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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. / 40.

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Presentation Transcript
slide1

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

/ 40

16 janvier 2012

principe de fonctionnement d une horloge atomique
Principe de fonctionnement d’une horloge atomique

Le signal d’horloge est délivré par un oscillateur asservi sur une résonance atomique.

/ 40

slide3

Caractérisation des performances d’une horloge atomique

Signal délivré par une horloge :

n(t) = nat ( 1+ e + y(t))

nat : fréquence non perturbée

e: 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).

/ 40

horloge cpt stabilit
Horloge CPT - stabilité

Stabilité court terme:

Fixée par :

- Rapport signal à bruit (SNR)

- Largeur de la résonance

bruit de signal

Temps de cycle

Temps de moyennage

Fréquence de transition

Pente de discriminateur

Stabilité moyen-long terme:

Limitée par les fluctuations des déplacements de fréquence

4

/ 40

applications des horloges atomiques

Echelles de temps

Satellites de positionnement (GPS, GALILEO, GLONASS)

Métrologie

Physique atomique & moléculaire

Navigation des sondes spatiales (DSN)

Physique fondamentale

VLBI : astrométrie & géodésie

Navigation Inertielle

Synchro. télécom

Relativité & gravitation

Applications des horloges atomiques

Systèmes embarqués

Performances ultimes

/ 40

Horloges de laboratoire

Horloges compactes

horloges compactes

MAC-TFC 2·10 -10

Kernco 7·10 -11

RAFS (Rb) Symmetricom1·10 -11

Symmetricom 1·10 -11

Jet Cs

5·10 -12

Horloges compactes

σy(1s)

Micro-horloges

10 -10

RAFS (Rb) 3·10 -12

10 -11

CPT pulsé (Cs)7·10 -13

OSCC (Cs) 3 ·10 -12

Rb Neuchâtel 5·10 -13

10 -12

HORACE (Cs) 2·10 -13

H-maser 7·10 -13

POP Inrim (Rb) 2·10 -13

GNSS applications (future génération)

LITS Hg+ 1·10 -13

10 -13

/ 40

0.01 L

Volume

1 L

100 L

plan de l expos
Plan de l’exposé

1. Introduction2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité). 5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme.6. Conclusion et Perspectives

/ 40

pi geage coh rent de population coherent population trapping

Laser

Cellule

ωHFS

ω1 -ω2

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 deπ, aucune excitation de l'état |NC> vers un état excité |3> n’est possible.

ωHFS

[Alzetta et al., 1976]

Le système est découplé de la lumière, absence d’absorption.

  • Systèmes réels  relaxation :
  • la transmission ≠100 %
  • la résonance est élargie

/ 40

causes d largissement de la r sonance cpt
Causes d’élargissement de la résonance CPT

Problème

Solution

  • 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)

/ 40

principe et r alisation d une horloge cpt
Principe et réalisation d’une horloge CPT

Réalisation :

Principe :

Atomes alcalins: 133Cs ou 87Rb ou 85Rb + un gaz tampon.

ωHFS

Le champ bi-fréquence est obtenu en modulant le courant d’une diode laser → bandes latérales.

Pour obtenir la résonance sur les sous niveaux Zeeman mF = 0, on utilise des polarisations circulaires.

La largeur de la résonance est limitée par l’élargissement dû à l’intensité laser (intensité de saturation ~ µW/cm2).

Simplicité et compacité

interdit par règles de sélection

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horloge cpt puls e d velopp e au syrte
Horloge CPT pulsée développée au SYRTE

Particularités

Raie D1 du Cs,plutôt que D2 ou Rb.

Gain en signal, en stabilité

Deux lasers verrouillés en phase,plutôt que modulation de courant, ou qu’un EOM.

Pas de raies parasites, plus de degrés de liberté

Deux polarisations linéaires croisées, plutôt que polarisations circulaires.

Pas de pertes d’atomes sur les sous-niveaux Zeeman extrêmes, gain en signal

Interrogation pulsée de type Ramsey,plutôt que interrogation continue.

Gain en signal pour une largeur de raie étroite, diminution du déplacement lumineux

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[N.Castagna UFFC 2009]

[thèse T.Zanon 2005]

sch ma et principe

B

Schéma et principe

Cycle (τ + TR ~ 7ms) : preparation - evolution - detection

- Cycle: préparation - évolution - détection

- Chaque impulsion : détection et pompage

- PM ou FM

Signal de transmission

ΔνCPT=1/[2TR]

Fréquence

/ 40

stabilit
Stabilité

Dégradation de lastabilité long terme

- Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon)

  • - Déplacement lumineux

- Déplacement Zeeman du 2ème ordre

/ 40

plan de l expos1
Plan de l’exposé

1. Introduction2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité) 5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme.6. Conclusion et Perspectives

/ 40

d placement collisionnel cs gaz tampon
Déplacement collisionnel Cs – gaz tampon

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).

P0 – pression de gaz tampon à température de référence T0 = 0˚C,

β, δ, γ – coefficients

T – température du gaz tampon en ˚C

Annulation de la sensibilité thermique:

! Mais pour Cs ces coefficients sont mal connus ou inconnus.

Un seul gaz :

Mélange des gaz :

[Beverini et al., 1976] [Arditi et al., 1958]

  • 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

Physics Dpt, Fribourg University, Switzerland;

Toptica Photonics AG, Germany;

Sacher Lasertechnik GmbH, Germany;

Triad Company, USA;

Cellules :

4 avec Ne,

5 avec N2,

5 avec Ar

/ 40

d placement de la transition d horloge du cs en fonction de t
Déplacement de la transition d’horloge du Cs en fonction de T

Plage de température : 25 – 65 ˚C

Corrections : - Déplacement Zeeman de 2ème ordre - Déplacement lumineux (extrapolation à intensité nulle)

N2

Ne

Ar

100 Hz

100 Hz

100 Hz

 Mesure de pression P0 dans les cellules scellées.

/ 40

mesure de la pression de gaz tampon dans la cellule d placement

F’ = 4

1.2 GHz

F’ = 3

4 - 4’

3 - 4’

4 - 3’

3 - 3’

F = 4

9.2 GHz

F = 3

Mesure de la pression de gaz tampon dans la cellule - Déplacement

Procédure:

1)Mesure de déplacement collisionnel des transitions optiques (Sm).

2)Pression du gaz tampon (Pm) déduite à l’aide des coefficients publié κm.

Procédure:

1)Mesure de déplacement collisionnel des transitions optiques (Sm).

2)Pression du gaz tampon (Pm) déduite à l’aide des coefficients publié κm.

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mesure de la pression de gaz tampon dans la cellule coefficient
Mesure de la pression de gaz tampon dans la cellule - Coefficient

Procédure:

1)Mesure de déplacement collisionnel de transitions optiques (Sm).

2)Pression du gaz tampon (Pm) est déduite à l’aide des coefficients publié κm.

[J.P.Kielkopf 1976]

!Maisles valeurs de κ sont données pour des températures différentes et doivent être corrigées.

Finalement, la pression du gaz tampon est mesurée avec une incertitude de 2%.

L’incertitude sur la pression va limiter l’incertitude sur les coefficients β, δ, γ.

/ 40

valeurs des coefficients un seul gaz tampon
Valeurs des coefficients β, δ, γ. Un seul gaz tampon.

Déplacement collisionnel de la transition d’horloge de Cs

Valeurs des coefficients

Les coefficients β et δ sont mesurés avec une meilleure incertitude.

Le coefficient γ est mesuré pour lapremière fois.

γ

δ

β

Ne

N2

[O.K. et al., PRA 2011]

Ar

Annulation de la dépendance thermique

  • Un seul gaz
  • Mélange des gaz
  • Température d’inversion
  • NeTinv = 79 ± 3˚C, idéal pour micro-horloges
  • N2 Tinv = 164 ± 13˚C

Signes de la dépendance opposées

/ 40

[O.K. et al., IEEE 2011]

annulation de la d pendance thermique deux gaz
Annulation de la dépendance thermique - deux gaz.

Annulation de la dépendance thermique

  • Mélange des gaz (Ar-N2)

r =0.61

29˚C

r =0.60

r =0.57

/ 40

r alisation de la cellule optimale
Réalisation de la cellule optimale.

Tinv (˚C)

Annulation de dépendance thermique de fréquence

Gaz ou mélange

Cellule optimale

Pression

Optimisation de la durée de vie de la cohérence

Dimensions

Température du maximum de signal

T2 (ms)

Tmax(˚C)

21

/ 40

r alisation de la cellule optimale1
Réalisation de la cellule optimale.

29˚C

Dépendance nulle

Calculs Expérience

r =0.60

Notre cas: D 20mm L 50 mm, r=0.60 P opt=21 torr

Max. amplitude

Cellule:

- D = 20 mm, L = 50 mm- Mélange Ar/N2, r = 0.60, (Tinv =29˚C) - Pression totale 21 torr, (T2 maximal) - Température de fonc. = 29˚C (signal max.)

Cellule D 20mm L 50 mm

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plan de l expos2
Plan de l’exposé

1. Introduction2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale4. 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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amplitude et s quence
Amplitude et séquence.

1. Temps de Ramsey TR 2. Temps de pompage τ 3. Instant de détection td 4. Temps de mesure tm

1. Temps de Ramsey TR = 4 ms

Relaxation de la cohérence

Optimum : TR = T2

Temps, ms

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amplitude et s quence1
Amplitude et séquence.

1. Temps de Ramsey TR 2. Temps de pompage τ 3. Instant de détection td 4. Temps de mesure tm

2. Temps de pompage

τ = 2 - 3 ms

4. Temps de mesure

tm = 0.025 ms

3. Instant de détection

td = 0.010 ms

/ 40

amplitude et champ magn tique

La somme

Amplitude et champ magnétique

Schéma double Λ:

Effet des transitions adjacentes

TR = 4 ms

[Boudot, 2009]

/ 40

L’optimum du champ magnétique dépend de la largeur des franges Δν = 1 / [2 TR]

amplitude et temp rature
Amplitude et température

La température optimale pour le maximum du signal est le compromis entre

la densité de Cs et absorption, relaxation

La température optimale dépend aussi de l’intensité laser

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plan de l expos3
Plan de l’exposé

1. Introduction2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité)5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme6. Conclusion et Perspectives

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stabilit de fr quence moyen long terme
Stabilité de fréquence à moyen-long terme

Stabilité moyen-long terme:

Influencée par:

- Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon)

  • - Déplacement Zeeman de 2ème ordre

- Déplacement lumineux et effets de puissance laser

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effet de puissance laser
Effet de puissance laser

Effet négligeable.

  • Désaccord optique
  • Intensité totale
  • Rapport des intensités
  • Intensité totale et
  • température de la cellule

Effet non négligeable, mais pas dominant.

Influence de paramètres jusqu’à 104 secondes.

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rapport des intensit s
Rapport des intensités

Effet négligeable.

  • Désaccord optique
  • Intensité totale
  • Rapport des intensités
  • Intensité totale et
  • température de la cellule

Effet non négligeable, mais pas dominant.

Effet très important, limitant.

jusqu’à 104 secondes.

/ 40

intensit totale et temp rature de la cellule
Intensité totale et température de la cellule

Effet négligeable.

  • Désaccord optique
  • Intensité totale
  • Rapport des intensités
  • Intensité totale et
  • température de la cellule

Effet non négligeable, mais pas dominant.

Effet très important, limitant.

Effet important, peut être limitant.

Pour certaines températures la sensibilité à l’intensité totale peut être réduite.

! Une sensibilité supplémentaire aux variations de la température de la cellule, en plus du déplacement collisionnel.

jusqu’à 104 secondes.

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d placement lumineux dissym trie de la r sonance
Déplacement lumineux. Dissymétrie de la résonance.

Déplacement lumineux:

[J.Vanier et al., 1998]

[M.Zhu et al., 2000]

[T.Zanon et al., 2011]

Effet de dissymétrie de la résonance:

Dissymétrie = Δy / y

/ 40

causes de dissym trie de la r sonance
Causes de dissymétrie de la résonance
  • Désaccord optique (dissymétrie ~ 10-5 )
  • Recouvrement des raies optiques ( 10-6 )
  • CPT via un autre niveau excité ( 10-4 )
  • Pics adjacents ΔmF=2 ( 10-2 )
  • Gradient d’intensité

Pics adjacents (ΔmF=2)

Désaccord optique

CPT via autre niveau excité

Recouvrement

×100

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d placement lumineux et effet de puissance bilan
Déplacement lumineux et effet de puissance - Bilan

Effet négligeable.

  • Désaccord optique
  • Intensité totale
  • Rapport des intensités
  • Intensité totale avec la
  • température de la cellule

Effet non négligeable, mais pas dominant.

Effet très important, limitant.

Effet important, peut être limitant.

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plan de l expos4
Plan de l’exposé

1. Introduction2. Horloge à piégeage cohérent de population développée au SYRTE3. Déplacement collisionnel (Cs – gaz tampon) et réalisation d’une cellule optimale4. Optimisation des paramètres (séquence, champ magnétique, intensité)5. Contribution des effets à la stabilité de fréquence à moyen-long terme6. Conclusion et Perspectives

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conclusions
Conclusions

Étude des déplacements collisionnels Cs – gaz tampon Ne, Ar et N2.

  • Amélioration de la précision sur les coefficients linéaires de pression et de température
  • Ne et N2 : coefficient quadratique mesuré pour la première fois, n,Ar : on donne une limite supérieure.

Études des effets pouvant affecter la stabilité moyen long terme.

à 10 4 s

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conclusions1
Conclusions

Amélioration de la stabilité moyen-long terme

Gain de facteur 40 sur la stabilité moyen-long terme

  • Mélange des gaz pour annuler la dépendance thermique du déplacement collisionnel
  • Solutions pour réduire la sensibilité thermique des éléments sur le banc optique
  • Contrôle de l’intensité de chaque laser
  • Paramètres optimisé (séquence, champ magn., température de cellule)
  • Isolation thermique et acoustique

Stabilité

2.5·10-14 à 1 heure

Avril 2008

Mélange pas optimisé

Aucun contrôle de l’intensité laser

Janvier 2010

Mélange pas optimisé

Améliorations sur le banc optique

(éléments sensibles à T˚C)

Contrôle de l’intensité laser

Octobre 2011

Mélange optimisé

Meilleur contrôle de l’intensité laser

Meilleur isolation therm. et acoust.

Paramètres optimisés

2.5·10-14

/ 40

perspectives
Perspectives
  • Les effets liés à la puissance laser restent limitants pour la stabilité gflong terme et des améliorations doivent être apportées sur ce point.
  • Grosse marge de progression possible sur la stabilité court termehtt(limite de bruit de grenaille 2·10-14τ-1/2).
  • Miniaturisation: laser bi-frequence,

isolateur pour deux polarisations,

oscillateur à quartz

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amplitude et temp rature1
Amplitude et température

T2 ˚C

T1 ˚C

<

I2

I1

<

Points - exp. Courbes - théorie

La température optimale pour le maximum du signal est le compromis entre

la densité de vapeur de Cs et absorption sur les sous niveaux Zeeman, relaxation

Température optimale dépend de l’intensité laser

intensité

I2

cellule

I1

T1 °C

T2 ˚C

longueur

Les résultats sont en accord qualitatif avec un modèle numérique simple basé sur le calcul des coefficients d’absorption.

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