Spectroscopie ultra haute résolution d'un ion unique de calcium
Résumé
This thesis is part of a project aiming at the realization of an optical frequency standard based on a single calcium ion confined in a Paul trap. Having reviewed the various types of optical frequency standards being developed (trapped neutral atoms, atoms in an optical lattice and trapped ions), emphasis is placed on the concept of a single ion confined in a radiofrequency trap. The concepts of ion trapping, laser cooling, systematic effects and laser servo techniques are studied in detail. The experimental aspect is then presented with particular emphasis on the two traps used in the experiments and the experimental protocol that is determines the specifications of the clock laser. To achieve an optical frequency standard we must have a laser source whose spectral properties are better or identical to that of the atomic transition in order to take full advantage of the quality factor of the atomic transition. All feedback systems of the laser, allowing to reach these performances are presented. In the first part, the pre-stabilization stage on an Invar cavity is presented. We can thus achieve a linewidth of arrowed 1 kHz laser. In a second part, the implementation and the installation of the second stabilization stage of the laser on a high finesse ULE cavity is detailed. Using this last stage we estimate the linewidth of the laser to be 120 MHz. The final chapter is devoted to the use of adaptive optics technology to improve the quality of laser beams and thus reduce the background noise of the ion detection system, which results in degradation of the clock stability.
Cette thèse s'inscrit dans un projet visant à réaliser un étalon de fréquence optique à ion unique de calcium confiné dans un piège de Paul. Après avoir passé en revue les différents types d'étalons de fréquence dans le domaine optique actuellement développés (atomes neutres en piège magnéto-optique, atomes neutres dans un réseau optique et ions piégés), l'accent est mis sur le concept d'horloge a ion unique confiné dans une piège radiofréquence. Les notions de piégeage des ions, de refroidissement laser, d'effet systématique et les techniques d'asservissement laser y sont étudiées en détail. Les aspect expérimentaux sont ensuite présentés, en insistant particulièrement sur les deux pièges utilisés au cours des expériences ainsi que sur le protocole expérimental qui détermine le cahier des charges du laser d'horloge. Afin de réaliser un étalon de fréquence optique il faut posséder une source laser dont les propriétés spectrales soient meilleures ou identiques à celle de la transition atomique afin de tirer pleinement profit du facteur de qualité de la transition atomique. L'ensemble des systèmes d'asservissement du laser, lui permettant d'atteindre ces performances, sont décrits. Dans une première partie, l'asservissement du laser sur une cavité Invar de pré-stabilisation est présenté. On peut ainsi atteindre une largeur de raie du laser de l'ordre de 1 kHz. Dans une seconde partie la réalisation et le montage de l'asservissement sur une cavité ULE de haute finesse est détaillé. En utilisant ce dernier étage nous avons estimé la largeur de raie du laser à 120 mHz. Enfin le dernier chapitre est consacré à l'utilisation d'une technique d'optique adaptative afin d'améliorer la qualité des faisceaux laser et ainsi réduire le bruit de fond du système de détection des ions, qui a pour conséquence de dégrader la stabilité du système.
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