Conclusion

Au cours de cette collaboration au Max-Planck Institut, nous avons d´ e-montr´e la transportabilit´e de la fontaine atomique PHARAO, et qu’elle ´etait rapidement op´erationnelle `a une exactitude de 2 10<sup>−15</sup> et une stabilit´e de 1, 8 10<sup>−13</sup>τ<sup>−1/2</sup>. Son utilisation comme oscillateur local verrouillant le taux de r´ep´etition d’un laser femto-seconde a permis de transf´erer directement ces performances du domaine micro-onde aux longueurs d’onde optiques. Nous avons pu, au cours de la campagne de mesure, effectuer la meilleure d´etermination de la fr´equence de transition `a deux photons 1S−2S de l’atome

d’hydrog`ene.

Comme pr´esent´e dans le chapitre 4, une ´evaluation plus compl`ete des performances de la fontaine PHARAO a depuis ´et´e men´ee. Elle nous m`ene actuellement `a une exactitude de 7, 7 10<sup>−16</sup>. L’horloge effectuera une s´erie de d´eplacements en Allemagne `a partir de fin 2002. Elle commencera par une comparaison avec la fontaine atomique de la PTB (CSF1) (exactitude 1, 4 10⁻¹⁵, stabilit´e 3, 5 10⁻¹³τ^−1/2 [67]), `a Braunschweig. Une nouvelle me-sure de la transition 1S− 2S et une nouvelle d´etermination de la fr´equence

d’horloge de l’ion In⁺ est pr´evue par la suite `a Garching, d´ebut 2003. Des modifications ont ´et´e apport´ees au spectrom`etre pour r´eduire la pression de gaz r´esiduelle. La chaˆıne de fr´equence optique a aussi ´et´e am´elior´ee. Grˆace au d´eveloppement des lasers femto-seconde, permettant une r´eduction de la dur´ee des impulsions, et `a l’utilisation de fibres `a cristaux photoniques, des peignes de fr´equence larges de plus d’une octave sont maintenant dis-ponibles (500-1200 nm). Cette propri´et´e permet de r´ef´erencer compl`etement la fr´equence des modes `a l’oscillateur verrouillant le taux de r´ep´etition : la fr´equence de la porteuse f_c peut ˆetre d´etermin´e avec la pr´ecision de l’os-cillateur en comparant la fr´equence d’un mode du peigne avec sa seconde harmonique. La chaˆıne de fr´equence optique se r´eduit donc uniquement `a un laser femto-seconde et `a une fibre optique [68].

Deuxi`eme partie

Participation `a l’´etude de

l’horloge

Chapitre 6

L’horloge spatiale PHARAO au

centre de la mission ACES

6.1 La mission ACES

En 1994, le CNES d´emarre le projet PHARAO. Une ´etape importante a ´et´e franchie en 1997, par le vol de d´emonstration d’un prototype d’horloge fabriqu´e au laboratoire. Le projet d’horloge spatiale PHARAO a ´et´e propos´ee en 1997 `a l’ESA pour prendre part `a une mission plus g´en´erale : la mission ACES [9]. Outre l’horloge `a atomes froids, la charge utile comporte un maser `

a hydrog`ene (SHM) et un lien micro-onde (ML) pour les transferts de temps et de fr´equence vers des stations sol. Cette mission a ´et´e retenue pour voler sur une Express Palet `a bord de la station spatiale internationale (ISS) `a partir de 2006 et pour une dur´ee de 18 `a 36 mois. Elle prendra place sur une plate-forme orient´ee au nadir du module europ´een Columbus. La masse totale de cette charge utile sera inf´erieure `a 227 kg et la consommation ´electrique inf´erieure `a 500 W. Son int´egration a ´et´e confi´ee `a la soci´et´e ASTRIUM. La figure 6.1 pr´esente la maquette d’implantation pr´eliminaire d’ACES. Les dimensions totales allou´ees `a l’”Express Pallet” sont de 863× 1168 × 1240

mm.

L’horloge spatiale PHARAO est d´evelopp´ee par le CNES, en ´etroite colla-boration avec les laboratoires scientifiques (BNM-SYRTE, LKB). Sa concep-tion repose sur le prototype construit au laboratoire et sur l’exp´erience ac-quise sur les fontaines atomiques.

La manipulation des atomes a lieu dans une enceinte o`u r`egne un vide inf´erieur `a 10<sup>−7</sup> Pa, prot´eg´ee des perturbations magn´etiques ext´erieures par des blindages en µ-m´etal (figure 6.2). A chaque cycle d’horloge, des atomes de c´esium sont captur´es et refroidis, `a partir d’une vapeur, dans une m´elasse optique `a 1 µK, `a l’intersection de six faisceaux laser de diam`etre 26 mm. La

6.1. LA MISSION A C ES

Z o n e d e c a p u r e

Z o n e d e p r é p a r a t i o n ^{C a v i t é d ' i n t e r r o g a t i o n} _{d e R a m s e y}

D é t e c t i o n

P o m p e i o n i q u e

B l i n d a g e s m a g n é t i q u e s

micro-pesanteur r´egnant `a bord de la station spatiale (altitude∼400 km)

per-met de lancer le nuage atomique `a des vitesses inf´erieures de plus d’un ordre de grandeur `a celles accessibles dans une fontaine atomique (v(t) = v_l ∈ [10

cm/s ; 5 m/s]). Le lancement s’effectue dans la direction [111] (vitesse opti-male attendue `a 30 cm/s) par rapport aux faisceaux de capture. Les atomes traversent ensuite un dispositif de s´election. Le syst`eme, comme dans les horloges terrestres, comprend une cavit´e de pr´eparation (mode TE₀₁₁) et un faisceau pousseur (c.f.§2.2.4). Les atomes, une fois pr´epar´es dans un des deux

´etats de la transition d’horloge, subissent une interrogation de Ramsey, en traversant une seconde cavit´e micro-onde qui comporte deux zones. La pro-babilit´e de transition en r´eponse `a l’excitation micro-onde est enfin mesur´ee par temps de vol, `a l’aide de 2 faisceaux laser. Cette mesure, r´ealis´ee succes-sivement de part et d’autre de la frange de r´esonance, permet de construire la consigne d’asservissement de la fr´equence micro-onde sur la transition ato-mique.

Les sp´ecifications de masse et de consommation ´electrique, impos´ees par le fonctionnement sur l’ISS, sont respectivement de 91 kg et de 110 W pour l’en-semble de l’horloge PHARAO. Le tube horloge est d´evelopp´e par la soci´et´e Sodern. Les dimensions allou´ees au tube `a vide sont de 330 mm× 445 mm,

sur une longueur totale de 990 mm. La consommation ´electrique sp´ecifi´ee est inf´erieure `a 5 W. La masse totale de l’ensemble est fix´ee `a 45 kg, essentielle-ment due aux blindages en µ-m´etal prot´egeant les atomes des perturbations magn´etiques ext´erieures. Les 10 faisceaux laser n´ecessaires¹ `a l’exp´erience sont fournis par une source laser externe comprenant 4 diodes laser redond´ees et 6 modulateurs acousto-optiques. Ces faisceaux sont distribu´es au tube `a l’aide de fibres optiques `a maintien de polarisation. La puissance de sortie des fibres de capture est de 15 mW. Deux des diodes laser sont mont´ees en cavit´e ´etendue (lasers ´etalon), reposant sur des prototypes fabriqu´es au laboratoire (c.f.§7.1). La source laser, ´egalement r´ealis´ee par SODERN occupera un

vo-lume de 530 mm× 330 mm× 180 mm, pour une masse inf´erieure `a 20 kg. Sa

consommation ´electrique sera de l’ordre de 40 W.

Le r´esonateur d’interrogation est une cavit´e de Ramsey de 20 cm d’inter-zone, construite par la soci´et´e Tales. La difficult´e de sa r´ealisation r´eside dans la sym´etrie m´ecanique de cette cavit´e, agissant directement sur la diff´erence de phase du champ entre les deux zones d’interaction. En effet, en micro-gravit´e, la fr´equence d’horloge est sensible `a cet ´eventuel d´ephasage, `a travers

1_{L’exp´erience demande deux faisceaux suppl´ementaires par rapport `a la fontaine}

PHA-RAO. Ils proviennent du fait que la pr´eparation et la d´etection s’effectuent ici dans des

zones distinctes. Il est donc n´ecessaire de rajouter un faisceau pousseur. Un second faisceau

pompe a ´egalement ´et´e rajout´e de fa¸con `a pouvoir r´eduire la taille de la m´elasse pour les

6.1. LA MISSION ACES

Fig. 6.3 – Stabilit´es attendues pour l’horloge spatiale PHARAO et le maser `

a hydrog`ene SHM

l’effet Doppler du premier ordre (voir §7.2). Ce d´eplacement de fr´equence

n’apparaˆıt pas dans une g´eom´etrie de fontaine (`a l’expansion thermique du nuage pr`es), puisque les deux impulsions ont lieu dans le mˆeme r´esonateur. Son ´evaluation dans l’horloge spatiale `a mieux que 10<sup>−16</sup> sera cependant possible, puisque l’on peut varier la vitesse atomique sur une large gamme. Le signal d’interrogation est fourni par une chaˆıne de synth`ese micro-onde, ´egalement d´evelopp´ee par Thales, `a partir d’un quartz ultra-stable (soci´et´e C-Mac). Les sp´ecifications de stabilit´e de ce quartz sont de 7 10⁻¹⁴ sur une seconde.

L’´evaluation des performances de l’horloge spatiale PHARAO s’effectuera `

a bord de la station internationale, par comparaison de fr´equence avec SHM. Ce maser `a hydrog`ene, d´evelopp´e par l’observatoire cantonal de Neuchˆatel aura une stabilit´e court terme comparable `a celle de PHARAO. Comme montr´e dans la figure 6.3, on attend une meilleure stabilit´e de SHM entre 10 et 10<sup>3</sup> s d’int´egration, alors qu’au del`a, l’´ecart type d’Allan de PHARAO continue de d´ecroˆıtre en τ^−1/2. Les objectifs de ces comparaisons de fr´equence sont d’atteindre une exactitude relative de PHARAO `a 10⁻¹⁶et une stabilit´e de 3 10⁻¹⁶ sur une journ´ee, soit 10⁻¹⁶ au bout de 10 jours d’int´egration.

L’´echelle de temps d´efinie par ACES pourra ˆetre compar´ee `a des hor-loges au sol grˆace au lien micro-onde, avec une exactitude de 30 ps. Les sp´ecifications de stabilit´e pour le transfert de temps sont pr´esent´ees sur la figure 6.4. Elles ont ´et´e guid´ees par la disponibilit´e de la liaison, interrom-pue par la rotation de la station internationale autour de la terre. La dur´ee moyenne d’une communication sera de 300 s, d´ependant de la latitude de la

Fig.6.4 – Stabilit´e du lien micro-onde demand´ee pour les comparaisons avec des horloges au sol

station sol et de celle de la station bord. D’autre part, la p´eriode de rotation de l’ISS est d’environ 90 mn. Comme la longitude de la station varie, entre 3 et 6 fenˆetres de comparaisons seront disponibles par jour. Le lien doit donc ˆetre d’une tr`es bonne stabilit´e, aussi bien court terme (< 0,3 ps sur 300 s) que long terme (∼ 6 ps sur une journ´ee). Le transfert de temps, d´evelopp´e par la

soci´et´e Timetech, fonctionne sur la base de deux ´emetteurs-r´ecepteurs bidi-rectionnels. Pour ´eliminer les d´ecalages Doppler et les effets atmosph´eriques, le syst`eme utilise trois signaux, dont deux sont dans la bande Ku (15 GHz) et un dans la bande S (5 GHz). La comparaison de fr´equence entre les deux signaux `a 15 GHz, provenant respectivement de l’ISS et d’une station sol, rejette compl`etement les d´ecalages Doppler et troposph´erique. L’estimation du d´elai ionosph´erique repose sur la connaissance de la charge ionosph´erique totale, variant en 1/f<sup>2</sup> avec la fr´equence de la porteuse. Le troisi`eme signal, fourni par la ”Pallet” ACES, d´etermine ce d´ecalage en temps r´eel. Le lien micro-onde dispose par ailleurs d’une modulation de phase pseudo-al´eatoire, levant l’ambigu¨ıt´e de phase entre deux comparaisons d’horloges s´epar´ees d’un temps mort. Le syst`eme permet la comparaison simultan´ee de 4 horloges. Chaque comparaison est distingu´ee par un code, qui permet de diff´erencier les d´ecalages Doppler et atmosph´eriques respectifs.

La comparaison entre des horloges sol et l’horloge embarqu´ee est par ailleurs affect´ee par des effets d’origine relativiste. La gravitation terrestre engendre un d´eplacement (effet Einstein) de l’ordre de 10⁻¹⁶ par m`etre pour l’horloge au sol, l’altitude ´etant d´efinie par rapport au g´eo¨ıde. A l’altitude de la station internationale, cet effet est de l’ordre 10⁻¹¹, soit environ 5 ordres

6.2. LES OBJECTIFS SCIENTIFIQUES DE LA MISSION ACES

de grandeur de plus que l’exactitude attendue pour l’horloge PHARAO. A ce niveau, d’autres effets relativistes affecteront les comparaisons de fr´equence avec les horloges au sol (entre autres l’effet Sagnac et l’effet Doppler du second ordre). Les transferts de temps doivent donc ˆetre accompagn´es de donn´ees orbitographiques pr´ecises de la Palet ACES. Des ´etudes th´eoriques pr´eliminaires [69, 70] ont montr´e que l’altitude et la vitesse doivent ˆetre connues respectivement `a mieux que 1,7 m et 1,9 mm/s (valeurs moyennes sur un jour). Ces donn´ees seront fournies par le syst`eme de positionnement de la station. Cependant, les d´eplacements de fr´equence d´ependant de l’altitude et de la vitesse de l’horloge elle-mˆeme, il faudra appliquer aux donn´ees orbi-tographiques, des corrections tenant compte de l’attitude et des d´eformations de l’ISS.