Cryogenic Sapphire Resonator Secondary Frequency Standard
Référence Secondaire de Fréquence à Résonateur Saphir Cryogénique
Résumé
This thesis is devoted to the realization and the characterization of a cryogenic microwave secondary frequency standard for metrological applications.\\ This standard is based on the excitation of a high-order electromagnetic mode, of the ``whispering-gallery'' type, within a cylindrically shaped piece of monocrystalline sapphire ($Al_2O_3$) maintained at a temperature near to that of liquid helium.\\ Such a resonator currently represents the best solution to realizing frequency stabilities of the order of $1\cdot 10^(-14)$.\\ Mode splitting is generally observed at cryogenic temperatures, which makes the adjustment of the coupling difficult. We present a simple model that successfully explains the observed degeneracy and lineshapes for each mode. Moreover, we solve the problem of spurious modes by placing the resonator in an open cavity.\\ Every component needed for constructing a frequency-stable microwave oscillator based around the cryogenic resonator is analysed in detail.\\ The experimental results we obtain are exceptional: the oscillator realizes a short-term fractional frequency instability of less than $7.5\cdot 10^(-15)$. Over the longer term, any frequency drift is clearly identifiable; the instability at one-day intervals lies below $2\cdot 10^(-14)$. This last result represents the state of the art for long-term secondary frequency standards. \\ Several other, related pieces of work are also presented: the measurement of the dielectric properties of a langasite crystal, the characterization of ultra-stable oscillators, a sapphire-rutile composite resonator oscillator, a synthesis chain, and the observation of a bistability phenomenon due to the accidental coincidence of a whispering gallery mode with the paramagnetic resonance of $Fe^(3+)$ ions within the sapphire crystal.
Ce mémoire présente l'élaboration et la caractérisation d'un étalon secondaire de fréquence à résonateur saphir cryogénique, dans la gamme des fréquences microondes.\\ Le monocristal de saphir ($Al_2O_3$), excité sur des modes électromagnétiques d'ordre élevé, les modes de galerie, et utilisé au voisinage de la température de l'hélium liquide, représente le meilleur candidat pour réaliser un oscillateur présentant une instabilité relative de fréquence de l'ordre de $1\cdot 10^(-14)$.\\ Une dégénérescence du mode généralement observée aux températures cryogéniques rend difficile l'ajustement des couplages. Nous présentons ici un modèle simple expliquant correctement la séparation du mode en fréquence et les formes d'onde observées expérimentalement.\\ D'autre part, le problème des modes parasites est résolu par la mise au point d'une structure résonante en cavité ouverte.\\ Tous les éléments nécessaires à la construction de cet oscillateur sont analysés en détails.\\ Les résultats obtenus sont tout à fait exceptionnels. Sur le court terme, l'instabilité relative de fréquence est inférieure à $7.5\cdot 10^(-15)$. Dans le domaine du long terme, aucune dérive n'est clairement identifiée. La stabilité sur 1 jour est $<2\cdot 10^(-14)$. Ce dernier résultat constitue l'état de l'art pour des références secondaires de fréquence sur le long terme. \\ Enfin, d'autres travaux concernant la mesure des propriétés diélectriques d'un cristal de langasite, la caractérisation d'oscillateurs ultrastables, la chaîne de synthèse, un oscillateur saphir-rutile compensé thermiquement, et l'observation d'un phénomène de bistabilité du résonateur saphir né de la coïncidence fortuite d'un mode de galerie du cristal avec celle de l'ion paramagnétique $Fe^(3+)$, sont également présentés.
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