Laser à semiconducteur pompé optiquement bifréquence pour les horloges à atomiques à piégeage cohérent d'atomes de Césium

par Paul Dumont

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Patrick Georges.

Soutenue le 08-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Institut d'optique théorique et appliquée (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Charles Fabry / Lasers (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Brunel.

Le jury était composé de Patrick Georges, Giorgio Santarelli, Sophie Bouchoule, Gaelle Lucas-Leclin.

Les rapporteurs étaient Arnaud Garnache, Anne Amy-Klein.


  • Résumé

    Les horloges atomiques à piégeage cohérent de population (CPT) constituent aujourd'hui un outil idéal pour la réalisation de références de fréquence stables, compactes et à faible consommation énergétique. Dans le cas des horloges à base de césium, elles nécessitent l'utilisation d'un champ laser bifréquence à 895 nm (raie D1) ou à 852 nm (raie D2) et dont la différence entre les fréquences optiques est égale à 9,19 GHz, soit l'écart entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental. Nous proposons une nouvelle solution pour générer ce champ laser, à partir d'un unique laser à semiconducteur pompé optiquement et à émission bipolarisée et bifréquence.Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est accordable en fréquence sur la transition D2 du césium. Nous détaillons tout particulièrement le choix des éléments intracavité et de la structure semiconductrice utilisée. Nous décrivons ensuite la mise en oeuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype. Nous présentons les deux boucles d'asservissement que nous avons mises en place pour verrouiller la fréquence optique du laser sur la transition du césium, et la différence de fréquence sur la fréquence délivrée par un oscillateur local. Nous effectuons une modélisation et une caractérisation complète des trois types de bruits du laser, à savoir le bruit d'intensité, le bruit de fréquence optique, et le bruit de phase du signal généré par battement entre les modes laser. Enfin, nous montrons les premiers résultats expérimentaux de piégeage cohérent d'atomes de césium réalisé avec le prototype et étudions les caractéristiques du signal obtenu. Finalement nous établissons un budget de bruit d'une horloge CPT, en nous appuyant sur l'estimation de l'impact de chacun des bruits laser précédemment étudiés. Après avoir identifié les limites du système actuel, nous proposons quelques pistes d'améliorations du laser bifréquence, reposant sur la réduction du bruit d'intensité laser et sur la modification de la structure semiconductrice.

  • Titre traduit

    Optically-pumped dual-frequency semiconductor laser for coherent population trapping atomic clocks using Cesium


  • Résumé

    Atomic clocks using the coherent population trapping (CPT) technic are ex-cellent candidates to obtain frequency references that are stable, compact and with a low powerconsumption. In the case of cesium atomic clocks, this technic require a dual-frequency laserfield either at 895 nm (D1 transition) or 852 nm (D2 transition) whose frequency difference isequal to 9.19 GHz, the frequency splitting between the two hyperfine levels of the fundamentalstate. Here we present a new concept for generating this type of laser field using a unique dualfrequency and optically-pumped laser with a dual-polarized emission.In this manuscript, we study the conception of such a laser source at a wavelength of 852 nm.We detail the design of the intracavity elements and the semiconductor active structure. Thenwe describe the experimental set-up and characterization of a first prototype. We present thestabilization set-up of the laser based on two different servo-loops, one used to lock the opticalfrequency onto the cesium transition and the other to lock the frequency difference onto thefrequency generated by a local oscillator. We report a complete simulation and characterizationof the main laser noises: the laser intensity noise, the optical frequency noise, and the phase noiseof the radiofrequency signal generated by the beatnote of the two laser modes. We show the firstexperimental results of coherent population trapping obtained with the prototype. Finally weestablish a noise budget of a CPT atomic clock by estimating the impact of each laser noises.After we identify the system limits, we propose different ways to improve the dual-frequencywhich rely on the reduction of the intensity noise and the modification of the semiconductorstructure design.


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