4.4 Application ` a la fontaine atomique
4.4.2 Fonctionnement habituel de F02
Synth`ese de la fr´equence d’horloge
La fr´equence du signal fourni par le CSO est de 11, 932 GHz alors que les fr´equences de transition atomique utilis´ees dans la fontaine FO2 est de 9 192 631 770 Hz pour le c´esium1 et de 6 834 682 610, 904 324(4)(7) Hz pour le rubidium. Deux chaˆınes de synth`ese de fr´equence sont utilis´ees pour transf´erer, le plus fid`element possible, la stabilit´e de fr´equence du CSO aux fr´equences appropri´ees au fonctionnement de FO2.
La phase du signal d´elivr´e par le CSO est asservie sur celle qui est fournie par un maser `a hydrog`ene avec une constante de temps d’environ 1000 s (voir la partie 4.3.2). Ce maser est lui-mˆeme compar´e `a un r´eseau de masers et d’horloges `a jet thermique (exp´erimentale et commerciales) r´ealisant une ´
echelle de temps locale : le Temps Universel Coordonn´e de l’Observatoire de Paris (UTC(OP)). Le signal d´elivr´e par le CSO, asservi `a long terme sur le maser, est une r´ef´erence commune `a toutes les fontaines du laboratoire ce qui permet de les comparer entre elles.
L’architecture globale des chaˆınes de synth`ese de fr´equence est repr´esent´ee sur la figure 4.19. Une premi`ere chaˆıne de synth`ese permet de r´ealiser l’asser-vissement du signal du CSO, `a 11, 932 GHz sur celui du maser `a hydrog`ene `
a 100 MHz. ´Etant donn´e que la constante de temps de cet asservissement est trop importante pour ˆetre r´ealis´ee de fa¸con analogique, le signal d’erreur est g´en´er´e par un ordinateur. Les corrections de phase sont appliqu´ees sur le synth´etiseur num´erique de fr´equence DDS1. La r´ealisation pratique de cet asservissement qui est d´ecrit en d´etails dans [45, 46, 160] est tel que le si-gnal asservi est `a la fr´equence de 11, 98 GHz, l´eg`erement diff´erente de celle du CSO. Un signal `a 1 GHz g´en´er´e `a partir de celui `a 11, 98 GHz est aussi synth´etis´e en veillant `a ce que sa stabilit´e de fr´equence soit tr`es peu d´egrad´ee.
Fig. 4.19 – Sch´ema repr´esentant l’architecture de la synth`ese des signaux micro-ondes, `
a partir de l’oscillateur cryog´enique micro-onde (CSO) et d’un maser `a hydrog`ene (H-Maser), pour l’interrogation des atomes de c´esium (Cs) et de rubidium (Rb) de la fontaine atomique. PC – ordinateur et DDS – synth´etiseur num´erique de fr´equence.
Le signal `a 11, 98 GHz sert de r´ef´erence pour la chaˆıne qui g´en`ere le signal `
a la fr´equence de la transition atomique du c´esium, soit ∼ 9, 192 GHz. Ce signal peut ensuite ˆetre envoy´e `a la cavit´e micro-onde de la fontaine FO2 o`u est r´ealis´ee l’interrogation de Ramsey. Il faut pr´eciser qu’en raison de la proximit´e entre le CSO et de FO2 o`u se trouve cette chaˆıne de synth`ese (∼ 3 m), le signal `a 11, 98 GHz est directement envoy´e par cˆable micro-onde `a faibles pertes.
Pour interroger le r´esonateur atomique (sur les flancs de la frange cen-trale) le signal est modul´ee en fr´equence de fa¸con synchrone avec le cycle de l’horloge avec une profondeur de ∆ν/2 ' 0, 5 Hz. `A la fin de chaque cycle, les corrections de fr´equence qui permettent d’asservir le signal d’interrogation sur la r´esonance atomique sont ajout´ees au signal modulant. Ces corrections sont calcul´ees par un ordinateur qui pilote en cons´equent le synth´etiseur DDS2. Le signal `a ∼ 9, 192 GHz est donc asservi en fr´equence sur la transi-tion atomique.
Stabilit´e typique de FO2
Fig. 4.20 – Stabilit´e relative de fr´equence de la comparaison entre la fontaine atomique FO2 et l’oscillateur cryog´enique asservi sur un maser `a hydrog`ene. La droite en pointill´es rouges est la contribution du bruit de projection quantique calcul´e `a partir du nombres d’atomes participant au signal.
Sur la figure 4.20 est repr´esent´ee la stabilit´e relative de fr´equence de la fontaine atomique FO2, fonctionnant avec des atomes de c´esium, et mesur´ee par rapport au CSO asservi sur le maser `a hydrog`ene. Le bruit de la fontaine qui se moyenne en τ−1/2, domine le bruit de la comparaison jusqu’`a ∼ 1000 s. L’´ecart type d’Allan est calcul´e `a partir des corrections de fr´equence fournies par le synth´etiseur DDS2 (figure 4.19) et vaut 3, 5 × 10−14τ−1/2. D’apr`es le nombre d’atomes d´etect´es dans la fontaine Nat ' 106 et le temps de cycle Tc d’environ 1, 5 s, on constate que la stabilit´e est limit´ee par le bruit de projection quantique (relation 4.11). Une dizaine de secondes sont n´ecessaires pour permettre `a la boucle num´erique de la chaˆıne de synth`ese Cs de s’asservir sur la fr´equence de transition atomique par l’interm´ediaire de la DDS2 de la figure 4.19. Aux alentours de 1000 s la comparaison est domin´ee par le bruit du CSO asservi sur le maser.
Fig. 4.21 – Sch´ema de l’exp´erience men´ee avec la fontaine atomique. Le signal micro-onde d’interrogation est synth´etis´e `a partir du signal g´en´er´e par le laser femtoseconde `a fibre. Le signal asservi sur la fontaine est compar´e `a l’oscillateur cryog´enique micro-onde libre (CSO). DL – diode laser, AM – modulation d’amplitude, PC – ordinateur et DDS – synth´etiseur num´erique de fr´equence.