1 / 40 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. Soutenance de thèse de doctorat de l’Université Pierre & Marie Curie présentée par Olga KOZLOVA 16 janvier 2012
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1 / 40 Caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique de césium. Principaux effets pouvant affecter la stabilité
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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.
Soutenance de thèse de doctorat de l’Université Pierre & Marie Curie
présentée par
Olga KOZLOVA
16 janvier 2012
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Principe de fonctionnement d’une horloge atomique
Le signal d’horloge est délivré par un oscillateur asservi sur une résonance atomique.
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(t) = at ( 1+ + y(t) )Signal délivré par une horloge :
Caractérisation des performances d’une horloge atomique
at : fréquence non perturbée
: déplacements de fréquence
y(t): fluctuations relatives
Exactitude : l’incertitude sur l’évaluation de ε.
Stabilité : déterminée par les fluctuations y(t). Caractérisée par l’écart-type d’Allan σy(τ).
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Horloge CPT - stabilité
Stabilité court terme:
Stabilité moyen-long terme:
Fixée par :
- Rapport signal à bruit (SNR)- Largeur de la résonance
Temps de cycle
Temps de moyennage
Fréquence de transition
Limitée par les fluctuations des déplacements de fréquence
bruit de signal
Pente de discriminateur
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Applications des horloges atomiques
Performances ultimes
Horloges de laboratoire Horloges compactes
Echelles de temps
Physique fondamentale
Physique atomique & moléculaire
Relativité & gravitation
Navigation des sondes spatiales (DSN)
Satellites de positionnement (GPS, GALILEO,
GLONASS)
VLBI : astrométrie & géodésie
Navigation Inertielle
Synchro. télécom
Métrologie
Systèmes embarqués
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Horloges compactes
σy(1s)
Volume
10 -11
10 -10
10 -13
10 -12
0.01 L 1 L 100 L
Micro-horloges
MAC-TFC 2·10 -10
Kernco 7·10 -11
Symmetricom 1·10 -11
RAFS (Rb) 3·10 -12
OSCC (Cs) 3 ·10 -12
H-maser 7·10 -13
LITS Hg+ 1·10 -13
HORACE (Cs) 2·10 -13
POP Inrim (Rb) 2·10 -13
Rb Neuchâtel 5·10 -13
CPT pulsé (Cs) 7·10 -13
RAFS (Rb) Symmetricom1·10 -11
GNSS applications (future génération)
Jet Cs
5·10 -12
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Plan de l’exposé
1. Introduction
2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE
3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale
4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité).
5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme. 6. Conclusion et Perspectives
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Piégeage cohérent de population (Coherent Population Trapping)
états "couplé ", "non-couplé" et excité
A résonance et pour la différence des phases entre les champs multiple de π, aucune excitation de l'état |NC> vers un état excité |3> n’est possible.
Le système est découplé de la lumière, absence d’absorption.
[Alzetta et al., 1976]
ωHFS
Systèmes réels relaxation :
la transmission ≠100 % la résonance est élargie
Laser Cellule
ωHFS ω1 -ω2
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Causes d’élargissement de la résonance CPT
Collisions avec les parois de la cellule
Élargissement dû au temps de vol
Élargissement dû à l’intensité laser
Collisions d’échange de spin
Gaz tampon (G.T.) Revêtement anti-relaxant (A.R.)
Augmentation du diamètre du faisceau Gaz tampon (G.T.)
Diminution de l’intensité laser Interrogation pulsée
Diminution de la densité (température)
Problème Solution
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Principe et réalisation d’une horloge CPT
Atomes alcalins: 133Cs ou 87Rb ou 85Rb + un gaz tampon.
Réalisation :
Pour obtenir la résonance sur les sous niveaux Zeeman mF = 0, on utilise des polarisations circulaires.
Le champ bi-fréquence est obtenu en modulant le courant d’une diode laser → bandes latérales.
La largeur de la résonance est limitée par l’élargissement dû à l’intensité laser (intensité de saturation ~ µW/cm2).
Principe :
0 500 1000 15000
500
1000
1500
2000
2500
3000
FW
HM
, H
zIntensité totale, µW/cm2
ωHFS
interdit par règles de sélection
Simplicité et compacité
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Gain en signal, en stabilitéRaie D1 du Cs, plutôt que D2 ou Rb.
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Horloge CPT pulsée développée au SYRTE
Particularités
Deux lasers verrouillés en phase, plutôt que modulation de courant, ou qu’un EOM.
Deux polarisations linéaires croisées, plutôt que polarisations circulaires.
Interrogation pulsée de type Ramsey, plutôt que interrogation continue.
Pas de raies parasites, plus de degrés de liberté
Gain en signal pour une largeur de raie étroite, diminution du déplacement lumineux
Pas de pertes d’atomes sur les sous-niveaux Zeeman extrêmes, gain en signal
2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE
3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale
4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité)
5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme. 6. Conclusion et Perspectives
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Déplacement collisionnel Cs – gaz tampon
P0 – pression de gaz tampon à température de référence T0 = 0˚C, β, δ, γ – coefficients T – température du gaz tampon en ˚C
Un gaz tampon permet de réduire la largeur de la résonance, mais il induit un déplacement, et ce déplacement collisionnel est sensible à la température (jusqu’à la dizaine de Hz/˚C).
Annulation de la sensibilité thermique:
2
invT
Un seul gaz : Mélange des gaz :
)(2 21
21
r
rTinv
1
2
P
Pr
²][*0 TTPv
Cellules : 4 avec Ne, 5 avec N2, 5 avec Ar
21
Pour déterminer les coefficients β, δ, γ il faut mesurer:
- le déplacement de la transition d’horloge du Cs Δν en fonction de T
- la pression de gaz tampon dans la cellule
! Mais pour Cs ces coefficients sont mal connus ou inconnus.