Study of laser cooling in a cell : contribution to the realization of a compact atomic clock with Cs133
Etude du refroidissement laser en cellule : contribution au développement d´une horloge atomique miniature à Cs133
Résumé
The aim of the Horace project is the realisation of on-board high frequency performance and compact atomic clocks thanks to cold Cs atoms. In this thesis, we first discuss the original operation of Horace, where all interactions are applied in the micro-wave cavity (cooling, interrogation and detection), according to a pure temporal scheme. We show that the relative frequency stability can be <1.10^(-12)\tau^(-1/2), depending on one hand on the cooling features, as the atomic cloud size and the capture rate, and on the other hand on the frequency performances of the local oscillator at Fourier frequency of a few 10 Hz (aliasing effect). Detection schemes by fluorescence (population) and radiation damping (coherences) are described and discussed. The second part of the thesis depicts a Doppler model in a reflective or diffusive cell, on the basis of the study of the mean laser field in the cell. Then we show that the 3D speckle pattern allows Sisyphus cooling to occur. The third part of the thesis is devoted to the experimental study of sub-Doppler cooling in a optically polished reflective spherical micro-wave cavity, used as a cell. The study demonstrates that more than 3.10^(7) cold atoms are cooled in the 3D speckle light wells. Thermalization times ~30-fold longer than in a Lin per Lin configuration were observed, as predicted by theory. Time-of-flight measurements revealed temperatures as low as ~ 2 microK. The last part of the thesis describes the realisation and the tuning of a spherical microwave cavity, and the main relative frequency shifts expected in the accuracy budget of Horace. Namely this is the phase shift due to the micro-wave switch and the collisional relative frequency shift, both expected at a few 10^(-13) level.
L'objectif du projet HORACE est la réalisation d'horloges compactes embarquées de haute performance en fréquence à l'aide d'atomes froids de Cs. Dans ce mémoire, on discute d'abord le mode de fonctionnement original d'HORACE où toutes les interactions appliquées aux atomes de Cs133 ont lieu dans la cavité micro-onde (refroidissement, interrogation, détection), selon une séquence purement temporelle. On montre que la stabilité relative de fréquence peut être <1.10^(-12)\tau^(-1/2), et dépendra des caractéristiques du refroidissement, comme la taille du nuage et le taux de capture, et des performances en fréquence de l'oscillateur local à des fréquences de Fourier de qq. 10 Hz (effet de repliement de spectre). Les méthodes de détection par fluorescence (populations) et par "radiation damping" (cohérences) sont décrits et discutés. La deuxième partie du mémoire présente un modèle de refroidissement Doppler dans une cellule réfléchissante ou diffusante, basé sur une étude du champ laser moyen dans la cellule. On montre alors que la figure de tavelure 3D permet des mécanismes de refroidissement Sisyphe. La troisième partie du mémoire est consacrée à l'étude expérimentale du refroidissement subDoppler dans une cavité micro-onde sphérique polie au niveau optique utilisée comme cellule. L'étude démontre que plus de 3.10^(7) atomes froids sont refroidis dans les puits de potentiels lumineux de la figure de tavelure 3D. Les constantes de temps de thermalisation ~30 fois plus longs que dans une configuration Lin per Lin prédits par le modèle ont été vérifiés expérimentalement. Des températures de ~2 microK ont été mesurées par temps de vol. La dernière partie du mémoire décrit la réalisation et l'accord en fréquence de la cavité micro-onde sphérique, et les principaux déplacements relatifs de fréquence attendus dans le bilan d'exactitude d'Horace. Ces derniers sont dus au déphasage du champ micro-onde pulsé et au déplacement relatif de fréquence collisionnel entre atomes froids au niveau de quelques 10^(-13).
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