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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.

• 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.

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.

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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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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

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

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 26^th 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

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

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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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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.

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

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.

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

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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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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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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 (P_RC), comme indiqué dans l’équation (1) :

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où        P_opt  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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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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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 :

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.

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.

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

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Afin de répondre à ses propres besoins d'étalonnage en indice de réfraction (utilisés comme étalons pour la mesure de brillant) et de répondre aux besoins industriels, principalement ceux des utilisateurs de réfractomètres, le LCM a entrepris le développement des méthodes et moyens de référence pour les mesures d’indice de réfraction de verre dans le domaine visible.

Pour se faire le LCM a bénéficié du transfert de moyens existants à l'Institut d'Optique d'Orsay : un goniomètre de Rank Hilger et un réfractomètre Pulfrich dit « des lunetiers ». Le projet a consisté en l’installation de ces instruments, en l’évaluation des performances de leurs différents composants et leur remplacement si nécessaire et l’établissement du bilan d’incertitude de mesure de l’indice de réfraction de verre de référence et d’étalonnage d’indice par comparaison à cette référence.

En traversant un milieu matériel transparent homogène, cette lumière de fréquence n se propage à une vitesse V_Ainférieure à c. Sa longueur d’onde λ_A dans le milieu, devient :

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L’indice de réfraction absolu n_A dans le milieu A est défini par rapport aux caractéristiques de propagation dans le vide :

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et le rapport entre les indices de deux milieux différents est donc :

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où c est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (c’est une constante de la physique fondamentale), V est la vitesse de propagation dans les autres milieux, λ est la longueur d’onde du rayonnement qui se propage. L’indice 0 est utilisé pour les grandeurs se référant au vide, les indices A et B sont respectivement employés pour se référer aux milieux A et B.

Les techniques de mesures objets de ce projet permettent la mesure de l’indice de réfraction d'un échantillon par rapport à celui de l’air ambiant pour différentes longueurs d’onde du rayonnement.

Le goniomètre permet la mesure précise des angles. Il est utilisé pour la mesure de l’indice de réfraction de prismes. La méthode est une méthode de mesure absolue ne faisant appel qu’à des mesures d’angles, c’est la méthode dite « du minimum de déviation ». Ces prismes dont l’indice est déterminé par méthode absolue à l’aide du goniomètre sont utilisés comme référence pour les mesures par comparaison avec le réfractomètre.

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Le réfractomètre des lunetiers permet d’effectuer la mesure de l’indice de réfraction d’un échantillon (lame de verre) par rapport à celui d’un prisme étalon (par comparaison). La lame est placée sur le prisme et la méthode de mesure est la mesure de la déviation à incidence rasante. Le réfractomètre comprend une lunette autocollimatrice à réticule, tournant autour d’un axe horizontal devant un cercle gradué pour lire la direction de l'axe de visée.

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Les mesures sont effectuées à la température et à la pression du laboratoire. Elles sont mesurées par des instruments étalonnés. L’indice de réfraction est déterminé à une longueur d’onde définie par le rayonnement monochromatique de mesure. Il est généré par trois lampes spectrales (mercure, hélium sodium). Les longueurs d’onde disponibles pour les mesures sont : 435,834 3 nm ; 546,074 0 nm ; 587,561 8 nm ; 589,293 8 nm et 706,518 8 nm.

Le laboratoire dispose de trois prismes étalons d’indice de réfraction de valeurs nominales d’indice respectives de 1,6 ; 1,7 et 1,8. Après révision de l’instrument de mesure absolue, les indices de réfraction de ces trois prismes de référence ont été déterminés.

Le projet est arrivé à son terme. Les installations de référence permettant la mesure de l'indice de réfraction de matériaux solides transparents dans le visible ont été remises à niveau et les incertitudes de mesure et d’étalonnage ont été évaluées.

L’incertitude élargie (k = 2) sur la mesure de l'indice de réfraction d'un prisme varie de 25x10^-6 à 29x10^-6 en utilisant le goniomètre Rank Hilger et la méthode du minimum de déviation. L’incertitude élargie (k = 2) sur l'indice de réfraction d'une lame mesuré en utilisant le réfractomètre des lunetiers et la méthode de l’incidence rasante est de 45x10^-6. Le graphe ci-dessous représente l’incertitude élargie (k = 2) sur l’indice de réfraction mesuré par la méthode de l’incidence rasante par rapport aux trois prismes de référence de valeur nominale 1,6 ; 1,7 et 1,8.

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Le laboratoire a obtenu l’accréditation Cofrac pour les étalonnages de prismes et de lames de verre en juin 2011.

Perspective : Une adaptation du réfractomètre des lunetiers est envisagée pour la mesure d’indice de réfraction de liquides. Une faisabilité a été faite sur l’eau à température ambiante.

Les installations vont permettre de répondre au besoin du LCM pour le raccordement des étalons de brillant et aux besoins des industriels (pharmacie, laboratoires d’analyse, agroalimentaire…) pour l'étalonnage des références utilisées pour la vérification des réfractomètres.

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La réalisation de matériaux étalons implique une étape lourde de comparaison des mesures optiques avec des mesures visuelles par un panel d’observateurs. Pour prendre une place parmi les quelques laboratoires de plus haut niveau métrologique dans le domaine des mesures de l’apparence, le LCM LNE-Cnam s’est lancé dans le développement d’un instrument de référence permettant la caractérisation métrologique des propriétés réflectives des objets qui, du point de vue de l’apparence, sont à l’origine des sensations de couleur, de brillant et de texture.

Quantifier l’apparence d’un objet est donc quelque chose de compliqué car l’apparence est une propriété subjective inaccessible directement à la mesure. Seul le stimulus peut être exposé aux mesures physiques :

• La couleur naît de la répartition spectrale de la lumière réfléchie par le matériau ;
• le brillant naît de la répartition géométrique de la lumière réfléchie par le matériau ;
• la texture naît de la répartition spatiale de la lumière réfléchie par le matériau.

La quantification de l’apparence nécessite d’établir des corrélations entre une ou plusieurs grandeur(s) physique(s) pertinente(s) et la réponse de l’observateur obtenue par des mesures visuelles afin de développer des modèles métrologiques de l’apparence. La grandeur physique qui intègre ces informations s’appelle la « fonction de distribution bi-directionnelle du coefficient de luminance », plus connue sous son acronyme anglophone « BRDF » pour Bi-directional Reflectance Distribution Function.

La BRDF (fig. 1) est le quotient de la luminance énergétique (L_R) de l’élément de surface dans la direction donnée (θ_R,φ_R) par l’éclairement (E_I) provenant d’une direction définie (θ_I,φ_I). C’est une grandeur radiométrique définie pour une longueur d’onde donnée (λ).

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La BRDF caractérise intégralement la réflexion lumineuse à la surface d’un matériau. En cela, sa mesure s’inscrit comme un outil indispensable pour la mesure de l’apparence car elle permet de connaître en détail le signal qui entre dans l’œil. C’est ce signal qui, capturé et traité par le système visuel, génère les attributs de l’apparence.

La BRDF se mesure avec un gonioreflectomètre systématiquement constitué de trois éléments : une source lumineuse, un support d’échantillon et un récepteur. Le LCM s’est donc fixé comme objectif de réaliser un tel instrument pour des mesures dans un domaine spectral s’étendant de l’ultraviolet au proche infrarouge (250 nm – 900 nm).

1 - Réalisation de la partie mécanique de l’instrument

Une étude bibliographique exhaustive a permis d’évaluer les systèmes existants dans d’autres laboratoires nationaux de métrologie ou des laboratoires de recherche, soit une vingtaine d’équipements. Ils ont été regroupés par familles technologiques et analysés finement pour mettre en évidence les atouts et les faiblesses de chacun d’eux. Pour respecter le cahier des charges retenu pour l’instrument, le choix technologique s’est porté sur une solution hybride : déplacements mécaniques de la source et de l’échantillon et détection conoscopique sur la base d’un montage optique de type Fourrier. Les déplacements mécaniques offrirons la maîtrise fine des angles d’illumination et d’observation et la partie conoscopique permettra, en un seul cliché, de mesurer la luminance dans plusieurs milliers de directions d’observation très proches et donc de gagner un temps de mesure considérable.

Le choix s’est porté sur le développement de deux lignes de mesure séparées et indépendantes. La première ligne, appelée « voie couleur », est dédiée à l’étude de la couleur. Elle requiert une bonne résolution spectrale et une résolution angulaire non critique. La partie sensible aux alignements est le monochromateur ; il sera donc posé sur la table optique. La détection sera mobile. La deuxième ligne, appelée « voie brillant », est dédiée à l’étude du brillant. Elle requière une haute résolution angulaire mais peut se passer d’information spectrale. La partie sensible est la détection et est donc posée sur la table optique. La source est mobile.

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Le choix a donc été fait de déplacer au minimum la source de la voie brillant et la détection de la voie couleur (déplacement selon une seule rotation, dans un plan horizontal) et de faire tourner l’échantillon autour de trois axes pour garantir les quatre degrés de libertés requis dans chaque configuration de mesure (fig. 2).

Le support d’échantillon est principalement constitué d’un bras robot six axes qui supporte un plateau de diamètre 60 cm. Les échantillons peuvent donc être volumineux et d’épaisseur très variable (le diamètre de la couronne de rotation est de 2,3 m). Le pilotage du robot a été programmé par l’équipe projet. Il permet un déplacement rapide, précis et reproductible des échantillons.

2 - Réalisation de la voie couleur

Elle est constituée d’une source (type arc xénon pour commencer) pour couvrir le domaine spectral de 250 nm à 900 nm, d’un monochromateur étalonné permettant une sélection des longueurs d’onde à 0,1 nm près, d’un système optique télécentrique pour focaliser la source sur l’échantillon en un spot de diamètre 20 mm et d’un système optique de détection (photodiode silicium, miroirs, condenseur et diaphragme montés sur un dispositif mécanique construit spécifiquement).

Un protocole de mesures a été élaboré et des mesures ont été effectuées sur un échantillon de Spectralon, en illumination normale à sa surface, pour tester le fonctionnement de l’ensemble de la voie couleur. Des améliorations sont en cours et les mesures de qualification sur différents types de matériaux se poursuivront dans le cadre du projet européen xD-Reflect.

3 - Réalisation de la voie brillant

Cette mesure ne nécessite pas d’information spectrale mais nécessite une très bonne résolution angulaire (inférieure à 0,003°). Cette partie de l’instrument est très innovante car elle a été réalisée par un système conoscopique. Un tel système optique a été construit par la société Eldim et a théoriquement une résolution angulaire de 0,004°. L’illumination est réalisée à l’aide d’une lampe quartz halogène focalisée par des composants optiques permettant une divergence théorique de 0,029°. La détection est effectuée par une caméra CCD dont les caractéristiques optiques ont été mesurées (linéarité temporelle et amplitude, résolution) et étalonnées (luminance).

L’idée de l’implantation d’un système conoscopique dans un gonioréflectomètre mécanique place le laboratoire dans une excellente dynamique pour ce qui concerne l’étude du brillant des matériaux et de la relation entre la rugosité et la BRDF d’un matériau.

• Support aux industriels : aide à la vente et donc à la conception de produits dont l’aspect esthétique est en jeu ;
• Traçabilité possible des instruments de mesure industriels ;
• Gain de temps pour la qualification de l’apparence des produits par la possibilité de mesures physiques au lieu de campagnes de mesures psychophysiques.

GED G., OBEIN G., SILVESTRI S., LE ROHELLEC J. et VIÉNOT F., “Recognizing real materials from their glossy appearance”, Journal of Vision, 10, 9, 18, 2010, DOI: 10.1167/10.9.18.

OBEIN G., GED G. et RICHARD A., “A new gonioreflectometer dedicated to the measurement of the appearance of materials at the LNE-Cnam”, 2^nd CIE Expert symposium on Appearance “When appearance meets lighting”, Gand, Belgique, 8-10 septembre 2010.

OBEIN G., « Le brillant du noir », École thématique interdisciplinaire du CNRS, Le noir et le blanc, Okhra, Roussillon France, 127-141, 2011.

GED G., OBEIN G., SILVESTRI Z. et VIENOT F., « Évaluer le brillant visuel d’un matériau », 15^e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

OBEIN G., « Un équipement pour la mesure du Brillant », Journée Scientifique du Comité Français de la Couleur, Ecole des mines de Paris, Paris, France, 21 janvier 2012.

OBEIN G., « La mesure de BRDF en vue de la caractérisation de l'apparence des matériaux », Journées thématiques sur la Couleur, Pôle Optique Rhône Alpes, St Etienne, France, 1–3 mars 2012.

OBEIN G., « Métrologie de l’apparence et mesure de BRDF », Journée des métrologues du LNE, Paris, France, 17 septembre 2012.

OUARETS S., GED G., RAZET A. et OBEIN G., “A new gonioreflectometer for the measurement of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) at LNE-CNAM”, CIE 2012 – Lighting Quality and Energy Efficiency, Hangzhou, Chine, 19–21 septembre 2012.

OUARETS S., LEROUX T., ROUGIÉ B., RAZET A.et OBEIN G., “A high resolution set up devoted to the measurement of the Bidirectional Reflectance Distribution Function around the specular peak, at LNE-CNAM”, Congrès international de métrologie, Paris, France, octobre 2013 .

OBEIN, G., OUARETS, S. et GED, G., “Evaluation of the shape of the specular peak for high glossy surfaces”, Measuring, Modeling, and Reproducing Material Appearance, Proceedings of SPIE, EI108, San Francisco, Etats-Unis, 4-5 février 2014.

HÖPE A., KOO A., VERDU F., LELOUP F., OBEIN G., WÜBBELER G., CAMPOS J., IACOMUSSI P., JAANSON P., KÄLLBERG S. et ŠMÍD M., “Multidimensional Reflectometry for Industry (xD-Reflect) an European research project”, Measuring, Modeling, and Reproducing Material Appearance, Proceedings of SPIE, EI108, San Francisco, Etats-Unis, 4-5 février 2014.

COMARD A., BARET F., OBEIN G., SIMONOT L., MENEVEAUX D., VIÉNOT F. et DE SOLAL B., “A leaf BRDF model taking into account the azimuthal anisotropy of monocotyledonous leaf surface”, Remote Sensing of Environment, 143, 2014, 112–121.

Société Eldim (Hérouville Saint Clair, France) pour la réalisation du système de détection conoscopique.

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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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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

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

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.

Membres du consortium du projet européen QESOCAS :

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

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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.

• 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. 

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.

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Le caractère intermittent des EnR et le fait de ne pas pouvoir stocker l’énergie électrique imposent de recourir à une structure de communication capable d’aider à maintenir l’équilibre du réseau électrique, c’est-à-dire par la mise en place d’un réseau dit intelligent et communicant : le « réseau électrique intelligent » ou « smart grid ».

Le réseau intelligent se situe donc à la convergence de deux mondes : celui des télécommunications et celui des réseaux électriques traditionnels, dont la surveillance et le contrôle sont assurés grâce à la gestion de flux importants de données. Ces données proviennent de dispositifs judicieusement positionnés sur le réseau : les synchrophaseurs ou PMU (Phasor Measurement Units). Un réseau intelligent peut donc être assimilé à la superposition d'un réseau électrique traditionnel et d’une structure de communication capable d'assurer la stabilité, la fiabilité et la qualité de la fourniture d'électricité, dans un contexte d'interconnexions de réseaux électriques à grande échelle.

Le projet européen s’adresse aussi bien aux concepteurs qu’aux opérateurs de réseaux intelligents pour faciliter la mesure et la gestion des nombreux paramètres relatifs au fonctionnement des réseaux. Il est piloté par le VSL et a pour objectif général de développer une infrastructure métrologique afin de réussir la mise en œuvre d’un réseau électrique intelligent en Europe. Les travaux métrologiques réalisés dans le cadre de ce projet doivent apporter les méthodes et les moyens de garantir la qualité et la comparabilité des mesures effectuées pour assurer la qualité, la stabilité et une intégration fiable de la génération distribuée de l’électricité. Le travail a été réparti entre 22 partenaires (dont quatre universitaires) et a été organisé en 4 lots de tâches :

• Créer une infrastructure métrologique pour caractériser, évaluer et étalonner les synchrophaseurs (PMU) utilisés pour contrôler la stabilité du réseau électrique ;
• Assurer et améliorer la traçabilité des mesures d’énergie électrique sur site ;
• Développer des instruments portables de mesure sur site de la qualité de l’énergie sur le réseau ;
• Développer des modèles de mesure de la qualité de l’énergie des réseaux de basse et moyenne tension pour en assurer la surveillance et améliorer leur fiabilité.

Le projet a débuté le 1^er septembre 2010 et s’est déroulé sur une durée de trois ans. Le LNE s’est engagé dans le premier lot (relatif à l’étalonnage des PMU).

Les actions menées par le LNE ont donc pour objet de réaliser un PMU de référence (au sens métrologique) qui puisse être utilisé pour la caractérisation de matériels commerciaux. Dans cette perspective, il est essentiel que le PMU développé satisfasse dans un premier temps aux exigences de la norme IEEE C37.118-2005 relative aux conditions statiques d’exploitation des réseaux électriques. Le PMU de référence doit donc être caractérisé en accord avec cette norme. Dans un deuxième temps, le PMU de référence doit satisfaire aux exigences de la norme IEEE C37.118-2011, relative aux conditions d’exploitation dynamique des réseaux électriques intelligents. Au-delà des actions menées dans le contexte du JRP, le LNE a mené des actions complémentaires visant à acquérir les connaissances nécessaires et les moyens de disposer d’outils de référence pour ses propres besoins en tant que laboratoire national dans le domaine de la métrologie électrique.

Un PMU, outil utilisé pour la surveillance et le contrôle d'un réseau électrique, permet, à partir de mesures de signaux de tension et de courant sur le réseau, de déterminer leur amplitude (V et I), la fréquence (f) et la phase (φ), ainsi que les paramètres de contrôle de la stabilité du réseau comme la vitesse de variation de la fréquence (Rate of Change of Frequency, ROCOF). L’ensemble des paramètres mesurés et calculés (phaseur, fréquence, phase, ROCOF, TVE, FE et RFE) constituent une image du réseau à un instant donné. Le terme employé dans la norme IEEE C37.118 pour désigner une telle image est « frame ».

Après une analyse bibliographique des travaux portant sur des PMU et une prospection des différents fabricants, le LNE s’est porté acquéreur d’un PMU qu’il a installé sur son réseau électrique en avril 2011. Cette installation a permis au LNE d’évaluer ses performances sur un cas concret bien qu’une source triphasée sur laquelle on pourrait générer des signaux de formes arbitraires aurait été un bien meilleur outil de test en régime statique et dynamique. Cette première phase du travail a permis de définir les différentes fonctions et caractéristiques du PMU de référence à construire.

Les différents modules matériels du PMU ont été choisis de manière à satisfaire aux exigences en termes de mesure sur site, de transportabilité, de robustesse (résistance aux chocs) et d’immunité aux perturbations externes (fidélité des mesures en termes d’acquisition/génération de données, vitesse, déterminisme). Cet instrument a été construit (matériel de mesure et d’interfaçage avec le réseau et logiciel de traitement des données), mis en œuvre et complètement caractérisé.

Il permet de calculer la fréquence, l’amplitude et la phase du signal incident et le ROCOF (vitesse de variation de la fréquence). Il a été caractérisée en mode statique :

• Test de variation de la fréquence de la forme d’onde incidente par pas de 1 Hz de 45 Hz à 55 Hz ;
• Test de variation de l’amplitude de la forme d’onde incidente de 10 % à 120 % de l’amplitude nominale par pas de 10 % ;
• Test de variation de la phase de la forme d’onde incidente de –180° à +180° par pas de 20° ;
• Test de mesure de signaux déformés (distorsion harmonique des rangs 1 à 50) de manière à évaluer la robustesse des algorithmes en présence d’harmoniques.

Tous ces tests ont fait l’objet d’un rapport détaillé. Ils ont notamment montré qu’il existait encore des pistes d’amélioration du PMU de référence réalisé, notamment sur les composantes d’incertitude associées à la synchronisation temporelle et à la phase.

Puis, afin de disposer d’une forme d’onde théorique qui se rapproche de celle mesurée sur le réseau pour évaluer les performances du PMU, le LNE a développé une plateforme qui remplit cette fonction. Il s’agit de disposer de signaux répondant aux spécifications des tests en mode statique (norme 2005) et également de celles en mode dynamique (norme de 2011). La plateforme a été développée ainsi que la méthode d’analyse des signaux déformés (signaux constitués de la composante fondamentale et de plusieurs harmoniques fluctuantes).

Ce dernier point sera poursuivi dans le cadre du futur projet européen (SmartGrid 2) qui débutera mi-2014 dans lequel l’accent sera mis sur la caractérisation dynamique des PMU pour les évaluer dans conditions réelles de réseaux, en présence de signaux perturbés par des incidents se produisant de manière aléatoire.

Site du projet :

Metrology for smart electrical grids

• Traçabilité des PMU pour la surveillance et la gestion des réseaux électriques largement interconnectés ;
• Progrès dans le domaine des mesures de l’énergie électrique sur site ;
•  Modélisation et simulation de fonctionnement des réseaux intelligents pour aider au développement de stratégies de gestion des différentes sources d’approvisionnement.

NDILIMABAKA H., BLANC I., KURRAT S., BRAUN J.-P. et SIEGENTHALER S., “Characterization of a reference PMU according to the IEEE C37.118-2005 Standard”, CPEM 2014.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Design and testing of the reference Phasor Measurement Unit (PMU)”, Euramet/EMRP Metrology for Smart Grids Workshop, Noordwijk, Pays-Bas, 25-26 juin 2013.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Development of a reference Phasor Measurement Unit (PMU) for the monitoring and control of grid stability and quality”, 16^e Congrès International de Métrologie, Paris, France, 7-10 octobre 2013.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Smart electrical grids”, 15^e Congrès international de métrologie, Paris, France, 3-6 octobre 2011.

NDILIMABAKA H. et BLANC I., “Characteristics of PMU calibrator and PMU architecture”, Progress JRP-SmartGrid meeting, Teddington, Royaume-Uni, mai 2011.

Partenaires du JRP-ENG04 :

• VSL (Pays-Bas),
• INM (Roumanie),
• CEM (Espagne),
• CMI (République Tchèque), METAS (Suisse),
• FFII (Espagne), INRIM (Italie), LNE (France),
• MIKES (Finlande),
• NPL (Royaume-Uni),
• PTB (Allemagne),
• SIQ (Slovénie),
• SMD (Belgique),
• SMU (Slovaquie),
• SP (Suède),
• Trescal (Danemark),
• TUBITAK (Turquie),
• EFZN, 
• UBS (Allemagne),
• EIM (Grèce)

Partenaires du LNE :

• Elspec (fabricant de PMU),
• EDF (centre de recherche des Renardières)

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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.

• 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.