2.2 R´esonateur atomique
2.2.2 Source du jet continu
Les faisceaux de refroidissement (A et B sur la Fig. 2.2) sont amen´es par fibre optique depuis la table optique, collimat´es, puis inject´es dans la partie gauche de la cuve par des hublots. La longueur d’onde de la lumi`ere utilis´ee correspond `a la transition D2 du c´esium (cf. annexe A), soit une longueur
d’onde de λ2 = 852.1 nm. Les hublots utilis´es sont trait´es antireflet pour cette
longueur d’onde. Les collimateurs fournissent un faisceau de lumi`ere qui a un profil gaussien d’intensit´e, d’un diam`etre de ∅e−2 = 25 mm `a e−2. Il y trois
paires de faisceaux laser contrepropageant pour ralentir les atomes dans les trois directions de l’espace. Le faisceau selon x (A) est r´etror´efl´echi sur un
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Fig. 2.3: Vue de cˆot´e des deux prismes de r´etror´eflection `a l’int´erieur de la cuve. Le prisme inf´erieur (1) sert `a la r´etror´eflection du faisceau de refroidissement selon x et le prisme sup´erieur (2) `a celle du faisceau x de refroidissement transverse.
prisme qui est fix´e sur la paroi qui s´epare la source de la d´etection comme le montre la Fig. 2.3. Les quatres autres faisceaux (B) qui effectuent le re- froidissement dans le plan Oyz sont inject´es `a 45◦ par rapport `a la verticale
par des ouvertures `a 45◦ dans les parois de la cuve. La polarisation de la
lumi`ere dans chaque paire de faisceaux est circulaire positive dans le sens de propagation σ+et circulaire n´egative σ−dans le sens inverse. A l’intersection
des trois paires de faisceaux, on obtient ainsi ce qu’on appelle une m´elasse
optique σ+− σ− qui permet de ralentir, `a partir de la vapeur thermique de
c´esium, les atomes qui p´en`etrent dans ce volume. Il se forme alors un nuage sph´erique d’atomes froids qui ont une vitesse al´eatoire r´esiduelle de quelques cm/s, ce qui correspond `a une temp´erature cin´etique de quelques dizaines de µK. Typiquement, les atomes dans la m´elasse optique ont une temp´era- ture de T ≈ 80 µK, ce qui correspond `a une vitesse quadratique moyenne de
vrms ' 7.1 cm/s. Pour extraire les atomes de la m´elasse optique, nous utili-
sons la technique de la m´elasse mouvante ou m´elasse d´efilante, qui consiste `a ralentir les atomes dans un r´ef´erentiel en mouvement par rapport `a celui du laboratoire. Pour cela, nous varions la fr´equence des faisceaux de refroidis- sements dans le plan Oyz d’une valeur +∆f , par rapport `a la fr´equence du faisceau selon x, pour les faisceaux montants et d’une valeur −∆f pour les faisceaux descendants. Il en r´esulte un ralentissement anisotrope des atomes
de c´esium, qui se fait par rapport `a un r´ef´erentiel au repos dans le plan Oxy et par rapport `a un r´ef´erentiel en mouvement contre le haut selon l’axe z. Au final, les atomes de c´esium sont ralentis vers une vitesse r´esiduelle proche de z´ero dans le plan horizontal, et vers une vitesse positive selon z qui d´e- pend du d´ecalage de fr´equence ∆f des faisceaux. De cette mani`ere, on forme un jet vertical d’atomes froids qui sont lanc´es vers le haut avec une vitesse d’entraˆınement initiale th´eorique moyenne de la m´elasse mouvante donn´ee par : ¯ vth MM = √ 2 λ ∆f (2.1)
o`u λ est la longueur d’onde de la lumi`ere de refroidissement. Dans le cas du c´esium, la vitesse d’entraˆınement th´eorique est donn´ee par la relation :
¯
vth
MM[m/s] = 1.205 · ∆f [MHz] (2.2)
La vitesse de lancement typique du jet de la fontaine continue est de vL '
3.9 m/s (∆f ' 3.2 MHz), ce qui correspond `a une trajectoire parabolique du jet (9 sur la Fig. 2.2) dont l’apog´ee moyen se situe ∼ 73 cm au-dessus du centre de la source.
Refroidissement transverse
Le jet ainsi form´e quitte la m´elasse mouvante verticalement. Comme nous le verrons dans le chapitre 3, la vitesse transverse r´esiduelle des atomes du jet dans le plan horizontal Oxy, c.-`a-d. leur temp´erature transverse, `a une grande importance en ce qui concerne le flux d’atomes qui atteignent la d´etec- tion. Afin d’obtenir un flux `a la d´etection suffisamment ´elev´e, nous refroidis- sons transversalement le jet apr`es qu’il a quitt´e la source. Ce refroidissement suppl´ementaire se fait `a l’aide de deux paires de faisceaux laser contrepro- pageant orthogonaux et de profil d’intensit´e gaussien avec un diam`etre de ∅e−2 ' 10 mm. Un faisceau (D sur la coupe de la Fig. 2.2) est r´etror´efl´echi
selon l’axe y sur un miroir `a l’ext´erieur de la cuve et un autre (C), selon l’axe
x, est r´etror´efl´echi sur un petit prisme fix´e ´egalement sur la paroi verticale de
s´eparation comme le montre la Fig. 2.3. Ce dernier faisceau est l´eg`erement inclin´e dans le plan vertical d’un angle de 1.7◦, par rapport `a l’horizontale,
pour incliner le jet du mˆeme angle, par rapport `a la verticale, dans le plan
Oxz. Cette inclinaison du jet est n´ecessaire pour qu’il puisse effectuer la
trajectoire parabolique et traverser la cavit´e micro-onde (cf. chapitre 3). Trappe `a lumi`ere
Au-dessus du refroidissement transverse se trouve la trappe `a lumi`ere
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Fig. 2.4: Coupe longitudinale de la boˆıte cylindrique qui renferme le pi`ege `a lumi`ere rotatif. 1 : ouverture d’entr´ee ; 2 : turbine ; 3 : pi`ege `a lumi`ere ; 4 : anneau en graphite ; 5 : photodiode.
rescence de la source d’atomes froids de p´en´etrer dans la cavit´e micro-onde. Cet ´el´ement est tr`es important car sans cette trappe `a lumi`ere, la lumi`ere de fluorescence perturberait les niveaux d’energie des atomes de c´esium pendant l’interrogation micro-onde et aurait pour effet de d´eplacer la fr´equence de la transition d’horloge (cf annexe A) des atomes. Cette trappe est constitu´ee d’une petite turbine dont l’axe de rotation est vertical et qui est mont´ee dans une boˆıte cylindrique dont le fond est perc´e d’un trou (1) pour le passage du jet comme le montre la Fig. 2.4. La turbine (2) laisse passer les atomes du jet (avec une faible perte) mais d´evie la lumi`ere hors de l’axe du jet ato- mique. Cette lumi`ere est ensuite stopp´ee dans un petit pi`ege `a lumi`ere (3) plac´e au-dessus de la turbine sur un anneau en graphite (4). Cet anneau est perc´e d’un trou pour le passage du jet et isole la trappe `a lumi`ere de la cavit´e. La rotation continue de la turbine, `a vitesse constante, est effectu´ee par un moteur ´electrique pas-`a-pas sp´ecialement con¸cu pour l’ultravide. La fr´equence de rotation optimale (qui laisse passer le maximum d’atomes) est autour de 17 Hz. L’´etude, la construction et les tests de la trappe `a lumi`ere, et du moteur pas-`a-pas, sont d´ecrits en d´etail dans la section 7.3 ainsi que les mesures du d´eplacement de fr´equence relatif de la fr´equence de l’´etalon, provoqu´e par la lumi`ere de fluorescence dans la configuration o`u la trappe `a lumi`ere n’est pas impl´ement´ee. On distingue aussi sur la Fig. 2.4 la photo- diode (5) qui permet de mesurer l’intensit´e de la lumi`ere r´esiduelle apr`es le pi`ege `a lumi`ere.