COMPACT AND ROBUST SINGLE-FREQUENCY DIODE-PUMPED VECSEL AT THE CESIUM D2 LINE FOR ATOMIC CLOCKS

This work reports on an optically-pumped vertical external-cavity surface­emitting laser emitting around 852 nm dedicated to atomic physics experiments with cold Cs atoms. The design of the semiconductor active structure has been optimized to provide a low threshold. A low-power diode-pumped compact prototype has been developed with improved stability. With this setup, we obtained a 17-mW single frequency emission exhibiting large tunability around the Cesium D2 line. The laser linewidth has been measured to less than 500 kHz on a 10 ms time

Se repérer dans le temps et l'espace

National audienc

Se repérer dans le temps et l'espace

National audienc

Réalisation et caractérisation d'un gyromètre à ondes de de Broglie

Un capteur inertiel a interférométrie atomique utilisant des atomes froids d'un atome alcalin, le césium 133, est réalise a l'observatoire de Paris. Il se compose de deux interféromètres temporels a ondes de Broglie disposes tête-bêche. Chacun d'eux permet de mesurer les accélérations et rotations du référentiel de laboratoire par rapport au référentiel inertiel des atomes. L'accélération de Coriolis est calculée par soustraction des deux signaux obtenus. On utilise comme source un nuage d'atomes captures dans un piège magnéto-optique. Lances en vol parabolique, la trajectoire classique des atomes est séparée en deux chemins interféromètriques distincts par action sur l'état interne de l'atome couplé à un changement de son impulsion. L'interféromètre est de type ramsey-borde symétrique. La séparation, la déviation et la recombinaison des fonctions d'onde cohérentes sont assurées par trois transitions Raman a deux photons, entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental du césium, par un seul et unique faisceau module temporellement. Ce travail dresse un premier bilan métrologique de l'appareil. La mesure est intrinsèquement limitée par le bruit blanc de projection quantique. Les bruits mécaniques de rotation et de température des atomes ont un niveau plus élevé. Un terme croise entre la non-superposition des trajectoires des deux faisceaux atomiques contra-propageants et les défauts de front d'ondes des faisceaux Raman dégrade la stabilité du signal. Les bruits de phase des faisceaux Raman, même s'ils sont identiques sur les deux interféromètres et disparaissent par soustraction, doivent être minimises. Il en va de même des accélérations parasites. L'étude théorique de la diffraction suivant la loi des matrices A,B,C,D d'un paquet d'ondes de mode hérmito-gaussien, et régie par l'équation de Schrödinger a hamiltonien quadratique en positon et impulsion, affine le calcul de l'effet Sagnac et du déphasage résiduel du aux aberrations optiques.An inertial sensor using matter-wave interferometry with cold alcalii atoms (133 cesium) is under construction at the observatoire de Paris. Two counter- propagating temporal atomic interferometers measure accelerations and rotations of the laboratory frame compared to the inertial frame of the atoms. Carioles acceleration is calculated by subtraction of both signals. The source is a cloud of atoms captured in a magnetic optical trap. The atoms are launched in parabolic flight and separated in two classical trajectories by acting on their internal state coupled to their external impulse state. A symmetric Ramsey-borde interferometer is used : separation, deviation and recombination of the coherent wave functions is made by three two-photon Raman transitions between both hyperfine levels of the cesium ground level with a single temporal modulated laser. This work draws an error budget of the apparatus. Quantum projection white noise is the intrinsic limitation of the measure. Rotation mechanical noises and temperature fluctuations of the clouds have a higher level. A cross effect between optical aberrations of the Raman lasers and non-superposition of the counter-propagating atomic streams decreases signal stability. The phase noise of the Raman lasers, so as parasite accelerations, even disappearing by subtraction because they are equal on both interferometers, must be minimized. The theoretical study was about the diffraction of an hermite-gauss wave packet subdued to Schrödinger equation with an Hamiltonian which is quadratic in position and impulse. It has sharpened the calculation of the Sagnac effect and the residual phase shift due to optical aberrations.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Etude théorique et expérimentale de diodes lasers, pour horloges Rubidium et Césium, refroidissement d'atomes, et capteurs inertiels

PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique de césium. Principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme

L objet de la thèse est la caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population (CPT) dans une vapeur thermique d'atomes de césium contenue dans une cellule avec gaz tampon et l'étude des principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme. La particularité de l'horloge CPT développée est la combinaison de deux techniques originales : utilisation d'un schéma d'excitation en double- et interrogation pulsée. Cela permet d'obtenir un signal étroit, une grande amplitude et des déplacements de fréquence liés à l'intensité laser réduits. La stabilité de fréquence à moyen-long terme des horloges à cellule est généralement limitée par les déplacements induits par les collisions avec le gaz tampon et par des effets liés à l'intensité laser. Une partie importante de ce travail est consacrée à l'étude des déplacements collisionnels en présence de gaz tampon Ne, N2 et Ar, et à leur dépendance thermique. Les valeurs des coeffcients de la dépendance thermique, mal connus ou inconnus jusqu'à présent, ont été établies. Cela a permis de réaliser une cellule optimale contenant un mélange de gaz tampon ayant une sensibilité thermique nulle autour de température de fonctionnement. Suite à l'étude de l'amplitude du signal et des temps de relaxation les valeurs optimales des paramètres de fonctionnement d'horloge ont été déterminées pour cette cellule. L'étude sur les effets liés à l'intensité laser a permis de déterminer les paramètres sensibles et de mettre en place des stabilisations nécessaires pour les réduire. Finalement, la stabilité de fréquence à moyen-long terme à été améliorée d'un facteur 40 pour attendre 3 10-14, en valeur relative, à 104 sThis thesis describes a Cs - buffer gas vapour cell atomic clock based on coherent population trapping (CPT), and the main frequency shifts affecting its mid- and long-term stability. The developed atomic clock based on CPT uses two original techniques: a so-called double- scheme for the CPT-resonance excitation and a temporal Ramsey interrogation technique, which produce a high contrast and narrow resonances with reduced light shift dependence. Generally, the mid and long term stability of the vapour cell atomic clock is limited by the collisional shift induced by alkali-buffer gas collisions and the light shift (or the effects depending on the laser intensity). We report on the study of the collisional shift of Cs clock frequency in the presence of Ne, N2 or Ar buffer gas and its temperature dependence. The coefficient values of this dependence for these three buffer gases were revealed (some of them for the first time), allowing us to realise a cell with optimal combination of buffer gases to cancel the temperature dependence around the working temperature. Following the study of the signal amplitude and the coherence relaxation rate the optimal values for such parameters as interrogation cycle, magnetic field, cell temperature, pressure of the buffer gas mixture, etc. were found for the chosen cell. The investigation on the light shift and the effects depending on the laser intensity allowed us to determine the most sensitive parameters (laser intensity ratio, temperature) and to implement the required stabilisations in order to better control them. Finally, the mid- and long-term clock frequency stability was improved by a factor 40, reaching 3 10-14 at 104sPARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

9. Références de fréquences et de temps

National audienceLes systèmes de navigations par satellite tels que GPS ou le futur système européen Galileo offrent un éventail impressionnant de possibilités nouvelles aussi bien au grand public quaux professionnels (navigateurs, topographes...). Lévolution du niveau des mers est un paramètre-clé du changement climatique, tant pour sa compréhension que pour son impact sociétal. Lexploration planétaire par les missions spatiales produit un nombre croissant de résultats pour la connaissance de notre Système solaire. La vérification et lamélioration des théories de la gravitation est actuellement une activité importante de la Physique fondamentale.Un facteur commun est sous-jacent à tous ces constats : le rôle crucial des références de temps et despace. Cest lambition de cet ouvrage que doffrir une brève encyclopédie sur ce domaine. Partant dun panorama historique qui insiste sur lévolution des concepts, il aboutit à une présentation de létat actuel, illustrant le rôle majeur des techniques spatiales, et surtout des horloges atomiques qui placent le temps comme élément fondamental sur le plan métrologique

Développement d'une horloge atomique sur puce à atomes (optimisation de la durée de cohérence et caractérisation préliminaire)

PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Conception er réalisation d'un gyromètre à atomes froids fondé sur l'effet Sagnac pour les ondes de matières

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondé sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage supplémentaire à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 10^11 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué à des ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ...) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations; une technique de double jet atomique contra-propageant a donc été mise en œuvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération. Tous les éléments composant le gyromètre atomique ont été réalisés durant la thèse, et les premiers signaux de l'appareil devraient être obtenus dans les prochains mois.The purpose of my thesis was to use the recent developments of atom laser manipulation to build a device that can measure rotation rate as accurately as the best optical gyroscopes. Like optical gyroscopes, atomic gyroscopes are based on the Sagnac effect. The Sagnac effect consists in a extra phase shift at the output of a non zero area interferometer, when it is rotating. We show that the Sagnac effect for matter waves of Cesium atoms, for example, is 10^11 times more sensitive than for optical waves. The main difficulty concerning the device is to coherently separate and recombine the atomic waves. We do this in the interaction zone thanks to two-photon transitions called stimulated Raman transitions. The impulsions of the two photons, once transferred to the atom, is what provokes the angular separation for the two atomic wave packets. Building the device implied finding many new technical solutions, which proved to work well. One of the main problems was to build a device small enough, and as unchanged by outside parameters (magnetic fields, temperature, etc.) as possible, to be transportable. Our atomic source is a laser cooled atom source, which allows a small interaction zone while maintaining a very good level of performance. The device is also sensitive to accelerations; a counter-propagating double atomic jet technique has therefore been used to discriminate between rotation and acceleration phase shift. All the parts of the atomic gyroscope were put together for the thesis. The first signals should be produced in the next few months.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocPARIS-Observatoire (751142302) / SudocSudocFranceF

9. Références de fréquences et de temps

National audienceLes systèmes de navigations par satellite tels que GPS ou le futur système européen Galileo offrent un éventail impressionnant de possibilités nouvelles aussi bien au grand public quaux professionnels (navigateurs, topographes...). Lévolution du niveau des mers est un paramètre-clé du changement climatique, tant pour sa compréhension que pour son impact sociétal. Lexploration planétaire par les missions spatiales produit un nombre croissant de résultats pour la connaissance de notre Système solaire. La vérification et lamélioration des théories de la gravitation est actuellement une activité importante de la Physique fondamentale.Un facteur commun est sous-jacent à tous ces constats : le rôle crucial des références de temps et despace. Cest lambition de cet ouvrage que doffrir une brève encyclopédie sur ce domaine. Partant dun panorama historique qui insiste sur lévolution des concepts, il aboutit à une présentation de létat actuel, illustrant le rôle majeur des techniques spatiales, et surtout des horloges atomiques qui placent le temps comme élément fondamental sur le plan métrologique