Référence de fréquence optique proche UV à micro-cellule Cs

Near UV Cs Microcell based optical frequency reference

• Auteur / Autrice : Carlos Rivera aguilar
• Direction : Rodolphe Boudot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Temps Fréquence
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)

Mots clés

Mots clés libres

Horloge Atomique

Microcellule

Stabilité de frequence

Instrumentation

Atomic Clock

Microcell

Frequency Stability

Instrumentation

Résumé

L'Institut FEMTO-ST travaille depuis presque 20 ans sur le développement de micro-horloges atomiques. Ces horloges offrent un budget stabilité-volume-consommation inégalé et sont aujourd'hui déployées dans une large gamme d'applications. Elles assurent le guidage et la navigation de véhicules ou systèmes autonomes en situation de résilience aux signaux GNSS, prolongent la durée de campagnes de mesure pour évaluer l'activité sismique dans les fonds océaniques, ou renforcent la sécurisation des communications numériques [1]. Néanmoins, le bruit de fréquence des lasers qu'elles utilisent ainsi que la présence de gaz tampon dans leur cellule limitent leur stabilité de fréquence. L'exploitation de méthodes simples de spectroscopie sub-Doppler, reposant sur l'interaction d'une vapeur thermique d'atomes alcalins en microcellule avec deux champs laser contre-propageants, ouvre la voie à la démonstration de micro-horloges optiques de nouvelle génération, avec des performances de stabilité dépassant celles des micro-horloges actuelles par au moins 3 ordres de grandeur. Cette thèse de doctorat s'inscrit au cœur de cet axe de recherche stratégique initié à FEMTO-ST il y a quelques années. Dans ce domaine, le NIST a développé une horloge optique à microcellule reposant sur l'excitation d'une transition à 2 photons à 778 nm de l'atome de Rb, démontrant une stabilité relative de fréquence de 1.8x10-13 à 1 s [2]. Un module laser à 780 nm ultra-compact asservi sur une cellule Rb par la technique d'absorption saturée a démontré une stabilité de fréquence de 1.5x10-12 à 1 s au FBH en Allemagne [3]. Plus récemment, un laser stabilisé à 895 nm sur une microcellule Cs a été démontré à FEMTO-ST avec une stabilité de fréquence de 3x10-13 à 1 s et inférieure à 5x10-14 à 100 s [4]. Dans cette thèse, nous proposons d'initier à FEMTO-ST le développement d'une référence de fréquence optique à microcellule obtenue par stabilisation directe d'une diode laser proche-UV affinée spectralement sur la transition 6S1/2 – 7P1/2 à 459 nm de l'atome de césium. Cette transition [5], jamais sondée à ce jour en microcellule, présente une fréquence de transition 2 fois supérieure aux approches citées précédemment, une largeur naturelle intermédiaire attractive de quelques MHz, et est propice à une architecture simple pour une intégration future poussée. Cette source optique ultra-stable visera des performances de stabilité de fréquence sub-10-13 à 1 s, à l'état de l'art, et trouvera application dans une pléthore d'applications. Aussi, cette source laser proche-UV pourrait constituer la brique fondatrice d'une micro-horloge optique innovante aux performances sans précédent exploitant le phénomène quantique de superradiance [6].

Over the last 20 years, FEMTO-ST has worked on the development of miniaturized atomic clocks. These clocks offer an unrivaled stability-volume-power budget and are now deployed in a plethora of applications. These clocks ensure the guiding and navigation of GNSS-denied systems, contribute to extend ocean bottom missions for gas/mineral exploration, seismic or geophysics research, and reinforce secure communications [1]. Nevertheless, the frequency noise of their laser and the presence of buffer gas in their cell limit and jeopardize their frequency stability. The use of simple sub-Doppler spectroscopy techniques, relying on the interaction of a hot atomic vapor confined in a microfabricated cell with two counter-propagating laser fields, paves the way to the demonstration of new-generation chip-scale optical clocks, with stability performances at least 3 orders of magnitude better than current commercial devices. The PhD thesis work stands at the heart of this strategic research axis initiated at FEMTO-ST a few years ago. In this domain, NIST has developed a microcell optical clock based on the excitation of the two-photon transition at 778 nm of Rb atom, demonstrating a fractional frequency stability of 1.8x10-13 at 1 s [2]. An ultra-compact laser system stabilized at 780 nm by saturated absorption spectroscopy on a Rb cell has demonstrated a frequency stability of 1.5x10-12 at 1 s, at FBH, Germany [3]. More recently, a 895 nm Cs microcell-stabilized laser developed at FEMTO-ST has reached the level of 3x10-13 at 1 s and below 5x10-14 at 100 s [4]. Such systems, already remarkable, still benefit of a large margin or progress. In this PhD thesis work, we propose to initiate at FEMTO-ST the development of a microcell optical frequency reference relying on the direct stabilization of a narrow-linewidth near-UV laser onto the Cs atom 6S1/2 – 7P1/2 at 459 nm. This transition [5], never probed in a microfabricated cell, presents a transition frequency 2 times higher than previously-reported systems, exhibits an attractive natural linewidth of a few MHz and is well-adapted for combining high-integration and metrological performance. This ultra-stable microcell optical source will target a state-of-the-art sub-10-13 frequency stability at 1 s and will find for sure a wide range of applications. In addition, this near-UV source might be later the basis of an original active optical clock, with unprecedented performances, based on the quantum regime of superradiance [6].