Le développement de moyens pratiques pour assurer la traçabilité entre une nouvelle définition du kilogramme et l’échelle de masse actuelle est nécessaire à la fois pour fixer initialement la valeur de la constante de Planck en cohérence avec l'échelle actuelle (reposant sur le Prototype international du kilogramme), et pour la dissémination de l'unité de masse qui sera matérialisée sous vide à partir de la nouvelle définition.

Objectifs

Développement d’artefacts et de méthodes pour assurer la traçabilité du kilogramme depuis une matérialisation dans le vide

Résumé et premiers résultats

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Comparateur de masses M-one 6V du LCM utilisé pour les études gravimétriques
Comparateur de masses M-one 6V

Les expériences de balance du watt et celle d’Avogadro sont en effet conçues pour matérialiser le kilogramme dans des conditions de vide. La fixation de la constante de Planck et la diffusion ultérieure de l'unité de masse selon la nouvelle définition devront être réalisées au meilleur niveau d'incertitude pour maximiser les avantages de la nouvelle définition.

Ce projet vise à développer les étalons et les méthodes permettant la traçabilité de lamasse à une matérialisation de l’unité sous vide.

Une partie des travaux portent sur le transfert air-vide d’artefacts en différentes matières. Le LNE a, en particulier, travaillé sur l’influence de l’environnement du comparateur utilisé. En effet, plusieurs laboratoires, dont le LNE, sont équipés de plusieurs comparateurs dont les enceintes à vide présentent des formes différentes et sont également réalisées en matières différentes. Les travaux menés par les différents partenaires ont montré qu’il n’existe pas de réel effet d’adsorption ou de désorption de l’enceinte sur les résultats de comparaison, aux incertitudes de mesures près.

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Nettoyage plasma
Nettoyage plasma

Des mesures de transfert air-vide ont été réalisées sur des artefacts en platine iridié (1 kg, 4 × 250 g) à l’aide du comparateur M-one 6V du LNE. Plusieurs transferts successifs ont été réalisés pour déterminer l’influence du niveau de vide sur les coefficients de adsorption des artefacts. Des travaux ont aussi été menés sur les matériaux de contact des étalons de masse et ont permis de montrer que le téflon est le matériau qui désorbe le moins d’eau (le principal contaminant) contrairement au PEEK et au Torlon. Pour la contamination en azote, c’est le contraire qui est observé. L’effet d’un nettoyage ainsi qu’une conservation sous air augmente la contamination en eau.

Un dispositif de nettoyage par plasma a été acquis et installé pour une installation dans le sas d’introduction du banc de thermodésorption. Pour des raisons de sécurité, la mise en place d’un nettoyage plasma utilisant de l’hydrogène pur ou de l’oxygène pur a été exclu. Un nettoyage plasma avec un mélange d’azote et d’oxygène, plus efficace que l’argon, a été retenu. Une étude gravimétrique a mis en évidence une variation de masse des artéfacts en platine iridié en fonction du processus de nettoyage opéré (BIPM ou plasma). Après chacun des nettoyages une augmentation de la masse qui se stabilise après huit jours a été observée.

 

Site du projet :

http://www.newkilo.eu/

Impacts scientifiques et industriels

Mise en pratique de la future définition de l’unité de masse

Publications et communications

PLIMMER M. D., DU COLOMBIER D., IRAQI HOUSSAINI N., SILVESTRI Z., PINOT P. et HANNACHI R., Apparatus to measure adsorption of condensable solvents on technical surfaces by photothermal deflection, Review. Sci. Instrum., 83, 114905 ,2012,  DOI: 10.1063/1.4767245

SILVESTRI Z., AZOUIGUI S., BOUHTIYYA S., MACÉ S., PLIMMER M. D., PINOT P., TAYEB-CHANDOUL F. et HANNACHI R., Thermal desorption mass spectrometer for mass metrology, Review. Sci. Instrum., 85, 045111, 2014, DOI: 10.1063/1.4870921

DAVIDSON S., BERRY J., SILVESTRI Z., HOGSTROM R. et GREEN R., Addressing the requirements for the practical implementation and ongoing maintenance of the redefined kilogram, IMEKO International TC3, TC5 and TC22 Conference, Cape Town, Afrique du Sud, 2014.

 

Partenaires

  • NPL (GB),
  • CMI (CZ),
  • CNAM (FR),
  • DFM (DK),
  • EJPD (CH),
  • LNE (FR), MGRT (SI),
  • MIKES (FI),
  • PTB (DE), 
  • SMU (SK),
  • TUBITAK (TR),
  • INRIM (IT),
  • NRC (CA)

Le LNE-SYRTE possède 6 horloges atomiques situées au meilleur niveau mondial : 3 horloges dans le domaine des fréquences micro-ondes (césium, et césium/rubidium pour l’une d’entre-elles), ayant une exactitude de 2 à 4×10-16 et une stabilité de quelques 10-14τ-1/2, et 3 horloges dans le domaine des fréquences optiques (2 au strontium et 1 au mercure) dont l’exactitude est maintenant proche de 10-17. Les développements successifs de ces horloges nécessitent des comparaisons régulières pour être validés au niveau métrologique, tant au niveau de la stabilité que de l’exactitude.

Les besoins du laboratoire LNE-SYRTE étaient donc de disposer de moyens de comparaison de fréquences dans le domaine optique, fonctionnant en continu et de manière quasi autonome.

Objectifs

Mesure de manière permanente des références de fréquences optiques du laboratoire, sans dégradation de stabilité et exactitude. 

Référencement aux étalons primaires des liens optiques fibrés existant entre le LNE-SYRTE et les laboratoires distants raccordés par lien fibré.

Génération d’un signal micro-onde utilisable comme oscillateur local pour les fontaines atomiques du laboratoire.

Résumé et premiers résultats

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SIB-TF-11_Fig1
Laser femtoseconde au LNE-SYRTE.

Dans le contexte de plus en plus probable d’une nouvelle définition de la seconde basée sur une transition dans le domaine optique, assurer le suivi sur le long terme de cette nouvelle génération d’horloges permettra d’identifier leurs limites possibles et d’assurer la continuité du système SI.

De plus, afin de contribuer, sur de grandes échelles de temps, à des expériences de physique fondamentale (par exemple rechercher une possible dérive des constantes fondamentales, mener des tests d’invariance de Lorentz), ces moyens de comparaisons doivent pouvoir être utilisés sur une base quasi continue. Un exemple frappant est le suivi du ratio strontium/césium, qui a débuté il y a 15 ans et auquel participent désormais 6 laboratoires en plus du LNE-SYRTE, qui a d’ores et déjà permis de borner une éventuelle dérive des constantes fondamentales à mieux que 10-16/an. Il était donc crucial, dès 2011, de développer une structure pérenne afin d’avoir accès, à la demande, aux rapports de fréquence entre toutes les références du laboratoire.

Le projet SAMIROF avait donc pour vocation d’établir une architecture permanente et fiable pour connecter entre elles les 6 horloges atomiques du laboratoire et leur permettre de se comparer à distance à d’autres horloges, tout en s’adaptant au contexte de divers projets du laboratoire, en perpétuelle évolution. Il repose principalement sur le développement des chaînes de mesures de fréquence optique à l’aide de lasers femtosecondes.

Le travail a porté sur le bruit (stabilité) et sur l’exactitude (contrôle des biais dans les mesures de fréquence). Le dispositif développé est basé sur un peigne de fréquences, véritable « règle graduée » dans l’espace des fréquences, par rapport à laquelle il est facile de mesurer la fréquence des horloges atomiques. Le travail a été divisé en 2 parties bien distinctes : la connexion des horloges à cette chaîne, la fiabilisation et l’automatisation des mesures d’une part, et la validation des connexions et des performances métrologiques d’autre part.

Lors de la première phase, des liens optiques fibrés pour relier les différents oscillateurs ont été développés. Puis une grande partie du travail mené a été dédiée à l’automatisation du dispositif afin de vérifier par logiciel la validité de tous les paramètres. Après l’aménagement de la chaîne dans une salle dédiée, un réseau informatique local a été mis en place, il permet de communiquer avec le peigne de fréquence, l’ensemble des synthétiseurs de fréquence ajustables et les enregistreurs de données.

 

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Lors de la deuxième phase, des logiciels de contrôle ont été programmés au laboratoire pour contrôler l’acquisition de données, les valider « à la volée » et les sauvegarder sans délai. Les multiples boucles d’asservissement analogiques nécessaires au fonctionnement d’une telle structure sont désormais surveillées par des systèmes digitaux qui ouvrent les boucles en cas de perte de verrouillage, recentrent les signaux et referment les boucles. Cet ensemble d’évolutions permet d’acquérir désormais un grand nombre de données sans avoir à les valider manuellement a posteriori. Ainsi, au fur et à mesure des développements, de nombreux exercices opérationnels ont eu lieu, en moyenne 3 par an. Ils ont permis de confirmer la réalité des performances métrologiques (accord au niveau de quelques 10–17 entre les horloges à atomes de strontium lors de comparaisons à distance LNE-SYRTE – PTB), et de démontrer que le Uptime (pourcentage du temps pendant lequel toute la chaîne fonctionne) atteignait désormais un chiffre supérieur à 95 %. Cette excellente fiabilité ouvre la perspective de disposer d’oscillateurs optiques dont la phase serait continuellement maîtrisée, ce qui pourrait permettre de réaliser les premiers prototypes d’échelles de temps purement optiques. Ces progrès ont d’ores et déjà permis au LNE-SYRTE d’être le premier laboratoire mondial à contribuer au TAI (Temps Atomique International) avec une calibration optique, pour simple observation pour le moment, effectuées par les deux horloges strontium du laboratoire.

Le projet SAMIROF a permis de s’adapter au contexte lié aux progrès des horloges et des moyens de comparaison, notamment la mise en fonctionnement, en 2015, du premier lien fibré international permettant de disséminer une porteuse optique ultrastable. Dans cet exemple, SAMIROF est le système qui fait la connexion entre les horloges du laboratoire et le lien fibré, et donc toutes les autres horloges qui y sont connectées.

Dans les années à venir, la pérennité de l’architecture développée va permettre de poursuivre les comparaisons, avec plusieurs objectifs :

  • contribution à des tests de physique fondamentale (invariance de Lorentz, possible dérive des constantes fondamentales...),
  • mesures pour les sciences de la Terre (détection d’anomalies géologiques ou sismiques),
  • participation aux travaux pour une possible redéfinition de la seconde SI (suivi à long terme des horloges et comparaisons des horloges optiques par rapport aux horloges micro-ondes).

Avec ses 6 horloges atomiques, conçues sur la base de quatre espèces différentes (césium, rubidium, strontium et mercure) et connectées en permanence par la chaîne SAMIROF, le LNE-SYRTE est l’un des tout premiers contributeurs sur le plan mondial au processus de révision de la définition de la seconde.

Impacts scientifiques et industriels

  • Mesure des rapports de fréquences entres toutes les horloges du LNE-SYRTE et des laboratoires externes.
  • Comparaisons d’horloges par lien fibré de grande distance (>1000 km),
  • Automatisation des traitements des mesures avec envoi de rapports très régulièrement permet de fournir un service de suivi à long terme de la stabilité des horloges comparées.

Publications et communications

ZHANG W., LOURS M., FISCHER M., HOLZWARTH R., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Characterizing a fiber-based frequency comb with electro-optic modulator”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 59, 2012, 432.

ZHANG W., LI T., LOURS M., SEIDELIN S., SANTARELLI G. et LE COQ Y., “Amplitude to phase conversion of InGaAs PIN photodiodes for femtosecond lasers microwave signal generation”, Applied Physics B: Lasers and Optics, 106, 2012, 301.

LISDAT C., GROSCHE G., QUINTIN N., SHI C., RAUPACH S.M.F., GREBING C., NICOLODI D., STEFANI F., AL-MASOUDI A., DÖRSCHER S., HÄFNER S., ROBYR J.-L., CHIODO N., BILICKI S., BOOKJANS E., KOCZWARA A., KOKE S., KUHL A., WIOTTE F., MEYNADIER F., CAMISARD E., ABGRALL M., LOURS M., LEGERO T., SCHNATZ H., STERR U., DENKER H., CHARDONNET CH., 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”, Nature Communications, 7, 12443 , 2016, ArXiv:1511.07735.

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”, Metrologia, 53, 2016, 1123ArXiv:1605.03878.

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”, New Journal of Physics, 18, 2016, 111003, ArXiv:1603.02026.

GOBRON O., JUNG K., GALLAND N., PREDEHL K., LE TARGAT R., FERRIER A., GOLDNER P., SEIDELIN S. et LE COQ Y., “Dispersive heterodyne probing method for laser frequency stabilization based on spectral hole burning in rare-earth doped crystals”, Opt. Express, 25, 2017, 15539-15548.

DELVA P., LODEWYCK J., BILICKI S., BOOKJANS E., VALLET G., LE TARGAT R., POTTIE P.-E., GUERLIN C., MEYNADIER F., LE PONCIN-LAFITTE C., LOPEZ O., AMY-KLEIN A., LEE W.-K., QUINTIN N., LISDAT C., AL-MASOUDI A., DÖRSCHER S., GREBING C., GROSCHE G., KUHL A., RAUPACH S., STERR U., HILL I.R., HOBSON R., BOWDEN W., KRONJÄGER J., MARRA G., ROLLAND A., BAYNES F.N., MARGOLIS H.S. et GILL P., “Test of special relativity using a fiber network of optical clocks”, Phys. Rev. Lett., 118, 2017, 221102, arXiv:1703.0442.

GUÉNA J., WEYERS S., ABGRALL M., GREBING C., GERGINOV V., ROSENBUSCH P., BIZE S., LIPPHARDT B., DENKER H., QUINTIN N., RAUPACH S.M.F., NICOLODI D., STEFANI F., CHIODO N., KOKE S., KUHL A., WIOTTE F., MEYNADIER F., CAMISARD E., CHARDONNET CH., LE COQ Y., LOURS M., SANTARELLI G., AMY-KLEIN A., LE TARGAT R., LOPEZ O., POTTIE P.-E. et GROSCHE G., First international comparison of fountain primary frequency standards via a long distance optical fiber link”, Metrologia, 54, 2017, 348, ArXiv:1703.02892v2.

LE TARGAT R., LORINI L., GUROV M., ZAWADA M., GARTMAN R., NAGÓRNY B., LEMONDE P. et LODEWYCK J., “Comparison of two Strontium optical lattice clocks in agreement at the 10-16 level”, 26th European Frequency and Time Forum (EFTF), Göteborg, Suède, 24-26 avril 2012.

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.

Comme la plupart des laboratoires nationaux de métrologie, le LCM utilise un radiomètre à substitution électrique cryogénique (fonctionnant à la température de l'hélium liquide) pour réaliser ses échelles radiométriques et photométriques.

Objectifs

Améliorer les incertitudes des mesures radiométriques et photométriques actuelles par la mise en place d’un nouveau radiomètre cryogénique ;

Améliorer les incertitudes des mesures radiométriques et photométriques actuelles par sa caractérisation aux longueurs d’onde du domaine visible ;

Améliorer les incertitudes des mesures radiométriques et photométriques actuelles par son utilisation sur des domaines spectraux allant de l’ultraviolet (200 nm) à l’infrarouge (jusqu’à 4 µm) pour l’étalonnage de détecteurs de référence.

Résumé et premiers résultats

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Le radiomètre cryogénique est l’instrument de référence nationale pour la mesure de flux énergétique et tous les autres bancs de références pour les mesures des grandeurs radiométriques et photométriques y sont raccordés. Cette traçabilité est mise en œuvre en utilisant des détecteurs de transfert étalonnés en sensibilité spectrale absolue par comparaison au radiomètre cryogénique, à quelques longueurs d'onde en utilisant des faisceaux lasers. L’incertitude relative d’étalonnage des détecteurs, de type piège, utilisés comme étalons secondaires en sensibilité spectrale, est de d’ordre de 10-4 pour les longueurs d’onde du spectre visible. Pour améliorer les incertitudes des mesures radiométriques et photométriques, il était nécessaire d'améliorer l'étalonnage en sensibilité spectrale des détecteurs de transfert et notamment d’augmenter le nombre de longueurs d’onde auxquelles s’effectue le raccordement direct au radiomètre cryogénique. Il s’agissait donc de l’étendre aux domaines spectraux ultraviolet et infrarouge afin d’assurer une traçabilité des détecteurs avec une incertitude relative maximale de quelques 10-4 sur tout le domaine spectral.

Le LCM dispose depuis 2010 d’un nouveau radiomètre cryogénique. C’est un radiomètre à substitution électrique dont le détecteur fonctionne à la température de l’hélium liquide (fig. 1). Le principe de mesure du flux du rayonnement est de comparer la puissance thermique produite par le rayonnement optique dans une cavité absorbante de type corps noir à la puissance produite par effet Joule dans une résistance chauffante entourant cette même cavité. Le détecteur thermique de forme cavité est placé dans un cryostat sous vide et fermé par un hublot en silice. Les hublots utilisés permettent de couvrir la gamme spectrale entre 200 nm et 2 000 nm.

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Schéma (vue en coupe) du radiomètre cryogénique

 

1 – Banc de comparaison des détecteurs au radiomètre cryogénique

Pour obtenir les meilleures mesures de flux, il est nécessaire d'utiliser des faisceaux laser polarisés. Le flux mesurable dans des conditions optimales se situe entre 100 µW et 2 mW. Ces faisceaux lasers sont mis en forme sur une table optique et une installation complète permet la translation des détecteurs à étalonner et le radiomètre cryogénique lui-même devant le faisceau laser de mesure (fig. 2).

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Schéma du montage utilisé pour l’étalonnage des détecteurs

 

De nouvelles sources lasers ont été installées pour permettre l’extension en longueur d’onde des mesures. Le LCM dispose désormais de diverses sources lasers pour couvrir un large domaine spectral : Yag (266 nm), hélium-cadmium (325 nm et 442 nm), argon (8 longueurs d’onde entre 454 nm et 514 nm), cinq lasers hélium-néon (543 nm, 612 nm, 633 nm, 1 150 nm et 1 523 nm) et une source laser accordable (sur la base d’un laser titane-saphir qui couvre à lui seul le domaine spectral entre 600 nm et 900 nm puis par doublage en cavité externe, permet d’obtenir des raies entre 390 nm et 405 nm). Un banc optique a été monté pour réaliser un oscillateur paramétrique optique (OPO) alimenté par le laser Ti-saphir ; il permet de couvrir le domaine spectral infrarouge entre 1 µm et 3,5 µm.

2 – Caractérisation du nouveau radiomètre cryogénique

La mesure pratique du flux énergétique se fait par la réalisation de l'équivalence puissance électrique – puissance optique. Mais celle-ci ne peut pas être réalisée parfaitement. Et, même en travaillant à des températures cryogéniques, ce qui réduit considérablement les principales causes d’erreur, il est nécessaire d’appliquer un certain nombre de corrections à la mesure directe de la puissance faite par le radiomètre cryogénique (PRC), comme indiqué dans l’équation (1) :

 

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IND-RO-04_Fig4

 

où        Popt  est la puissance transportée par le rayonnement,

            N  est le facteur qui prend en compte la non équivalence entre les deux modes de chauffage,

            t  est le facteur de transmission du hublot d'entrée du radiomètre,

            r  est le facteur de réflexion résiduelle sur le hublot,

            a  est le facteur d'absorption de la cavité absorbante du rayonnement.

La caractérisation du nouveau radiomètre consiste principalement en l'étalonnage électrique du dispositif de mesure de la puissance et en la détermination des corrections à appliquer avec les incertitudes les plus faibles possibles, pour pouvoir effectuer des mesures de puissance optique avec une incertitude type relative de quelques 10-5. Du point de vue optique, ces corrections résultent du facteur de transmission du hublot du radiomètre cryogénique et du facteur d’absorption de sa cavité : ces 2 facteurs ne sont pas exactement égaux à 1 et ils varient suivant la longueur d'onde. Il est donc nécessaire de mesurer ces deux facteurs aux longueurs d'onde lasers du visible, utilisées avec le précédent radiomètre, puis d'étendre ces mesures aux nouvelles longueurs d'onde lasers qui sont mises en place.

Étalonnage électrique du radiomètre cryogénique

Comme indiqué précédemment, la mesure de la puissance du rayonnement optique est réalisée à partir de la mesure d'une puissance électrique. Le dispositif utilisé pour générer et mesurer la puissance électrique fournie à la résistance chauffante pour chauffer électriquement la cavité absorbante du radiomètre cryogénique est un dispositif autonome, et il est nécessaire de l’étalonner périodiquement pour assurer sa traçabilité aux unités électriques.

La procédure d'étalonnage consiste à étalonner les gains des amplificateurs et à mesurer les offsets des amplificateurs du circuit de chauffage, à l'aide d'une tension de référence et d'une résistance étalon de 1 kW (elles-mêmes raccordées aux étalons électriques nationaux). Une seconde procédure est ensuite utilisée pour vérifier que la puissance électrique est mesurée correctement. Celle-ci consiste à chauffer électriquement la cavité, à lire la puissance électrique mesurée numériquement par le module d’acquisition du radiomètre lui-même, et à la comparer à la puissance mesurée analogiquement à l'aide d'un circuit électrique externe. Ce dernier utilise un voltmètre et la résistance étalon de 1 kW.

La vérification a été effectuée pour différents niveaux de puissance prédéterminés, ce qui a permis de vérifier le fonctionnement des différents éléments du module de mesure. L'écart relatif obtenu entre les mesures des deux puissances, est égal à quelques 10-5, il est du même ordre de grandeur que la répétabilité des mesures. L’incertitude type relative associée à cet étalonnage électrique est estimée à 2×10-5.

Mesure de la correction de non-équivalence de chauffage dans le radiomètre cryogénique

La cavité a été conçue de façon à réduire le facteur de non-équivalence à un niveau négligeable. Il faut cependant s'assurer que cette propriété est bien vérifiée. Pour cela, la cavité est équipée de deux résistances chauffantes, l'une placée sur le fond de la cavité, l'autre à l'opposé près de la fenêtre d’entrée du faisceau. La vérification s'effectue en chauffant la cavité alternativement par l'une ou l'autre des résistances. Grâce à un système de basculement entre les deux résistances chauffantes, on peut, dans la pratique, mesurer le flux d’un faisceau laser alternativement avec chacune des deux résistances. La correction de non-équivalence de chauffage est déduite du rapport des deux réponses du radiomètre cryogénique. Ce rapport a été trouvé égal à 1,000 00 avec une incertitude type estimée à 2×10-5.

Mesure du facteur d’absorption de la cavité absorbante du radiomètre (fig. 3)

Une sphère intégratrice est utilisée pour mesurer le rayonnement diffus qui ressort de la cavité, lorsqu'elle est éclairée par un faisceau laser. Cette sphère comporte trois trous : un trou d'entrée pour le faisceau laser incident, un second diamétralement opposé sur lequel sont placés alternativement la cavité ou un étalon de blanc, et un troisième pour placer un détecteur de rayonnement. Le facteur de réflexion de la cavité est obtenu à partir des signaux délivrés par le détecteur, avec respectivement la cavité et l'étalon de blanc placés sur la sphère, corrigés de la lumière diffusée par la sphère, et le facteur de réflexion de l'étalon de blanc.

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IND-RO-04_Fig5
Cavité absorbante du nouveau radiomètre cryogénique

 

Les mesures ont d’abord été faites pour cinq longueurs d’onde du domaine visible et comparées aux données du constructeur.

Pour mesurer le facteur d'absorption dans d'autres domaines spectraux (ultraviolet, proche infrarouge), et pour faciliter les mesures sur tout le domaine spectral du fait des très faibles signaux mesurés, un nouveau montage a été étudié avec une nouvelle sphère intégratrice (diamètre de 50 mm et diamètre du port de sortie de 7 mm, plus adapté à celui de la cavité absorbante) équipée de deux types de détecteur pour couvrir le domaine spectral allant de 190 nm à 2 600 nm et d’un étalon de blanc en Spectralon facilement repositionnable.

Les mesures du facteur de réflexion de la cavité du radiomètre cryogénique ont alors été poursuivies à d'autres longueurs d'onde, d'abord dans le domaine visible puis dans l'ultraviolet et le proche infrarouge. Toutes les mesures ont permis de déterminer le facteur d’absorption de la cavité aux longueurs d’onde de mesure et elles ont mis en évidence que la correction à apporter aux mesures de flux faites avec le nouveau radiomètre cryogénique était de l'ordre de 2×10–5.

Mesure du facteur de transmission du hublot du radiomètre

Le cryostat du radiomètre cryogénique est fermé par un hublot en silice. Pour minimiser les pertes par réflexion, ce hublot est ajusté à l'incidence de Brewster, et l'emploi de faisceaux lasers polarisés permet d'avoir une transmission très voisine de 1. Cependant, cette transmission peut être une source d'erreur importante qui limite l'exactitude des mesures. Elle doit donc être connue avec une incertitude aussi faible que possible. Il est nécessaire de mesurer directement la transmission du hublot utilisé pour les mesures, de la vérifier aux longueurs d’onde de mesure et de le faire à chaque fois que le radiomètre est utilisé.

Pour faire cette étude, le hublot du radiomètre cryogénique a été démonté et mis en place sur le montage spécifique (fig. 4) déjà utilisé pour le hublot du radiomètre précédent. Ce montage a été installé à côté du radiomètre cryogénique, sur la table de translation utilisée pour comparer les détecteurs au radiomètre. La table de translation permet d’amener ou de retirer le hublot du faisceau laser afin de mesurer, à l’aide d’un détecteur piège placé derrière, respectivement le flux transmis et le flux direct. La transmission du hublot est définie comme étant le rapport des deux flux obtenus avec et sans hublot. Une photodiode placée sous le hublot permet également de mesurer la réflexion spéculaire résiduelle qui subsiste.

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Montage de mesure du facteur de transmission du hublot

 

Les mesures du facteur de transmission et du facteur de réflexion du hublot ont été effectuées après avoir surmonté de nombreuses difficultés dues finalement à des variations de la puissance du faisceau au cours de la mesure. Les mesures de la transmission ont été faites avec une incertitude relative de 2×10-5 à 3×10-5.

3 – Bilan des incertitudes liées au fonctionnement du  radiomètre cryogénique

La correction globale, à appliquer à la mesure du rayonnement optique donnée par le radiomètre cryogénique, est composée par les différentes corrections citées précédemment. Celles-ci sont données ci-après, à titre d’exemple pour la longueur d’onde de 633 nm, avec les incertitudes qui leur sont associées :

Source d'erreur

Correction

Incertitude type relative

Absorption de la cavité

0,999 98

1×10-5

Transmission du hublot

0,999 88

2×10-5

Réflexion sur le hublot

0,000 034

0,4×10-5

Non-équivalence chauffage

1,000 00

1×10-5

Étalonnage électrique

1,000 00

3×10-5

Répétabilité des mesures

1

3×10-5

Correction globale

0,999 83

5×10-5

La répétabilité des mesures de la puissance effectuée par le radiomètre cryogénique est également indiquée elle est globalement de 3×10-5 et dépend essentiellement de la stabilité du faisceau laser. Dans le cas présenté, l’écart relatif entre la valeur mesurée et la valeur supposée exacte est de 1,7×10-4, et l’incertitude type globale sur la mesure de la puissance estimée à 5×10-5.

Le nouveau radiomètre cryogénique a été utilisé pour vérifier l'étalonnage en sensibilité spectrale absolue des détecteurs pièges étalons secondaires. Ces étalonnages ont été effectués à plusieurs longueurs d'onde comprises entre 458 nm et 825 nm, alors qu'avec l'ancien système, les mesures n'étaient effectuées que dans le domaine visible. En même temps que les détecteurs du LCM, un détecteur piège du PTB a été étalonné en sensibilité spectrale absolue. Les écarts entre les valeurs obtenues et celles transmises par le PTB pour toutes les longueurs d'onde mesurées, sont inférieurs aux incertitudes, ce qui valide l'installation et l'utilisation de ce nouveau radiomètre cryogénique. De plus, cette étude valide l'extension du domaine spectral vers le proche infrarouge. La métrologie française dispose donc maintenant d'une nouvelle référence pour le domaine des rayonnements optiques, et comme la chaîne de mesures associée à cet instrument a entièrement été renouvelée au cours de ces dernières années, elle dispose maintenant d'un système opérationnel et fiable pour plusieurs années, pour continuer à assurer le maintien au meilleur niveau métrologique des références radiométriques et photométriques. La caractérisation du radiomètre cryogénique à de nouvelles longueurs d'onde laser se poursuit, notamment dans les domaines ultraviolet et infrarouge.

 

Impacts scientifiques et industriels

Amélioration des incertitudes d’étalonnage des détecteurs utilisés en radiométrie-photométrie et, en conséquence, amélioration de la traçabilité des mesures industrielles pour les mesures de rayonnements optiques, des caractéristiques des sources lasers ou à spectre large, des détecteurs/radiomètres/photomètres et des propriétés optiques des matériaux optiques (transmission, réflexion) en amplitude et en longueur d’onde.

Publications et communications

COUTIN J.-M. et ROUGIÉ B., “Measurement of the absorptance of the new cryogenic radiometer cavity from the ultraviolet to the near infrared range”, 12th International Conference on New Developments and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2014), Aalto, Finlande, 24-27 juin 2014, proceedings 209-210.

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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SIB-TF-06 Fig1

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 stabilité des horloges atomiques fonctionnant dans le domaine optique est actuellement limitée par deux facteurs qui sont : le bruit de fréquence du laser utilisé pour sonder le système atomique et le bruit de projection quantique qui intervient lors de la détection de l'état de ce système. Ce projet européen QESOCAS porte sur ces facteurs qui limitent actuellement les incertitudes autour de 10-18. Ces études pourraient avoir des retombées sur la plupart des horloges et ouvrir la voie à de nouvelles applications.

Objectifs

Utiliser l’intrication quantique pour améliorer les performances métrologiques des horloges optiques et des capteurs atomiques

Résumé et résultats

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FUN-TF-03-Fig1
Dernière génération d’horloge optique à atomes de strontium mise au point au LNE-SYRTE.

Le but de ce projet collaboratif était donc d’étudier comment l’utilisation d’états issus de l’ingénierie quantique et des méthodes de détection associées pourraient permettre d’améliorer les horloges optiques et les capteurs atomiques. Le projet visait d’abord la génération et la détection d’états appropriés, prenant en compte l’ensemble des contraintes liés aux mesures de précision. Dans un second temps, des expériences utilisant ces états devaient démontrer (au niveau de la preuve de principe) le bénéfice possible pour les horloges et les capteurs.

Le projet européen était coordonné par le LNE-SYRTE et, grâce à la diversité des compétences présentes dans le consortium (5 laboratoires nationaux de métrologie et 4 laboratoires de recherche), divers cas et méthodes ont été couverts : horloges à ions, horloges à réseau optique, génération d’états par les interactions ou par la mesure quantique, bénéfices relatifs à la stabilité et l’exactitude. Le projet visait à identifier les approches les plus prometteuses et les voies pour une utilisation élargie de l’ingénierie quantique en métrologie.

En particulier, le LNE-SYRTE a décliné ces objectifs dans le cas de l’horloge à réseau optique d'atomes de strontium en exploitant la détection non-destructive. Des méthodes similaires ont été également poursuivies au LP2N (Bordeaux), grâce à une bourse allouée pour un échange de chercheur, sur la manipulation de la cohérence de la transition d'horloge du rubidium par des mesures faibles en cavité, en vue d'applications sur les capteurs inertiels.

Au LNE-SYRTE, une nouvelle enceinte à vide a été conçue et assemblée pour l'horloge à réseau optique de strontium (SR1). Les atomes sont piégés au centre d'une cavité optique dont les miroirs constituent deux accès optiques de cette enceinte à vide. Ces miroirs sont réfléchissants à la fois à 813 nm (longueur d'onde du laser qui forme le réseau optique capable de piéger les atomes) avec une finesse de 180, et à 461 nm (finesse d'environ 16 000), longueur d'onde de la transition la plus intense du strontium utilisée pour la détection des atomes dans l'état fondamental. Le principe de la détection consiste en la mesure de la position des résonances de la cavité à 461 nm, qui sont déplacées d'une fréquence proportionnelle au nombre d'atomes piégés dans l'état fondamental. Ce type de détection permet un fort rapport signal à bruit, via la grande longueur d'interaction entre la lumière et les atomes, permise par la cavité.

Toutefois plusieurs défis sont apparus, notamment associés à la grande finesse de la cavité :

  • les fluctuations relatives de longueur de la cavité et les fluctuations de fréquence du laser à 461 nm se traduisant également par une modification de la position des résonances de la cavité,
  • la conception mécanique devait être compatible avec le fonctionnement du dispositif en tant qu'horloge à réseau optique à l'état de l'art,
  • la force de transition énergétique à 461 nm du strontium impose de travailler avec un grand désaccord, une faible puissance et un temps d'interrogation court pour ne pas saturer la transition,
  • la séquence temporelle de la détection devait pouvoir être insérée dans la séquence de l'horloge, avec en particulier la nécessité d'éteindre le faisceau de détection pendant l'interrogation de la transition d'horloge.

Les activités menées par le LNE-SYRTE dans le cadre de ce projet européen ont permis de concevoir un modèle théorique pour la détection hétérodyne de la position des résonances de la cavité, de concevoir et d’assembler une enceinte pour l’ultravide pour accueillir la détection non- destructive, d’obtenir des atomes ultra froids dans le réseau optique et d’observer des résonances étroites sur la transition d’horloge, et d’observer et de caractériser un signal atomique. Le rapport signal à bruit permet la détection de 5 atomes en 1 μs, avec 38 photons diffusés.

En parallèle du développement de la détection non destructive, le fonctionnement en tant qu'horloge de la nouvelle enceinte à vide a été démontré, avec un bilan d’exactitude au niveau de 4×10-17, et une comparaison avec l’horloge SR2 au niveau de (2,3 ± 7,1)×10−17.

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Enceinte à vide comprenant les miroirs de la cavité de la détection dans laquelle apparaît un piège magnéto-optique d’atomes de strontium ; En encart : résonance de la cavité à 461 nm en bleu et signal d'erreur en rouge.

Pour clore et disséminer les résultats obtenus durant ce projet européen, un atelier ouvert a été organisé, conjointement avec le consortium du projet JRP ITOC, lors du forum international « European Time and Frequency Forum », en avril 2016 à l’University of York (UK). Des informations sur cet atelier sont accessibles sur le site internet de l’EFTF2016 : http://www.eftf2016.org/satellite-workshop.html.

Les premiers résultats obtenus dans le cadre du projet QESOCAS, notamment le rapport signal à bruit de la détection développée, offrent de nouvelles opportunités pour les horloges à réseau optique qui peuvent être résumées comme suit :

  • L’horloge peut fonctionner avec peu d’atomes, et donc un temps de chargement réduit. Un rapport cyclique de 50 % peut ainsi être atteint, même avec un temps d’interrogation de 150 ms ;
  • Les atomes peuvent être recyclés d’un cycle d’horloge à l’autre ; cela permet d’envisager d’améliorer encore le rapport cyclique et ainsi de réduire considérablement l’effet Dick ;
  •  Le rapport signal à bruit étant compatible avec la génération d’état de spin comprimés, cela permet de dépasser le bruit de projection quantique.

Site internet du projet :

Quantum engineered states for optical clocks and atomic sensors

Impacts scientifiques et industriels

Lever la limite quantique théorique pour favoriser le développement des horloges optiques et des capteurs atomiques en général

Publications et communications

VALLET G., BOOKJANS E., EISMANN U., BILICKI S., LE TARGAT R. et LODEWYCK J., “A noise-immune cavity-assisted non-destructive detection for an optical lattice clock in the quantum regime”, New J. Phys., 19, 083002, 2017, DOI: 10.1088/1367-2630/aa7c84.

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 an operational strontium optical lattice clock”, Metrologia, 53, 1123, 2016, DOI: 10.1088/0026-1394/53/4/1123.

KOHLHAAS R., BERTOLDI A., CANTIN E., ASPECT A., LANDRAGIN A. et BOUYER P., “Phase Locking a Clock oscillator to a coherent atomic ensemble”, Phys. Rev. X, 5, 021011, 2015, DOI; 10.1103/PhysRevX.5.021011.

VANDERBRUGGEN T., KOHLHAAS R., BERTOLDI A., CANTIN E., LANDRAGIN A. et BOUYER P., “Feedback control of coherent spin states using weak nondestructive measurements", Phys. Rev. A, 89, 063619, 2014, DOI: 10.1103/PhysRevA.89.063619.

LODEWYCK J. et al., “Prospects for sub quantum projection noise stability in strontium optical lattice clocks”, Colloqium Quantum Engineering, from Fundamental Aspects to Applications (IQFA), 2016, Paris.

LE TARGAT R. et al., “Towards non-destructive detection of atomic populations in a strontium Optical Lattice Clock”, IFCS (International Frequency Control Symposium), 2016, New-Orleans, USA.

VALLET G. et al., “Cavity enhanced non-demolition measurement on a 87Sr lattice clock”, ETFT (European Time and Frequency Forum), 2016, York, UK.

LE TARGAT R., EISMANN U., SHI C., ROBYR J.L. et LODEWYCK J., “Cavity-enhanced non-destructive detection of atomic populations in Optical Lattice Clocks”, EFTF 2014.

EISMANN U., SHI C., ROBYR J.L., LE TARGAT R. et LODEWYCK J., “Cavity-enhanced non-destructive detection of atomic populations in Optical Lattice Clocks”, EGAS 2014.

Partenaires

Membres du consortium du projet européen QESOCAS :

  • PTB
  • NPL
  • INRIM
  • REG(LUH)
  • REG(IQOQI)
  • REG(IOGS)

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).

MIGA (Matter wave - laser based Interferometer Gravitation Antenna ou antenne MIGA) est une infrastructure en cours de construction pour l'observation du champ gravitationnel de la Terre par la mesure des déformations de l'espace-temps et de la gravitation. Cette infrastructure utilise une nouvelle approche pour la mesure de ces phénomènes (variation locale de la gravité, modification de l’espace-temps), sur la base de l’interférométrie atomique et les atomes froids.

Objectifs

Réalisation d’un interféromètre de très grande taille pour détecter les ondes gravitationnelles

Résumé et premiers résultats

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Vue d'artiste illustrant des ondes gravitationnelles © P. WOOTON/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Le projet MIGA a été sélectionné comme EQUIPEX en décembre 2011. Il s’agit d’un financement spécifique attribué dans le cadre du programme « Investissements d’avenir » du Ministère en charge de la Recherche de l’État français. Ce projet, coordonné par le laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences de l’Institut d’Optique à Bordeaux (LP2N), implique 15 laboratoires de recherché en France et 3 industriels, tous experts en physique atomique, optique, géophysique, hydrologie ou instrumentation. Cet équipement sera installé dans le Laboratoire souterrain à bas bruit (LSBB) situé à Rustrel (Vaucluse, France.

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Schéma de conception de l'antenne MIGA.

Cet équipement permettra d’étudier, avec une nouvelle approche, les fluctuations de gravité et les mesures de déformations de l’espace par les ondes gravitationnelles dans une gamme de fréquences du hertz au millihertz et avec une précision inégalée. Il porte donc à la fois sur des problématiques de géophysique et de physique fondamentale. MIGA constitue une étape sans précédent dans la compréhension des phénomènes géophysiques et permettra à terme d'améliorer les détecteurs d'ondes gravitationnelles. Les résultats de recherche trouveront également des applications pour la surveillance de l'environnement en améliorant les prédictions des aléas sismiques.

L’antenne MIGA est constituée d’une chaîne de trois interféromètres atomiques distribués le long d’un unique chemin optique de 250 m. Le faisceau laser utilisé pour réaliser l’impulsion laser de l’interféromètre à onde de matière est également asservi sur une cavité résonnante. Chaque interféromètre atomique mesure l’accélération locale ressentie par les atomes par rapport à la cavité miroir. Une mesure différentielle entre les interféromètres atomiques permet de s’affranchir de la contribution des miroirs dans les mesures de gradient de gravité, courbure de gravité ou d’autres mesures de plus hauts moments.

Le LNE-SYRTE intervient dans ce projet, piloté par le LP2N (Bordeaux), pour concevoir et réaliser les trois interféromètres atomiques, exploiter les résultats et mesurer la gravité locale et les vibrations du site de Rustrel.

Publications et communications

RIOU I., MIELEC N., LEFÈVRE G., PREVEDELLI M., LANDRAGIN A., BOUYER P., BERTOLDI A., GEIGER R. et CANUEL B., “A marginally stable optical resonator for enhanced atom interferometry”, J. Phys. B Atomic Molecular and Optical Physics, 50, 2017, 155002.

SAVOIE D., ALTORIO M., FANG B., DUTTA I., VENON B., GARRIDO ALZAR C.L., GEIGER R. et LANDRAGIN A., “High-sensitivity cold-atom gyroscope with real-time vibration compensation”, EFTF-IFCS joint meeting 2017, Besançon, France, 10-13 juillet 2017.

SAVOIE D., ALTORIO M., FANG B., DUTTA I., VENON B., GARRIDO ALZAR C.L., GEIGER R. et LANDRAGIN A., “Continuous cold atom gyroscope with 1 nrad·s-1 rotation stability”, 24e Congrès général de la SFP, Orsay, France, 3-7 juillet 2017.

SAPAM R., MIELEC N., RIOU I., CANUEL B., HOLLEVILLE D., FANG B., LANDRAGIN A. et GEIGER R., “A Large Mode Optical Resonator for Enhanced Atom Interferometry”, European Frequency and Time Forum and International Frequency Control Symposium (EFTF-IFCS), Besancon, France, 10-13 juillet 2017.

GEIGER R., “Future gravitational wave detectors based on atom interferometry. An overview of gravitational waves theory, sources and detection”, World Scientific. 2017, Éditeur scientifique : Gerard Auger (Université Paris Diderot ó Paris 7, France), Eric Plagnol (Université Paris Diderot ó Paris 7, France).

CANUEL B., PELISSON S., AMAND L., BERTOLDI A., CORMIER E., FANG B., GAFFET S., GEIGER R., HARMS J., HOLLEVILLE D., LANDRAGIN A., LEFÈVRE G., LHERMITE J., MIELEC N., PREVEDELLI M., RIOU I. et BOUYER P., “MIGA : Combining laser and matter wave interferometry for mass distribution monitoring and advanced geodesy”, Proceedings of SPIE Photonics Europe conference, Brussels, Belgium, 3-7 avril 2016.

CHAIBI W., GEIGER R., CANUEL B., BERTOLDI A., LANDRAGIN A. et BOUYER P., “LOW FREQUENCY gravitational wave detection with ground-based atom interferometer arrays”, Phys. Rev. D, 93, 2016, 021101.

Impacts scientifiques et industriels

  • Avancées dans les recherches en interférométrie atomique,
  • Détection des ondes gravitationnelles,
  • Meilleure prédiction des séismes sur Terre.

Partenaires

  • LP2N,
  • LSBB,
  • ARTEMIS,
  • CELIA,
  • LKB,
  • APC,
  • GEOAZUR,
  • GSRC,
  • EMMAH,
  • IPRA,
  • IDES,
  • LEAT,
  • Geosciences Montpellier,
  • IPGS,
  • ALPHANOV,
  • MUQUANS,
  • SOLETANCHE BACHY TUNNELS

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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SIB-TF-02_Fig2

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.

 

Le LNE-LCM réalise des étalonnages d’éprouvettes utilisées comme matériaux de référence sur les brillancemètres industriels. Pour les éprouvettes non diffusantes, il n’y a pas de problème particulier mais ce n’est pas le cas pour les matériaux diffusants : La configuration géométrique de l’installation existante est à modifier pour améliorer les incertitudes de mesure, en améliorant notamment la reproductibilité du positionnement des échantillons. Cela permettra  de mesurer l’indice de brillant de matériaux liquides pour répondre à des besoins industriels croissants (cosmétologie, agroalimentaire) .

Objectifs

La mise à niveau de l’installation existante pour étendre les possibilités de mesure vers les faibles niveaux de brillant (matériaux diffusants) et pour améliorer les incertitudes de mesure sur tout le domaine de mesure.

La mise en œuvre d’une nouvelle installation permettant d’obtenir une incertitude inférieure à 1 ub (unité de brillant), quel que soit le niveau de brillant de l’échantillon.

Résumé et premiers résultats

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Le cahier des charges fixé pour la nouvelle installation est d’améliorer la mise en œuvre des échantillons, d’étendre le domaine de mesure du banc d’étalonnage existant, de pouvoir effectuer les mesures dans toutes les directions de mesure et d’effectuer des mesures sur des matériaux liquides ou gels.

Sur la base de ce cahier des charges, un nouveau banc de mesure a été conçu, fabriqué et qualifié. Il permet d’effectuer des mesures d’indice de brillant dans toutes les directions et pour tous les niveaux de brillant de 0 et 120 ub (unité de brillant).

L'instrumentation est constituée d'une source, d'un système de lentilles qui crée un faisceau de lumière sur la surface d'essai, et d'un récepteur muni d'une optique appropriée, d'un diaphragme et d'une photodiode pour la détection du cône de lumière réfléchie par la surface d'essai. Cette instrumentation répond notamment à différentes exigences de la norme ISO 2813 concernant la source, l’étalon de référence, le récepteur et les géométries de mesure (pour les trois directions : 20°, 60° et 85°).

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La valeur de brillant B d’un matériau d’indice n sous pour un angle d’incidence a est défini par :

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L’étalon de référence est une lame prismatique de (70×70) mm2 étalonnée en indice de réfraction à la longueur d’onde de 587,6 nm sur un banc de mesure absolue d’indice de réfraction du LCM.

L’installation développée permet la mise en place des échantillons diffusants et spéculaires avec une excellente reproductibilité ; ce qui constitue la principale amélioration. L’automatisation des mesures permet d’obtenir de nombreux résultats dans des conditions variées.

Pour l’étalonnage des éprouvettes de brillant spéculaire compris entre 80 ub et 120 ub, la nouvelle installation a permis une réduction de l’incertitude d’au moins un facteur 3 par rapport à l’ancien banc de mesure ; soit une incertitude élargie (k = 2) de 0,1 ub, 0,2 ub et 0,3 ub respectivement pour les configurations angulaires à 20°, 60° et 85°.

Des investigations complémentaires sur les étalons « Semi-Gloss » pourraient être faites avec le nouveau banc de mesure de BRDF pour expliquer des écarts dans les résultats obtenus sur des échantillons diffusants mais déjà les résultats obtenus indiquent que les spécifications inscrites dans la norme ISO 2813 nécessiteraient une révision et un complément.

Impacts scientifiques et industriels

  • extension du domaine de mesure de l’indice de brillant au LCM vers les matériaux diffusants ;
  • extension des configurations de mesure à toutes les directions ;
  • extension des possibilités de mesure aux matériaux liquides (échantillon en position horizontale) 
  • amélioration des incertitudes de mesure du brillant et de l’talonnage des brillancemètres industriels.