Résumé de la thèse

La thèse présente la méthode d'interrogation d'une transition d'horloge à l'aide d'une séquence d'impulsions CPT (Coherence Population Trapping) analogue à la technique des champs oscillants séparés de Ramsey. Différentes séquences d'impulsions CPT appliquées sur une vapeur atomique de Césium en régime Lamb-Dicke sont étudiées expérimentalement et conduisent à l'observation de franges aussi étroites que 60 Hz à une fréquence de 10 GHz. Une étude théorique du phénomène CPT en régime continu et en régime impulsionnel permet de mettre en évidence et de comparer les déplacements de fréquence de la transition d'horloge. L'asservissement d'un oscillateur à quartz à l'aide d'un train d'impulsions CPT, a conduit finalement à la mesure d'une stabilité relative préliminaire de 3,5·10-12 sur la seconde.

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Résumé de la thèse

L’objectif de la thèse était le développement d’une nouvelle génération d’étalons de fréquence optique utilisant des atomes piégés. La stabilité de fréquence d’une telle horloge sera limitée dans un premier temps par le bruit de l’oscillateur local. La première partie a été consacrée aux différents paramètres comme le rapport cyclique ou la méthode d’interrogation pouvant réduire les effets de ce bruit : la séquence temporelle du cycle d’horloge doit être optimisée. Avec l’oscillateur local qui a été réalisé, un laser ultra stable, la stabilité attendue est de quelques 10-16 · τ-1/2 soit près de deux ordres de grandeurs mieux que les fontaines atomiques actuelles.

La deuxième partie décrit une source d’atomes froids de strontium performante, étape essentielle pour réduire le temps de préparation des atomes dans le cycle. Finalement, la mesure de la transition d’horloge 1S0-3P0 du 87Sr est démontrée avec une incertitude de 15 kHz.

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La thèse a consisté à développer au LNE-SYRTE une station terrienne TWSTFT (Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer) dédiée aux comparaisons d'horloges atomiques par liaisons micro-ondes avec un satellite de télécommunications. La station est équipée d'un modem SATRE générant une porteuse à spectre étalé modulée par un code pseudo-aléatoire de bruit à 2,5 Mchips/s. L'objectif principal est de contribuer à la réalisation du Temps Atomique International (TAI) calculé par le BIPM en utilisant une technique indépendante du GPS. Les travaux ont porté sur la mise en oeuvre de logiciels de pilotage de la station, d'acquisition et de traitement statistique des données de comparaisons d'horloges, en mesure et en étalonnage. Un bilan complet d'incertitudes a été établi pour la liaison étalonnée OP-PTB. Les données de mesures de la station ont été intégrées dans le calcul du TAI depuis le 1er janvier 2005 sur la liaison étalonnée OP-PTB, avec une exactitude de 1 ns, soit six fois plus faible que sur la même liaison effectuée par GPS C/A. De plus, cette technique a permis d'atteindre le bruit des masers à hydrogène actif sur la liaison OP-PTB à seulement 0,6 jour, soit une stabilité de fréquence de 2·10-15, qui par ailleurs est atteinte par la technique GPS P3 au bout de deux jours. Enfin, les travaux ont été complétés par l'étude et la réalisation d'un dispositif d'étalonnage en absolu du retard interne de la station, basé sur un simulateur de satellite.

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Nous avons mis au point une méthode de mesure du déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids. C’est l’effet systématique qui limite le plus l’exactitude des fontaines à 133Cs (environ 10-15 en valeur relative) ; on peut le mesurer au niveau de 0,5 %. Ceci ouvre des perspectives d’améliorations des performances des fontaines en terme d’exactitude jusqu’à 10-16. La fontaine a aussi obtenu une stabilité de l’ordre de 1,6·10-14 à 1 s. Nous avons découvert, à champ magnétique très faible (5±1 mG), des résonances de Feshbach. Nous avons aussi effectué une nouvelle mesure absolue de la transition hyperfine du 87Rb, qui est la plus précise jamais réalisée et sert maintenant de définition pour l’étalon secondaire de fréquence 87Rb. En comparant cette valeur avec celles mesurées les années précédentes, nous avons pu tester la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 10-15 an-1. Nous avons comparé localement notre fontaine avec les autres fontaines du laboratoire, avec dans le meilleur des cas une stabilité combinée de 5·10-4 à 1 s. La différence de fréquence des deux horloges se moyenne comme du bruit blanc de fréquence jusqu’à 3·10-16. Le bilan d’exactitude de la fontaine double a été évalué à environ 7·10-16 pour la partie césium et environ 8·10-16 pour la partie rubidium. Nous avons contribué à la réalisation de l’échelle de Temps Atomique International, par des séries de calibrations de masers à hydrogène. Une comparaison de fontaines atomiques par liaisons satellitaires a été expérimentée entre notre laboratoire et nos homologues allemands. Cette mesure a permis de déterminer le bon accord qu’il y a entre les deux horloges.

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Pour la réalisation de la grandeur physique du temps, un certain nombre de recherches ont conduit au développement d’étalons de fréquences à atomes froids, telles que les fontaines atomiques. La réalisation de la seconde est entachée à l’heure actuelle d’une incertitude de quelques 10-16 en valeur relative. La poursuite et l’amélioration des performances de ces étalons de fréquence sont aussi des enjeux pour des tests de physique fondamentale.

Dans une fontaine atomique, le champ magnétique terrestre accélère inévitablement les atomes, ce qui limite la durée d’interrogation. La micro-gravité permet de lancer les atomes à n’importe quelle vitesse et de s’affranchir de la limitation au sol du temps d’interaction. C’est ainsi qu’est né le projet PHARAO qui s’inscrit dans un projet plus global d’un ensemble d’étalons de fréquences qui doit voler sur la station spatiale internationale, une mission de l’ESA (European Spatial Agency) : le projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). La thèse a consisté en la réalisation du modèle d’ingénierie de l’horloge PHARAO, avec les industriels impliqués dans le projet, et aux tests du modèle, principalement sur la source hyperfréquence qui doit délivrer les signaux d’interrogation des atomes.

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Le mémoire de thèse présente la réalisation d’un interféromètre à ondes de matière mesurant l’accélération de la pesanteur. Les paquets d’ondes d’atomes de 87Rb sont manipulés à l’aide de deux lasers induisant des transitions Raman stimulées. Ces transitions servent à créer un interféromètre atomique dont le déphasage dépend de l’accélération des atomes dans le référentiel du laboratoire. Lorsque les lasers Raman sont appliqués verticalement, l’interféromètre est sensible à l’accélération de la pesanteur g. Dans le contexte de l’expérience de la balance du watt, réalisée au LNE, la connaissance de la valeur de l’attraction terrestre est requise avec une incertitude de δg/g = 10–9. L’objectif du gravimètre est d’obtenir une sensibilité de 10–9g en moins d’une minute d’intégration et une exactitude meilleure que 10–9g. Un effort particulier a été apporté pour concevoir un dispositif expérimental compact, afin de faciliter son transport. Il pourra ainsi être déplacé à proximité de la balance ou sur divers sites de mesure pour effectuer des comparaisons avec d’autres gravimètres. Une sensibilité de 7·10-8g·Hz–1/2 a été obtenue ; ce qui permet d’atteindre une incertitude statistique de 3·10–9g après 1 000 s d’intégration. Une première analyse des sources de bruits expérimentaux nous a permis d’identifier les améliorations à apporter au dispositif et en particulier celles concernant les vibrations qui limitent actuellement la sensibilité court terme.

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Ce mémoire rapporte la réalisation d’une horloge à réseau optique à atomes de 87Sr ainsi que la première étude à un niveau métrologique des déplacements lumineux du premier et second ordre de la transition 1S0 − 3P0 du 87Sr dans un réseau optique. Les points clés de l’expérience sont la mise en œuvre d’une nouvelle méthode de chargement des atomes dans le piège dipolaire et du refroidissement laser sur la transition 1S0 − 3P1 qui permet de refroidir les atomes jusqu’à l’état vibrationnel de plus basse énergie du système. Le piège dipolaire est formé par une onde stationnaire 1D de très haute intensité pic (> 400 kW/cm2) et très stable qui a permis l’étude du déplacement lumineux sur une large gamme de puissance laser et de longueurs d’onde.

Dans cette expérience, la largeur des résonances optiques atteint 250 Hz, ce qui correspond à un facteur de surtension atomique de 2·1012. Nous avons effectué la mesure la plus précise (avec une incertitude de 10–3 nm) jusqu’ici de la longueur magique de la transition 1S0 − 3P0, longueur d’onde correspondant à l’annulation du déplacement lumineux du premier ordre. Des mesures de haute précision du déplacement de fréquence du deuxième ordre ont également été effectuées pour des longueurs d’onde du piège proche de la longueur d’onde magique, en particulier pour des longueurs correspondant à des résonances à deux photons de l’atome. Ces mesures montrent que l’effet du deuxième ordre à la longueur d’onde magique peut être contrôlé à un niveau inférieur à 10–18 de la fréquence d’horloge, démontrant ainsi la faisabilité d’une horloge à réseau optique à atomes de 87Sr de haute exactitude.

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Pour des applications liées à la métrologie Temps-Fréquence comme pour des mesures de physique fondamentale, l’utilisation d’oscillateurs bas bruit et de haute stabilité est essentielle. La mise en œuvre et le coût d’exploitation de tels oscillateurs sont tels qu’ils restent inaccessibles pour la plupart des utilisateurs, ce qui freine la réalisation d’expériences de très haute résolution. Actuellement, les comparaisons d’horloges à distance sont effectuées soit par GPS, soit par satellite de télécommunications. Cependant, les comparaisons sont limitées en stabilité relative à quelques 10–15 pour un jour de mesure, donc insuffisantes pour les performances ultimes des étalons atomiques micro-ondes et a fortiori pour les horloges optiques.

Profitant de la redondance du réseau fibré de télécommunication métropolitain, un dispositif de dissémination de références de fréquence par fibres optiques a été développé en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Lasers (Université Paris 13/ Institut Galilée). Ce dispositif est complété par un système actif électronique permettant la compensation des fluctuations de phase ajoutées lors du transfert sur fibre (vibrations mécaniques, fluctuations thermiques, effets non-linéaires dans la fibre…). Ainsi, il a été démontré la possibilité de transférer un signal de référence à 1 GHz, par modulation d’amplitude d’une porteuse optique à 1 550 nm, avec des instabilités relatives de fréquence de l’ordre de 2·10–15 à 3·10–15 pour une seconde de temps d’intégration et quelques 10–18 sur la journée, sur une distance de 86 km (quelques 10–14 t–1 sur environ 200 km). Il est alors possible de comparer des fontaines atomiques de performances égales à celles du LNE-SYRTE sur quelques centaines de kilomètres. Une nouvelle méthode, « tout optique », en cours d’étude, a pour but de transférer directement une référence optique sur des distances pouvant aller jusqu’à 1 000 km dans la perspective de comparer des horloges optiques et de constituer un réseau fibré européen.

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L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.

Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources fibrées à 1 560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 °C à 25 °C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1 560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

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