Vers un laser superradiant : ensembles atomiques d’ytterbium et développements métrologiques pour des références de fréquence ultra-stables

Abstract

This thesis presents the initial steps toward the realization of an ultra-stable superradiant oscillator. It explores the use of the quantum phenomenon of superradiance, which leverages the coherence and indistinguishability of an atomic ensemble to enhance coherent optical radiation. A superradiant laser consists of atoms collectively coupled to a Fabry-Perot cavity, operating in the bad-cavity regime to minimize sensitivity to cavity fluctuations.In this work, the first realization and characterization of a cold ytterbium atomic ensemble are demonstrated, laying the foundation for future superradiant operation. The experimental setup for atomic transport into the cavity has been planned, enabling sequential loading of atoms for quasi-continuous superradiant emission.To support the future characterization of the superradiant laser, a compensated optical fiber link for local ultra-stable frequency transfer has been implemented. This system features fully digital signal processing and a novel characterization method that does not require access to the remote fiber end. The achieved fractional frequency instability reaches the 10^{-18} range, demonstrating its suitability for high-precision frequency dissemination within an institute.Cette thèse présente les premières étapes vers la réalisation d’un oscillateur superradiant ultra-stable. Elle explore l’utilisation du phénomène quantique de superradiance, qui repose sur la cohérence et l’indistinguabilité d’un ensemble atomique pour produire une émission optique cohérente. Un laser superradiant est constitué d’atomes couplés collectivement à une cavité Fabry-Perot, fonctionnant dans le régime dit de ``mauvaise cavité'' afin de minimiser la sensibilité aux fluctuations de cavité.Dans ce travail, la première réalisation et caractérisation d’un ensemble atomique d’ytterbium refroidi sont démontrées, jetant les bases d’un futur fonctionnement superradiant. L’installation expérimentale pour le transport des atomes dans la cavité a été planifiée, permettant un chargement séquentiel des atomes pour une émission superradiant quasi-continue.Afin de soutenir la future caractérisation du laser superradiant, une liaison optique fibrée compensée a été mise en place pour le transfert local de fréquence ultra-stable. Ce système intègre un traitement du signal entièrement numérique et une méthode de caractérisation innovante ne nécessitant pas d’accès à l’extrémité distante de la fibre. L’instabilité relative de fréquence obtenue atteint l’ordre de 10^{-18}, démontrant ainsi son adéquation pour la dissémination de fréquence de haute précision au sein d’un institut