Les deux premiers chapitres de la thèse présentent le principe d’un étalon de fréquence optique et les applications qui en découlent. Les principaux avantages métrologiques de l’horloge à réseau optique de mercure sont mis en avant, et quelques rappels théoriques d’interaction matière-rayonnement appliquée à la métrologie des fréquences sont effectués. Le montage expérimental est décrit de manière générale dans le chapitre 3, en insistant particulièrement sur les différentes sources laser utilisées. Les améliorations apportées au montage durant la thèse, font l’objet du chapitre 4. La première amélioration concerne le laser de refroidissement à 254 nm. Ces travaux de thèse ont permis d’augmenter le temps d’interrogation des atomes, étape nécessaire pour une nouvelle mesure de stabilité de l’horloge et la caractérisation des effets systématiques. Afin d’augmenter ultérieurement la stabilité, une refonte de la cavité optique qui piège les atomes dans le réseau s’est révélée indispensable. La nouvelle cavité permet de capturer 10 fois plus d’atomes grâce à une profondeur de piégeage accrue d’un facteur 3, influant directement sur le rapport signal sur bruit. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sont décrits dans le 5^e et dernier chapitre. La spectroscopie sur fond noir d’un échantillon de mercure polarisé en spin avec une largeur de raie record de 3,3 Hz a permis de mesurer une stabilité de 1,2×10^–15 à une seconde, soit meilleur de presque un facteur 5 par rapport à la précédente mesure. Une caractérisation de plusieurs effets systématiques sur la transitions d’horloge (déplacement colisionnel, effet Zeeman ou encore effet de la lumière de piégeage) a été menée au niveau de 10^–16.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01243987/document

Cette thèse porte sur deux sujets principaux : l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement de grande stabilité.

L’auteur présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec son prédécesseur, ils ont démontré des fluctuations de fréquences relatives de 5,8×10^–13 à 1 s intégrant jusqu'à 6×10^–15 à 30 000 s.

La deuxième partie de la thèse vise à étendre la polyvalence de la puce atomique pour créer un interféromètre. L’auteur a étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par micro-ondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre. À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre.

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Le cœur des horloges atomiques sur la base du phénomène de piégeage cohérent de population (CPT) est constitué d’une cellule renfermant de la vapeur alcaline, ici du césium. Dans cet espace confiné, les atomes alcalins viennent percuter les parois de la cellule et la cohérence CPT est détruite.

Pour pallier ce problème, un gaz ou un mélange de gaz tampon est introduit dans la cellule. Le gaz tampon va rendre le mouvement des atomes alcalins diffusif, et non plus balistique, et ainsi augmenter leur temps de vol. Ceci a pour effet de réduire considérablement la largeur de la cohérence CPT par effet Dicke, la ramenant de plusieurs centaines de kilohertz à quelques kilohertz ! Néanmoins, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d’horloge des atomes alcalins en fonction de la température de la cellule. Ce déplacement collisionnel de fréquence est caractérisé par trois coefficients β, δ et γ. Le caractère quadratique du déplacement de fréquence implique un optimum en température où la sensibilité thermique est annulée au premier ordre. Cette température, dite d’inversion, est propre à chaque gaz tampon. Il est possible d’obtenir une température d’inversion particulière en introduisant un mélange de gaz. Dans ce cas, la température d’inversion dépend du rapport des pressions partielles entre les deux espèces de gaz tampon ! Cette température d’inversion est un point de fonctionnement de choix pour les horloges atomiques miniatures. La micro-horloge MAC-TFC contient du néon comme gaz tampon. Ce gaz présente une température d’inversion autour de 80 °C mais celle-ci n’est pas suffisante pour des applications à contraintes environnementales sévères où des températures de l’ordre de 90 °C à 100 °C sont préférables.

Ce travail de thèse se focalise principalement sur l’étude de nouveaux gaz tampon autorisant des températures d’inversion supérieures à 80 °C. Pour cela, les coefficients de déplacement collisionnel de divers gaz tampon ont été répertoriés dans la littérature. Ces coefficients sont relativement mal connus voire inconnus dans le cas du césium. Néanmoins, l’auteur a pu dégager de ces données deux candidats potentiels : l’hélium et le xénon. Il a également mené une étude sur la dépendance thermique du déplacement et de l’élargissement des transitions optiques du césium en présence d’hélium ou de xénon.

L’auteur a mesuré une première estimation des coefficients de déplacement collisionnel dans des cellules de taille centimétrique : βHe = (1 233 ± 32) Hz/Torr, δHe = (2,01 ± 0,12) Hz/(Torr·K) et γHe = (–7,51 ± 0,44) mHz/(Torr·K²), où 1 Torr ≈ 133,322 Pa. Ces coefficients révèlent qu’un mélange néon-hélium, avec un faible pourcentage d’hélium, autoriserait une température d’inversion supérieure à 80 °C. Pour valider ce mélange de gaz tampon, il a été fabriqué des microcellules à vapeur de césium remplies avec un mélange néon-hélium qui ont ensuite été mesurées avec des températures d’inversion de l’ordre de 89 °C à 94 °C.

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http://www.theses.fr/2015BESA2047/document

La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radiofréquences depuis plusieurs décennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaques de silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsi que pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différents paramètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et en compacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étape technologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère difficilement transposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium.

Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériaux monocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique de domaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant des couplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmes structures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiques couramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointement le guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettent l’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structures ont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrement vaste.

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http://www.theses.fr/2015BESA2032/document

Cette thèse a pour objet de repousser les performances d’un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de césium sont refroidis par laser, piégés et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l’effet Sagnac et est proportionnelle à l’aire physique qu’entourent les deux bras de l’interféromètre. L’auteur utilise des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d’interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d’interrogation de 800 ms, il est parvenu à une aire physique de 11 cm². Des améliorations ont été apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d’alignement relatif des faisceaux Raman, à 1 μrad près, a été élaborée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d’interférer. Durant la thèse, la caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection, a été effectuée. Les travaux ont permis de démontrer une sensibilité de 160 nrad·s^–1 à 1 s, et une stabilité à long terme de 1,8 nrad·s^–1 après 10 000 s d’intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d’un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du LNE-SYRTE de 2009, et d’un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse a également permis de développer une nouvelle méthode d’interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale.

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https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01332562/document

Les travaux réalisés au cours de cette thèse traitent de l'étude et de la réalisation de composants à ondes élastiques de surface (SAW) pour des applications de filtrage dans les gammes VHF et UHF.

L’auteur a étudié différentes structures de ces filtres, à commencer par des filtres à couplage acoustique longitudinal centrés aux alentours de 1 GHz, de bande passante relative inférieure à 0,1 % réalisés sur du quartz. Leur fabrication et leur caractérisation ont révélé des pertes d'insertion inférieures à 5 dB et des niveaux de rejet supérieurs à 20 dB, conformément aux prévisions du modèle de matrice mixte. Un tel filtre a été inséré dans un oscillateur pour valider la fonction réalisée.

Pour une maîtrise accrue de la conception de ces filtres, il a été développé un modèle tenant compte de la contribution des modes transverses sur leur fonction de transfert. Des comparaisons entre théorie et expérience ont permis de démontrer la précision de ce modèle.

L’auteur s’est également intéressé à des structures de filtres à éléments d'impédance et à transducteurs en éventails (fan-shaped) pour la réalisation de bandes passantes relatives comprises entre 1 % et 15 % dans la bande 100 MHz à 300 MHz. Pour chacune de ces structures, il a développé un modèle permettant d'en étudier le comportement. Une configuration de filtre en treillis de bande passante relative proche de 2 % a été fabriquée et caractérisée, ainsi que plusieurs filtres à transducteurs en éventails de bandes passantes relatives supérieures à 10 %.

Enfin, il a été étudié deux approches qui ont permis de réaliser des dispositifs fonctionnant à des fréquences voisines de 3 GHz. La première, consiste à exploiter les vitesses de phase supérieures à 5 km·s^–1 d'un guide d'ondes à base de carbone-diamant. La seconde exploite la résolution d'un procédé de lithographie par nano-impression pour réduire la période des réseaux d'électrodes.

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http://www.theses.fr/2015BESA2020/document

Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultrastable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision. L’auteur a démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultrastable en différents points d'une liaison optique urbaine de 92 km, avec une stabilité de fréquence relative à 1 s de 1,3×10^–15 et sensiblement dégradée sur le long terme par les effets thermiques diurnes. Il a développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement régulé en température et une diode laser permettant de disséminer le signal vers un lien secondaire dont le bruit est activement compensé. Ces deux dispositifs permettront de disséminer le signal à de multiples utilisateurs en région parisienne et sur le réseau REFIMEVE+.

Il a deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type « deux voies » pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. L’équipe a testé la sensibilité de cette comparaison sur une boucle fibrée de télécommunication de 100 km en propagation unidirectionnelle puis bidirectionnelle, avec une excellente stabilité de la fréquence grâce à une très bonne réjection du bruit de la fibre.

Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’un réseau métrologique à l’échelle nationale et internationale pour la dissémination des meilleures horloges optiques.

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https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01301488/document

Cet article présente la nouvelle méthode mise en oeuvre pour générer l'échelle de temps UTC(OP), la réalisation française en temps réel du Temps Universel Coordonné (UTC). Dans une première étape achevée en octobre 2012, un nouvel algorithme fondé sur l'utilisation d'un maser à hydrogène et exploitant les données des fontaines atomiques du LNE-SYRTE, a permis d'améliorer de façon significative la stabilité de UTC(OP). UTC(OP) constitue dorénavant l'une des meilleures échelles de temps au monde. Par la suite l'instrumentation servant à générer et distribuer les signaux de UTC(OP) a été entièrement renouvelée. Certains appareils sont des instruments du commerce, mais, pour les éléments clés, des dispositifs spécifiques ont été développés. En particulier, nous avons développé un commutateur permettant de basculer la distribution des signaux de UTC(OP) entre deux échelles de temps générées à partir de deux masers à hydrogène différents et fonctionnant continûment en parallèle. Ce système garantit la continuité des signaux lorsqu'il est nécessaire de changer de maser principal. Dans la nouvelle distribution, UTC(OP) est matérialisé par trois types de signaux cohérents (100 MHz, 10 MHz et 1 PPS). Sur les trois premières années de fonctionnement, le nouvel UTC(OP) a été maintenu à moins de 10 ns de l'UTC. La différence est même inférieure à 5 ns si l'on exclut une courte période autour du MJD 56650.

Le laboratoire national de métrologie pour le domaine tempsfréquences LNE-SYRTE a développé un simulateur de satellite microonde afin de déterminer le retard différentiel (et sa variation dans le temps) dans sa station terrienne deux voies. Un tel dispositif est de plus en plus recommandé par le groupe de travail TWSTFT du CCTF dans le but de mieux évaluer la variation du retard différentiel d’une station terrienne entre deux campagnes d’étalonnages consécutives. À côté de quelques rares simulateurs commercialement disponibles et basés sur une conception du VSL, nous avons développé un nouveau dispositif d’étalonnage avec au moins deux concepts différents de ceux déjà publiés dans la littérature : un processus plus rapide pour l’étalonnage des retards et une caractérisation de ses retards internes en utilisant un analyseur de réseau vectoriel micro-onde (ARVM). La partie clé de ce simulateur est l’utilisation d’un mélangeur micro-onde doublement équilibré et sa caractérisation en terme de retard absolu ; celui-ci exige un système de mesure spécifique comme un ARVM permettant d’appliquer la technique de calibrage vectorielle par mélange en utilisant un ensemble « mélangeur/filtre » caractérisé en tant qu’« étalon » en liaison directe. Des mesures et incertitudes associées faites avec l’ARVM sont décrites dans ce papier. Elles sont complétées par des mesures effectuées avec le modem SATRE pendant des sessions d’étalonnage dédiées dans le but d’évaluer également les performances de l’ensemble du système en bruit (stabilité).

Le Temps atomique français TA(F) est une échelle de temps calculée à partir de données d’étalons commerciaux à césium, entre vingt et trente horloges selon la période considérée, provenant de neuf institutions ou entreprises situées sur le territoire national. Le TA(F) est la référence nationale scientifique de temps avec des qualités d’exactitude et de stabilité de fréquence. Dans le double but de rapprocher l’intervalle unitaire de l’échelle TA(F) de la seconde du SI et d’améliorer sa stabilité de l’échelle, il a été décidé en 2002 de piloter cette échelle de temps, dont la marche était laissée libre jusque là, sur les étalons primaires de fréquence du LNE-SYRTE. La fréquence du TA(F) a dans un premier temps été corrigée mensuellement pour ramener lentement l’échelle de temps vers le Temps atomique international TAI. Cette correction a permis de compenser la dérive de l’échelle sans perturber sa stabilité à trente jours. Une fois suffisamment proche de la seconde du SI, la fréquence du TA(F) a été dans un deuxième temps pilotée mensuellement sur la fréquence moyenne des étalons primaires du laboratoire ; ce qui a permis l’amélioration de la stabilité à trente jours, avec un gain d’un facteur 2 par rapport à la situation précédente. L’article décrit le pilotage en fréquence du TA(F), c’est-à-dire comment les corrections ont été appliquées, et montre les résultats obtenus, en terme de stabilité relative par rapport au TAI, et en terme d’exactitude en comparant la fréquence du TA(F) à la seconde du SI sur le géoïde en rotation telle qu’elle est publiée dans la Circulaire T du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Depuis juillet 2006, l’écart relatif de fréquence sur 30 d entre le TA(F) et la seconde du SI est pratiquement resté dans les limites de 1,8 × 10^-15. Ce chiffre matérialise les limites de l’accord entre l’intervalle unitaire du TA(F) et la seconde du SI, un résultat majeur qui n’a été rendu possible que par la mise en oeuvre opérationnelle de quatre étalons primaires de fréquence au laboratoire.