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Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les fontaines atomiques

Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les fontaines atomiques. Y. Le Coq , J. Millo, S. Bize, J. Guéna, H. Jiang, M. Abgrall, E.M.L. English, M.E. Tobar*, A. Clairon, G. Santarelli. SYRTE – Observatoire de Paris, France * University of Western Australia.

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Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les fontaines atomiques

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Presentation Transcript

  1. Micro-onde à bas bruit de phase avec un laser femto fibré pour les fontaines atomiques Y. Le Coq, J. Millo, S. Bize, J. Guéna, H. Jiang, M. Abgrall, E.M.L. English, M.E. Tobar*, A. Clairon, G. Santarelli SYRTE – Observatoire de Paris, France * University of Western Australia

  2. Plan de l’exposé • Introduction et vue d’ensemble • Lasers continus stabilisés sur cavité • Stabilisation d’un peigne de fréquence • Génération de signal micro-onde bas-bruit • Interrogation de la fontaine atomique • Conclusion et perspectives

  3. Horloges atomiques But: délivrer un signal dont la fréquence est stable et universelle Les fréquences de Bohr d’un atome non perturbé sont a priori stable et universelle ε : décalage relatif de la fréquence exactitude: incertitude totale sur ε y(t) : fluctuations relatives de fréquence stabilité: propriétés statistiques de y(t), caractérisées à l’aide de la variance d’Allan y2() (~quelle précision en moyennant pendant un temps t) Principe d’une horloge atomique macroscopic oscillator output correction atoms Bruit de projection quantique :Nombre fini d’atomes  résolution limitée interrogation Opération séquentielle

  4. Motivations • Horloges atomique en fontaine  limitée par le bruit de projection quantique (QPN) à quelques 10-14 @ 1s • “effet Dick”  nécessite µ-Onde < 10-14 @ 1s pour atteindre QPN • Oscillateurs saphir cryo (LHe) (~10-15@1s – 100s) • Domaine optique : stabilitées meilleures ou équivalentes (laser stabilisés sur cavités ultra-stables) • Utilisation d’un laser femto pour relier l’optique au µ-onde • Femto Ti:Saph : • µOnde < 10-15 @ 1s (S. Diddams & coworkers)  • Fiabilité • Femto à fibre Er : • Fiabilité  • µOnde ~10-14 @ 1s (B. Lipphardt & coworkers)  Compatible avec les horloges atomiques en fontaines

  5. Constellation d’horloges atomiques au SYRTE Oscillateur Saphir Cryo. H-maser H, µW Fontaine FO1 Asservissement de phase~1000 s Horloge optique à réseau Macroscopic oscillator Hg, opt Cs, µW Fontaine FO2 Horloge optique à réseau Fontaine transportable FOM Sr, opt Rb, Cs, µW Cs, µW

  6. Laser stabilisé sur cavité PDH Laser fibre Spectro. Ramsey Laser continu Asserv. Stabilisation du peigne Horloge en fontaine atomique µ-Onde Détection de la cadence de répétition Peigne de fréquences optiques Vue d’ensemble de l’expérience

  7. Plan de l’exposé • Introduction et vue d’ensemble • Lasers continus stabilisés sur cavité • Stabilisation d’un peigne de fréquence • Génération de signal micro-onde bas-bruit • Interrogation de la fontaine atomique • Conclusion et perspectives

  8. Lasers stabilisés sur cavités Systèmes lasers fiables (lasers fibrés) asservis sur cavité ultra-stable Fonctionnement continu • Cavités sous vide (~10-8 mbar) • Finesse : ~800 000 • Forme optimisée pour minimiser la sensibilité accélérométrique • En ULE pour coef. d’exp. Th.  • Boucliers thermiques (<1nK res.) (cte ~ 4j) • Sur table isolante des vibrations

  9. Lasers stabilisés sur cavités Stabilité de fréquence (fractionnelle) • Noir : • 2 cavités horizontales • ULE mirrors @ 1.55 μm •  ~2x10-15 @ 1s • Rouge : • 1 cav. horizontale et 1 verticale • miroirs en Fused Silica @ 1.06 μm (bruit thermique) •  ~8x10-16 @ 1s~7x10-16 @ 4s

  10. Plan de l’exposé • Introduction et vue d’ensemble • Lasers continus stabilisés sur cavité • Stabilisation d’un peigne de fréquence • Génération de signal micro-onde bas-bruit • Interrogation de la fontaine atomique • Conclusion et perspectives

  11. PDH Laser Synthétiseur ÷N Laser stab. sur cavité Loop filter Peigne de fréq. optiques Puissance de pompe Rep. rate detectionHarmonic @ m.frep x2 CEP non asserviefceo soustrait de fb Technique de stabilisation du peigne

  12. Circulateur Photodiode InGaAs rapide 9 mW filtre de Bragg ( 1 nm, bande passante) -27 dBm par harmonique Band pass filter ~ 9 or ~12 GHz Laser asservi sur cavité PDH Band pass filter Laser @ 1.55 μm ~400 MHz 1 mW Controle de polarization Stabilisation du peigne fibré Laser femto fibré Erbium @ 1.55 μm Larg. ~100 nmfrep ~250 MHz~30 mW Fibre hautement non-linéaire mesure de fceo

  13. Plan de l’exposé • Introduction et vue d’ensemble • Lasers continus stabilisés sur cavité • Stabilisation d’un peigne de fréquence • Génération de signal micro-onde bas-bruit • Interrogation de la fontaine atomique • Conclusion et perspectives

  14. laser fs Ti:Saph @ 830 nm Laser fs fibré Er @ 1.55 µm µOnde : Ti:Saph vs femto fibre PDH Laser @ 1.55 μm Laser @ 1.06 μm Analyse:compteur/FFT PDH ~9.2GHz lien fibré 30m ~9.2GHz LD Noise cancelled Facteur de division : 128 BW: ~120 kHz puissance pompe (modulation de l’alim.) S/N = 25 dB in 300 kHz RBW frep = 770 MHz Facteur de division: 8 BW: ~400 kHz puissance pompe (AOM) S/N = 40 dB dans 300 kHz RBW

  15. 10-14 Compteur Π(sans temps morts), 400 Hz BW 2x10-15 3.6x10-15 @ 1s 10-15 µOnde : Ti:Saph vs femto fibre Stabilité de fréquence (fractionnelle)

  16. Outline • Introduction and overview • Cavity stabilized lasers • Frequency comb stabilization technique • Low noise microwave generation • Interrogation of the atomic fountain • Conclusion and perspectives

  17. Stabilité de la fontaine limitée par le bruit de projection quantique : 3.5x10-14τ-1/2 Oscillateur Saphire Cryogénique OSC pour interroger la fontaine FO2 Spectro. Ramsey Horloge atomique fontaine (Cs) 9.192 GHz Synthèse de fréquence 11.98 GHz Synthèse de fréquence 11.932 GHz

  18. Compt. Π, 10 Hz BW Oscillateur Saphir Cryogénique Compteur de freq. 11.932 GHz Laser femto-fibre Er Clock signal 11.932 GHz LD PDH Laser @ 1.55 μm Corrections de fréquences Lien fibré 300m ~106 atoms/coup Noise cancelled Femto-fibre pour interroger la fontaine FO2 Spectro. Ramsey Horloge atomique fontaine (Cs) 9.192 GHz Frequency synthesis 11.98 GHz Frequency synthesis 11.932 GHz

  19. Femto-fibre pour interroger la fontaine FO2 Stabilité de fréquence (fractionnelle) 106 atomes/cp limité par le bruit de proj. Quantique Fontaine atomique Femto fibrefsvsoscillateur cryo Résultat identique quand l’oscillateur cryo pilote la fontaine 2.9x10-15 @ 1s J. Millo et al., Appl. Phys. Lett., 94, 141105 (2009)

  20. Conclusions et perspectives • µ-Onde bas bruit générée à partir de l’optique à ~3x10-15@1s • Système fiable et robuste (locké plusieurs jours) • Signal µ-Onde signal utilisé pour la fontaine atomique : bruit de proj. Quantique à 3.5x10-14τ-1/2 • Asservissement long terme sur H-Maser et TAI • Améliorer la conversion Optique → µOnde • Investigation d’une solution alternative pour le laser CW de référence  “système tout fibré” • Kéfélian et al. Optics Letters 34, 914 Merci !

  21. µWave generation: Ti:Sapph vs Er fiber combs Phase noise -90 dB rad2/Hz @ 1Hz

  22. Réponse thermique de la cavité Hg Filtre passe bas du 1er ordre Constante de temps de 4 jours Dérive de la cavité ~50mHz/s soit ~2x10-16/s Réalisé par : S. Bize, S. Dawkins, R. chicireanu, D. Magalhães, C. Mandache, Y. Le Coq

  23. Résultats - Stabilité

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