Trous brûlés spectraux pour les lasers ultra-stables et les capteurs de force à l'échelle atomique

par Shuo Zhang

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Yann Le coq et de Bess Fang-sortais.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Observatoire de Paris. Département d'astronomie fondamentale (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-12-2018 .


  • Résumé

    Des trous brûlés spectraux dans des cristaux dopés aux ions de terres rares ont des nombreuses applications en métrologie du temps et de la fréquence. D'une part, les transitions optiques étroites des ions dopants peuvent servir de référence de fréquence pour la stabilisation au laser. La stabilité de fréquence relative attendue peut potentiellement être de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des lasers asservis sur des cavités Fabry-Perot à l'état de l'art. D'autre part, des contraintes mécaniques peuvent déformer la structure cristalline, décalant ainsi la fréquence de la transition dans les ions dopants. Explorer une telle transition à proximité de la résonance permet un couplage opto-mécanique et la réalisation de nouveaux systèmes quantiques hybrides. L'objectif de ce projet de thèse est double. D'une part, j'améliorerai les techniques de stabilisation de la fréquence du laser, pouvant aller jusqu'à quelques 10-19 à 1 seconde, et explorera les limites fondamentales de telles techniques, inconnues pour le moment. De nombreux travaux seront consacrés à la mise au point de techniques de détection d'ultra bas bruit et à l'exploration d'un régime de température autour de 100 mK, dans lequel une largeur de raie ultra-étroite et une immunité sans précédent au bruit et aux fluctuations thermiques sont attendues. D'autre part, j'effectuerai des expériences de trous brûlés spectraux dans des micro-résonateur mécanique afin d'étudier le couplage opto-mécanique. La physique sous-jacente donnera probablement la possibilité de réaliser des capteurs de force à l'échelle atomique dans notre système.

  • Titre traduit

    Spectral Hole Burning for Ultra-stable Lasers and Atomic-scale Force Sensors


  • Résumé

    Spectral hole burning in rare-earth ion doped crystals is a versatile system in time-frequency metrology and related applications. On one hand, narrow optical transitions of the dopant ions can serve as a frequency reference for laser stabilization. The expected fractional frequency stability can potentially be orders of magnitude better than cavity-locked lasers at the state of the art. On the other hand, mechanical constraints can distort the crystalline structure, thereby shifting the frequency of the transition in the dopant ions. Probing such a transition near resonance allows for opto-mechanical coupling and the realization of novel hybrid quantum systems. The aim of this PhD project is twofold. The successful applicant will improve the techniques of laser frequency stabilization, possibly down to the range of a few 10-19 at 1 s, and will explore the fundamental limits of such techniques, unknown for the time being. Much work will be devoted to the development of ultra-low-noise detection techniques, and to exploring sub-100 mK temperature regime where ultra-narrow linewidth et unprecedented immunity to thermal noise and fluctuations are expected. In parallel, he/she will perform spectral hole burning experiments in the micro-mechanical resonator in order to study the opto-mechanical coupling. The underlying physics will probably shed light on the possibility of realizing atomic-scale force sensors in our system.