Référence de fréquence optique à microcellule à vapeur de césium stabilisée par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence

Cs vapor microcell optical frequency reference based on dual-frequency sub-Doppler spectroscopy

• Auteur / Autrice : Anthony Gusching
• Direction : Rodolphe Boudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Yann Kersalé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François-Xavier Esnault, Olivier Llopis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Le Coq, Frédéric Gérôme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fréquences des oscillations

Spectroscopie d'absorption

Horloges atomiques

Mots clés libres

Référence de fréquence

Microcellule à vapeur de césium

Spectroscopie sub-Doppler

Stabilité de fréquence

Laser

Frequency reference

Cesium microcell

Sub-Doppler spectroscopy

Frequency stability

Laser

Résumé

Cette thèse présente le développement et la caractérisation d'une référence de fréquence optique à 895 nm basée sur l'interrogation d'atomes de césium confinés dans une cellule micro-fabriquée par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence. Cette référence comprend une diode laser accordée sur la raie D1 du césium (895 nm), un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, une microcellule césium et une électronique de contrôle.Deux systèmes laser quasi-identiques ont d’abord été développés, l'un avec une diode laser DFB (Distributed FeedBack), l'autre avec une diode laser à cavité étendue (ECDL). Le battement entre ces deux lasers a démontré une stabilité relative de fréquence à 1 s de 1.1×10-12, limitée par le bruit de fréquence de l’ECDL, alors modulé à une fréquence trop faible.Une référence de fréquence ultra-stable à 895 nm a ensuite été développée pour caractériser sans ambiguïté les performances du laser ECDL. Cette dernière repose sur un laser ECDL annexe, asservi en phase sur un peigne de fréquence spectralement étendu, lui-même asservi sur un laser à 1542 nm stabilisé sur une cavité Fabry-Perot ultra-stable. Un lien fibré compensé, avec un bruit de phase résiduel de - 55 dBrad²/Hz à 1 Hz, a été aussi mis en place pour le transfert du signal ultra-stable.Par battement hétérodyne avec la référence, le laser ECDL à microcellule a démontré une stabilité relative de fréquence au niveau de 2.9×10-13 à 1 s, en bon accord avec son bruit de phase (+40 dBrad²/Hz à f = 1 Hz), et meilleure que 5×10-14 à 100 s.En dernier lieu, des travaux préliminaires ont été initiés pour mesurer la sensibilité de la fréquence laser aux variations des paramètres expérimentaux. Parmi les effets évalués, les défauts de superposition entre les faisceaux contre propageants, la puissance micro-onde et la champ magnétique, semblent constituer des contributions importantes à la stabilité moyen-terme du laser.

This thesis reports the development and characterization of an optical frequency reference at 895 nm based on the interrogation of cesium atoms confined in a microfabricated cell using dual-frequency sub-Doppler spectroscopy. This frequency reference includes a diode laser tuned on the cesium D1 line (895 nm), an electro-optic modulator, an acousto-optic modulator, a cesium vapor microcell and a control electronics.Two nearly-identical laser systems were developed, one using a DFB diode laser and the other with an external cavity diode laser (ECDL). The beatnote between these two lasers demonstrated a frequency stability of 1.1×10-12 at 1 s, limited by the intermodulation effect induced by the laser frequency noise.An ultra-stable frequency reference at 895 nm was developed to unambiguously characterize the individual performance of the microcell ECDL. The latter is based on an annex ECDL, phase locked to a spectrally-broadened frequency comb, referenced to an ultra-stable Fabry-Perot cavity-stabilized 1542 nm laser. A compensated fiber link, with a residual phase noise of - 55 dBrad²/Hz at 1 Hz, was developed to transfer the signal of the reference.Beating with the reference, the microcell ECDL laser has demonstrated a short-term frequency stability of 2.9×10-13 at 1 s, in good agreement with its phase noise (+40 dBrad²/Hz at f = 1 Hz), and better than 5×10-14 at 100 s.In a last step, preliminary studies were initiated to measure the sensitivity of laser frequency to variations of some experimental parameters. Among the evaluated effects, the misalignment between both counter-propagating beams, the microwave power, and the magnetic field appear to be important contributions to the laser medium-term stability.