Dans cette thèse, nous étudions la propagation des atomes dans un guide magnétique toroïdal, dans le but de développer un capteur inertiel. Ici, nous présentons différentes stratégies pour créer un guide sur une puce atomique pour un interféromètre Sagnac atomique guidé. Nous avons mis au point trois solutions qui peuvent être réalisées avec la même configuration des fils. Elles utilisent la technique de modulation de courant avec un nouveau point de vue qui traite simultanément la problème de rugosité des fils et les pertes de Majorana dépendant du spin. L'effet de la propagation multimode des atomes dans le guide est aussi quantifié dans cette thèse. En utilisant un modèle simple, nous avons couvert les cas de la propagation de gaz non interactif ultra froids et thermique. Nous avons identifié les conditions opérationnelles pour réaliser un interféromètre à atomes froids avec une grande gamme dynamique, essentielle pour les applications en navigation inertielle. Expérimentalement, cette thèse décrit la réalisation et la caractérisation de la source atomes froids proche d'un substrat avec un dépôt d'or, ainsi que l'implémentation et la caractérisation des systèmes de détection.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01927599v1

document en anglais

atomes froids, puce à atomes, interférométrie atomique guidé, capteurs inertiels, guide magnétique, propagation des paquets d'ondes

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l’aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L’instrument permet d’atteindre un temps d’interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l’instrument, et d’étudier des modes d’interrogations jointif et jointif entrelacé. C’est une étape importante pour l’application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et j’ai mené une première étude détaillée des effets systématiques, tels que ceux liés à la lumière diffusée par la détection et la préparation des atomes et ceux liés aux désalignements du parallélisme miroirs et des trajectoires des atomes. J’ai démontré une stabilité à court terme de 30 nrad·s⁻¹·Hz^−1/2 en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d’un facteur 3 de l’état de l’art pour les gyromètres à atomes froids. L’état de l’art a également été amélioré d’un facteur 5 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad·s⁻¹ en 30 000 s.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01919499v1

interférométrie atomique, atomes froids, gyromètre, effet Sagnac, transitions Raman stimulées, capteur inertiel

Cette thèse porte sur le développement d’un dispositif laser à 1,54 µm, triplé en fréquence et stabilisé sur une transition hyperfine de l’iode moléculaire au voisinage de 514 nm.

Une partie importante de ce travail est consacrée au triplage de la fréquence d’une diode laser à 1,54 µm, en utilisant deux cristaux non linéaires de Niobate de lithium en structure guide d’onde (PPLN), fibrés. Une efficacité de conversion non linéaire P_3w/P_w > 36 % a été obtenue, constituant le meilleur rendement jamais démontré pour un processus de triplage de fréquence en mode continu. Une puissance harmonique de 300 mW a été ainsi générée à 514 nm, à partir d’une puissance fondamentale de 800 mW à 1,54 µm. Le banc optique est totalement fibré, et la puissance électrique totale consommée, nécessaire pour réaliser le triplage de fréquence, n’est que de 20 W. Selon un mode opératoire spécifique, ce dispositif laser permet de fournir simultanément trois radiations intenses, stabilisées en fréquence, à 1,54 µm, 771 nm et 514 nm.

Suite à ce développement, un banc de spectroscopie laser très compact a été mis en place, basé sur une courte cellule en quartz scellée, contenant une vapeur d’iode moléculaire. Une puissance optique < 10 mW dans le vert est suffisante pour détecter les transitions hyperfines de l’iode, de grand facteur de qualité au voisinage de 514 nm (Q > 2×10⁹).

Une stabilité de fréquence de 4,5×10^-14 τ^-1/2 avec un minimum de 6×10^-15 de 50 s à 100 s a été démontrée dans le cadre de cette étude. Cette stabilité de fréquence constitue la meilleure performance jamais conférée à une source laser à 1,5 µm à l’aide d’une vapeur atomique, en utilisant une technique simple d’interrogation sub-Doppler.

Cette étude a permis d’identifier les points clés permettant de mettre en place dans le futur proche, un dispositif laser stabilisé, totalement fibré, d’un volume < 10 L.Ce développement pourrait répondre aux besoins de nombreux projets spatiaux nécessitant des liens optiques ultrastables en fréquence, inter-satellites ou bord-sol, pour la géodésie spatiale (GRICE), la mesure du champ gravitationnel terrestre (GRACE FO, NGGM), la détection d’ondes gravitationnelles (LISA), etc.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01809533v2

métrologie, asservissement en fréquence, horloge optique à iode, laser ultra-stable, optique non linéaire, triplage de fréquence, laser 1,5 µm, laser 514 nm

La thèse porte sur une étude expérimentale du phénomène de compression de spin dans un condensat de Bose-Einstein de ⁸⁷Rb, résultant d'une interaction non-linéaire provenant de collisions entre les deux états internes |F=1, m_F=−1> et |F=2, m_F=1> de l'état fondamental 5²S_1/2. Les atomes sont refroidis dans un piège magnéto-optique, puis piégés magnétiquement à l'aide de notre puce à atomes jouant le rôle de parois supérieure pour notre enceinte à vide. La puce est aussi utilisée pour émettre le champ radiofréquence permettant le refroidissement évaporatif conduisant à la condensation de Bose-Einstein, ainsi que le champ micro-onde qui réalise le transfert cohérent des atomes d'un état interne à un autre.

L'ensemble atomique est décrit par le Hamiltonien « one-axis-twisting » qui contient un terme quadratique en la composante selon l'axe z du vecteur de spin atomique S_z. L'amplitude de cette interaction non-linéaire, initialement très faible, dépend des longueurs de diffusion des états internes considérés, et peut être grandement augmentée en réduisant le recouvrement des fonctions d'onde. C'est pourquoi le système est placé dans une configuration particulière (grand nombre d'atomes et piège anisotrope de type « cigare ») pour laquelle les deux états vont alterner des phases de séparation et recombinaison spatiale. L'impact de cette dynamique spatiale sur l'interaction de champ moyen et la cohérence du système est analysé expérimentalement à travers l'étude du contraste et de la fréquence centrale d'un interféromètre de Ramsey. Théoriquement, lorsque les deux états sont séparés, la distribution de spin se transforme d'une distribution circulaire régie par le bruit de projection quantique, en une ellipse dont le petit axe est inférieur à la limite quantique standard, sous l'effet de l'interaction $\small S_{Z}^{2}$ . Ceci est vérifié expérimentalement en réalisant la tomographie de l'état atomique au moment où les deux modes internes se recombinent. Un paramètre de compression de spin ξ² = −1,3 ± 0,4 dB est ainsi obtenu pour 5 000 atomes et un contraste de 90 %. L'étude des différentes sources d'instabilités a permis d'identifier les pertes atomiques comme limitation principale de la compression de spin et du contraste de l'interféromètre.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte de la métrologie quantique et représente un pas vers la production d'états comprimés en spin permettant la réalisation d'interféromètres atomiques fonctionnant sous la limite quantique standard. La question de la cohérence d'un condensat bimodal soumis à de nombreuses collisions élastiques et inélastiques est aussi adressée

condensats de Bose-Einstein, puce atomique, compression de spin, metrologie quantique, horloge atomique, intrication

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Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’une nouvelle expérience d’interféromètre atomique au SYRTE. Elle permettra de réaliser des mesures ultrasensibles du gradient vertical de gravité. Cette expérience fonctionnera à terme en utilisant comme source des atomes ultrafroids, préparés sur une puce à atomes, et comme séparatrices des transitions multiphotoniques, obtenues par diffraction de Bragg d’ordre élevé. Le transport des atomes sera assuré par des réseaux optiques en mouvement. Une première partie du dispositif expérimental a été assemblée et son fonctionnement a été validé en réalisant un interféromètre dual. Cet interféromètre est réalisé sur deux ensembles d’atomes produits successivement à partir de la même source d’atomes froids, et interrogés par une même paire de faisceaux Raman. Une nouvelle méthode d’extraction de la phase différentielle a été démontrée expérimentalement. Elle repose sur l’exploitation des corrélations entre les mesures de phase des interféromètres et une estimation de la phase sismique fournie par la mesure annexe d’un capteur classique.

interférométrie atomique, atomes froids, capteur inertiel gradiomètre puce à atomes.

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Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu'oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d'atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d'atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10^-17/ √τ (où τ est le temps d'intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10^-16/ √τ par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10^-18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroit (FWHM = 3,3 kHz) creusés dans le cristal d’europium 3+ :Y₂SiO₅. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrite et montre une stabilité court terme de quelques 10^-14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.

métrologie des fréquences optiques, lasers ultra-stables, trous brûlés spectraux, spectroscopie à haute résolution, horloges à réseau optique, cryogénie

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L’objet de cette thèse est le développement d’un étalon de fréquence optique basé sur l’atome de mercure 199 piégé dans un réseau optique. Nous présenterons le dispositif expérimental, les améliorations apportées au cours de la thèse qui ont permis d’effectuer la spectroscopie de la transition doublement interdite ¹S₀ → ³P₀ du mercure dans le domaine ultraviolet avec une résolution de l’ordre du Hz. Une telle résolution nous a permis de mener une étude approfondie des effets physiques affectant la fréquence de la transition d’horloge.

Cette étude a permis un gain d’un facteur 60 sur la connaissance de la fréquence de la transition d’horloge, et de pousser l’incertitude au-delà de la réalisation de la seconde SI par les étalons de fréquence basés sur le césium.

Enfin nous présenterons les résultats de plusieurs campagnes de comparaison entre notre étalon au mercure et d’autres horloges de très haute précision fonctionnant dans le domaine optique ainsi que dans le domaine micro-onde.

horloges atomiques, spectroscopie, ultraviolet laser sources

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Les meilleurs oscillateurs dans le domaine micro-onde sont souvent des systèmes encombrants ou requérant une maintenance fastidieuse ce qui freine leur utilisation pour des applications mobiles ou dans des environnements aux conditions difficiles. L'avènement des peignes de fréquences optiques, récompensés par un prix Nobel en 2005, a ouvert de nouvelles perspectives en permettant un transfert des qualités inégalées des sources optiques vers le domaine micro-onde. Dans la technique utilisée au LNE-SYRTE, la division de fréquence optique, un signal micro-onde peut être extrait d'un laser ultra-stable dans l'infrarouge proche par photo-détection, ce qui s'accompagne d'une réduction du bruit égale au carré du rapport des fréquences initiale et finale, soit plus de 8 ordres de grandeurs. Ce bénéfice est cependant réduit par différents processus collatéraux qui augmentent le niveau de bruit final. Le travail décrit dans cette thèse est la génération et la caractérisation du signal micro-onde le plus pur généré jusqu'à présent. Les différents processus introduisant un excès de bruit lors de la conversion opto-éléctronique sont étudiés et en partie surmontés. En particulier la conversion du bruit d'amplitude du laser femtoseconde vers la porteuse micro-onde est analysée en détail et son effet grandement réduit. Les résultats obtenus laissent penser que les techniques optiques de génération de micro-ondes vont bouleverser l'état de l'art. Les niveaux de pureté atteints et les techniques développées peuvent bénéficier un vaste éventail de domaines comme les radars mobiles, la métrologie temps-fréquence ou les prochaines générations de télécommunications à ultra-haut débit.

photonique micro-onde, lasers ultra-stables, peignes de fréquences optiques, oscillateurs bas bruit, métrologie, bruit de phase

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Le document décrit les progrès récents des horloges à réseau optique au strontium du LNE-SYRTE (Observatoire de Paris). L’incertitude systématique et la stabilité des horloges optiques sont meilleures de deux ordres de grandeur que les horloges atomiques micro-ondes au césium qui réalisent la seconde SI, et bénéficient maintenant à des applications en physique fondamentale, astronomie et géosciences. Dans un futur proche, une redéfinition de la seconde SI est attendue, quand les horloges optiques se seront révélées être aussi fiables et aussi reproductibles que les horloges micro-ondes. La thèse présente trois étapes décisives dans cette direction. Les horloges au strontium ont fonctionnées de manière quasi-continue pendant plusieurs semaines. Les comparaisons de fréquences locales et à distance avec diverses références de fréquence micro-onde et optique montrent que les horloges optiques sont reproductibles par des laboratoires indépendants. Nous avons démontré la faisabilité d’un premier réseau tout optique d’horloges optiques à l’échelle continentale.

Les horloges au strontium ont été utilisées pour établir cinq rapports pour l’étalonnage du Temps Atomique International (TAI).Ils ont été validés par le BIPM comme première contribution au TAI par des horloges optiques. Certains de ces résultats ont été utilisés pour borner l’amplitude d’une possible violation de l’invariance de Lorentz analysant les comparaisons d’horloges distantes. Enfin, nous avons effectué une caractérisation complète des déplacements de fréquence associés aux sources laser à semi-conducteur utilisées pour le piégeage des atomes dans l’optique d’applications pour des horloges transportables et spatiales.

horloges à réseau optique, spectroscopie, atomes froids, comparaisons d'horloges optiques, échelles de temps, émission spontanée amplifiée.

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Ce travail de thèse, effectué dans le cadre du projet européen MClocks (http://www.inrim.it/mclocks), porte sur le développement et la caractérisation métrologique d’une horloge atomique à cellule de césium de haute performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP), permettant la détection de résonances CPT à fort contraste sur la transition d’horloge 0-0. Une caractérisation détaillée des différents éléments de l’horloge est reportée. L’horloge fut exploitée en mode continu (CW) et en mode impulsionnel de type Ramsey. Dans les deux modes de fonctionnement, l’horloge démontre une stabilité relative de fréquence de l’ordre de 2×10⁻¹³ τ^−1/2 jusque 100 s d’intégration, principalement limitée par des effets de puissance laser. Cette horloge atomique, parmi les meilleures horloges à cellule développées à travers le monde, pourrait trouver des applications pour les systèmes de télécommunications, d’instrumentation, de défense ou navigation par satellite.

Cette thèse a aussi traité d’une technique originale de stabilisation de fréquence laser par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence en cellule. La plateforme constituée par l’horloge a été utilisée pour mener des tests de physique plus amont incluant la caractérisation par spectroscopie CPT d’une cellule de césium avec un revêtement anti-relaxant OTS (octadecyltrichlorosilane) ou la caractérisation de microcellules à vapeur de césium avec gaz tampon développées à FEMTO-ST pour des horloges atomiques miniatures.

horloge à cellule de vapeur de césium, piégeage cohérent de population, spectroscopie laser, stabilité relative de fréquence, spectroscopie laser