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

Chercheur CNRS, il mène ses travaux de recherche au LNE-SYRTE, laboratoire de référence en métrologie du temps-fréquence du RNMF. Il a contribué au développement depuis les années 1980, des étalons primaires à atomes de césium sur le principe de jet à pompage optique, puis des fontaines de jet à atomes froids dans les années 1990. Sébastien Bize a démarré ses travaux sur des étalons de fréquence à atomes froids fonctionnant simultanément avec des atomes de césium et de rubidium. Une première ! Les exactitudes s’améliorant avec l’élévation de la fréquence d’horloge, il a poursuivi ses recherches sur des étalons dont la fréquence est située dans la bande optique du spectre électromagnétique, avec la réalisation d’un étalon à atomes de mercure. Cela a permis des comparaisons avec les étalons de fréquence à atomes de strontium du laboratoire. Actuellement, responsable du LNE-SYRTE, il supervise les travaux de développement de liens optiques fibrés pour réaliser des comparaisons à longue distance d’étalons de fréquence optique, de développement d’horloges (PHARAO – Programme d’Horloges à Atomes Refroidis en Orbite) pour des programmes spatiaux (ACES – Atomic Clock Ensemble in Space), et d’autres projets dans le domaine de l’interférométrie atomique.

Cette thèse s’inscrit dans les recherches et le développement de composants à ondes élastiques de surface dans des environnements à hautes températures de plus de 600 °C. L’objectif est la réalisation de composants auto-encapsulés à ondes élastiques de surface pouvant atteindre une température de 900 °C. Dans ces travaux, nous introduisons une méthode de modélisation du système permettant une résolution unifiée par la méthode des éléments finis d’un biais inhomogène. Cette méthode permet d’effectuer un calcul direct du problème de biais et d’en extraire les paramètres calculés avec la méthode de perturbation ainsi que d’autres paramètres. Cette méthode contribue à l’amélioration du réalisme des simulations numériques de structures soumises à de larges variations des paramètres environnementaux. Nous décrivons dans ce manuscrit la démarche de l’étude, la conception, la réalisation et les tests de résonateurs à ondes de surface non-encapsulés pour des cycles de recuits sous air atteignant les 900 °C ainsi qu’un banc de mesures permettant de réaliser les mesures in situ. Nous évoquons également la conception et réalisation de l’encapsulation de ces résonateurs par une technologie innovante par Wafer-Level Packaging pour les hautes températures.

La combinaison du phénomène physique de piégeage cohérent de population (CPT), les techniques de micro-fabrication et les diodes laser à semi-conducteur permet le développement de micro-horloges atomiques présentant une stabilité relative de fréquence journalière 2 ordres de grandeur meilleure que celle des oscillateurs à quartz massivement utilisés pour un volume et une puissance de consommation similaires. Ces micro-horloges atomiques reposent sur l’interaction entre un module physique et une carte électronique pilotant l’horloge.

Ce travail de thèse, co-encadré par le laboratoire FEMTO-ST et l’industriel Tronics Microsystems, soutenue activement par la DGA dans le cadre des projets DGA HABAC puis DGA EDAM, a eu pour but la conception, simulation thermique et magnétique, réalisation et caractérisation métrologique en horloge de modules physiques hautement miniaturisés, répondant aux contraintes et spécifications d’une micro-horloge industrielle pour applications stratégiques. Deux concepts de modules physiques ont été proposés, la différence essentielle étant le chemin lumineux.

Le module physique intègre une diode laser VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser), des éléments optiques pour le routage et la polarisation du faisceau lumineux, une microcellule à vapeur de césium diluée par une pression de gaz tampon (développée à FEMTO-ST et transférée industriellement à Tronics Microsystems), un photodétecteur et divers capteurs/actuateurs pour stabiliser la température d’éléments-clés. L’ensemble est inséré dans un cube de dimensions extérieures 15×15×13 cm³, lui-même entouré d’un solénoïde pour appliquer un champ magnétique directeur et un blindage magnétique mu-métal. La consommation de ces modules physiques en régime permanent est de l’ordre de 250 mW à température ambiante.

Ces modules physiques ont été testés à l’aide d’une électronique de laboratoire non intégrée. Des performances de stabilité relative de fréquence proches de l’état de l’art mondial, de l’ordre de 2,5×10^-11 à 1 s et meilleures que 2×10^-11 à 10⁵ s, ont été démontrées en environnement calme. Pour l’aboutissement des performances ultimes sur la stabilité de fréquence d’horloge moyen et long terme (temps d’intégration supérieurs à 100-1 000 s) ont été mises en œuvre des techniques avancées, par le biais de deux boucles d’asservissement supplémentaires, visant à réduire drastiquement les effets de déplacement lumineux, eux-mêmes largement dépendants de la température extérieure et du bloc optique. Ces études ont aussi été associées à l’étude de la stabilité de l’atmosphère interne de microcellules, potentiellement limitée par des phénomènes de perméation de gaz tampon à travers le verre de la cellule. En ce sens, des tests de « vieillissement » préliminaires, menées sur 15-21 jours, ont été menés sur plusieurs microcellules, adoptant soit des verres de type borofloat, soit des verres de type alumino-sicilicaté (ASG). Dans le cas de microcellules Cs-Ne, ce phénomène de fuite est estimé pouvoir limiter la stabilité des micro-horloges atomiques à un niveau proche de 10^-11 à 1 jour. Des tests, menés sur des cellules Cs-He, démontrent une réduction significative de presque 2 ordres de grandeur de ces phénomènes de fuite avec l’utilisation de verres alumino-silicatés (ASG).

horloge atomique miniature, module physique, microfabrication, piégeage cohérent de population, microcellule,

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont consisté en la réalisation d'un système de détection non destructif assisté par cavité d'atomes piégés sur réseau optique pour l'amélioration de la stabilité d'une horloge optique au strontium. La caractérisation de ce système dans son fonctionnement en régime classique, dans lequel les atomes piégés diffusent suffisamment peu de photons pour ne pas être expulsés du piège durant la détection, a mis en évidence des améliorations significatives en termes de rapport signal à bruit avec un gain d'un facteur cent en comparaison avec le système précédent de détection par fluorescence. Les gains en termes de stabilité par réduction de l'effet Dick restent cependant à concrétiser.

Pour la réalisation du régime quantique, dans lequel moins d'un photon est diffusé par atome durant la détection, des idées nouvelles et des changements significatifs ont dû être opérés sur le système et un travail théorique conséquent a été entrepris afin de déterminer la stratégie permettant une amélioration de la stabilité par réduction du bruit de projection quantique par mesure sans démolition de la cohérence de l'état interne atomique.

J'y ai également abordé l'étude des effets des collisions chaudes des atomes de strontium piégés avec les particules du fond de vide résiduel, permettant une amélioration de l'exactitude de l'horloge. Cette thèse rapporte en particulier la première mesure expérimentale du déplacement de la fréquence de transition d'horloge due à ces collisions ainsi que son étude théorique.

horloge à strontium, détection non destructive, métrologie du temps, horloge atomique, physique atomique

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Ce travail de thèse, encadré par le laboratoire FEMTO-ST et co-financé par le CNES et la région Franche-Comté, a eu pour but la réalisation de banc de mesure de bruit de phase couvrant trois décades de fréquences, entre 5 MHz et 5 GHz, ainsi que la mesure du bruit de résonateurs MEMS.

Le bruit de phase des composants radiofréquences et hyperfréquences est une problématique classique du domaine métrologique "temps-fréquence". Pourtant, certains mécanismes à l’origine de la génération de ce bruit sont encore mal connus, voire même controversés. C’est le cas du bruit propre des résonateurs piézoélectriques ou mécaniques. Or, lorsque l’électronique amplificatrice du circuit oscillant est très optimisée, le bruit de ces composants représente le bruit ultime de la source de fréquence. Il est donc essentiel de l’étudier en détail.

Le travail de cette thèse traite ce problème principalement sous l’angle métrologique. Une grande partie de ce travail a consisté à développer et à améliorer des bancs de mesure de bruit de phase, capables de rendre compte du comportement de ces composants. Deux bancs de mesures basés sur la technique interférométrique ont été réalisés et ont permis de mesurer des dispositifs entre 5 MHz et 5 GHz. Parmi les résonateurs MEMS mesurés, se trouvent des résonateurs à ondes de surface (SAW), des résonateurs à mode de contour (CMR) et des résonateurs à ondes de volume à mode harmoniques élevés (HBAR).

Pour le cas où il n’est pas possible de tester simultanément deux résonateurs identiques, l'utilisation de sources à très faible bruit de phase est nécessaire, comme les oscillateurs saphir cryogéniques disponibles au sein du département TF. Le problème de ces sources est qu’elles délivrent un signal en gamme micro-onde et que leur utilisation en gamme RF nécessite une électronique de division de fréquence optimisée en bruit. Ainsi, une partie de ces travaux de thèse est consacrée à la synthèse de fréquence à faible bruit de phase, plus particulièrement à la réalisation et à la caractérisation de diviseurs régénératifs de fréquence d’ordre entiers ou fractionnaires. Des diviseurs à l'état de l'art ont été réalisés pour une fréquence de 20 MHz et une architecture de diviseur à double boucle a été proposée puis investiguée afin de présenter des ratios de division fractionnaires.

Ce travail de recherche effectué dans le cadre d’un contrat CIFRE-Défense porte sur l’étude des sources d’instabilité de fréquence d’une horloge atomique basée sur le piégeage cohérent de population. L’objectif est de démontrer une stabilité de fréquence d’horloge de l’ordre de 10^-13τ^-1/2 jusque 10⁴ s. Une cellule de vapeur de césium est utilisée avec un schéma d’excitation à fort contraste en utilisant des polarisations linéaires croisées et une interrogation impulsionnelle de type Ramsey. Une première partie d’abord consacrée aux sources de bruit à court terme présente les travaux réalisés pour réduire le bruit de phase et le bruit de puissance laser, limitant tous deux les performances de l’horloge à 1 s d’intégration. L’optimisation de la chaine micro-onde avec un nouvel oscillateur local, et la réalisation d’un asservissement de puissance performant ont permis d’améliorer la stabilité de fréquence à 2,3×10^-13 à 1 s. L’analyse des fluctuations des paramètres de fonctionnement (puissance laser, champ magnétique, température, etc.) et la mesure de la fréquence d’horloge montrent que les variations de fréquence à moyen terme sont majoritairement limitées par les variations de puissance laser et celles du champ magnétique à 2×10^-14 à 2 000 s. Ces analyses démontrent aussi que les fluctuations de puissance laser, malgré l’asservissement, sont liées aux fluctuations de polarisation via les fluctuations de température de l’expérience. Pour finir, des études d’un laser bifréquence et bipolarisation pour une horloge CPT compacte sont présentées, ouvrant la voie vers l’industrialisation en réduisant le banc optique.

Horloge atomique, Cellule de vapeur, Piégeage cohérent de population, Effet Dick, Bruit d'intensité, Stabilité de fréquence

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Les travaux décrits dans cette thèse ont pour but de conduire à la réalisation de capteurs et de filtres à ondes élastiques de surface (SAW) innovants, passifs et sans fil, dédiés à une utilisation en environnement sévère. Différentes structures de composants SAW sont alors étudiées.

Les caractéristiques générales, telles que les pertes d’insertion ou les bandes passantes relatives atteignables, des structures usuelles (résonateurs, lignes à retard, LCRF, filtres en échelle…) sont connues des experts du domaine. Cependant, pour concevoir un dispositif SAW qui respecte les critères d’un cahier des charges donné, il est impératif de définir le comportement spécifique de chaque dispositif avant son envoi en production. Pour ce faire, des modèles numériques sont développés, qui incluent à la fois la possibilité d’analyser le comportement de systèmes à la géométrie complexe (filtres en échelles, transducteurs apodisés) et qui prennent en compte la présence de phénomènes perturbateurs (modes transverses, pertes liées à la nature des matériaux). La comparaison entre les calculs numériques et les mesures a mis en avant l’adéquation des résultats expérimentaux et de calculs.

La mise en place de ces outils permet le développement de capteurs et filtres SAW innovants grâce à une analyse numérique rapide et fiable de leur comportement. Ainsi, l’étude de résonateurs et capteurs dédiés à une utilisation à des températures excédant les 700°C est menée. Il est démontré qu’en dépit de son inhomogénéité, le Ba₂TiSi₂O₈ est un matériau adapté à la réalisation de SAW soumis à des températures élevées pour des fréquences de l’ordre de 300 MHz jusqu’au gigahertz. Par ailleurs, une structure disposant d’un transducteur à trois doigts par longueur d’ondes est utilisée dans le but de réaliser des résonateurs insensibles aux effets de la directivité lorsque la température évolue. Cette même configuration a mis en exergue la possibilité de réaliser des capteurs n’utilisant qu’un seul résonateur (contre au moins deux jusqu’à présent). Ce dernier point permet de limiter l’encombrement des composants et résout la problématique du vieillissement différentiel des structures.

Un second type de capteurs, passifs et sans fil, fondés sur l’utilisation d’un seul SAW et dédiés à la mesure d’hygrométrie, a été étudié. Dans cette nouvelle configuration, un SAW de type LCRF est utilisé comme transpondeur et la zone sensible est externalisée. La sensibilité des modes (de plus de 1 MHz) à la variation d’un élément capacitif ou d’une antenne dipôle a été mise en avant numériquement. En pratique, la fabrication des dispositifs a montré une variation différentielle de plusieurs dizaines de kilohertz des résonances selon la condition électrique appliquée à l’un des ports. Finalement, des filtres, dédiés aux applications stratégiques, agiles en fréquence sont réalisés.

Ces travaux mettent en lumière les capacités de prédiction du comportement des structures SAW grâce au développement de logiciels dédiés. De plus, l’étude et la réalisation de filtres et capteurs innovants ouvre la voie à de nouvelles fonctionnalités.

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Cette thèse présente deux tests d'invariance de Lorentz, réalisés dans le cadre de l'Extension du Modèle Standard (SME). Le premier a pour objectif une recherche de violation dans le secteur SME de la matière, grâce aux données d'une horloge à atomes froids de césium 133. La recherche de variations de la fréquence de transition hyperfine de cet atome a permis de contraindre plusieurs coefficients SME liés aux protons et aux neutrons, avec une sensibilité améliorant jusqu'à 12 ordres de grandeur les limites actuelles sur ces derniers. Le second test a été réalisé grâce aux données de la mission spatiale MICROSCOPE, en vol depuis le 25 avril 2016, qui a pour but de tester le Principe d'Équivalence faible avec une précision de l’ordre de 10⁻¹⁵ sur le paramètre d'Eötvös. Nous avons utilisé les mesures MICROSCOPE pour contraindre des violations d'invariance de Lorentz dues à un couplage entre matière et gravitation, en recherchant des variations de l'accélération relative de deux masses d'épreuve selon l'orientation de l'axe sensible de l'instrument, un double accéléromètre électrostatique. Les premiers résultats, obtenus grâce à l'analyse de cinq sessions de mesures, ont déjà démontré une amélioration jusqu'à 4 ordres de grandeur des contraintes sur deux coefficients du secteur SME de la matière couplée à la gravitation.

symétrie de Lorentz, extension du Modèle standard, analyse de données, tests de gravitation, horloge atomique, mission MICROSCOPE, physique fondamentale

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