5. Introduction
Une amélioration notable des performances des horloges atomiques semble possible en développant une horloge qui utilise le refroidissement d’atomes et les conditions de microgravité. Cette idée a donné naissance au projet PHARAO qui vise à réaliser une horloge à atomes froids spatiale. L’étude qui suit entre dans le cadre de ce projet. Le chapitre 6 donne une description d’ensemble du projet PHARAO, et nous renvoyons le lecteur au rapport de synthèse (Ref. 22) pour plus de détails.
La stabilité d’une horloge atomique est étroitement liée au rapport signal sur bruit obtenu lors de la détection des atomes de césium après leur interaction avec le champ micro-onde. Dans la fontaine atomique du LPTF, la partie détection est réalisée par des diodes laser à cavité étendue de laboratoire, de très bonne qualité spectrale. Les impératifs d’encombrement et d’immunité aux vibrations imposés par une horloge embarquée sur satellite ne nous permettent pas d’utiliser les mêmes sources laser. C’est pourquoi nous avons cherché à comprendre dans quelle mesure il était possible de remplacer les sources laser de la fontaine atomique par des systèmes plus fiables mais de moins bonne qualité spectrale.
Nous décrirons brièvement l’ensemble du projet PHARAO. Nous expliquerons ensuite comment la stabilité d’un étalon de fréquence est reliée au rapport signal sur bruit du système de détection optique. Nous présenterons une étude théorique et expérimentale de l’influence des propriétés spectrale d’un laser sur le rapport signal sur bruit du système de détection dans les horloges à atomes refroidis par laser. Nous décrirons finalement l’étude, la réalisation et les essais en microgravité d’une source laser développée pour répondre aux spécifications imposées par le prototype de l’horloge spatiale PHARAO.
6. Le projet PHARAO
6.1 introduction
L’utilisation du refroidissement d'atomes neutres par laser améliore considérablement les caractéristiques des horloges atomiques. Les vitesses atomiques très basses obtenues avec ces techniques (de l’ordre du cm/s pour le césium (Ref. 12)) permettent des temps d'interrogation des atomes beaucoup plus longs que dans les horloges conventionnelles. La stabilité de fréquence, qui est inversement proportionnelle au temps d'interrogation, peut donc améliorée. De plus, la plupart des effets systématiques qui déplacent la fréquence atomique sont réduits avec la vitesse des atomes. Ainsi, l’exactitude de fréquence est beaucoup mieux déterminée. La première horloge atomique utilisant des atomes froids, la fontaine atomique FO1 du BNM-LPTF (Ref. 16) a des propriétés inégalées à ce jour. Sa stabilité de fréquence est de 1x10-15 en valeur relative pour un temps d'intégration de quelques heures. Pour des temps d'intégration plus longs, nous atteignons le plancher de stabilité de fréquence du maser à hydrogène que nous utilisons comme oscillateur de référence. L'exactitude de fréquence est égale à 2x10-15 (Ref. 20). Dans la fontaine atomique, la gravité terrestre limite le temps d'interrogation à 700 ms. En microgravité, il sera possible d'augmenter le temps d'interaction par un facteur 10 avec un dispositif simple et compact (Ref. 23). Le programme PHARAO vise à développer une horloge spatiale à atomes refroidis par laser qui pourrait surpasser les performances des horloges terrestres.
6.2 Le prototype d’horloge spatiale
Si la fontaine atomique montre des performances exceptionnelles au laboratoire, elle demeure très loin d'un objet spatial. Son poids total dépasse deux tonnes, elle mesure deux mètres de hauteur et ne fonctionne que dans une atmosphère bien contrôlée. Nous avons donc construit une horloge beaucoup plus fiable et de dimensions réduites, capable de fonctionner en microgravité. Nous l’avons testée au cours de vols paraboliques à bord de l'avion ZERO-G du CNES. L'objectif de ces vols était de montrer le bon fonctionnement du prototype dans un environnement très éloigné des conditions qui règnent dans un laboratoire et de faire la démonstration de l'intérêt de l'apesanteur en enregistrant une courbe de résonance plus étroite que celle obtenue sur terre.
Prochainement, le prototype sera modifié pour optimiser ses performances, en présence de gravité, à un niveau comparable à celles de la fontaine atomique. Transportable, il pourra alors être utilisé pour la comparaison d'horloges distantes à un niveau qui ne peut être obtenu avec les techniques de transfert de temps actuelles.
Le dispositif expérimental de l’horloge est schématisé sur la figure (Fig. 6-1). Tout comme la fontaine atomique, le prototype fonctionne de manière pulsée. Dans une enceinte à vide où règne une vapeur de césium, environ 107 atomes sont capturés et
refroidis à l'intersection de six faisceaux laser (Ref. 13). La durée variable de cette phase de capture (entre 100ms et 1s) permet de varier le nombre d'atomes froids. Les atomes sont ensuite lancés par la méthode de mélasse mouvante (Ref. 20) et sont refroidis à leur température minimum en un peu plus de 3ms. Ils subissent l'interaction micro-onde dans une cavité cylindrique accordée sur le mode TE013 et sont ensuite détectés par une méthode optique. Tous les faisceaux lasers sont fournis par un banc optique séparé. Une chaîne de multiplication de fréquence synthétise le champ micro-onde autour de 9,2 GHz à partir d'un oscillateur à quartz BVA ultra-stable à 10 MHz. Un ordinateur génère la séquence temporelle et traite les données.
La différence majeure dans le fonctionnement du prototype par rapport à la fontaine atomique est que les atomes subissent une seule interaction micro-onde. Durant toute la phase d’interrogation, les atomes sont sous l’influence du champ micro-onde. Il devient donc nécessaire de bien connaître, à chaque instant et en chaque point de la trajectoire atomique, la phase et l’amplitude du champ micro-onde pour en déduire les effets de la cavité sur la fréquence de résonance atomique. Des études sur la modélisation de la distribution du champ dans une cavité cylindrique sont en cours à l’IRCOM5. Ces diode laser Maître diode laser Repompeur diode laser Esclave diode laser Esclave