Academic literature on the topic 'Peigne de fréquence atomique'

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.

L'objet de ce travail de thèse est d'étudier un cas particulier de l'interaction lumière-matière dans le cadre du stockage d'information quantique. Nous nous sommes intéressés aux processus appelés transitoires optiques cohérents, et plus précisément à l'écho de photon à deux impulsions. Ce processus est observé dans des cristaux dopés aux ions lanthanides, tel que le Tm3+:YAG. Une fois éclairé par une impulsion faible (le signal à stocker) puis par une impulsion plus intense (servant à la remise en phase des dipôles induits), ce milieu atomique, essentiellement un système à deux niveaux avec une transition large, réemet une troisième impulsion, qui est l'"écho" temporel de la première (chapitre 1). Nous avons observé de tels échos expérimentalement, et ce pour des impulsions de signal faibles. Néanmoins, des effets délétères, dûs à l'impulsion de rephasage et à sa propagation, nous ont permis de conclure sur l'impossibilité d'utiliser ce processus tel quel en tant que protocole de mémoire quantique (chapitre 2). Le troisième chapitre a pour objet l'état des lieux des diverses méthodes dérivées de l'écho de photon à deux impulsions. Notamment, nous examinons la capacité théorique des échos Stark à restituer une éventuelle information quantique. Bien que prometteuse, nous lui avons préféré un autre processus, basé sur la structuration de l'absorption du système en peigne de fréquences atomiques (AFC en anglais). Son étude théorique consistitue la fin du chapitre 3. Le dernier chapitre (4) s'attache à résumer les expériences que nous avons réalisées sur le protocole AFC. Elles ont permis d'observer des échos AFC avec une efficacité proche de 10%. Elles ont également permis de dégager des axes de recherche pour améliorer le protocole, comme l'AFC large- bande, ou en régime de comptage de photons.

Les travaux présentés dans cette thèse décrivent l’ensemble de la démarche expérimentale qui a été mise en place afin d’observer un piégeage cohérent de population à trois photons sur un nuage d’ions calcium confinés en piège radio-fréquence. La réalisation d’un tel processus cohérent repose sur des contraintes expérimentales fortes concernant la relation de phase entre les trois lasers impliqués dans le processus d’interrogation ainsi que sur leurs finesses spectrales. Notre approche est basée sur l’optimisation des performances d’un laser stabilisé à 411 THz (729 nm) pour atteindre une stabilité de fréquence relative inférieure à 10⁻¹⁴ à 1 s. Ces performances ont ensuite été transférées vers un peigne de fréquence optique. Le comportement de cet instrument ainsi que les performances du transfert sont présentés dans ces travaux. Le peigne est alors utilisé comme oscillateur de transfert pour asservir les deux autres lasers impliqués dans l’interrogation des ions (866 nm et 794 nm). Grâce à ce travail sur la mise en relation des trois sources laser, ainsi que l’optimisation de leur qualités spectrales nous avons pu observer les premières résonances noires à trois photons dans le spectre de fluorescence des ions 40 Ca⁺. Ces résultats originaux ainsi que les premières études systématiques du comportement de la résonance en fonction de différents paramètres expérimentaux sont présentés. L’analyse de ces résultats a permis de définir clairement les conditions expérimentales à respecter pour une potentielle utilisation métrologique de cette résonance qui émane d’une superposition cohérente d’état stable ou métastable
The work presented in this thesis describes the complete experimental set-up and approach to realize three-photon coherent population trapping in a cloud of radiofrequency confined calcium ions. The realization of such a population trapping relies on a stringent conditions of the phase relationship between the three lasers involved in the interrogation process, and also their spectral linewidths. Our experimental approach is based on the optimization of the performance of a frequency-stabilized titanium-sapphirelaser at 411 THz (729nm) at the 10⁻¹⁴ level, in term of relative frequency uncertainties. This laser’s fre-quency stability is subsequently transfered to a optical frequency comb by means of a phase-locked loop. Then the two other lasers involved (866 nm and 794 nm) are phase-locked to the optical frequency combwith the same technique. This work describes the transfer method along with its measured performances. With all the three lasers sharing the same ultra-stable frequency reference we have been able to experi-mentally observe for the first time a 3-photon dark resonance in the fluorescence spectra of the 40 Ca⁺, signature of a coherent population trapping in a 3-photon scheme. The dependence of this resonance at experimental parameters, such as laser powers, laser detunings and local magnetic field, have been studied and are presented in this work. The preliminary results have allowed to explain the behaviour of the dark resonance and explored conditions for the use of the 3-photon dark line as a THz frequency standard

Les peignes de fréquences optiques auto-référencés constituent aujourd'hui l'outils de choix en temps-fréquences pour mesurer avec des très hautes stabilités et exactitudes des fréquences optiques. Au delà de cette activité de mesure proprement dite, ils trouvent également des applications novatrices variées à très hautes performances, tel que par exemple la génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase et le transfert de pureté spectrale entre différentes fréquences optiques. Ce manuscrit décrit différents travaux autour de ces outils versatiles que j'ai réalisé au NIST (Boulder, Colorado, USA) et au LNE-SYRTE (Partis, France) entre 2004 et 2014

Le mandat de ce mémoire est de vérifier la possibilité d'effectuer la spectroscopie d'une cellule de gaz HCN et d'une cellule de gaz méthane avec la technique d'interférométrie à l'aide de deux lasers indépendants sans l'auto référencement du battement 1f − 2f.L'approche choisie est d'analyser les spectres de fréquence obtenus à partir d'un double peigne stabilisé que l'on déstabilise en enlevant la boucle de contrôle des fCEO et de comparer ces spectres expérimentaux avec des spectres de référence provenant soit de la base de données HITRAN (cas du méthane) ou soit par une construction à partir de données expérimentales provenant du NIST (cas du HCN). Afin de pouvoir reconstruire adéquatement les spectres de fréquence, on utilise un algorithme d'autocorrection des interférogrammes (IGM) qui permet d'augmenter les temps de cohérence des IGM et ainsi d'étendre le temps de moyennage tout en conservant la résolution spectrale. Déjà utilisée pour des lasers stables à forts taux de répétition, son utilisation sur des lasers à taux de répétition beaucoup plus faible nécessite certaines modifications pour son bon fonctionnement. La première modification est l'ajout d'un prétraitement des données qui consiste par l'extraction de l'évolution des phases des signaux de battement à fopt et par la démodulation du signal contenant les IGM avec la combinaison extraite des phases. La seconde modification permet son utilisation sur de grandes quantités de données évitant ainsi des dépassements d'espace mémoire vive lors de l'exécution de l'algorithme sous MATLAB®. Les résultats obtenus avec le HCN démontrent que la spectroscopie à l'aide d'un double peigne de fréquences est possible lorsque la régulation des lasers s'effectue uniquement par l'asservissement des fopt et que le battement des peignes est prétraité et post-traité permettant ainsi de conserver la résolution spectrale. En ce qui concerne la spectroscopie du méthane, nos résultats montrent que le système interférométrique fonctionne seulement lorsque que la stabilisation du double peigne s'effectue par les asservissements du fCEO et du fopt. Toutefois, certaines modifications à notre système telles que : l'utilisation d'un laser CW à1650 nm au lieu de celui à 1550 nm ; l'ajout d'un second laser CW ou bien par la mesure de f r ou d'une harmonique permettraient d'obtenir une spectroscopie adéquate du méthane et cela sans utiliser l'autoréférencement des peignes.

Le laser à cascade quantique (LCQ) est un dispositif compact unipolaire qui repose sur des transitions optiques entre les états quantifiés de la bande de conduction de puits quantiques. Sa longueur d'onde d'émission, facilement ajustable par une ingénierie de bandes, peut couvrir toute la gamme du moyen infrarouge. Les travaux réalisés pendant cette thèse portent sur la conception de nouvelles géométries de cavité afin de réaliser un peigne de fréquence. La majeure partie du travail de cette thèse a été d'améliorer la stabilisation et le contrôle de l'espacement entre les modes optiques dans la cavité Fabry-Perot d'un LCQ émettant à 9µm. En combinant les technologies des micro-ondes et des semiconducteurs, nous démontrons la génération d'un peigne de fréquence grâce à l'intégration d'une ligne micro-ruban (MR) dans une cavité d'un LCQ. Une étude comparative a été réalisée entre cette nouvelle géométrie et une géométrie standard. La stabilité de l'espacement entre les modes a été caractérisée en mesurant la composante hyperfréquence du signal optique à la fréquence d'aller-retour (AR) des photons. La largeur à mi-hauteur de ce signal est dix-sept fois plus faible que celle mesurée pour un LCQ standard pour une puissance optique de sortie similaire, preuve d'une meilleure stabilité dans la cavité. Grâce à l'injection d'un signal hyperfréquence stable à cette fréquence d'AR, nous contrôlons et stabilisons le peigne de fréquence sur une plage de l'ordre du MHz avec une puissance injectée de 10 mW. Les réponses à une modulation directe des dispositifs ont également été étudiées : la bande passante du laser MR est trois fois supérieure à celle d'un laser à standard à 10 GHz
Quantum cascade lasers (QCLs) are unipolar compact devices based on optical transitions in quantum wells between the quantized states of the conduction band. Their emission wavelength, easily tailored thanks to quantum engineering, can cover the entire range of the mid-infrared spectrum. The work presented in this thesis deals with the design and the study of new cavity architectures for the realization of a frequency comb. Aim of the work is to improve the stability and the control of the intermode frequency spacing of Fabry-Perot QCL emitting at 9 ktm. By merging microwave and semiconductor laser technologies, we demonstrate the generation of a stable frequency comb, integrating a microstrip line in the QCL cavity. A comparative study of the new architecture and standard design has been carried out. The stability of the spacing between the modes has been characterized by measuring the microwave component of the optical signal at the round-trip frequency of photons in the cavity (13. 7 GHz). Full width at half maximum of this signal is seventeen times lower than that measured for a standard QCL with similar optical power, evidence of improved stability in the optical cavity. Through the injection of a stable microwave signal at the round-trip frequency, we control and stabilize the frequency comb over a range of the order of MHz with an injected power of 10 mW. The performance of direct modulation of the devices has been also investigated : the measured bandpass of the microstrip laser is three times higher than the standard laser at 10 GHz

Dans cette thèse, nous avons mis en oeuvre un système de mesure de distance absolue (Absolute Distance Measurement, ADM) de haute précision utilisant l'interférométrie à balayage de fréquence (Frequency Sweeping Interferometry, FSI). La technique FSI exige que la plage de réglage de fréquence du laser balayé soit mesurée avec une précision élevée, ce qui est difficile en raison de l'absence d'un moyen simple de mesurer la haute fréquence d'un laser en temps réel. Dans cette thèse, un peigne de fréquence a été utilisé comme règle de fréquence lumière pour mesurer la plage de réglage de la fréquence du laser à balayage. Un peigne de fréquence formé par un laser femtoseconde est constitué de millions de lignes de peigne régulièrement espacées, ce qui permet de le considérer comme une règle de fréquence de la lumière. La calibration de fréquence a été réalisée en filtrant le signal hétérodyne entre le laser à balayage et les lignes de peigne en utilisant un filtre passe-bande étroit. Cette approche nous permet de détecter le signal d'étalonnage lorsque la fréquence du laser à balayage est proche d'une ligne en peigne. Etant donné que l’intervalle de fréquence entre les lignes de peigne peut être mesuré avec précision ou activement verrouillé en phase par rapport à un oscillateur radiofréquence (RF) stable, la plage d ’ accord du laser à balayage peut être mesurée avec une grande précision. En particulier, chacun des deux pics d’étalonnage peut être utilisé dans le calcul de la distance, ce que nous appelons des «sous-mesures» en un seul balayage. Combinée au grand nombre de lignes de peigne, la moyenne des sous-mesures améliore considérablement la précision des mesures sans balayage multiple. Dans la thèse, la condition de détection et les caractéristiques du signal hétérodyne entre le laser à balayage et la ligne de peigne sont présentées. Une conception de filtre pour filtrer le signal hétérodyne est réalisée. Un travail de modélisation concernant l'effet du bruit de phase des lasers sur la distorsion d'enveloppe du pic d'étalonnage a été présenté. Des travaux expérimentaux basés sur les concepts de mesure ont été réalisés. Il montre que l'utilisation du schéma de mesure proposé peut considérablement améliorer la précision de la mesure de distance. Dans l’une des mesures, une précision de 30 nm pour une distance d’environ 0,8 m, correspondant à une incertitude relative de 37 ppm (part-perbillion) a été obtenue. Le résultat a été obtenu sur la base d'une méthode de traitement du signal de comptage de franges. La grande précision a été obtenue grâce au grand nombre de sous-mesures et à la stabilité des lignes de peigne régulièrement espacées. Nous avons constaté que la mesure de vibration de la cible peut également être effectuée en prenant avantage des lignes de peigne denses. Une sensibilité élevée, limitée à 1,7 nm efficace en bruit, de la mesure des vibrations a été atteinte. Ce résultat nous permet de surveiller la vibration de la cible, ce qui est un problème important de la technique FSI
In this thesis, we implemented a high-precision absolute distance measurement (ADM) system using frequency sweeping interferometry (FSI). The FSI technique requires the frequency tuning range of the swept laser to be measured with high accuracy and precision, which is challenging due to the lack of an easy way to measure the high frequency of a laser in real time. In this thesis, a frequency comb has been used as the light frequency ruler for measuring the frequency tuning range of the sweeping laser. A frequency comb formed by a femtosecond laser consists millions of evenly spaced comb lines so that can be regarded as a light frequency ruler. The frequency calibration was realized by filtering the heterodyne signal between the sweeping laser and the comb lines using a narrow bandpass filter. This approach allows us to detect the calibration signal when the frequency of the sweeping laser is in the vicinity of a comb line. As the frequency interval between the comb lines space can be precisely measured or actively phase-locked against a stable radio-frequency (RF) oscillator, the tuning range of the sweeping laser could be measured with high accuracy. Especially, each two calibration peaks can be used in the calculation of distance, which we call sub-measurements in a single sweeping. Combined with the large number of the comb lines, averaging of the sub-measurements improves greatly the measurement precision without multiple sweeping. In the thesis, the condition of detecting and the characteristics of the heterodyne signal between the sweeping laser and the comb line are presented. A filter design for filtering the heterodyne signal is performed. A modeling work concerning the effect of the phase noise of lasers on the envelope distortion of the calibration peak has been presented. Experimental works based on the measurement concepts have been carried out. It shows that using the proposed measurement scheme can greatly improve the distance measurement precision. In one of the measurements, a precision of 30 nm for a distance around 0.8 m, corresponding to 37 ppb (part-per-billion) relative uncertainty has been achieved. The result was obtained based on a fringe counting signal processing method. The high precision was obtained thanks to the large number of sub-measurements and the stability of the evenly spaced comb lines. We have found that vibration measurement of the target can be also performed taking the advantage of the dense comb lines. A high sensitivity, limited by 1.7 nm noise RMS, of vibration measurement has been achieved. This result allows us to monitor the vibration of the target, which is an important issue of FSI technique

La Microscopie à Force Atomique (AFM) rapide et ses applications potentielles en nano-biotechnologie nécessite l’augmentation de la fréquence de résonance des sondes, constituées de levier résonant à quelques mégahertz. De plus, lors du passage en liquide, la fréquence de résonance ainsi que le facteur de qualité sont dégradés tandis que le système optique de mesure gagne en complexité. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent de remplacer le levier standard de l’AFM par un microsystème résonant à haute fréquence, présentant un facteur de qualité élevé et dont l’actionnement comme la détection seront intégrés. Après un état de l’art de l’AFM et de l’apport potentiel des microsystèmes pour la discipline, les détails de la conception d’une sonde basée sur un anneau en silicium vibrant suivant un mode elliptique munie d’une pointe sont présentés. Le procédé technologique 3D de fabrication collective sur substrats des sondes est détaillé. La pointe, dont l’apex présente un rayon de courbure nanométrique, est fabriquée par gravure chimique. L’actionnement électrostatique et la détection capacitive mettent en jeu un entrefer de 80nm auto-aligné. Un ensemble de caractérisations électriques et optiques permettent de mesurer et de calibrer les sondes avant leur montage sur un scanner AFM commercial. L’imagerie sur des échantillons biologiques, des origamis d’ADN, à l’aide d’une sonde fonctionnant à 11MHz et présentant un facteur de qualité à l’air de 1300 conclue ce manuscrit. La résolution en force obtenue est de 5pN.Hz-1/2
High speed Atomic Force Microscopy (AFM) and its potential applications in nanobiotechnology need to increase the resonance frequency of the probes limited in the case of the usual cantilever to a few megahertz. The first chapter describes the state of the art of the AFM and focus on the potential of MEMS in this area. The second chapter treats of the conception of a sensor taking advantage of the high resonance frequency of a silicon bulk mode resonator integrating a nanotip fabricated in batch process. We describe in the next chapter the realization of MEMS-based AFM Nanoprobes with integrated in-plane nanotip and 80nm self-aligned capacitive transduction gaps. The probes are fabricated using a photolithographic process and deep reactive ion etching. Small gaps being critical to maximize the capacitive transduction, the self-aligned 80nm capacitive gaps are obtained by thermal oxidation of the resonator side walls and polysilicon refilling. A chemical wet etching defines the in-plane nanotip thanks to the selectivity between the silicon planes. The radius of the tip apex obtained is about 10-20nm.One probe, working at 11MHz and showing a Q factor of 1300 is optically and electrically fully characterized. The probe holder of a Multimode Veeco microscope is replaced by a dedicated circuit board supporting the MEMS probe. The sample is constituted by DNA origami which is bimolecular self-assembled structure programmed to form various geometric shapes. In this case, 50nm side and 2nm height squares of DNA deposited on mica surface are used. For this probe, the minimal detectable force is estimated at 5pN.Hz-1/2

Le travail de cette thèse a consisté dans le développement d’un spectromètre térahertz continu largement accordable entre 0. 3 THz et 3. 3 THz avec 100% de couverture spectrale. Les lasers de pompe sont deux diodes à cavité étendue verrouillées respectivement par spectroscopie d’absorption saturée de Rubidium et par interférométrie à faible contraste. Cette configuration nous offre une pureté spectrale de 2 MHz pour un temps d’acquisition de 10 ms et une précision de fréquence absolue estimée à 100 MHz. Nous avons, avec ce dispositif, effectué une étude de l’élargissement collisionnel par l’azote et par l’oxygène de la molécule de cyanure d’hydrogène. Les coefficients calculés d’élargissement par l’air ont été acceptés pour compléter la base de données HITRAN. Un système de métrologie de fréquence a ensuite été développé pour le verrouillage des lasers de pompe en utilisant un peigne de fréquence. Cette configuration nous donne une pureté spectrale de 200 kHz pour un temps d’acquisition à 1 s. La précision de fréquence absolue est estimée à 100 kHz. Des mesures de fréquences de transition rotationnelle de la molécule de sulfure de carbonyle ont été réalisées à l’aide de ce dispositif et ont permis d’affiner les constantes moléculaires de rotation. De nouveaux types de photomélangeurs développés par l’IEMN ont été également caractérisés dans ce travail de thèse, nous donnant des résultats encourageants. Notamment la nouvelle conception verticale associée à une antenne cornet a montré des excellentes performances surtout aux hautes fréquences
The work undertaken in this thesis is to develop a wide-band continuous-wave terahertz spectrometer able to cover 100% of the region extending from 0. 3 to 3. 3 THz. Two extended cavity laser diodes have been frequency stabilized, one to a saturated absorption feature of Rubidium and one to a low contrast Fabry-Perot etalon. This solution yielded a spectral purity of 2 MHz for a 10 ms gate time and an absolute frequency accuracy of 100 MHz. The collisional broadening coefficients of hydrogen cyanide with oxygen and nitrogen were measured. The resulting air-broadening coefficients have been included in the latest version of the HITRAN database. Subsequently a frequency metrology system was developed using a frequency comb and demonstrated an improved source spectral purity evaluated to be 200 kHz for a sweep time of 1 s. The estimated accuracy of absolute frequency is 100 kHz. The measurement of the frequencies of carbonyl sulfide has shown an improvement in the rotational molecular parameters. Several novel photomixer devices fabricated by the IEMN were also characterized in this work with encouraging results. Particularly the novel vertical design combined with a horn antenna showed excellent performance especially at high frequencies

Ce mémoire porte sur l’étude de la stabilité de fréquence d’une horloge atomique à piégeage cohérent de population. Le cadre de cette étude est d’une part d’approfondir la connaissance du piégeage cohérent de population en cellule de vapeur et d’autre part de construire un prototype d’horloge démontrant une stabilité de fréquence à l’état de l’art des meilleures horloges compactes de laboratoire. Grâce à une interrogation impulsionnelle et un schéma d’excitation en polarisations linéaires et orthogonales, cette horloge présenterait une stabilité de fréquence relative nettement inférieure à 10^-13 à 1 s si elle était limitée par un bruit fondamental tel que le bruit de photon. Après une présentation du montage expérimental, la première partie de ce mémoire est consacrée à l’étude des différentes sources de bruit limitant la stabilité de fréquence court-terme. Le soin particulier donné à la modélisation, à la caractérisation expérimentale et à la réduction des transferts de bruit de fréquence de l’oscillateur local (effet Dick) et du bruit d’intensité du laser en bruit de fréquence de l’horloge, a permis de mesurer une stabilité de fréquence au niveau de 3.2x10^-13 à 1 s. Dans un deuxième temps une étude théorique et expérimentale du déplacement de fréquence micro-onde en fonction de la puissance laser est présentée. Au-delà de la mise en évidence du caractère clé de la déformation de la raie dans l’explication de ce déplacement, elle a posé les bases de la dernière partie de ce mémoire qui propose une méthode d’insensibilisation du déplacement de fréquence aux fluctuations de puissance
This report refers to the frequency stability study of a compact clock using coherent population trapping. The frame of such a study is firstly to deal in depth with the understanding of the systematic effects affecting the frequency of a coherent population trapping resonance. A second goal is to build a state-of-the-art compact atomic clock. Because of a pulsed interrogation and laser beams linearly and orthogonally polarized, our prototype would present a fractional frequency stability distinctly below 10^-13 at 1 s integration if it was shot-noise limited. Further to a setup description, the first part of this report is devoted to study the noise sources which limit the short-term stability of the clock. A special attention has been paid to model, experiment and reduce the transfer of local oscillator frequency noise and of laser intensity noise to microwave frequency noise. It led to measure an interesting stability measurement at the level of 3.2x10^-13 at 1 s. An experimental and theoretical study of the frequency shift due to laser intensity fluctuation is then presented. Beyond the influence on this shift of dark resonance overlapping that has been enlighted, this study gives the basics to understand the insensibilization method of the frequency to power fluctuations presented in the last chapter