1 / 38

Étude des performances ultimes d’une horloge compacte à atomes froids :

Étude des performances ultimes d’une horloge compacte à atomes froids : Optimisation de la stabilité court terme. Soutenance de thèse de doctorat de l’université Pierre & Marie Curie présentée par François-Xavier ESNAULT. Plan de l’exposé.

lester-burton
Download Presentation

Étude des performances ultimes d’une horloge compacte à atomes froids :

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Étude des performances ultimes d’une horloge compacte à atomes froids : Optimisation de la stabilité court terme Soutenance de thèse de doctorat de l’université Pierre & Marie Curie présentée par François-Xavier ESNAULT

  2. Plan de l’exposé • Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  3. Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  4. Principe de fonctionnement d’un étalon de fréquence Signal utile ν(t) OSCILLATEUR LOCAL (quartz, laser, …) Résonateur atomique Corrections de fréquence P|f>  |e> Δν ~ 1/Tint SERVO |e> nat n hnat |f> Délivrer un signal utile dont la fréquence est très stable et connue en absolu. Ce signal sert de référence de fréquence pour différentes applications. But : Asservir la fréquence de l’oscillateur sur une résonance atomique. Principe : Horloges atomiques : • La mesure de la probabilité de transition permet de discriminer les fluctuations de fréquence • La résonance est d’autant plus étroite que le temps d’interaction Tint est grand

  5. Evaluation des performances Ecart type d’Allan ν(t) σy (τ) Bruit blanc σy (τ) = σy (1s).τ-0.5 10-13 ±σ νat (1 + ε) 10-14 10-15 νat 10-16 t τ 1s 104 s νat: Fréquence de transition de l’atome non perturbé (Cs : 9.192.631.770 Hz) L’exactitude de l’horloge est l’incertitude sur l’évaluation de ε. Exactitude : Ordre de grandeur Une mesure relative à 10-13 près revient à mesurer la distance Terre-Lune avec une erreur de l’ordre de l’épaisseur d’un cheveu !!! Le signal d’horloge : ν(t) = νat (1 + ε + y(t) ) Stabilité y(t): Fluctuations relative de fréquence. Caractérisée par l’écart-type d’Allan σy(τ). (σy (1s) ~ 10-13)

  6. Les applications Systèmes embarqués Echelles de temps Satellites de positionnement (GPS, GALILEO) Physique atomique & moléculaire Navigation des sondes spatiales (DSN) Physique fondamentale VLBI : astrométrie & géodésie Navigation Inertielle Relativité & gravitation Synchro. télécom Performances ultimes Horloges atomiques Horloges de laboratoire Horloges compactes

  7. Quelques horloges atomiques actuelles Volume Fontaines atomiques 2.10-14 – 5.10-13 ATOMES FROIDS  Faible vitesse résiduelle  Faible largeur de raie  Contrôle des effets long terme 103 L Horloges Optique < 10-14 PHARAO 10-13 GALILEO actuel 50 L P H-Maser 1.10-12 HORACE 2.10-13 GALILEO futur Sym. 5071A 5 10-12 OSCC 1 – 3 .10-12 NASA - Hg+ 2.10-13 RAFS 3 10-12 1 L σy(1s) 10 -14 10 -13 10 -12

  8. Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  9. Le projet HORACE HORACE = HOrloge à Refroidissement d’Atomes en CEllule 133 Cs : • Réalisation de la seconde SI • Transition d’horloge à 9.192 GHz • Refroidissement laser possible • Stabilité court terme < 5.10-13τ-1/2 • Stabilité long terme ~ 10-15 • Exactitude < 10-14 Objectifs : • Applications systèmes embarqués  Contraintes de volume

  10. HORACE : Une horloge compacte à atomes froids Fontaine • Séquence spatiale • Volume ~ 100 L • Tc ~ 1 s Interrogation 1.5 m 0.1 m Préparation Capture Détection HORACE • Séquence temporelle • Unicité de lieu • Volume ~ 1 L • Tc ~ 0.1 s Idée : • Réaliser toutes les interactions dans la cavité micro-onde • Adopter un fonctionnement séquentiel • La cavité doit répondre aux besoins de chaque phase du cycle d’horloge

  11. Comment refroidir les atomes dans la cavité ? Refroidissement en lumière isotrope Fibres optiques cavité  • La cavité micro-onde joue le rôle d’une sphère intégrante. Idée : Refroidir les atomes à 3D grâce à un champ lumineux isotrope obtenu par réflexions et/ou diffusions multiples sur les parois de la cavité micro-onde. • Facilité de mise en œuvre (fibres optiques) • Accès optiques très réduits  bon facteur de surtension micro-onde Avantages : Mélasse optique standard • Accès optiques importants ( ~ 1 cm) incompatible avec cavité micro-onde HORACE = Unité de lieu des interactions + refroidissement isotrope

  12. HORACE : Un cycle d’horloge Détection Prep. Refroidissement Interrogation Interrogation Micro-onde • Séquence de Ramsey • Limitée à 50 ms sur Terre Détection • Mesure par absorption Recapture des atomes froids • Une fraction du nuage est recapturée • Réduit la durée du chargement Recapture + refroidissement t Refroidissement isotrope et préparation cavité  • Chargement à partir d’une vapeur de Cs • Préparation par pompage optique • Calcul de la probabilité de transition • Correction de la fréquence de l’oscillateur

  13. Le dispositif expérimental Le ballon de quartz La cavité micro-onde Φ=4 cm • Cavité micro-onde en cuivre OFHC • Géométrie sphérique, mode TEM011 • ModélisationFEM (IRCOM) • Facteur de surtension µo Q ~ 104 • Protection Cuivre/Cs nécessaire • Commodité expérimentale • Transparent à 852 nm, stable • Polissage au niveau de 50 nm RMS • Réflectivité de 96 % à 852 nm • Décale la résonance de qq 100 MHz • Hublot pour faisceau de détection

  14. Le dispositif expérimental 200 mm 90 mm 300 mm L’enceinte à vide Antennes micro-onde Fibres multimodes(1,1,1) Zone horloge 2 L Temps de vol diagnostics Pompe ionique Ampoule Cs • Enceinte en titane TA6V • Soudure laser, Colles UHV Faisceau de détection

  15. Le banc optique à 852 nm 90 cm 90 cm Laser maître LCE • P = 20 mW, Δν =100 KHz • Détection 4 -> 5’ • Dépompeur 4 -> 4’ • Injection esclave Laser esclave FP • P = 45 mW • Refroidissement 4 -> 5’ • Δ = +2 Γ .. -12 Γ Laser DBR • P = 5 mW, Δν = 5 MHz • Repompeur 3 -> 4’ • Ce banc optique, destiné à l’étude au laboratoire, peut être considérablement simplifié (Réalisation d’un banc compact)

  16. Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  17. Comment optimiser la stabilité ? Tdet Tint Tcool t Bruit de l’oscillateur  Négligeable avec OCRS Bruits instrumentaux  Rendus négligeables Bruits atomiques  Limite ultime : • Compromis entre Tcool ,Tint , τcharg Séquence optimale : x Collisions Chargement Stabilité de fréquence de l’horloge • Le niveau de stabilité ne dépend que de Nmax  Optimisation de la phase de refroidissement

  18. Optimisation du nombre d’atomes • Refroidissement avec les faisceaux isotropes : • Chargement rapide (τ~80ms) car Tint est limité par la gravité • Lumière injectée : P=45 mW, Δ = -2 Г • Nombre d’atomes Ndet dans mF=0, mesuré par absorption • Jusqu’à 3.5 106 atomes froids dans mF=0 avec les faisceaux isotropes

  19. Optimisation du nombre d’atomes • Utilisation du faisceau de détection pendant le refroidissement • Compense les fuites lumineuses sur l’axe • Assiste le refroidissement • Faisceau : 120 µW, 0 Г • Gain de 2.5 sur Ndet • ~107 atomes refroidis dans mF=0 • Température • Paramètre peu critique sur Terre car Tint < 50ms • Mesure par temps de vol : T° ~ 35 µK • On atteint des températures de 5 µK avec une rampe d’intensité de quelques ms

  20. La recapture Nb atomes temps Etc… cycle 4 cycle 2 cycle 1 cycle 3 Principe : Le fonctionnement temporel permet de recycler les atomes froids. On augmente l’efficacité du chargement En régime stationnaire : R(Tint) traduit la fraction du nuage restant dans la zone de capture  recouvrement géométrique : gravité (Terre), température (espace)  pertes directes (collisions, sélection éventuelle, détection) • La recapture est d’autant plus efficace que Tcool et Tint sont courts • La recapture décale l’optimum du compromis vers les séquences courtes

  21. La recapture • Gain de 1.6 sur l’efficacité du chargement de la mélasse pour Tint=30ms

  22. Conclusion sur le refroidissement d’atomes • Le nombre d’atomes froids • L’optimisation a permis de gagner un facteur 4 sur Ndet (2.5x1.6) • Sans complexification de la séquence ni du dispositif • Nmax ~ 107 atomes refroidis dans mF=0 • Ndet = 3 106 atomes dans mF=0 pour (Tcool, Tint) = (40 ms, 30 ms) • La température • Avec intensité et désaccord fixe : T°=35 µK • Possibilité d’atteindre 5 µK avec un contrôle d’intensité • Aspects expérimentaux • La géométrie isotrope montre une grande simplicité de mise en oeuvre • Faible puissance requise (45 mW) • Inconvénient • Distribution spatiale du nuage mal connue (forme & fluctuations)

  23. Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection & optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  24. Etude de la séquence de détection But : Détecter le signal atomique avec un minimum de bruit Réduction des bruits instrumentaux Choix de la séquence optimale afin d’atteindre le régime où  Etude des fluctuations du nombre d’atomes froids

  25. Réjection du bruit d’intensité du laser λ/4 2 I0 I0 Idet • Sensibilité au bruit d’intensité • Principal bruit instrumental pour HORACE Détection par absorption : • Typ. Signal atomique = 10-2I0 • On veut un RSB final = 103 < 10-5 cycle à cycle Idées : • Normaliser Idet par I0 en temps réel • Utiliser un faisceau faiblement saturant Idet • Méthode très simple • La contribution finale est au niveau de 7 10-6, palier au bruit de photons

  26. Comment atteindre la limite ultime en ? • Sur les fontaines atomiques on utilise une séquence de normalisation : • Mesure directe de la probabilité de transition • Totale immunité aux fluctuations du nombre d’atomes (~1%) • RSB ~ 100  quelques milliers • Sur HORACE cette normalisation présente peu d’intérêt : • 4 interactions optiques, 1 micro-onde • Durée ~ 10ms non négligeable • Nuit aux processus de recapture • Le nombre d’atomes froids est déjà très stable ! • Malgré un refroidissement peu contrôlé, les fluctuations d’un cycle à l’autre du nombre d’atomes froids sont en .

  27. La stabilité du nombre d’atomes froids Mesure : Évaluation des fluctuations cycle à cycle du nombre d’atomes froids. • Observation du bruit de grenaille pour Ndet >2 105 • RSB ~ 1000 pour Ndet=qq 106 • Obtenu sans normalisation • Refroidissement isotrope stable • Puissance laser non asservie • Fibres multimodes • Équilibrage de puissance (±20%) • Pas de contrôle de polarisation • Les fluctuations de Ndet sont limitées par le bruit de grenaille atomique

  28. La stabilité du nombre d’atomes froids Mesure : Évaluation des fluctuations relatives du nombre d’atomes dans le temps • Fluctuations au niveau de 1% sur 3h • Réalisé sans asservissement clim Simulations : Modélisation du comportement de l’horloge avec les variations observées du signal Ndet mesuré. 20 Tc  La méthode d’asservissement réjecte les fluctuations lentes devant Tc • Les fluctuations de Ndet ont un impact négligeable sur la stabilité long terme (hors déplacement collisionnel)

  29. Une séquence de détection très simple • le nombre d’atomes est très stable d’un cycle à l’autre  bon RSB • Les fluctuations long terme sont réjectées à un niveau non limitant • La normalisation n’est pas nécessaire pour HORACE Mesure de la population |F=4> Normalisation • Détection très simple et rapide : une unique impulsion de 2 ms • RSB limité par le bruit de grenaille (~1000 pour 1.5 106 atomes détectés )

  30. Les franges de Ramsey Séquence typique • Tcycle = 80 ms • Tcool = 40 ms • Tint = 30 ms • Δν = 18 Hz • Contraste ~ 95 % • Ndet~ 1.5 106 • RSB ~ 900

  31. Bilan de bruit

  32. Meilleure stabilité obtenue Résultat : jusqu’à 4 10-15 à 5 103 sec Oscillateur local : OCRS + H-Maser 2,2 4 10-15 Pas de stabilisation des effets long terme (thermique)

  33. Dégradation de la stabilité par l’oscillateur local • Seuls les oscillateurs à quartz sont utilisables pour les applications embarquées • Leur bruit de fréquence n’est pas négligeable • HORACE a un fonctionnement cyclique. (Rapport cyclique=Tint/Tcycle=0.4) • La stabilité est dégradée par échantillonnage du bruit du quartz • Les coefficients gn décroissent rapidement  Quartz optimisé vers la fréquence de cycle fcycle • HORACE fcycle=12 Hz, Rc=0.4 • Quartz Wenzel Blue Top  σy.OL~ 10-13τ-1/2 • L’utilisation d’un oscillateur à quartz dégrade peu la stabilité d’HORACE : Cryo.  2.2 10-13 / Quartz  2.4 10-13 @ 1sec

  34. Généralités sur les étalons de fréquence et horloges atomiques • L’horloge HORACE : concepts et dispositif expérimental • Etude de la séquence de refroidissement • Etude de la séquence de détection et optimisation de la stabilité court terme • Conclusion & Perspectives

  35. Conclusions et perspectives • Séquence et dispositif très simple • Efficacité et robustesse du refroidissement isotrope / recapture • Détection simple à une impulsion • RSB limité par le bruit de grenaille atomique • Stabilité court terme de 2.2 10-13 τ-1/2 • Comparable aux meilleurs étalons primaires : • Environ 10x meilleure que les horloges embarquées actuelles • Dégradation mineure avec un oscillateur à quartz • JP0  3.5 10-13 τ-1/2 • Fontaine + quartz  1.2 10-13 τ-1/2 • Stabilité de 4 10-15 @ 5000 s • Résultat préliminaire encourageant • Aucune stabilisation thermique pour le moment • Perspectives • Etude de la stabilité long terme & exactitude (effets spécifiques à HORACE) • Etude des performances attendues en micro-gravité • Miniaturisation du dispositif

  36. La micro-gravité La micro-gravité : Le temps d’interrogation n’est plus limité par la chute des atomes • Largeur de raie très étroite (PHARAO) • L’expansion thermique du nuage devient le paramètre limitant HORACE : • Pression de Cs plus faible que sur Terre • Temps d’interrogation de qq 100 ms • Recapture plus efficace • Modélisation réaliste : • RSB(Ndet) mesuré • Modèle recapture Avec T° = 5µK : • Stab. Ultime : 8 10-14 τ-1/2 • Quartz PHARAO : 10-13 τ-1/2 • Gain de 2 en micro-gravité • Même dispositif expérimental

  37. Miniaturisation du dispositif • Impératif pour une application embarquée Enceinte à vide (vide, optique, µo) Points délicats : Banc optique pour refroidissement • Intérêts du refroidissement isotrope • Refroidissement à fréquence fixe • Faible puissance nécessaire (recyclage par la cavité) • Température sub-Doppler avec rampe d’intensité • Pas de mise en forme des faisceaux • Pas de contrôle d’équilibrage • Pas de contrôle de la polarisation • Développement au SYRTE d’un banc compact simplifié (format A4) : 1 source Laser Génération des fréquences avec un MEO Switch optique MOEMS Objectif réaliste pour HORACE : ~ 10-13 τ-1/2 dans un volume de quelques litres

  38. FIN

More Related