Syrte

Horloge à réseau optique ytterbium transportable (ANR ROYMAGE)

Letargat Rodolphe — 2023-06-20T13:58:37Z

Nous avons débuté en 2021 l'élaboration et la construction de l'horloge optique à ytterbium neutre ROYMAGE (hoRloge Optique à Ytterbium Mobile Appliquée à l'exploration GEodésique). Après le césium, le rubidium, le strontium et le mercure, c'est donc un cinquième élément que nous étudions désormais au SYRTE, alors qu'une nouvelle définition de la seconde se dessine de plus en plus précisément.

Comme prédit par Einstein dès 1907, le temps est couplé au potentiel gravitationnel : c'est l'effet dit de dilatation gravitationnelle du temps. Pour une horloge atomique, cela se traduit par un couplage entre la fréquence et le géopotentiel localement ressenti par les atomes.

Nous sommes donc en train de construire l'instrument ROYMAGE pour qu'il soit transportable. Il pourra être connecté aux ~60 sorties du réseau fibré REFIMEVE (dissémination d'une porteuse ultrastable exacte à 1542 nm), et ainsi être comparé aux ~12 horloges optiques stationnaires européennes. Ces mesures permettront de contribuer aux références d'altitude et à la définition du géoïde, particulièrement dans les zones où les méthodes de géodésie classiques (nivellement, satellites) s'adaptent parfois mal aux changements brutaux de potentiel gravitationnel.

Plus de détails sur le site de l'ANR ROYMAGE.

ANR RYCARD

Lodewyck Jerome — 2023-03-23T17:09:23Z

Objectifs

Ce projet a pour but d'exploiter les propriétés remarquables des états de Rydberg pour faire avancer l'état de l'art des horloges atomiques optiques et des capteurs de champs électromagnétiques. La polarisabilité exceptionnelle des états de Rydberg sera utilisée pour mesurer précisément des champs micro-ondes. Cette méthode sera appliquée à la mesure du rayonnement du corps noir dans les horloges, et à l'imagerie électromagnétique de haute résolution dans une matrice d'atomes uniques, ces deux capteurs quantiques nécessitant des sensibilités similaires. Dans un deuxième temps nous explorerons des méthodes pour obtenir des mesures résolues en fréquence : dans la matrice d'atomes unique, chaque atome en adressera une fréquence différente, et dans les horloges nous viserons des transitions sensibles dans le domaine THz, proche du pic d'émission du rayonnement du corps noir. Enfin, nous exploiterons l'expérience théorique et expérimentale acquise dans ce projet pour définir des perspectives d'utilisation d'états intriqués afin de surpasser la limite quantique standard des capteurs quantiques. Pour atteindre ces objectifs, le consortium regroupe trois partenaires reconnus pour leur expertise en atomes de Rydberg, en capteurs quantiques à l'état de l'art et en manipulation d'états intriqués entre des atomes uniques.

Consortium

SYRTE, Observatoire de Paris : développement d'horloge à réseau optiques strontium de grande exactitude.
Laboratoire Aimé Cotton (LAC, Orsay) : théories et expériences (Yb) sur les atomes de Rydberg
ONERA (Palaiseau) : développement de capteurs de champ électrique micro-onde résolu spatialement et en fréquence

Membres du projet

Jérôme Lodewyck, SYRTE, Coordinateur
Patrick Cheinet, LAC
Sylvain Schwartz, ONERA
Alexis Bonnin, ONERA
Hugo Tortel Kepa, thèse en co-tutelle LAC et SYRTE

Recherche Post-doc !

Post-doc ouvert à l'ONERA sur le sujet "Métrologie quantique avec des atomes de Rydberg". Contacter Sylvain Schwartz.
Post-doc ouvet au SYRTE sur le sujet "Application des atomes de Rydberg aux horloges atomiques". Contactez Jérôme Lodewyck

Nouvelles

juin 2024 : Hugo Tortel remporte le prix de la meilleure affiche à la conférence EGAS 55 (Grenade)
avril 2024 : pré-publication de l'article "Metrology of microwave fields based on trap-loss spectroscopy with cold Rydberg atoms" https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.17445
novembre 2023 : début de la thèse d'Hugo Tortel Kepa, en co-tutelle entre le LAC et le SYRTE
octobre 2023 : prix du meilleur poster à la journée Quantum-Saclay le 3 octobre 2023
septembre 2023 : Romain Granier commence sa thèse à l'ONERA
septembre 2023 : Quentin Marolleau début un postdoc financé par le projet
Mars 2023 : Hugo Tortel a rejoint le projet pour sons stage de M2

Référence du projet

ANR-22-CE47-0009, 2022

Horloge à réseau optique basée sur le mercure

Bize Sebastien — 2018-07-10T13:44:14Z

L'horloge mercure du LNE-SYRTE est une horloge optique à atomes de mercure neutre de nouvelle génération utilisant un réseau optique dipolaire. Les atomes sont refroidis par laser et confinés dans un réseau de pièges dipolaires formé par une onde laser stationnaire dont la longueur d'onde est astucieusement choisie et bien contrôlée. On appelle cela une horloge à réseau optique. À l'aide d'un laser de très grande pureté spectrale nous adressons ensuite une transition étroite de l'atome de mercure (la transition d'horloge) et, par une mesure de probabilité de transition, nous déterminons de combien il faut corriger la fréquence de notre laser pour qu'il soit toujours accordé sur les atomes.

[!sommaire]

Pourquoi le mercure ?

En examinant les différentes sources de bruit et d'incertitude, on voit que l'espèce atomique idéale devrait posséder une transition d'horloge avec les caractéristiques suivantes :

une fréquence très élevée
une faible sensibilité aux champs magnétiques
une faible sensibilité au rayonnement thermique
un spin total de 1/2

et d'autres propriétés comme par exemple :

une transition permettant un refroidissement laser efficace
une section efficace de collision entre atomes froids non pathologique
la facilité d'obtenir l'atome à l'état de vapeur

Il se trouve que la transition entre l'état fondamental et l'état du mercure possède tous ces atout et notamment une fréquence de 1 PHz (c'est à dire 1 million de milliard de hertz) et une sensibilité au rayonnement thermique 30 fois plus petite que le strontium. Ceci permet d'envisager des exactitudes relatives ultimes au delà de 10^-18.

Et en pratique ?

En pratique nous avons besoin d'accomplir quatre actions sur les atomes : refroidir, piéger, interroger, détecter. Nous faisons cela dans une enceinte à vide dont vous voyez une image ci-contre, à l'aide de trois systèmes laser (le système de refroidissement permet aussi de détecter les atomes). Une des spécificités du mercure est qu'il est nécessaire d'utiliser trois lasers UV respectivement à 254 nm pour le refroidissement, à 362 nm pour le piégeage et à 266 nm pour l'interrogation.

Nous générons ces trois longueur d'ondes à partir de lasers infrarouge par une série d'étapes de génération de seconde harmonique (second harmonic generation) selon le schéma suivant :

Parmi nos derniers résultats...

Nous avons mesuré le rapport entre la fréquence de la transition d'horloge du mercure 199 et celle du strontium. Nous trouvons :
avec une incertitude relative de 1.8 x 10^-16, en très bon accord avec la mesure de Yamanaka et al.
Nous avons obtenu la mesure plus precise de la fréquence absolue de la transition d'horloge du mercure 199 (c'est-à-dire par rapport au Cs). Notre valeur est :

avec une incertitude statistique de 0.19 Hz et une incertitude systématique de 0.38 Hz, dominée par la réalisation de la seconde SI.

Pour approfondir

Vous pouvez lire notre dernière publication en accès libre ici
ou consulter les dernières thèse soutenues dans l'équipe :
- Maxime Favier
- Rinat Tyumenev
voir également la liste de nos publications ici

Membres de l'équipe

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Sébastien Bize
Luigi de Sarlo
James Calvert
Changlei Guo
Valentin Cambier

ANR CaOC

Lodewyck Jerome — 2017-10-09T12:19:59Z

Le projet ANR CaOC (Des cavités pour des horloges optiques) vise à allier des sources laser ultra-stable avec des méthodes de détection non destructive en cavité pour améliorer la stabilité des horloges optiques. Il fait partie du projet d'horloges Sr

Ce projet ANR-16-CE30-0003 est financé par l'ANR depuis janvier 2017 pour une durée de 36 mois, et mis en œuvre au SYRTE, Observatoire de Paris.

Objectifs

Plusieurs sources de bruit limitent actuellement la stabilité de fréquence des horloges à réseau optique

L'effet Dick, qui est un effet d'échantillonnage du bruit du laser d'horloge, et limite actuelle de la stabilité pour les horloge à réseau optique
Le bruit de projection quantique, qui est une limite fondamentale à la stabilité des capteurs quantiques. Pour une horloge à réseau optique interrogeant 10⁴ atomes indépendants, cette limite est aux alentours de 10^-17 à une seconde.

Ce projet vise à dépasser ces limites en combinant plusieurs systèmes innovants sur deux horloges à réseau optique utilisant des atomes de strontium :

une nouvelle cavité ultra-stable de grande longueur, utilisée comme oscillateur local pour les horloges. Avec un bruit de fréquence plus faible que les lasers utilisés actuellement, cette source ultra-stable permettra de réduire l'effet Dick et ainsi se rapprocher du bruit de projection quantique
une détection non-destructive en cavité pour la probabilité de transition dans les horloges. La non destructivité "classique" (les atomes sont toujours piégés après détection) sera utilisée pour réduire encore davantage l'effet Dick en réduisant le temps mort dans le cycle d'horloge grâce au recyclage des atomes. La non-destructivité quantique (des mesures successives de la probabilité de transitions montrent des corrélations meilleures que le bruit de projection quantique) sera utilisée pour démontrer qu'il est possible de dépasser le bruit de projection quantique dans les horloges à réseau optique.

Résultats

Une détection non-destructive a été démontrée sur l'une des deux horloges Sr du laboratoire. Elle utilise une cavité bi-chromatique pour le piégeage et la détection des atomes, et un système de détection hétérodyne.

Elle présente les caractéristiques suivantes :

Grand rapport signal-à-bruit grâce à une finesse élevée (16000).
Insensibilité aux sources de bruit techniques (fluctuations de la cavité ou de la fréquence du laser d'interrogation) grâce à une mesure différentielle du déphasage induit par les atomes dans la cavité.
Couplage homogène entre les atomes et la cavité par le couplage simultané de deux modes adjacents de la cavité.
Un bruit de détection de 4 atomes pour une détection dans le régime classique.
Un bruit de détection de 23 atomes pour une détection dans le régime quantique.

Cette détection est donc adaptée pour démontrer une stabilité de fréquence améliorée pour les horloges strontium.

Publications

A noise-immune cavity-assisted non-destructive detection for an optical lattice clock in the quantum regime
New J. Phys. 19 083002 (2017)
G. Vallet, E. Bookjans, S. Bilicki, U. Eismann, R. Le Targat, J. Lodewyck.
presentation au workshop du BIPM : The Quantum Revolution in Metrology (Sèvres, septembre 2017)
Non-destructive detection for strontium optical lattice clocks : towards a lattice clock in the quantum regime,
G. Vallet, S. Bilicki, E. Bookjans, R. Le Targat, and J. Lodewyck.
poster au Joint European Frequency and Time Forum (EFTF) and International Frequency Control Symposium (IFCS) (Besançon, juillet 2017)
Cavity assisted non-destructive detection for Sr optical lattice clocks,
J. Lodewyck et al.

Offres d'emploi

Post-doc
Stage M2/Thèse

Contact

Jérôme Lodewyck
Email : jerome.lodewyck (at) obspm.fr
Tel. : +33 (0) 1 40 51 22 24

Liens optiques ultra-stables

Lodewyck Jerome, Pottie Paul-Éric — 2015-01-30T17:08:37Z

Pour la comparaison d'étalons de fréquence et pour des application liées à la métrologie temps-fréquence, nous développons en collaboration avec le Laboratoire de Physique des Lasers une nouvelle technique de transfert temps-fréquence par fibre optique. Le point de départ est un laser ultra-stable à la longueur d'onde Telecom référencé aux horloges optiques et micro-onde du SYRTE à l'aide d'un peigne de fréquence. Le signal métrologique transporté par la fibre est la phase du laser. Une partie de la lumière du laser ultra-stable est injecté dans une fibre optique. Les perturbations apportées au signal métrologique par la fibre (dû aux fluctuations thermique et au bruit acoustique essentiellement) sont mesurées après un aller-retour dans la fibre et compensées par un système électronique actif.

Pour profiter de l'infrastructure de fibre existante, nous avons développé une collaboration avec RENATER et mis au point une technique de transfert en parallèle du flux de données, sans perturbation ni du signal métrologique, ni des données. Nous travaillons ainsi à la construction d'un réseau métrologique que nous cherchons à faire labelliser en tant qu'infrastructure de recherche nationale. C'est le projet d'investissement d'Avenir REFIMEVE+

Nous cherchons au laboratoire à développer la technologie, pour étendre la portée des liens optiques, améliorer encore le niveau de performance, trouver d'autres compromis performances/couts et enfin augmenter les capacités des liens (transfert RF, de temps, etc...) et leur champ d'application, notamment en sciences de la Terre et en sciences de l'univers.

Nous avons démontré dès 2012 le transfert simultané de temps et de fréquence sur 540 km de fibre déployée entre Paris et Reims. Nous travaillons actuellement à élaborer la technologie et à l'inclure au réseau REFIMEVE.

Enjeux

Une activité essentielle de la métrologie Temps-fréquence est la comparaison des fréquences d'horloge d'un ensemble d'horloges réalisées indépendamment : la comparaison permet de rechercher des biais et de s'assurer de leur exactitude, et de nous renseigner sur la dérive des constantes fondamentales de la physique. Aussi la comparaison entre des étalons primaires de fréquence au meilleur niveau nécessite un moyen de comparaison dont la résolution est meilleure que le plancher de bruit des horloges que l'on souhaite comparer.

Actuellement les comparaisons d'horloges à distance sont effectuées soit par GPS, soit par satellite de télécommunications. Les comparaisons sont limitées en stabilité relative à quelques 10^-15 pour un jour de mesure, ce qui est insuffisant pour les performances ultimes des étalons atomiques de fréquence actuels.

Pour des applications de la spectroscopie à ultra-haute résolution et de synchronisation de grands instruments - mesures de physique fondamentale, mesure de polluants atmosphériques, géodésie, astronomie,- la qualité des références de fréquence est un élément important du système expérimental et peut être un facteur limitant la résolution des mesures. Cependant la mise en oeuvre et le coût d'exploitation d'un étalon de fréquence de haute performance est souvent prohibitif pour l'utilisateur. La stratégie communément employée consiste à comparer la fréquence d'un oscillateur local avec un étalon de fréquence de meilleure qualité et d'exploiter le résultat de la comparaison pour discipliner l'oscillateur local sur la référence de fréquence. La solution la plus commode est d'exploiter les signaux du GPS. Là encore les progrès dans les laboratoires sont tels que la résolution de la comparaison devient un facteur limitant la résolution des mesures.

Objectifs

L'objectif de notre activité est de permettre la comparaison d'horloges à l'échelle européenne au niveau de 10^-18
et de disséminer à l'échelle nationale une référence de fréquence optique pour une vingtaine de laboratoires intéressés par les mesures de très haute résolution (projet REFIMEVE+).

: Projet de déploiement en région parisienne (REMIF).

Lien optique fibré

La technologie développée, en collaboration étroite avec le Laboratoire de Physique des Lasers (LPL, CNRS / Université Paris 13), consiste à coupler dans une fibre optique un laser ultra-stable référencé aux horloges optique et micro-onde du SYRTE. Le signal métrologique transporté par la fibre est la phase du laser. Les perturbations apportées au signal métrologique par la fibre (dû aux fluctuations thermique et au bruit acoustique essentiellement) sont mesurées après un aller-retour dans la fibre et compensées par un système électronique actif. Pour une meilleure réjection, on peut montrer qu'un lien subdivisé en plus petits segments permet une meilleure réjection du bruit. Démontré dès 2009, étendu puis amélioré, la technique a été démontré avec des prototypes de laboratoires jusqu'à Strasbourg. C'est la technologie clé de REFIMEVE+.

On peut aussi transférer un signal radio- fréquence en ajoutant une modulation d'amplitude au laser [4,6]. Nous avons montré récemment qu'on pouvait également transférer un signal de synchronisation et une référence de temps en ajoutant une modulation de phase. Le résultat de l'étude montre déjà des performances bien meilleures que par GPS [1].

On a montré que la démodulation optique par un interféromètre de Mach-Zehnder permettait d'améliorer encore les performances tout en réduisant les coûts et la complexité.

: Transfert simultané temps et de fréquence seul sur 540 km de fibre métropolitaine en parallèle du trafic de données.

: Transfert de fréquence seul sur 540 km de fibre métropolitaine en parallèle du trafic de données.

Les facteurs limitants cette technique sont l'atténuation du signal et la bande passante de la correction quand la longueur de la fibre devient très grande (typiquement au delà de quelques centaines de km).

Nous avons travaillé au développement de stations répétrices dans le domaine optique, sans dégradation du signal métrologique [3]. Ces stations sont maintenant complètement automatiques et pilotables à distance. Le savoir faire a été transféré à un consortium d'industriel, dont le chef de file est MuQuans. Les amplificateurs bi-directionnels sont également des produits commercialisés, par Lumibird-Keopsys.
Nous avons développé un transfert de savoir faire complet vers la société MuQuans, qui a réalisé le premier lien optique cohérent avec leurs produits commerciaux sur la liaison Paris-Lille.

Lien optique multiplexé

La deuxième difficulté est la disponibilité d'une fibre pour des applications métrologiques.

L'utilisation d'une fibre dédiée suppose la location, onéreuse, d'une paire de fibre auprès d'un opérateur. Cependant, notre signal n'étant pas- ou très faiblement- modulé, il n'est pas nécessaire d'utiliser une fibre dédiée, un seul canal de la grille ITU suffit amplement. Nous avons montré que par multiplexage en longueur d'onde, nous pouvions transmettre le signal métrologique en parallèle d'un flux de données internet, sans dégradation dequalité du signal métrologique, et sans perturbation du flux de données [5].

: Lien optique

Nous avons établi une collaboration avec RENATER, le Réseau National de télécommunications pour la Technologie l'Enseignement et la Recherche, pour utiliser l'infrastructure du réseau académique national. Un équipement spécifique est malgré tout nécessaire, que nous avons installé (fin 2020) sur les lignes Paris-Reims-Nancy-Strasbourg-Besançon, Paris-Lille, Paris-Lyon-Grenoble-Modane. Nous avons également une liaison SYRTE-LPL-NPL. Ainsi le SYRTE est relié en optique à ses homologues allemands, anglais et italiens et le réseau français permet les intercomparaisons entre toute paire d'horloges hébergées chez ces 4 instituts de métrologie.

Comparaisons d'horloges

La première comparaison d'horloges optiques et micro-onde a eu lieu en 2015 entre le SYRTE et le PTB, et les résultats publiés dans Nature Communication et Metrologia. Le réseau s'est étendu en 2016 au NPL, puis à l'INRIM en 2020. Le réseau d'horloge permet des tests de relativité restreinte, que nous avons publié dans PRL.

Le graphe ci dessus montre la stabilité de la comparaison des horloges Sr du SYRTE et du PTB pour les campagnes de mars et juin 2015 (points bleus), et la stabilité du lien optique fibre pendant ces campagnes. Le bruit du lien est négligeable dans la comparaison dès les premieres secondes d'acquisition.

Ce travail a eu un echo considérable dans la presse, et nous a valu les honneurs du magasine La Recherche en 2016.

Extraction - Distribution du signal à de mulitples utilisateurs

Pour un large nombre d'utilisateur du réseau, une connection point-à-point entre chaque utilisateur et le SYRTE n'est pas une solution optimum. Nous avons développé une technique d'extraction en ligne du signal métrologique, suivant la proposition originale de Gesine Grosche. Les résultats ont été publiés en 2014 et 2016, et ont été transféré à MuQuans, partenaire industriel de REFIMEVE.

Limites fondamentales

Nous étudions sur une fibre déployée et sur bobines les limites fondamentales des liens optiques, en comparant les techniques de compensation active et passive (Two-Way) et leur combinaison dans des schémas hybrides. Ces études nous ont permis de mettre en evidence le bruit et le biais dû à l'interféromètre, de mettre en place des stratégies pour le minimiser et le compenser, et de mieux comprendre les facteurs limitant lié à la polarisation. On étudie les corrélations de bruit entre les architectures uni-directionnelles et bi-directionnelles.

Matière noire

Nous mettons des moyens à disposition de l'équipe théorie pour la recherche de matière noire au laboratoire. C'est le projet DAMNED.

Le tapuscrit de thèse d'Etienne Savalle sera disponible prochainement.

White Rabbit

Nous développons, en collaboration avec le CERN et les fabricants industriels comme SevenSolution et OPNT, la solution White Rabbit pour le transfert par fibre optique de référence de temps et de fréquence (voir aussi le projet européen WRiTE).
La thèse de Namneet Kaur a montré des voies possible pour l'amélioration de la technologie, avec un système de syntonisation directe et d'augmentation de la bande passante d'asservissement, ainsi que la faisabilité d'implémentation sur des architectures unidirectionnelles des réseaux de télécommunication à longue portée.

Lien vers la these de Namneet Kaur

Consortium REFIMEVE+ (équipement d'excellence)

Laboratoire de Physique des Lasers :
Anne Amy-Klein, Christian Chardonnet (PI), Olivier Lopez, Etienne Cantin.

LNE-SYRTE :
Michel Abgrall, Baptiste Chupin, Michel Lours, José Pinto, Paul-Eric Pottie (co-PI), Rodolphe Le Targat, Laurent Volodimer

Laboratoire Photonique Numérique et Nanoscience (LP2N) :
Giorgio Santarelli (co-PI)

RENATER :
Thierry Bono, Karim Boudjemaa, Emilie Camisard, Laurent Gydé, Nicolas Quintin

Membres actuels :
Mads Tonnes, doctorant
Maxime Mazouth-Laurol
Jérôme Fils

Anciens membres :
Anthony Bercy, doctorant co-tutelle LPL/SYRTE (2012-2015)
Sacha Schediwy, visiteur scientifique UWA, 2012
Fabio Stefani, post-doctorant (2012-2015)
Won-Kyu Lee, visiteur scientifique KRISS (2014-2015)
Namneet Kaur, doctorante (2014-2017)
Florian Frank, ingénieur (2016-2020)
Etienne Cantin, ingénieur (2018-2020)
Eva Bookjans, ingénieure (2017-2020)
Dan Xu, post-doctorante (2016-2020)

Projets européens :

JRP NEAT FT

Co-ordinateur : Harald Schnatz, PTB

JRP OFTEN

Co-ordinateur : Harald Schnatz, PTB

GN3+ ICOF

Co-ordinateur : Harald Schnatz, PTB

JRP WRiTE

Co-ordinateur : Davide Calonico, INRIM

JRP TiFOON

Co-ordinateur : Jochen Kronjaeger, NPL

EC INFRA-INNOV CLONETS

Co-ordinateur : Philip Tuckey, Observatoire de Paris

NB : Project 'cousins' sur les horloges :

JRP OC18

JRP ROCIT

Collabaration interne

Dans le cadre du transfert de temps par fibre optique, nous travaillons avec l'équipe « Références Micro-ondes et échelles de temps » du laboratoire :
Philip Tuckey, Michel Abgrall, Baptiste Chupin, Joseph Achkar, Daniele Rovera (PhD).
Nous travaillons avec l'équipe théorie du laboratoire pour les tests de physique fondamentale, et la recherche de matière noire :
Pacôme Delva, Peter Wolf, Etienne Savalle.

Le projet est soutenu par le LNE, le CNES, l'ANR, EURAMET, BPI France, la région Ile de France (Nano-k, SIRTEQ) le conseil scientifique de l'Observatoire, le GRAM.

Le projet REFIMEVE+ fait partie du programme d'Investissements d'avenir.

Contact

Paul-Eric Pottie

Courriel : paul-eric.pottie (at) obspm.fr
Tél . : +33 (0) 1 40 51 22 22

Transfert de fréquence par lien optique (Mini-DOLL)

Lodewyck Jerome, Wolf Peter — 2015-01-30T16:48:53Z

: Télescope Méo (1,5 m) à l'Observatoire de la Côté d'Azur (site de Calern) utilisé pour Mini-DOLL.

Dans le cadre des futurs projets spatiaux en physique fondamentale (SAGAS, STE-QUEST, OSS...) un lien laser cohérent pour la comparaison des horloges, la navigation, et la transmission des données sera incontournable. Un tel lien est DOLL (Deep Space Optical Laser Link).

Par ailleurs, en environnement terrestre un lien optique cohérent entre un satellite et une station sol (projet Mini-DOLL) a des applications pour la comparaison d'horloges, la détermination des orbites des satellites (mesures Doppler) et la transmission de données à haut débit par modulation de phase de la porteuse optique.

: Stabilisation des lasers, au cœur de l'expérience Mini-DOLL.

Un facteur limitant dans ce type de lien sera l'atmosphère (troposphère) terrestre de par la variation temporelle de l'indice de réfraction (turbulence atmosphérique) qui rajoute de bruit de phase et intensité (scintillation), les deux diminuant la performance du lien jusqu'à pouvoir provoquer une perte du signal. Le projet Mini-DOLL a pour objectifs principales :

Démontrer la faisabilité d'un lien optique cohérent à travers l'atmosphère turbulente.
Etudier et quantifier le bruit de phase et amplitude apporté par la turbulence atmosphérique, et sa variation en fonction des conditions locales.
Etudier la cohérence de phase spatiale transverse liée au besoin en optique adaptative.

Ce projet est mené en collaboration avec l'Observatoire de la Côte d'Azur et l'ONERA. Les essais se déroulent au site de Calern avec le télescope laser lune/satellite (Méo) de 1,5 m.

Contact

Peter Wolf

Courriel : peter.wolf (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 23 24

Trous Brulés Spectraux

Fang Bess, Lecoq Yann, Lodewyck Jerome — 2015-01-30T16:41:32Z

NOUVEAU : Propositions de thèse !

Les lasers ultra-stables constituent une composante très importante des horloges optiques. Ils sont en effet utilisés pour sonder les transitions atomiques ultra-étroites dites "horloges" et constituent donc l'oscillateur local de ces dispositifs. A l'heure actuelle, les lasers ultra-stables sont réalisés par asservissement sur les cavités Fabry-Pérot de très haute finesse (typiquement de l'ordre de 10⁶) maintenues sous vide dans des environnements extrêmement isolés des vibrations et fluctuations thermiques environnantes. Ces dispositifs très performants atteignent aujourd'hui néanmoins leurs limites fondamentales dues à l'agitation thermique (à température ambiante) pour des stabilités de l'ordre de 3-4×10^-16 à 1s pour les dispositifs courants. De tels ordres de grandeurs de stabilité constituent aujourd'hui un important facteur limitant des horloges optiques à réseau développées au SYRTE et ailleurs dans le monde. En particulier, ces nouvelles horloges ne peuvent ainsi pas atteindre leur stabilité fondamentale (limitée par le nombre d'atomes interrogés à chaque cycle, qui implique une limite dite de "Bruit de projection quantique"), et on pourrait ainsi s'attendre à des progrès spectaculaires en terme de performances si l'on disposait d'oscillateurs locaux plus performants.

Si plusieurs voies d'amélioration des dispositifs asservis sur cavité Fabry-Perot sont envisageables (cavités de grandes tailles où les effets d'agitation thermiques sont plus moyennés et induisent donc une limite fondamentale plus basse, cavités cryogéniques où l'agitation thermique est plus faible) le SYRTE démarre une activité de recherche sur les lasers asservis sur "trous brûlés spectraux" dans les matrices cristallines dopées terre-rares à température cryogénique ( 4K, proche du zéro absolu de température). On peut en effet s'attendre à ce que ce type de dispositif surpasse les systèmes à base de cavité Fabry-Pérot macroscopique en terme de performances, même si de nombreuses études et développements technologiques doivent être menés à bien pour atteindre une telle gamme de performances.

L'idée est que les terre-rares en matrices cristallines à températures cryogéniques présentent des raies absorption de quelques GHz de large (élargissement inhomogène) dans lesquelles il est possible d'inscrire des structures spectrales très étroites ("trous brûlés spectraux", largeur homogène 1kHz, durée de vie pouvant atteindre quelques heures à basse température) à l'aide d'un laser pré-stabilisé en fréquence et d'un protocole expérimental adapté. Une fois ces structures spectrales photo-inscrites, le même laser pré-stabilisé qui a servi à les inscrire peut-être "post-asservis" dessus, et voire ainsi sa pureté spectrale et sa stabilité augmentée (à la condition que les structures spectrales étroites soient elles-mêmes suffisamment stables en fréquence dans le temps). Si les limites fondamentales (liées à l'agitation thermique résiduelle des atomes de la maille cristalline) sont très basses (du fait de la température proche du zéro absolu), les défis expérimentaux à résoudre pour s'en approcher sont importants. Environnement cryogénique à très forte stabilité thermique et très faible niveau de vibration, couples matrices/dopant présentant de faibles sensibilités aux perturbations environnementales résiduelles, protocoles de photo-inscription/post-asservissements optimisés et compatibles avec une utilisation en continu pendant -au moins- plusieurs semaines, etc...

Cet axe de recherche se déroule en étroite collaboration avec d'autres laboratoires en France, qui apportent leur savoir-faire sur des points complémentaires : le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP, Chimie ParisTech/Collège de France/CNRS, Paris, réalisation et caractérisation de cristaux dopés terre-rares), le Laboratoire Aimé Cotton (LAC, CNRS, Orsay, spectroscopie et utilisation de cristaux dopés terre-rares), et l'Institut Franche-Comté Electronique, Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (FEMTO-ST, CNRS/ENS de Mécanique et des Microtechniques de Besancon, systèmes cryogéniques très haute stabilité pour les applications métrologiques).

A moyen terme, le but ultime sera, une fois les performances obtenues satisfaisantes, de transférer la pureté spectrale du laser stabilisé sur trous brûlés spectraux vers une des longueurs d'ondes "horloge" du laboratoire via un peigne de fréquences optiques, afin d'en bénéficier sur les dispositifs d'horloges optiques à réseau développés au laboratoire.

Contact

Bess Fang

Courriel : Bess.Fang (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 22 91

Yann Le Coq

Courriel : Yann.Lecoq (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 21 01

Peignes de fréquences optiques

Lecoq Yann, Lodewyck Jerome — 2015-01-30T16:37:09Z

: Photo d'une cavité laser femtoseconde Titane-Saphir.

Les horloges optiques développées au laboratoire visent à produisent des étalons de fréquences qui consistent en des lasers ultra-stables référencés sur des transitions atomiques hyper-étroites. Les fréquences d'oscillation de ces étalons de fréquences sont typiquement de plusieurs centaines de Tera-Herz (fréquences optiques allant du proche infra-rouge à l'ultra-violet). A de telles fréquences, il est bien entendu impossible d'utiliser directement le signal oscillant pour un système de mesure de temps car aucun système électronique ne peut aller aussi vite. Si les solutions traditionnelles à base de chaînes de fréquences très lourdes et très complexes à opérer étaient traditionnellement développées au SYRTE, comme dans quelques rares autres laboratoires de métrologie dans le monde, la solution consiste aujourd'hui en l'utilisation de peignes de fréquences optiques auto-référencés basés sur des lasers à impulsions ultra-courtes femtosecondes. L'invention et la réalisation de ce type de technologies ont values à T. Hansch et J. Hall le prix Nobel de physique en 2005.

La comparaison entre deux horloges optiques fonctionnant à des longueurs d'ondes différentes (comme en particulier l'horloge à Mercure et l'horloge à Strontium du laboratoire) nécessite donc l'utilisation de peignes de fréquences performants. De même, afin d'effectuer le lien entre les étalons de fréquences optiques et les références primaires du laboratoire (à bases d'horloges micro-ondes), il est impératif de disposer de peignes de fréquences fiables et à des niveaux de performances exceptionnels.

Les projets de recherches liés aux peignes de fréquences optiques du laboratoire ont pour objectif principal de réaliser des systèmes suffisamment performants pour ne pas dégrader les signaux issus des horloges optiques, autant pour les comparaisons optique-optique que optique-micro-ondes. On citera également la génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase, en collaboration avec le projet "Oscillateur photonique" de l'équipe "fréquences micro-ondes".

Deux types de dispositifs sont actuellement développés : les peignes basés sur les lasers femto-secondes Titane-Sapphire, et ceux basés sur les lasers femto-secondes à fibre dopés Erbium, dont les performances et la fiabilité sont en constante amélioration.

Contact

Yann Le Coq

Courriel : Yann.Lecoq (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 21 01

Horloge à réseau optique mercure

Bize Sebastien, Lodewyck Jerome — 2015-01-30T16:22:46Z

: Représentation schématique de l'enceinte à vide de l'horloge.

Le projet a pour but de développer une horloge atomique fondée sur une transition optique de l'atome de mercure. L'atome de mercure présente des propriétés similaires à d'autres atomes neutres considérés pour les horloges optiques tels que le calcium, le strontium ou l'ytterbium, notamment l'existence d'une transition optique de très faible largeur naturelle. Il présente d'autres avantages comme l'existence de six isotopes utilisables car abondants, dont deux fermions et quatre bosons. Un autre avantage tient à la valeur au moins dix fois plus faible d'un des effets systématiques dominants (déplacement lié au rayonnement thermique ambiant) par rapport aux autres atomes mentionnés plus haut. Les atomes de mercure seront capturés et refroidis par laser dans un piège magnéto-optique puis dans un réseau optique. Utiliser des atomes confinés dans réseau optique permet de s'affranchir de plusieurs difficultés liées au mouvement des atomes. Une spécificité de l'horloge à réseau optique est l'utilisation de plusieurs sources lasers innovantes situées notamment dans l'ultraviolet (en particulier 254nm pour le refroidissement et 266nm pour la transition d'horloge).

: Source laser à 254nm pour le refroidissement laser.

A terme, ce projet vise à réaliser une horloge optique de nouvelle génération avec une exactitude meilleure que 10^-17. L'horloge sera comparée à d'autres horloges (horloge à réseau optique de strontium, fontaines atomiques rubidium et césium) au moyen d'un peigne de fréquence généré par un laser femtoseconde. Ces comparaisons permettront de tester les lois physiques fondamentales (Principe d'Equivalence) et contribueront à la recherche d'une théorie unifiée de la gravitation, de la force électrofaible et de l'interaction forte. Avec des exactitudes plus petites que 10^-17, les horloges atomiques permettraient de nouvelles applications telles que la cartographie du potentiel de gravitation à partir de mesures du déplacement gravitationnel vers le rouge (effet Einstein).

Contact

Sébastien Bize

Courriel : Sebastien.Bize (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 20 97

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Lasers stabilisés sur l'iode moléculaire

Acef Ouali, Lodewyck Jerome — 2015-01-30T16:06:16Z

Le Laboratoire SYRTE développe depuis plusieurs années, des dispositifs lasers infrarouges stabilisés en fréquence sur une vapeur atomique, dans des configurations compactes et fibrées afin de faciliter leur utilisation hors laboratoires. La stabilité de fréquence de ces dispositifs est de l'ordre de quelques 10^-14 à court terme et dans la gamme de 10^-15 sur le moyen/long terme. Ce niveau de performances est typiquement celui requis pour certaines missions spatiales dédiées notamment à la détection d'ondes gravitationnelles dans l'espace, ou à la mesure du champ gravitationnel terrestre …
Pour faciliter ce type d'applications, nous avons fait le choix d'utiliser, principalement, des composants photoniques développés pour les télécommunications optiques au voisinage de 1.5 µm. Ces composants, nombreux, fibrés et très efficaces sont les plus pertinents pour faciliter les objectifs de nos projets. Pour stabiliser en fréquence ces sources laser Telecom, nous avons démontré au laboratoire SYRTE la capacité à tripler de manière très efficace leur fréquence et ainsi les relier à la bande d'absorption très forte de l'iode moléculaire dans le domaine vert du spectre électromagnétique, où de nombreuses transitions hyperfines possèdent des facteurs de qualité Q > 10⁹.

Le processus de triplage de fréquence, qui s'appuie sur l'utilisation de cristaux non linéaires de Niobate de Lithium, a abouti une efficacité de conversion P3w/Pw > 36 %, jamais démontré auparavant pour un laser émettant en mode continu. La consommation électrique requise pour réaliser ce processus est < 20 W. Par suite, une stabilité de fréquence de la source laser Telecom sur l'iode, a été démontrée dans la gamme de 10^-15. Ce résultat a été obtenu avec un dispositif laser triplé en fréquence totalement fibré, associé à un banc de spectroscopie de l'iode opérant en espace libre.
Un nouveau développement en cours au laboratoire, vise à mettre en place un dispositif totalement fibré, comprenant le processus de triplage de fréquence et le mode d'interrogation de la vapeur atomique, dont le volume total n'excèdera pas 10 litres.

Contact

Ouali Acef

Courriel : ouali.acef (at) obspm.fr
Tél. : +33 (0) 1 40 51 20 50