Moustafa ABDEL HAFIZ soutiendra publiquement ses travaux de recherche de doctorat sur le sujet :
"Development and metrological characterization of a high-performance Cs cell atomic clock based on coherent population trapping"
et effectués à FEMTO-ST sous la direction de Rodolphe BOUDOT et Vincent GIORDANO.
Soutenance prévue le jeudi 1er juin 2017 à 14h00
Lieu : ENSMM, Amphi Jules Haag, 26 rue de l'épitaphe 25000 Besançon
Résumé :
Ce travail de thèse, financé par le LabeX FIRST-TF et la Région de Franche-Comté, effectuée dans le cadre du projet européen MClocks (http://www.inrim.it/mclocks), reporte le développement et la caractérisation métrologique d’une horloge atomique à cellule de césium de haute performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge atomique, avec un fort potentiel de compacité et à vocation future industrielle, pourrait trouver à terme des applications pour les systèmes de télécommunications, d’instrumentation, de défense ou navigation par satellite.
Cette horloge combine une diode laser DFB accordée sur la raie D1 du césium (894.6 nm), un modulateur électro-optique Mach-Zehnder fibré, un modulateur acousto-optique, un système Michelson, une cellule à vapeur de césium avec gaz tampon et un bloc électronique. L’horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé, nommé push-pull optical pumping (PPOP), permettant la détection de résonances CPT à fort contraste sur la transition d’horloge 0-0. Une caractérisation métrologique détaillée des différents éléments-clés de l’horloge fut menée.
En premier lieu, l’horloge fut exploitée en mode continu (CW). En second lieu fut implémentée une technique d’interrogation pulsée type Ramsey dans laquelle les atomes interagissent avec une séquence d’impulsions lumineuses CPT séparées par un temps d’évolution libre TR dans le noir, conduisant à la détection de franges de Ramsey-CPT. Dans les deux modes de fonctionnement (CW et pulsé), l’horloge démontre à ce jour une stabilité relative de fréquence court terme de l’ordre de 2 10-13 τ-1/2 jusque 100 s d’intégration, principalement limitée par des effets de puissance laser. Les travaux futurs viseront à améliorer la stabilité de fréquence moyen et long terme de l'horloge. Notons en ce sens qu'il fut mesuré que l'interaction pulsée permet de réduire significativement la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de puissance laser, en particulier pour les fortes valeurs de TR.
Ce travail de thèse a conduit à la mise en place d'une technique originale de stabilisation de fréquence laser par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence en cellule. Une étude expérimentale et théorique, menée en profondeur en étroite collaboration avec E. De Clercq (LNE-SYRTE) et D. Brazhnikov (ILP, Novossibirsk), fut menée pour identifier les phénomènes physiques complexes mis en jeu dans ce type de schéma, mettant en avant la contribution significative d’états noirs CPT et d’effets de pompage optique. Cette technique a permis un gain significatif d'un ordre de grandeur sur la stabilité de fréquence du laser, impactant directement sur la stabilité de fréquence d'horloge.
Enfin, il est à noter que la plateforme constituée par l’horloge a été utilisée au cours de la thèse pour mener des tests de physique plus amont, incluant par exemple la caractérisation par spectroscopie CPT d’une cellule de césium avec un revêtement anti-relaxant OTS (octadecyltrichlorosilane) ou le test de microcellules à vapeur de césium développées à FEMTO-ST.
