Le travail de thèse consiste en la conception et la réalisation d’un montage expérimental pour le développement d’un interféromètre à atomes froids de ⁸⁷Rb guidés sur un microcircuit à atomes, l’objectif final étant la réalisation d’un capteur inertiel de rotations. La théorie du confinement magnétique des atomes dans un guide circulaire a ainsi été examinée. Une telle étude a permis d’identifier les principales problématiques liées à la propagation sur une orbite stable d’un paquet d’onde atomique dans un guide magnétique, à savoir: la rugosité du potentiel de guidage, les défauts du potentiel associés au motif de microfils employés pour créer ce potentiel ,et les pertes par effet Majorana. Dans cette thèse, il est proposé des solutions originales à ces problèmes sur la base des études précédentes et sur les résultats de nos calculs. Du point de vue expérimental, une nouvelle expérience d’atomes froids a été montée dont la principale caractéristique est d’être compacte et donc transportable pour des mesures locales de vitesses de rotations. L’équipe a, au cours de ce travail, assemblé un système à ultravide efficace, développé un banc optique très compacte comprenant des sources laser pour le refroidissement et piégeage des atomes, un laser de Bragg pour la réalisation de l’interféromètre atomique, ainsi que toute l’électronique de contrôle de cette expérience.

La thèse présente les résultats expérimentaux obtenus au cours du développement et des essais au sol du modèle de vol de l'horloge à atomes froids PHARAO. PHARAO est le premier étalon primaire de fréquence dédié aux applications spatiales et est développé par l'agence spatiale française : le CNES. PHARAO est un des principaux instruments de la mission spatiale de l'ESA (Agence Spatial Européenne) : ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) dont le lancement est prévu en 2016. La mission est basée sur des comparaisons de temps et de fréquence de très hautes performances entre PHARAO et un ensemble d’horloges basées au sol, pour effectuer des tests en physique fondamentale. La charge utile sera installée sur un module extérieur de la Station spatiale internationale (ISS).

Après une introduction sur les horloges atomiques et un résumé de la mission ACES, l'architecture de PHARAO, optimisée pour la microgravité, et son fonctionnement sont décrits. Puis, cette thèse présente les mesures et l'analyse de la stabilité de fréquence de l’horloge. Au sol, la stabilité de fréquence est mesurée à un niveau de 3,1×10^–13t^–1/2, cette valeur étant en accord avec les différentes sources de bruit ; en microgravité, la stabilité atteindra 10^–13t^–1/2. Pour terminer, les principaux déplacements de fréquence sont analysés. Une étude détaillée est donnée sur les propriétés des blindages magnétiques, leurs hystérésis et la conception d’une compensation magnétique active. L'objectif est de réduire l'incertitude de mesure du second ordre de l’effet Zeeman au niveau de quelques 10^–17. La détermination de la température de l’environnement des atomes est également analysée, avec l'objectif d'atteindre une incertitude sur le déplacement de fréquence due au rayonnement du corps noir dans la gamme de 10^–17. Un budget préliminaire d’incertitude de la fréquence de l’horloge au sol est évalué à 1,1×10^–15. Ce budget est compatible avec un objectif de 3×10^–16 en microgravité. La prochaine étape verra l’assemblage tous les autres instruments ACES pour un lancement prévu en 2016

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Cette thèse a pour objet le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Il démontre une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétroréflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Ainsi, une tête de senseur très compacte est développée, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1 560 nm pour interroger des atomes de rubidium-87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, un système de réjection du bruit de vibration a été développé, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, ce travail de thèse a démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 s, qui atteint après 300 s d’intégration. Ce dispositif a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC, 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

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Le codage spectral ultralarge bande (ULB) appliqué aux dispositifs à ondes élastiques de surface (SAW), exploités comme capteurs passifs interrogeables par liaison radiofréquence, augmente le nombre de données stockées et échangées et améliore la résolution sur la mesure. L'approche proposée est de réaliser des dispositifs SAW ULB dans la bande de fréquence 2 GHz – 2,5 GHz réglementée par la norme de communication radio-fréquence américaine, après prototypage dans une bande de fréquences plus basses de 200 MHz - 400 MHz. La puissance autorisée sur cette première bande est de 41,3 dBm/MHz : pour un dispositif SAW ayant des pertes d'insertion de l'ordre de 30 dB, la distance d'interrogation établie par application de l'équation du RADAR est théoriquement limitée à environ 1 m. Afin d'avoir la portée la plus grande possible, cette thèse a permis d’étudier plusieurs architectures de dispositifs SAW : standards et modulés linéairement en fréquence, pour limiter les pertes d'insertion. À l'aide d'un lecteur embarqué, des mesures en température sans fils simultanées de trois capteurs ont été réalisées, apportant une solution au problème de collision. La résolution en température atteinte est de 0,1 °C pour une distance de mesure de 20 cm. Ces résultats montrent que la communication ULB est aussi une solution pour l'interrogation sans fils en milieux réflectifs aux ondes radio fréquences. À l'aide d'un synthétiseur de fonction arbitraire et d'un oscilloscope, il est montré expérimentalement que le retournement temporel fonctionne sur les dispositifs SAW LFM et qu'il bénéficie du gain de traitement ce qui améliore le rapport signal sur bruit.

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Ce travail de thèse consiste en la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch ν_B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5×10^–6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01302845/document

Depuis quelques décennies, la technologie de contrôle de la fréquence a été au cœur de l’électronique des temps modernes grâce à son vaste domaine d’applications dans les systèmes de communication, les ordinateurs, les systèmes de navigation ou de défense militaire. Les dispositifs temps-fréquence fournissent des stabilités de fréquences et de puretés spectrales élevées dans le domaine de la stabilité à court terme. L’amélioration de la performance de ces dispositifs reste un grand défi pour les chercheurs. La réduction du bruit, afin d’augmenter cette stabilité à court terme et d’éviter les communications non souhaitées entre les canaux, est donc très souhaitable. Il est communément admis que la limitation fondamentale à cette stabilité à court terme est due au bruit de Flicker de fréquence des résonateurs. Dans le manuscrit de thèse, un premier chapitre rappelle quelques faits de base sur l’acoustique, la cristallographie et les définitions du domaine temps-fréquence nécessaires à l’étude des résonateurs et oscillateurs ultrastables. Le deuxième chapitre est consacré à un résumé des publications sur le bruit de fréquence en 1/f. Le troisième chapitre concerne les études faites sur le modèle quantique de bruit en 1/f du professeur Handel, qui, bien que critiqué par beaucoup, est encore le seul qui fournit une estimation de l’amplitude de plancher de bruit en 1/f et qui n’est pas infirmé par les données expérimentales. Dans le quatrième chapitre, une autre approche, basée sur le théorème de fluctuation-dissipation, est utilisée afin de mettre des contraintes numériques sur un modèle de bruit en 1/f causé par une dissipation interne (ou de structure) proportionnelle à l’amplitude, et non à la vitesse. Le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux. La conception et les paramètres du résonateur ultrastable utilisé lors de cette étude sont décrits. Les mesures de bruit de phase sur plusieurs lots de résonateurs sont données. Les mesures des paramètres du résonateur ont été effectuées à basse température afin de les corréler avec les résultats du bruit. Afin d’évaluer rapidement la qualité des différents résonateurs, une autre approche dans le domaine temporel a été testée : elle utilise des oscillations pseudo-périodiques transitoires mettant les oscilloscopes numériques actuellement disponibles à leurs limites de capacité. Enfin, les conclusions et perspectives sont présentées.

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http://www.theses.fr/2014BESA2046/document

Cette thèse porte sur l’étude de la stabilité de fréquence d’une horloge atomique à piégeage cohérent de population. Le cadre de cette étude est d’une part d’approfondir la connaissance du piégeage cohérent de population en cellule de vapeur et d’autre part de construire un prototype d’horloge démontrant une stabilité de fréquence à l’état de l’art des meilleures horloges compactes de laboratoire. Grâce à une interrogation impulsionnelle et un schéma d’excitation en polarisations linéaires et orthogonales, cette horloge présenterait une stabilité de fréquence relative nettement inférieure à 10^–13 à 1 s si elle était limitée par un bruit fondamental tel que le bruit de photon. Après une présentation du montage expérimental, la première partie de ce mémoire est consacrée à l’étude des différentes sources de bruit limitant la stabilité de fréquence court-terme. Le soin particulier donné à la modélisation, à la caractérisation expérimentale et à la réduction des transferts de bruit de fréquence de l’oscillateur local (effet Dick) et du bruit d’intensité du laser en bruit de fréquence de l’horloge, a permis de mesurer une stabilité de fréquence au niveau de 3,2×10^–13 à 1 s. Dans un deuxième temps, une étude théorique et expérimentale du déplacement de fréquence micro-onde en fonction de la puissance laser est présentée. Au-delà de la mise en évidence du caractère clé de la déformation de la raie dans l’explication de ce déplacement, elle a posé les bases de la dernière partie de ce mémoire qui propose une méthode d’insensibilisation du déplacement de fréquence aux fluctuations de puissance.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01126999/document

Ces travaux de thèse portent sur le développement d'un outil d'analyse numérique dédié à l'étude de nouveaux résonateurs à quartz à ondes de volume et utilisant les éléments finis. Cette méthode de caractérisation permet la détermination des éléments du schéma électrique équivalent (résistance, inductance et capacité) d'une fréquence de résonance donnée ainsi que son facteur de qualité, tout en prenant en compte dans le modèle la sensibilité du cristal de quartz à la température et aux contraintes induites par le montage. Une étape de validation est d'abord réalisée afin de vérifier les choix, en termes de modélisation et de calcul, en confrontant les données issues de la simulation aux mesures de résonateurs déjà existants. Les trois dispositifs analysés (40 MHz, 10 MHz et 100 MHz) montrent une bonne concordance entre théorie et expérience. Pour obtenir de tels résultats, la structure de maintien est prise en compte et modélisée sous forme de zones d'amortissement de Rayleigh lorsque le piégeage de l'énergie n'est pas optimal (présence d'un mode de plaque). Un aspect important des résonateurs est ensuite étudié : le comportement en température. En effet, les contraintes de dilatation thermique ainsi que l'évolution des coefficients élastiques en fonction de la température induisent une dérive fréquentielle. La comparaison entre théorie et expérience a permis de vérifier l'allure des courbes et de quantifier le degré de précision du modèle. L'effet d'une contrainte mécanique appliquée sur le pourtour de la lame de quartz est par la suite introduit dans le modèle en utilisant la méthode de perturbation de Sinha-Tiersten. Il est alors possible de définir l'impact des défauts de fabrication sur la fréquence du résonateur. Enfin, la méthode numérique est appliquée à l'étude de structures innovantes dans le cadre du projet FREQUENCE2009. Il s'agit de revisiter le concept du résonateur BVA et d'envisager des procédés de fabrication collective. L'idée consiste ainsi à remplacer le rayon de courbure d'un résonateur, dont la fréquence utile se trouve aux alentours de 9 MHz, par une série de marches, plus compatible avec les procédés de la microélectronique (DRIE : Deep Reactive Ion Etching). Bien que les résultats expérimentaux soient, dans ce cas, loin des attentes, il a été constaté que l'outil d'analyse est parfaitement capable de prédire les caractéristiques de nouvelles structures.

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http://www.theses.fr/2014BESA2034/document

Le travail en bande de base permet de s'affranchir du bruit de multiplication de fréquence d'un signal. Cependant, la conception d'un oscillateur fonctionnant à haute fréquence nécessite d'avoir un composant sélectif en fréquence, fonctionnant à haute fréquence et avec un facteur de qualité élevée. L'approche proposée dans cette thèse consiste à évaluer un composant à onde élastique de volume à harmoniques élevées, le HBAR, pour la réalisation d'un oscillateur compact et stable, travaillant en bande de base à 2,45 GHz, à des fins d'utilisation de source de fréquence pour un système RADAR. Les oscillateurs réalisés présentent un bruit de phase de –100 dBc·Hz^–1 pour un écart à la porteuse de 1 kHz, avec une perspective d'amélioration de l’ordre de 10 dBc·Hz^–1 de cette valeur d'après la simulation. L'étude porte également sur l'analyse de l'influence du bruit de phase de l'oscillateur local sur la résolution d'une mesure RADAR dont l'effet est démontré expérimentalement en utilisant une ligne à retard à onde élastique de surface (SAW) comme cible RADAR coopérative. Le travail effectué sur cette cible coopérative a permis d'aboutir à un prototype l'électronique embarqué pour l'interrogation de lignes à retard à ondes élastiques utilisées en tant que capteurs passifs interrogeables à distance. L'architecture de l'interrogateur combine une méthode RADAR impulsionnelle à un système d'échantillonnage en temps équivalent permettant de réduire l'importance de la puissance de calcul dans le traitement de la réponse. Les inconvénients de l'échantillonnage en temps équivalent sont minimisés par une interrogation judicieuse pour acquérir seulement les points nécessaires à la mesure. Les mesures effectuées sur un capteur de température commercial présentent une résolution de 0,2 °C avec une bande passante de 35 kHz. Pour les applications nécessitant une bande passante plus élevée (allant jusqu'à 200 kHz), un second prototype n'ayant pas de restriction sur les ressources de calcul mises en œuvre est également présenté dans cette thèse, combinant la même méthode impulsionnelle avec un échantillonnage en temps réel.

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http://www.theses.fr/2014BESA2028/document

La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protection des personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils de simulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outils technologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportant des réponses à ces problématiques. Ces derniers, fondés sur les propriétés des ondes de Love, ont ainsi permis la détection du monoxyde de carbone dans la gamme d’une partie par million. De même, la mesure de concentration d’hydrogène de l’ordre de un pour cent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh.

Les efforts fournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard sur du quartz affichant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à 30 dB sur du quartz, augmente les potentialités de ces capteurs en termes d’autonomie et de fonctionnalisation de surface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhension de ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein de notre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfaces sensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal direct des dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Le potentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeuse a pu être établie sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse.

Dans la continuité de cette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY), visant le contrôle de la qualité de l’air en milieu urbain, ont d’ores et déjà été engagés.

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http://www.theses.fr/2015BESA2022/document