Spectral properties of laser sources for optically pumped atomic clock
importance des propriétés spectrales des lasers pour les horloges atomiques à pompage optique
Résumé
This report presents theoretical and experimental results about atoms/light interactions in optically pumped cesium beam resonator. In a first part, we study how to improve the spectral purity of diode laser by use of an external cavity. Two different couplings of the active medium with the cavity are tested and compared. High-performance structures are designed, including self-alignment of the external cavity to reduce its sensitivity to mechanical and thermal perturbations. In a second part, interactions between an atomic jet and laser light are described in the density matrix approach. Laser frequency noise and modulation are considered. Optical pumping is specially studied. Its efficiency is estimated with laser parameters as intensity and modulation deep. It is showed that the atomic flux presents an extra-noise when pumping is uncompletely realized, because of the laser frequency noise. The final chapter is devoted to experimental study of the influence of laser parameters on clock signals. Pumping and detection of atoms are separetely examined. Unpumped atoms detection noise is measured and compared to theoretical predictions. Three different lasers are compared for optical pumping. The influence of bad pumping efficiency on signal-to-noise ratio of the clock signal is pointed out.
Ce mémoire présente des résultats théoriques et expérimentaux sur les interactions entre atomes et lumière laser dans les horloges atomiques à pompage optique. On présente tout d'abord l'affinement spectral de lasers à semiconducteurs par la technique de la cavité étendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testés et comparés. La conception de structures performantes est présentée,et une méthode d'auto-alignement est mise en œuvre pour réduire la sensibilité des ces lasers aux perturbations extérieures. Ensuite, les interactions atomes/lumière sont décrites par le formalisme de la matrice densité, en prenant en compte le bruit de fréquence et la modulation du laser. Cette partie développe plus particulièrement l'analyse du pompage optique. On montre que le flux atomique présente, à pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de fréquence du laser. Enfin, en dernière partie, une évaluation expérimentale de l'influence des paramètres des lasers sur les signaux d'horloge est menée. Les rôles des lasers de pompage et de détection sont étudiés séparément, et l'extra-bruit de détection des atomes non-pompés est mesuré pour des lasers de pompage de largeurs de raie différentes. L'influence de l'efficacité du pompage sur le rapport signal-à-bruit du signal d'horloge est déterminée expérimentalement pour une horloge à jet thermique de césium, dans une configuration de frange brillante.