Ramsey CPT Signal Generation with a Miniature Clock Bench and a Dual-Frequency Optical Generator

We demonstrate, for the first time, Ramsey CPT spectroscopy with a miniature electro-optical bench associated to a dual-frequency generator based on combined optical injection locking and optical phase locking techniques Preliminary results show Ramsey CPT resonance with a contrast of 2% at the Cesium D2 line. Frequency difference locking loops lead to a contribution of Dick effect to fractional frequency stability lower than 1.7x10-13 at 1 s, in line with targeted clock stability of 5x10-13 at 1 s

Vers une horloge compacte à piégeage cohérent de population du césium : source laser bifréquence bipolarisation et banc optoélectronique miniature

The coherent population trapping (CPT) phenomenon with high contrast is particularly promising for the development of a compact and high frequency stability clock. An original compact clock architecture based on a miniature optoelectronic bench and a dual-polarization dual-frequency laser is proposed.A miniature bench (volume below 10 L) with the optical functions and the servo-controls necessary to the stabilization of the laser field is developed and studied. The miniature optical components are meticulously aligned to guarantee noise reductions comparable to laboratory setups. A complete study of the optical power stabilization is made, revealing the electronic limitations at short-term and the thermal sensitivities of the setup at long-term. The use of a dual-frequency generator allows to validate the bench by obtaining the CPT spectroscopy on the D2 line of cesium in continuous and pulsed regime.A vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL) is implemented to generate the two optical frequencies necessary for the CPT interrogation. The design choices for the VECSEL, in particular to obtain the emission of two modes with strongly correlated and in-phase optical intensities, are detailed. The addition of elements in the cavity leads to additional losses and limits the emitted optical power. The emission of two polarization modes around 852 nm (and 895 nm) with a tunable frequency difference of a few gigahertz is obtained.The understanding of the correlations between the cavity eigenstates allows to model and optimize the reduction strategies of the laser noises. With in-phase intensity fluctuations, the stabilization of the optical power leads to similar noise reductions for both polarization modes, but limited by the amplitude of the correlations. Simultaneous control of the optical frequency as well as of the frequency difference between the modes is demonstrated for the first time using two electro-optical crystals integrated in the laser cavity.The contributions of the laser noises to the frequency instabilities of the future compact clock are estimated. The intensity and phase noises participate limits the stability to only a few 10^-13 at 1 s, in line with the targeted objectives.Le phénomène de piégeage cohérent de population (coherent population trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire. Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel. Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type vertical-external-cavity surface-emitting laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations. Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser.Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés

Vers une horloge compacte à piégeage cohérent de population du césium : source laser bifréquence bipolarisation et banc optoélectronique miniature

The coherent population trapping (CPT) phenomenon with high contrast is particularly promising for the development of a compact and high frequency stability clock. An original compact clock architecture based on a miniature optoelectronic bench and a dual-polarization dual-frequency laser is proposed.A miniature bench (volume below 10 L) with the optical functions and the servo-controls necessary to the stabilization of the laser field is developed and studied. The miniature optical components are meticulously aligned to guarantee noise reductions comparable to laboratory setups. A complete study of the optical power stabilization is made, revealing the electronic limitations at short-term and the thermal sensitivities of the setup at long-term. The use of a dual-frequency generator allows to validate the bench by obtaining the CPT spectroscopy on the D2 line of cesium in continuous and pulsed regime.A vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL) is implemented to generate the two optical frequencies necessary for the CPT interrogation. The design choices for the VECSEL, in particular to obtain the emission of two modes with strongly correlated and in-phase optical intensities, are detailed. The addition of elements in the cavity leads to additional losses and limits the emitted optical power. The emission of two polarization modes around 852 nm (and 895 nm) with a tunable frequency difference of a few gigahertz is obtained.The understanding of the correlations between the cavity eigenstates allows to model and optimize the reduction strategies of the laser noises. With in-phase intensity fluctuations, the stabilization of the optical power leads to similar noise reductions for both polarization modes, but limited by the amplitude of the correlations. Simultaneous control of the optical frequency as well as of the frequency difference between the modes is demonstrated for the first time using two electro-optical crystals integrated in the laser cavity.The contributions of the laser noises to the frequency instabilities of the future compact clock are estimated. The intensity and phase noises participate limits the stability to only a few 10^-13 at 1 s, in line with the targeted objectives.Le phénomène de piégeage cohérent de population (coherent population trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire. Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel. Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type vertical-external-cavity surface-emitting laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations. Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser.Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés

Vers une horloge compacte à piégeage cohérent de population du césium : source laser bifréquence bipolarisation et banc optoélectronique miniature

The coherent population trapping (CPT) phenomenon with high contrast is particularly promising for the development of a compact and high frequency stability clock. An original compact clock architecture based on a miniature optoelectronic bench and a dual-polarization dual-frequency laser is proposed.A miniature bench (volume below 10 L) with the optical functions and the servo-controls necessary to the stabilization of the laser field is developed and studied. The miniature optical components are meticulously aligned to guarantee noise reductions comparable to laboratory setups. A complete study of the optical power stabilization is made, revealing the electronic limitations at short-term and the thermal sensitivities of the setup at long-term. The use of a dual-frequency generator allows to validate the bench by obtaining the CPT spectroscopy on the D2 line of cesium in continuous and pulsed regime.A vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL) is implemented to generate the two optical frequencies necessary for the CPT interrogation. The design choices for the VECSEL, in particular to obtain the emission of two modes with strongly correlated and in-phase optical intensities, are detailed. The addition of elements in the cavity leads to additional losses and limits the emitted optical power. The emission of two polarization modes around 852 nm (and 895 nm) with a tunable frequency difference of a few gigahertz is obtained.The understanding of the correlations between the cavity eigenstates allows to model and optimize the reduction strategies of the laser noises. With in-phase intensity fluctuations, the stabilization of the optical power leads to similar noise reductions for both polarization modes, but limited by the amplitude of the correlations. Simultaneous control of the optical frequency as well as of the frequency difference between the modes is demonstrated for the first time using two electro-optical crystals integrated in the laser cavity.The contributions of the laser noises to the frequency instabilities of the future compact clock are estimated. The intensity and phase noises participate limits the stability to only a few 10^-13 at 1 s, in line with the targeted objectives.Le phénomène de piégeage cohérent de population (coherent population trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire. Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel. Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type vertical-external-cavity surface-emitting laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations. Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser.Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés

Towards a compact cesium coherent population trapping clock : dual-frequency dual-polarization laser source and miniature optoelectronic bench

Le phénomène de piégeage cohérent de population (coherent population trapping, CPT) à fort contraste est particulièrement prometteur pour le développement d’une horloge atomique compacte et à haute stabilité de fréquence. Une architecture d’horloge compacte originale reposant sur un banc optoélectronique miniature et un laser à émission bifréquence bipolarisation est proposée.Un banc miniature, de volume inférieur à 10 L, regroupant les fonctions optiques et les asservissements nécessaires à la stabilisation du champ laser est développé et étudié. Les éléments optiques miniatures sont minutieusement alignés pour garantir des réductions de bruit comparables aux montages de laboratoire. Une étude complète de la stabilisation de puissance optique est faite, révélant les limites d’origines électroniques sur les temps courts et les sensibilités thermiques du montage sur les temps longs. L’utilisation d’un générateur bifréquence permet de valider le banc en réalisant la spectroscopie CPT sur la raie D2 du césium en fonctionnement continu et impulsionnel. Un laser à semi-conducteur à cavité étendue (de type vertical-external-cavity surface-emitting laser, VECSEL) est implémenté pour générer les deux fréquences optiques nécessaires à l’interrogation CPT. Les choix de conception et de réalisation du VECSEL, en particulier pour obtenir l’émission de deux modes dont les intensités sont fortement corrélées et en phase, sont détaillés. L’émission de deux modes de polarisation autour de 852 nm (et de 895 nm) avec une différence de fréquence accordable de quelques gigahertz est obtenue. La compréhension des corrélations entre les états propres de la cavité permet de modéliser et d’optimiser les stratégies de réduction des bruits du laser. Avec des fluctuations d’intensité en phase, la stabilisation de la puissance optique mène à des réductions similaires des bruits des deux modes de polarisation, mais limitées par l’amplitude des corrélations. Les asservissements simultanés d’une fréquence optique ainsi que de la différence de fréquence entre les modes sont démontrés pour la première fois grâce à l’utilisation judicieuse de deux cristaux électro-optiques intégrés dans la cavité laser.Les contributions des bruits du laser aux instabilités de fréquence de la future horloge sont estimées. Les bruits d’intensité et de phase radiofréquence participent majoritairement à limiter la stabilité à quelques 10^-13 à 1 s d’intégration, respectant les objectifs visés.The coherent population trapping (CPT) phenomenon with high contrast is particularly promising for the development of a compact and high frequency stability clock. An original compact clock architecture based on a miniature optoelectronic bench and a dual-polarization dual-frequency laser is proposed.A miniature bench (volume below 10 L) with the optical functions and the servo-controls necessary to the stabilization of the laser field is developed and studied. The miniature optical components are meticulously aligned to guarantee noise reductions comparable to laboratory setups. A complete study of the optical power stabilization is made, revealing the electronic limitations at short-term and the thermal sensitivities of the setup at long-term. The use of a dual-frequency generator allows to validate the bench by obtaining the CPT spectroscopy on the D2 line of cesium in continuous and pulsed regime.A vertical-external-cavity surface-emitting laser (VECSEL) is implemented to generate the two optical frequencies necessary for the CPT interrogation. The design choices for the VECSEL, in particular to obtain the emission of two modes with strongly correlated and in-phase optical intensities, are detailed. The addition of elements in the cavity leads to additional losses and limits the emitted optical power. The emission of two polarization modes around 852 nm (and 895 nm) with a tunable frequency difference of a few gigahertz is obtained.The understanding of the correlations between the cavity eigenstates allows to model and optimize the reduction strategies of the laser noises. With in-phase intensity fluctuations, the stabilization of the optical power leads to similar noise reductions for both polarization modes, but limited by the amplitude of the correlations. Simultaneous control of the optical frequency as well as of the frequency difference between the modes is demonstrated for the first time using two electro-optical crystals integrated in the laser cavity.The contributions of the laser noises to the frequency instabilities of the future compact clock are estimated. The intensity and phase noises participate limits the stability to only a few 10^-13 at 1 s, in line with the targeted objectives

Laser power stabilization of a compact dual-frequency VECSEL for a cesium clock optical bench

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Laser power stabilization of a compact dual-frequency VECSEL for a cesium clock optical bench

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An innovative laser bench for a high performance compact cesium CPT clock

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Asservissements de fréquence et d’intensité d’un prototype de VECSEL bifréquence à 852 nm pour une horloge atomique CPT

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Stabilisation de puissance optique d'un VECSEL bifréquence pour une horloge CPT compacte

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