Faculté des sciences

Aspects métrologiques d'une fontaine continue à atomes froids

Joyet, Alain ; Thomann, P (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2003 ; 1712.

Dans ce travail, nous étudions certains aspects métrologiques particuliers à la fontaine continue à atomes froids de césium développée à l'Observatoire cantonal de Neuchâtel en collaboration avec l'Office fédéral de métrologie et d'accréditation.Cet étalon de fréquence est basé sur un jet continu d'atomes de césium froids et lents. Par rapport aux fontaines pulsées, le... Plus

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    Résumé
    Dans ce travail, nous étudions certains aspects métrologiques particuliers à la fontaine continue à atomes froids de césium développée à l'Observatoire cantonal de Neuchâtel en collaboration avec l'Office fédéral de métrologie et d'accréditation.Cet étalon de fréquence est basé sur un jet continu d'atomes de césium froids et lents. Par rapport aux fontaines pulsées, le fonctionnement continu de la fontaine apporte certains avantages. La faible densité atomique et les températures élevées du jet ont pour conséquence que le déplacement de la fréquence de résonance atomique, dû aux collisions entre atomes froids, est fortement réduit et devient négligeable. Un second avantage est la suppression de la dégradation de la stabilité de fréquence due au bruit de phase de l'oscillateur local. La stabilité de fréquence est ainsi limitée seulement par le bruit de grenaille du jet atomique et même un oscillateur à quartz du commerce devrait être suffisant pour atteindre la stabilité ultime à court terme.Le fonctionnement continu de la fontaine a également certains inconvénients. Les trois principaux sont étudiés dans ce travail. Comme les lasers de refroidissement doivent rester enclanchés en permanence, la lumière de fluorescence de la source peut induire un déplacement de fréquence. Afin de réduire cet effet à un niveau négligeable, nous avons réalisé une trappe à lumière rotative qui empêche la lumière de fluorescence d'atteindre la zone d'interrogation. Le second point concerne la détermination de l'incertitude sur le déplacement de fréquence dû au champ magnétique statique. Les atomes ne peuvent pas être lancés à différentes hauteurs, afin de rendre la mesure de la carte du champ C plus aisée. Cependant, un modèle théorique permet d'estimer cette incertitude et ainsi de la garder sous contrôle. Le troisième inconvénient discuté est lié au fait que les atomes traversent la cavité micro-onde en deux endroits différents de leur trajectoire parabolique. La solution proposée, et réalisée, est un retournement de la cavité qui permet ainsi d'annuler une éventuelle différence de phase. Le déplacement de fréquence dû à un gradient de phase radial du champ a été évalué et est négligeable.Le budget d'incertitude préliminaire montre que ces différents déplacements de fréquence sont sous contrôle afin d'atteindre une exactitude de fréquence au niveau de 10-15. Quant à la stabilité de fréquence actuelle de la fontaine continue, elle a été mesurée à 2.5·10-13 t-1/2.