1.5 Motivations et contexte de l’exp´ erience
1.5.2 Outils disponibles
Etant donn´e que le LNE-SYRTE dispose d’un de ces oscillateurs cryog´ e-niques, on peut se demander pourquoi rechercher une telle alternative. Une premi`ere raison est due au fait qu’il consomme une quantit´e significative d’h´elium liquide n´ecessaire pour atteindre sa temp´erature de fonctionnement de ∼ 6 K. Les coˆuts de maintenance de ce syst`eme sont donc ´elev´es d’autant plus si l’on inclut le personnel que cette op´eration r´ep´etitive mobilise.
Une motivation suppl´ementaire est li´ee au projet spatial PHARAO/ACES (Projet d’Horloge Atomique `a Refroidissement d’Atomes en Orbite / Atomic Clock Ensemble in Space) dont le lancement est pr´evu dans le courant de l’ann´ee 2013. Ce projet vise `a envoyer en orbite terrestre une horloge `a atomes froids con¸cue pour fonctionner en microgravit´e (fonctionnement semblable `a celui d’une fontaine), un maser `a hydrog`ene, un syst`eme de comparaison et de distribution de fr´equences et un lien micro-onde. Cet ensemble d’hor-loges va permettre des comparaisons de fr´equence entres des horloges situ´ees dans des laboratoires terrestres avec une stabilit´e relative de fr´equence de 10−16 sur la journ´ee et une exactitude au niveau de 10−16 [87]. L’utilisation de ces mesures va permettre de tester le d´eplacement gravitationnel de la fr´equence de l’horloge (redshift ) [87]. Au vu de l’ampleur de ce projet, de son coˆut et surtout des r´esultats scientifiques attendus, les laboratoires qui poss`edent (ou d´eveloppent) plusieurs ´etalons de fr´equence comme le LNE-SYRTE ne peuvent prendre le risque d’un dysfonctionnement majeur de ses horloges pendant la dur´ee de la mission. Une panne importante sur l’oscil-lateur cryog´enique fait partie des probl`emes identifi´es qui affecterait nota-blement les performances des trois fontaines atomiques du laboratoire. Le projet de g´en´eration de signaux micro-ondes `a haute stabilit´e de fr´equence et bas bruit de phase `a partir de lasers ultra-stables et femtosecondes est une solution propos´ee.
1.5.2 Outils disponibles
La r´ealisation de l’exp´erience n´ecessite la caract´erisation de la r´ef´erence optique, le laser ultra-stable, ainsi que celle du signal micro-onde. Pour ˆetre complet, la compatibilit´e avec la fontaine atomique du signal micro-onde g´en´er´e doit ˆetre ´evalu´ee. Pour cela, on peut mesurer la stabilit´e d’une fontaine atomique lorsque le signal est directement utilis´e pour interroger l’horloge.
Le nombre important d’oscillateurs et d’horloges au LNE-SYRTE, repr´ e-sent´es sur la figure 1.5, en fait un laboratoire propice `a la r´ealisation de cette
Fig. 1.5 – Sch´ema de l’ensemble des horloges et oscillateurs du LNE-SYRTE (ne sont pas repr´esent´ees les horloges compactes et `a atomes pi´eg´es sur puce). FO1, FO2 et FOM sont des fontaines atomiques, Sr et Hg sont des horloges `a r´eseau optique de strontium et de mercure (CSO – oscillateur cryog´enique en saphir, Fs – laser femtoseconde, USL – laser stabilis´e sur cavit´e et LO2 – lien optique fibr´e ultra-stable).
exp´erience. L’´etude r´ealis´ee pour la conception de cavit´es `a faibles sensibilit´es acc´el´erom`etriques (d´ecrite au chapitre 2) a donn´e lieu `a la r´ealisation de cinq lasers ultra-stables. Un premier, `a 698 nm, sert d’oscillateur pour les deux horloges `a atomes de strontium (Sr) pi´eg´es dans un r´eseau optique [12, 88]. Un second laser stabilis´e est r´ealis´e dans le cadre de l’horloge `a atomes de mercure (Hg) pi´eg´es dans un r´eseau optique [17, 18]. Une comparaison entre les ultra-stables de chacune des horloges Sr et Hg (asservis ou non sur la fr´equence de transition atomique) peut ˆetre r´ealis´ee par l’interm´ediaire du laser fem-toseconde Titane:Saphir. Ce laser femfem-toseconde permet aussi de r´ealiser des mesures de fr´equence entre le domaine optique et micro-onde. La comparaison se fait par l’interm´ediaire de l’oscillateur cryog´enique `a r´esonateur en saphir (CSO pour Cryogenic Sapphire Oscillator ). Celui-ci est asservi `a long terme sur un maser `a hydrog`ene (constante de temps de ∼ 1000 s) qui est lui-mˆeme en permanence compar´e avec des ´echelles de temps. Chaque horloge est com-par´ee avec l’association CSO–maser. Il est donc possible de comparer entre elles les diff´erentes horloges (optique et micro-ondes) par l’interm´ediaire du syst`eme CSO-maser. Deux autres lasers ultra-stables `a 1542 nm sont utilis´es dans une exp´erience visant `a d´evelopper un transfert de fr´equence ultra-stable par fibre optique entre le SYRTE et le Laboratoire de Physique des Lasers [89]. Les deux lasers ´etant r´eunis dans un mˆeme laboratoire, une com-paraison directe permet de caract´eriser leur bruit de fr´equence. Enfin, pour l’exp´erience qui a fait l’objet de cette th`ese, un dernier laser ultra-stable a ´
et´e r´ealis´e `a 1062, 5 nm. Le bruit de fr´equence de ce laser doit ˆetre transf´er´e en micro-onde par un laser femtoseconde `a fibre dop´ee `a l’erbium.
La fr´equence du laser ultra-stable devant servir de r´ef´erence pour le laser femtoseconde fibr´e peut donc ˆetre caract´eris´ee en utilisant le laser ultra-stable de l’horloge Hg par une comparaison directe. Cependant, afin de faciliter les premi`eres ´etapes de l’exp´erience, l’un des lasers `a 1542 nm a ´et´e utilis´e pour r´ef´erencer le laser femtoseconde (voir le chapitre 4). Cette r´ef´erence de fr´equence peut, elle aussi, ˆetre caract´eris´ee grˆace au second laser ultra-stable de mˆeme longueur d’onde.
Les signaux micro-ondes g´en´er´es sont caract´eris´es en utilisant deux sources `
a tr`es bas bruit de phase. La premi`ere est constitu´ee du laser femtoseconde Titane:Saphir stabilis´e sur l’un des lasers ultra-stables, en l’occurrence le la-ser `a 1062, 5 nm de l’horloge Hg, la seconde est le CSO. Enfin, la compatibilit´e du signal avec une fontaine atomique (FO2) a ´et´e exp´erimentalement test´ee.