5.2 Perspectives
5.2.3 Vers un prototype embarquable
Les ´etudes men´ees durant cette th`ese ont permis de d´egager les points forts inh´erents au mode de fonctionnement de l’horloge HORACE.
La d´emonstration exp´erimentale d’une stabilit´e de fr´equence au niveau de 2.2 10−13 τ−1/2 et la perspective r´ealiste d’un fonctionnement spatial au niveau de 1 − 2 10−13 τ−1/2 sont tr`es prometteurs dans la perspective des constellations de satellites de positionnement et plus g´en´eralement pour les dispositifs embarqu´es. A ce titre, nous avons eu connaissance en janvier 2009 qu’une ´equipe chinoise du Key Laboratory of Quantum Optics de Shangai ´etudiait les potentialit´es du refroidissement en lumi`ere isotrope avec une g´eom´etrie tout `a fait similaire `a HORACE [96].
Sur le plan technique, le refroidissement en lumi`ere isotrope permet de simplifier le dispositif notablement et notamment le banc optique. En particulier, on a vu que la stabilit´e reste au niveau de 2 10−13τ−1/2avec des param`etres Doppler de refroidissement. Autrement dit, il n’est pas n´ecessaire de contrˆoler (finement) ni la puissance ni la fr´equence des faisceaux refroidisseurs pour un refroidissement sub-Doppler. Par ailleurs, on a vu que l’excellente stabilit´e coup `a coup du nombre d’atomes froids produits permet d’obtenir, certes un bon RSB, mais aussi une s´equence de d´etection tr`es simplifi´ee `a une seule impulsion laser. On dispose alors d’une horloge dont toute la s´equence de fonctionnement est particuli`erement simple donc a priori plus robuste.
Proposition de banc optique simplifi´e `a 1 laser La simplification de la s´equence a pour cons´equence, comme on l’a dit, de relˆacher les contraintes sur le banc optique, qui est rappelons-le un point critique vers la spatialisation et la fiabilisation de l’horloge.
5.2. Perspectives 179
Fig. 5.1 – Proposition d’architecture de banc optique compact
Nous avons pu imaginer grˆace aux travaux et r´esultats pr´esent´es une architecture de banc optique tr`es simplifi´e utilisant une seule source laser (voir figure 5.1).Compte tenu du faible nombre de composants et donc de pertes optiques, l’utilisation d’un seul laser paraˆıt envisa-geable pour assurer toutes les fonctions avec la puissance n´ecessaire. Il faut bien sˆur ˆetre attentif `
a la qualit´e spectrale de ce dernier comme cela a ´et´e mis en lumi`ere plus tˆot.
L’architecture du banc repose sur l’utilisation d’un modulateur ´electro-optique (MEO) per-mettant de g´en´erer la fr´equence repompeur. On asservit une des bandes lat´erales sur la tran-sition repompeur par absorption satur´ee. On peut alors, en contrˆolant la fr´equence micro-onde dans le MEO, changer le d´esaccord du faisceau principal autour de la transition 4 → 50 pour assurer les fonctions refroidisseur, d´epompeur et d´etection. Le contrˆole d’intensit´e et l’obtu-ration des faisceaux sont assur´es par un switch MOEMS fibr´e. Ce composant est disponible commercialement et a ´et´e test´e au laboratoire. Il s’agit d’un coupleur 2x2 (voir figure5.1) qui croise ou non les faisceaux. Son att´enuation est sup´erieure `a 60 dB lorsqu’une des voies n’est pas connect´ee, la coupure des faisceaux est assur´ee en 100 µs environ. L’utilisation de deux switchs mont´es en cascade permet d’obtenir soit un faisceau `a pleine puissance, soit un faisceau att´enu´e ou enfin de l’´eteindre compl`etement. On utilise ce principe pour le faisceau vertical, dont il faut moduler l’intensit´e entre les phases de refroidissement et de d´etection, et pour les faisceaux isotropes entre les phases de refroidissement et de pr´eparation. Il est clair qu’un switch de mˆeme nature mais 1x3 permettrait de r´eduire encore le nombre de composants (une voie directe, une att´enu´ee et une compl`etement ). On pourrait aussi imaginer un att´enuateur variable comme un modulateur de polarisation associ´e `a un polariseur.
Annexe A
Etat de l’art des horloges atomiques
Dans cette annexe nous donnons un apercu des diff´erents types d’horloges atomiques d´evelopp´ees `
a l’heure actuelle dans les laboratoires et dans l’industrie. Nous d´ecrirons bri`evement leurs prin-cipes de fonctionnement, leurs performances, leurs champs d’applications, leurs potentialit´es et leurs limitations(fondamentales et technologiques).
A.1 Etat de l’art des horloges atomique `a l’´et´e 2008
Il existe principalement deux grandes cat´egories d’horloges r´epondant aux besoins vus pr´ec´edemment.
Les horloges dites compactes sont pour la plupart issues de technologies d´ej`a matures et bien maˆıtris´ees en laboratoire. Ces d´eveloppements franchissent le cap de l’industrialisation voire de la spatialisation et ont de ce fait une vocation commerciale. Ils s’int`egrent g´en´eralement `
a des syst`emes plus complexes (satellites par exemple). Il est alors ´evident que les aspects de fiabilit´e,d’autonomie, d’encombrement et de consommation ´energ´etique prennent une impor-tance consid´erable. Il en r´esulte alors une simplification notable des dispositifs exp´erimentaux, parfois au d´etriment des performances. Dans cette cat´egorie nous nous attacherons au cas des horloges `a jet thermiques, au maser passif `a hydrog`ene, aux horloges dites en cellules (Rb, POP, CPT) et aux horloges reposant sur le pi´egeage d’ions ou d’atomes neutres (Hg+ et TACC). L’horloge `a atomes froids HORACE, objet de ce manuscrit, est d´ecrite `a partir du chapitre 3.
Les horloges de tr`es hautes performances qui r´epondent aux besoins m´etrologiques des laboratoires (´etalons primaires) et `a ceux issus de la physique fondamentale (variations des constantes). Ces exp´eriences sont `a la pointe des d´eveloppements actuels tant sur le plan des concepts physiques utilis´es que sur celui des r´ealisations technologiques qui en d´ecoulent sou-vent. On peut citer `a titre d’exemple le cas des horloges optiques o`u de tr`es gros efforts sont faits sur la r´ealisation de laser ultra-stables ou encore le cas de l’horloge spatiale ACES/PHARAO. Ces exp´eriences, pour la plupart encore en d´eveloppement, n´ecessitent souvent d’importants moyens humains pour fonctionner de mani`ere p´erenne. On donnera par la suite un aper¸cu des fontaines atomiques, de l’horloge spatiale PHARAO et des diff´erentes types d’horloges optiques.
182 Annexe A. Etat de l’art des horloges atomiques