Ce travail présente les bases du développement d’une référence de fréquence optique ultrastable fondée sur le phénomène quantique de superradiance, à travers une modélisation théorique et une mise en œuvre expérimentale. Un laser superradiant résulte de l’émission collective d’un ensemble d’atomes dans une cavité optique, et il peut présenter une stabilité en fréquence largement indépendante des fluctuations de la cavité. Le système proposé dans cette thèse est constitué d’atomes d’ytterbium froids couplés à une cavité Fabry-Perot fonctionnant dans le régime de mauvaise cavité, avec une attention particulière sur les critères nécessaires pour atteindre une émission superradiante continu. Le travail expérimental s’appuie sur le schéma développé à l’Institut FEMTO-ST, visant à atteindre un fonctionnement superradiant continu grâce à un transport séquentiel d’atomes.

Il porte sur la préparation des atomes froids, la caractérisation du transport atomique, ainsi que sur le développement du schéma de repompage nécessaire pour maintenir l’inversion de population. Ces efforts sont menés en parallèle du développement d’une description théorique basée sur une équation maîtresse de Lindblad et sur des calculs numériques réalisés en collaboration avec l’Institut UTINAM afin de modéliser la dynamique atome-cavité.

Les résultats numériques décrivent le comportement du système et prédisent des paramètres clés tels que la largeur de raie et la puissance de sortie attendues. Ces développements constituent une étape fondamentale dans la réalisation du projet de laser superradiant continu et la base pour une description théorique complète.

métrologie temps fréquence, superradiance, atomes froids.

Consulter la thèse (EN) : TEL-05603280

Cette thèse présente des avancées dans le développement d’une horloge optique à ion unique transportable à base d’ytterbium, en se concentrant sur l’intégration d’un piège à électrodes de surface microfabriqué dans le dispositif expérimental. Les recherches explorent l’optimisation des systèmes de piégeage d’ions pour améliorer la stabilité, en ciblant des applications en métrologie de précision, physique fondamentale et géodésie. Le travail aborde les principes théoriques du piégeage d’ions, en mettant en lumière les défis posés par le micromouvement, le chauffage par convection et le bruit de projection quantique, ainsi que les stratégies pour surmonter ces limitations. Il examine également les processus de détection et l’interaction entre la conception du piège et les performances de l’horloge. Une approche globale combine modélisation théorique, tests électriques et mesures expérimentales pour affiner la conception et le fonctionnement du piège. Le dispositif expérimental intègre des lasers stabilisés, des contrôles optimisés des tensions RF et DC, ainsi que des systèmes à ultra-haut vide pour piéger et interroger efficacement les ions ¹⁷¹Yb⁺.

Parmi les réalisations notables figurent la stabilisation des fréquences laser sur une lampe Yb à cathode creuse, atteignant une stabilité de fréquence fractionnaire inférieure à 10⁻⁹, et la conception d’un résonateur RF de haute qualité avec des performances significativement améliorées. Des niveaux de vide améliorés et une nouvelle conception de distributeur ont permis un chargement des ions plus efficace et une durée de vie prolongée des pièges. L’étude met également en évidence les défis rencontrés lors du fonctionnement du piège, notamment des comportements inattendus de rupture de tension, et propose des améliorations futures dans la conception des puces et les processus de microfabrication. Ces résultats offrent des perspectives précieuses sur les limites et le potentiel des pièges de surface microfabriqués dans les applications d’horloges optiques.

En conclusion, cette recherche fait progresser la compréhension et la mise en œuvre des pièges à ions de surface, contribuant au développement d’horloges atomiques optiques compactes et transportables. Les résultats fournissent une base solide pour de futures innovations, en répondant aux défis existants tout en ouvrant la voie à de nouvelles applications dans la mesure du temps de précision et les domaines connexes.

spectroscopie, métrologie temps-fréquence, piégeage d’ions uniques, refroidissement laser, horloge atomique.

Consulter la thèse (EN) : TEL-05603323

Cette thèse s’inscrit dans le développement de résonateurs et oscillateurs pour les télécommunications, où la montée en fréquence et la stabilité restent des enjeux majeurs. L’objectif principal était de concevoir, fabriquer et valider un résonateur HBAR fonctionnant autour de 1 GHz, répondant aux contraintes de miniaturisation, de faible consommation et de robustesse mécanique.

Après une étude comparative des principales technologies (SAW, MEMS, DRO, BAW, FBAR, SMR), la technologie HBAR a été retenue pour son facteur de qualité élevé, sa capacité à fonctionner à haute fréquence et sa compatibilité avec les procédés de micro-fabrication. Plusieurs configurations de HBAR ont été étudiées. L’un des empilements proposés est sur une configuration de HBAR en LiNbO₃/quartz, celle-ci offre une bonne stabilité fréquentielle et de faibles pertes d’insertion. La fabrication a été réalisée par collage et amincissement de plaques, permettant d’obtenir les épaisseurs et orientations optimales. Plus de 2 000 résonateurs ont été produits, avec des performances conformes aux simulations (Q > 6 000, CTF ≈ –5 ppm/°C, pertes d’insertion < 12 dB). Plusieurs défis ont été surmontés, notamment l’inhomogénéité des épaisseurs, les pertes d’insertion dues aux pads, et la gestion des fissures dans le matériau piézoélectrique, grâce à des techniques de trimming, à l’optimisation de la géométrie des électrodes et à la réduction des contraintes thermomécaniques.

Un défi fondamental a été la sélection d’un harmonique unique parmi la multitude présente dans le spectre HBAR. Une méthode innovante, basée sur l’injection d’une fréquence ou phase externe et sur le principe de moiré, a été développée et validée par simulation. Enfin, la thèse a permis de proposer un premier modèle de résonateur HBAR répondant au cahier des charges, ainsi qu’une architecture permettant la sélection précise d’un seul harmonique autour de 1 GHz.

oscillateur, HBAR, résonateur, résonateur à couplage latéral, microfabrication, télécommunications, résonateur à ondes élastiques de volume à harmoniques élevés.

Consulter la thèse (EN/FR) : Confidentielle jusqu’au 31/12/2028.

Ce travail de thèse explore le potentiel de l’approche CPT (piégeage cohérent de population) pour réaliser des horloges atomiques micro-ondes à cellule césium de haute stabilité.

Une caractérisation métrologique poussée sur une première horloge a tout d’abord été réalisée. Cette horloge exploite un schéma de pompage optimisé nommé Push-Pull Optical Pumping (PPOP) et une technique d’interrogation impulsionnelle (Ramsey-CPT ou SABR-CPT : Symmetric Auto-Balanced Ramsey). Une stabilité de fréquence à 1 s de 1×10⁻¹³ en mode Ramsey-CPT et de 2×10⁻¹³ en mode SABR-CPT a été démontrée. Pour évaluer les limitations de cette horloge, nous avons mesuré la dépendance de la fréquence d’horloge à un très grand nombre de paramètres expérimentaux et montré que le régime SABR-CPT permet une réduction drastique d’un grand nombre de coefficients de sensibilité. Un budget de stabilité à 1 jour de 3,5×10⁻¹⁴ est établi et nous identifions la température de composants optiques passifs, la fréquence laser, la puissance microonde et le champ magnétique comme contributions principales. Une dégradation des performances pour 𝜏 ≥ 100 s a également été observée. De nombreuses investigations ont été menées pour en comprendre l’origine.

Une seconde horloge, d’architecture comparable mais plus compacte (banc optique < 10 L), a ensuite été étudiée. Suite à sa conception et son montage, de premières caractérisations ont été rapportées, incluant la spectroscopie de la résonance CPT en régime continu et Ramsey- CPT. Quelques mesures de déplacements de la fréquence d’horloge sont aussi rapportées. Une mesure préliminaire de stabilité relative de fréquence de cette horloge, au niveau de 1,5×10⁻¹¹ à 1 s, et 2,5×10⁻¹² à 10⁵ s en Ramsey-CPT, est démontrée.

stabilité de fréquence, horloge atomique, déplacement de fréquence, cellule à vapeur.

Consulter la thèse (FR) : TEL-05411125

Cette thèse présente les premières étapes vers la réalisation d’un oscillateur superradiant ultrastable. Elle explore l’utilisation du phénomène quantique de superradiance, qui repose sur la cohérence et l’indistinguabilité d’un ensemble atomique pour produire une émission optique cohérente. Un laser superradiant est constitué d’atomes couplés collectivement à une cavité Fabry-Perot, fonctionnant dans le régime dit de “mauvaise cavité” afin de minimiser la sensibilité aux fluctuations de cavité.

Dans ce travail, la première réalisation et caractérisation d’un ensemble atomique d’ytterbium refroidi sont démontrées, jetant les bases d’un futur fonctionnement superradiant. L’installation expérimentale pour le transport des atomes dans la cavité a été planifiée, permettant un chargement séquentiel des atomes pour une émission superradiant quasi-continue.

Afin de soutenir la future caractérisation du laser superradiant, une liaison optique fibrée compensée a été mise en place pour le transfert local de fréquence ultra-stable. Ce système intègre un traitement du signal entièrement numérique et une méthode de caractérisation innovante ne nécessitant pas d’accès à l’extrémité distante de la fibre. L’instabilité relative de fréquence obtenue atteint l’ordre de 10⁻¹⁸, démontrant ainsi son adéquation pour la dissémination de fréquence de haute précision au sein d’un institut.

superradiance, horloge atomique, oscillateur ultra-stable.

Consulter la thèse (EN) : TEL-05158291

Cette thèse établit une base solide au développement d’un laser super-radiant à FEMTO-ST. Elle se concentre sur les références bas bruit, essentielles au fonctionnement d’un tel laser, avec deux contributions principales : la stabilisation en fréquence d’un laser à 556 nm pour réaliser un piège magnéto optique, pour atteindre la transition d’intercombinaison de l’atome ¹⁷¹Yb, et une cavité Fabry-Perot accordable et compacte.

L’asservissement en fréquence d’une bande latérale du laser à 556 nm a été réalisé en utilisant un unique modulateur électro-optique couvrant l’écart de fréquence entre la vapeur diode de référence et ¹⁷¹Yb, et la modulation d’asservissement a pu être ensuite réalisée. Un banc de caractérisation a été mis en place avec un peigne de fréquence, nous permettant de mesurer une stabilité relative de fréquence de 1,2×10^-11 à 1 s. Une caractérisation des effets systématiques a permis d’atteindre une exactitude de l’ordre de quelques kilohertz.

Pour finir, une cavité Fabry-Perot bas bruit, a été conçue pour être accordable, compacte et compatible avec l’émission super-radiante. Un assemblage contrôlé, ainsi que son système à ultravide ont été réalisés et présentés dans le document. La finesse et la stabilité relative de fréquence ont été évaluées à l’aide d’un laser à 578 nm asservi en fréquence sur le résonateur. Une finesse ℱ de 6920 a été estimée. La stabilité relative de fréquence a été évaluée à 2,2×10^-12/√𝜏, ce qui fournit un résultat préliminaire prometteur pour construire le laser super-radiant.

métrologie temps et fréquence, horloge optique active, superradiance, cavité Fabry-Perot, spectroscopie sub-Doppler.

Consulter la thèse (EN) : TEL-05483152

Les corrélations entre les degrés de liberté internes et externes des atomes neutres permettent d’atteindre une précision et une sensibilité de pointe dans les capteurs inertiels. Cette thèse présente les derniers développements réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids (CAG) du LTE, qui repose sur l’interférométrie d’états de moment via des transitions Raman dans un nuage d’atomes de ⁸⁷Rb en chute libre. Les inhomogénéités d’intensité ont été identifiées comme étant la principale source de perte de contraste dans le CAG, et le rôle des interactions non résonantes induites par la géométrie contre-propagative des faisceaux Raman ont été mise en évidence.

Après optimisation du dispositif optique, le contraste de l’interféromètre s’est amélioré de près de 10 %, et les structures locales liées au champ ont été éliminées. Par ailleurs, des phases de biais ont été identifiées qui proviennent des variations d’intensité laser, principalement pendant l’impulsion miroir. Nous introduisons une méthode dynamique pour évaluer ces déphasages a alors été introduite pour généraliser l’approximation adiabatique classique. Cette approche permet de distinguer les déphasages dus aux processus à deux photons de ceux ayant une autre origine. Elle relie notamment la population d’états de moment indésirables à l’accumulation de phases non linéaires aux sorties de l’interféromètre.

Un biais systématique a été relevé dans la mesure de g, de l’ordre de 5×10⁻⁹ g, attribué aux inhomogénéités d’intensité, et la sensibilité a été évaluée à 20×10⁻⁹ g Hz^−1/2.

interférométrie atomique, gravimètre, capteur inertiel, approximation adiabatique.

Consulter la thèse (EN) : TEL-05450855

Cette thèse porte sur la conception d'une horloge à réseau optique, réalisée au laboratoire LTE sur la base d’une nouvelle espèce atomique pour l'équipe : l'atome neutre ¹⁷¹Yb. Le développement de cette horloge a été mené en portant une attention particulière à sa transportabilité. Les travaux incluent la mise en place d'un système à vide, des étapes de refroidissement laser, ainsi que des techniques de stabilisation en fréquence, le tout étant conçu pour une utilisation sur le terrain et pour une compatibilité avec les systèmes de dissémination à distance des références de fréquence.

métrologie de la fréquence, horloge optique, horloge transportable, laser ultrastable, atomes froids.

Consulter la thèse (EN) : HAL-TEL-05424143

Les horloges à réseau optique (OLC) ont atteint une incertitude systématique relative sans précédent, de l’ordre de 10⁻¹⁹, ce qui en fait des candidates sérieuses pour la prochaine redéfinition de la seconde du Système international d’unités. Actuellement, leur exactitude est principalement limitée par le rayonnement du corps noir (BBR), les collisions froides et les décalages induits par le réseau optique. Pour atténuer ces effets, plusieurs stratégies sont étudiées, comme l’utilisation d’environnements cryogéniques pour contrôler le BBR, ou encore de nouvelles géométries de piégeage pour maîtriser la distribution et les interactions atomiques.

Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle configuration d’OLC visant à caractériser les effets liés au BBR et à la densité atomique avec une incertitude inférieure à 10⁻¹⁸. Pour cela, nous avons développé une chambre en cuivre, placée dans une enceinte à vide primaire, afin de réduire les inhomogénéités de température autour des atomes, à quelques dizaines de millikelvins. Le système comprend aussi un réseau optique 1D adaptable, dont le profil transverse est structuré avec des modes Laguerre-Gauss (LG_0ℓ), permettant d’augmenter le nombre de sites de piégeage tout en réduisant le nombre d’atomes par site. Nous avons réalisé des réseaux pour ℓ = 0 à 4 avec des profondeurs compatibles avec le fonctionnement de l’horloge. Des milliers d’atomes de strontium ont été piégés dans des réseaux de types TEM₀₀, LG₀₁ et LG₀₂, et une spectroscopie d’horloge à basse résolution a été réalisée sur l’isotope bosonique ⁸⁸Sr, donnant des transitions d’environ 100 Hz de largeur.

Afin d’étudier les effets des collisions froides, une seconde étape de refroidissement utilisant la transition intercombinaison ¹S₀→³P₁ du strontium est prévue. Elle permettra d’augmenter la densité atomique, de mieux observer les effets de collision et de détecter les bandes latérales vibrationnelles. Ces mesures fourniront des informations sur l’anharmonicité des réseaux façonnés par les modes LG, et permettront de valider le modèle de décalage du réseau dans différentes conditions de piégeage. Enfin, le système d’horloge est encore en cours d’assemblage. Les efforts actuels portent sur l’intégration de la chambre d’interrogation dans l’environnement à vide primaire pour améliorer l’homogénéité thermique et réduire l’incertitude liée au BBR. En parallèle, l’instrumentation nécessaire à la spectroscopie haute résolution est en cours d’installation.

horloge atomique, horloge à réseau optique, réseau optique, déplacement lumineux, effets systématiques, rayonnement du corps noir, collisions froides, modes de Laguerre-Gauss.

Consulter la thèse (EN) : HAL-TEL-05556321

L’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour quantifier l’impact de ces effets, permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience, un modèle numérique complet a été mis au point pour reproduire la séquence interférométrique et les protocoles de mesure.

Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplacement lumineux des niveaux d’énergie. Par ailleurs, un modèle a été développé pour reproduire le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, la simulation Monte Carlo a été adaptée à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. La contribution de la phase de Gouy a d’abord été évaluée puis la courbure de phase des faisceaux. La distribution des valeurs mesurées du recul atomique a été modélisée dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.

interférométrie atomique, métrologie quantique, atomes froids, simulation Monte-Carlo, aberration du front d’onde, transition Raman, oscillation de Bloch.

Consulter la thèse (FR) : TEL-05374402