKI S., BOOKJANS E., LE TARGAT R., LODEWYCK J., NICOLODI D., LE COQ Y., ABGRALL M., GUÉNA J., DE SARLO L. et BIZE S., “Comparing a mercury optical lattice clock with microwave and optical frequency standards”, 2016, arXiv : 1603.02026.

LODEWYCK J., BILICKI S., BOOKJANS E., ROBYR J.-L., SHI C., VALLET G., LE TARGAT R., NICOLODI D., LE COQ Y., GUÉNA J., ABGRALL M., ROSENBUSCH P. et BIZE S., “Optical to microwave clock frequency ratios with a nearly continuous strontium optical lattice clock”, 2016, arXiv : 1605.03878.

Partenaires

  • NPL (UK),
  • CMI (CZ),
  • INRIM (IT), 
  • VTT (FI),
  • PTB (DE),
  • LUH (DE).

La métrologie du temps et des fréquences est en pleine révolution du fait du développement de la métrologie des fréquences optiques permettant des améliorations de plusieurs ordres de grandeurs, tant pour les références que pour les méthodes de comparaisons. Cette révolution conduira à une redéfinition de la seconde du Système international d'unités (SI) et au développement de nouvelles méthodes de dissémination associées. Elle impactera des infrastructures et services cruciaux pour la science et la société, notamment les systèmes de navigation par satellites (GPS, GALILEO, etc.), les réseaux de télécommunications, la dissémination de références de temps certifiées et sécurisées.

Objectifs

Développement et étude d'une horloge optique ultra précise à atomes neutres de mercure refroidis par laser répondant aux évolutions actuelles du domaine de la métrologie du temps et des fréquences. L'objectif visé est d'obtenir des exactitudes proches de 10-17 et même 10-18 qui semble être un objectif crédible compte-tenu des nombreux travaux déjà réalisés sur les horloges à réseau optique,

Contribution à une nouvelle définition de la seconde du SI.

Résumé et résultats

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Ce projet de développement d’une horloge optique ultra précise de nouvelle génération a été entrepris en 2005 au LNE-SYRTE. Si le choix d'utiliser des atomes de mercure pour construire un étalon de fréquence optique de très grande exactitude présente plusieurs avantages, un certain nombre de défis techniques sont à vaincre. Ils sont essentiellement liés à la conception et à la mise en œuvre de sources laser dans le domaine UV du spectre électromagnétique. Parmi les avantages, la possibilité de mettre en œuvre la méthode du réseau optique permettant l’interrogation simultanée de plusieurs milliers d’atomes tout en s’affranchissant des effets de mouvement et d’interaction entre eux, est un gage pour l'obtention d'une très grande exactitude.

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Au commencement du projet, le refroidissement par laser n'avait jamais été mis en oeuvre pour des atomes de mercure neutres. C'est pourquoi l'équipe a du lever plusieurs verrous technologiques et a démontré, pour la première fois, la faisabilité du refroidissement par laser et du piégeage optique de plusieurs isotopes du mercure. Finalement l’isotope 199 du mercure a été retenu pour construire une horloge optique. Le LNE-SYRTE a démontré qu'une telle horloge atomique optique était capable d’atteindre une exactitude de 1,7×10-16, résultat confirmé par la comparaison avec d’autres horloges atomiques.

En 2017, le laboratoire a mesuré le déplacement de fréquence induit par le réseau optique lui permettant de mettre à jour le bilan d'incertitude de son horloge à atomes de mercure et d'annoncer l'approche de 10-17.

De plus, le LNE-SYRTE a participé à une comparaison internationale par lien optique fibré, lui permettant d'évaluer, à cette occasion, le rapport de fréquence entre ses deux horloges optiques, à atomes de mercure et de strontium, et de comparer la fréquence de l'horloge mercure à celle du PTB (Allemagne).

C’est grâce à ces comparaisons que l’horloge mercure contribue activement à la « révolution optique » de la métrologie du temps et des fréquences en établissant, conformément aux recommandations du CIPM, une liste de valeurs de référence de rapports de fréquences qui préparent la redéfinition de la seconde du SI.

A travers ce projet, l’horloge mercure du LNE-SYRTE a atteint le niveau de fiabilité et de performance qui lui permettra, par son positionnement unique en Europe, de donner une contribution hautement significative aux campagnes de comparaisons internationales par lien optique fibré.

 

Impacts scientifiques et industriels

  • Ouverture vers une nouvelle voie très prometteuse pour la réalisation d'horloges ultra précises ouvrant la perspective des exactitudes de l'ordre de quelques 10-18 ;
  • Contribution à la redéfinition des unités SI au sein de la communauté internationale de métrologie ;
  • Contribution au développement de technologies nécessaires à la construction des horloges optiques qui constituent un moteur pour l’innovation dans le domaine des lasers, de l’électronique à bas bruit, des fibres optiques et de l’instrumentation fondée sur les atomes froids. 

Publications et communications

BIZE S., « Lasers ultrastables et horloges optiques », La Lettre de l'Académie des Sciences, 35/36, 2016, 50-53.

BIZE S. et al., « Horloge à réseau optique à atomes de mercure », Revue française de métrologie, 40, 2015, 13-31.

ABGRALL M. et al., « Atomic fountains and optical clocks at SYRTE: Status and perspectives », C. R. Physique 16, 2015, 461.

MCFERRAN J.J. et al., “Statistical uncertainty of 2.5 × 10-16 for the 199Hg 1S0-3P0 clock transition against a primary frequency standard ”, Physical Review A 89, 2014, 043432, DOI: 10.1103/PhysRevA.89.043432

MCFERRAN J.J. et al., “Erratum : Neutral atom frequency reference in the deep ultraviolet with a fractional uncertainty = 5.7 x 10-15 ”, Physical Review Letters 115, 2015, 219901, DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.219901

MCFERRAN J.J. et al., "Neutral atom frequency reference in the deep ultraviolet with a fractional uncertainty = 5.7x10-15 ", Physical Review Letters 108, 183004 (2012), DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.183004

MCFERRAN J.J. et al., "Laser locking to the 199Hg 1S0-3P0 clock transition with 5.4x10-15 fractional frequency instability", Optics Letters 37, 2012, 3477, DOI: 10.1364/OL.37.003477

MEJRI S. et al., "Ultraviolet laser spectroscopy of neutral mercury in a one-dimensional optical lattice", Physical Review A 84, 2011, 032507, DOI: 10.1103/PhysRevA.84.032507

YI L. et al., "Optical lattice trapping of 199Hg and determination of the magic wavelength for the ultraviolet 1S0-3P0 clock transition", Physical Review Letters 106, 2011, 073005, DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.073005

DAWKINS S.T. et al., "An Ultra-Stable Referenced Interrogation System in the Deep Ultraviolet for a Mercury Optical Lattice Clock", Applied Physics B: Lasers and Optics 99, 2010, 41-46, DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s00340-009-3830

MCFERRAN J. J. et al., "Sub-Doppler cooling of fermionic Hg isotopes in a magneto-optical trap", Optics Letters 35, 2010, 3078, DOI: 10.1364/OL.35.003078

MILLO J. et al., "Ultrastable lasers based on vibration insensitive cavities", Phys. Rev. A 79, 2009, 053829, DOI: 10.1103/PhysRevA.79.053829

PETERSEN M. et al., "Doppler-Free Spectroscopy of the 1S0-3P0 Optical Clock Transition in Laser-Cooled Fermionic Isotopes of Neutral Mercury", Physical Review Letters 101, 2008, 183004, DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.183004

DE SARLO L. et al., “A mercury optical lattice clock at LNE-SYRTE”, Frequency Standard and Metrology : Symposium, 8. Potsdam, Germany, 2015

MEJRI S. et al., ”Towards an optical lattice clock based on mercury: loading of a dipole trap”, European Frequency and Time Forum : Proceedings ,Noordwijk, The Netherlands, 2010.

PETERSEN M. et al., “Magneto-optical trap of neutral mercury for an optical lattice clock”, IEEE International Frequency Control Symposium and European Frequency and Time Forum:Proceedings of the joint meeting, 451-454, Toulouse, France, 2008, DOI: 10.1109/FREQ.2008.4623038

BIZE S. et al., “Clock tests of space−time variation of fundamental constants”, Rencontres de Moriond on Gravitation: 100 years after GR : Conference , La Thuile, Italie, mars 2015

BIZE S. et al., “Optical lattice clocks and applications”, Quantum Manipulation of Atoms and Photons : Workshop, Orsay, France, 27 septembre 2013.

TYUMENEV R. et al., “Mercury optical lattice clock at LNE-SYRTE”, Modern Problems in Laser Physics : International Symposium, 6. Novosibirsk, Russia, 25 août 2013.

BIZE S., “Optical frequency standards based on trapped neutral atoms”, Optical Frequency Standards: Workshop NICT, Koganei, Tokyo area, 7 février 2013.

BIZE S. et al., “Strontium and Mercury Optical Lattice Clocks at LNE-SYRTE “, Precision Electromagnetic Measurements : Conference, Washington DC, 3 juillet 2012.

BIZE S., “Development of optical lattice clocks at SYRTE”, ESA Optical Atomic Frequency Standards and Clocks : International workshop , 4. Trani, Italie, 25 octobre 2011.

BIZE S. et al., ”Fundamental Physics Tests using the LNE-SYRTE Clock Ensemble », Rencontres de Moriond and GPhyS colloquium, La Thuile, Italie, 25 mars 2011.

MCFERRAN J.J , MEJRI S.,  YI L., LE COQ Y. AND BIZE S., “Optical Lattice Clock with Neutral Mercury”, URSI General Assembly and Scientific Symposium, Istanbul, Turkey, August 19th, 2011 

MCFERRAN J.J. et al., « Optical Lattice Clock with Neutral Mercury“, Quantum Metrology with Photons and Atoms: Workshop , Torun, Poland, 17 septembre 2011.

BIZE S. et al., “Towards a Mercury Optical Lattice Clock”, Atoms Molecules and Photons : European Conference , Salamanca, Spain, 2010.

BIZE S. et al., ”Testing the stability of fundamental constants using LNE-SYRTE clock ensemble”, Precision Physics of Simple Atomic Systems : Conference , Les Houches, France, 2010.

MEJRI S. et al., “Toward a Mercury Optical Lattice Clock”, ESA Optical Atomic Frequency Standards and Clocks : International workshop, 3. Frascati, Italie, 2009.

MEJRI S. et al., “Toward a Mercury Optical Lattice Clock”, Ultracold Group II Atoms : Quantum Metrology and Information : Workshop, University of Maryland, USA, 2009.

TYUMENEV R., “Mercury lattice clock: from the Lamb-Dicke spectroscopy to stable clock operation.”, Thèse de doctorat en physique, Université Paris 6, 2015.

MEJRI S., « Horloge à réseau optique à atomes de mercure neutre : Détermination de la longueur d’onde magique. », Thèse de doctorat en physique, Université Paris 6, 2012

PETERSEN M., “Laser-cooling of Neutral mercury and Laser-spectroscopy of the 1S0-3P0 optical clock transition”, Thèse de doctorat en physique, Université Paris 6 , 2009.