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.

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.

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.

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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Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^–16. Cependant, il apparaît clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type.

L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0 – J = 0.

A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition ¹S₀ – ³P₀ présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 µK. Ces travaux d'une part démontrent la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part exposent une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique ⁸⁷Sr, à un niveau de quelques 10^–15.

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Ces travaux constituent l’étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations. Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions π/2-π-π/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales, qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude de l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux), dont l'influence est déterminée. Les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux sont étudiées. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5·10^–7 rad·s^–1 et 8·10^–7 m·s^–2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00193288/document

L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur, afin de fournir une mesure exacte de g à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Cette thèse est d'abord consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Notamment, la contribution du bruit de phase dû à la propagation des lasers dans le schéma conventionnel de faisceaux Raman rétro-réfléchis est détaillée. Une partie importante du travail a ensuite consisté à étudier et réduire la contribution des vibrations, source principale de bruit de phase. A partir de la mesure d'un sismomètre, nous réduisons de près d’un facteur 3 la contribution des vibrations par deux méthodes différentes. On montre qu'un traitement numérique du signal délivré par un sismomètre permet de réduire encore ce bruit d'un facteur 3 quand l’expérience n’est pas isolée des vibrations du sol. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d’environnement optimales, est de 1,4·10^‑8 g/Hz^1/2. Par ailleurs, l’étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de la thèse. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, il a été entrepris de recenser des effets systématiques. Parmi les biais étudiés, on distingue ceux qui dépendent de l'orientation, vers le haut ou vers le bas, du vecteur d'onde effectif associé à la transition Raman.  Une méthode de mesures différentielles est définie, ainsi que les limites de cette méthode. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, la mesure effectuée présente un biais résiduel de 16·10^–9 g. Le montage actuel provisoire n'a cependant pas permis d'évaluer exactement l'effet Sagnac résiduel, ni l'effet des aberrations des faisceaux Raman.