Characterization of a clock based on coherent population trapping in a thermal cesium vapor. Main effects that may affect its mid- and long-term frequency stability.

Caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique de césium. Principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme.

Olga Kozlova (1)

1 SYRTE - Systèmes de Référence Temps Espace

This thesis describes a Cs - buffer gas vapour cell atomic clock based on coherent population trapping (CPT), and the main frequency shifts affecting its mid- and long-term stability. The developed atomic clock based on CPT uses two original techniques: a so-called double-Λ scheme for the CPT-resonance excitation and a temporal Ramsey interrogation technique, which produce a high contrast and narrow resonances with reduced light shift dependence. Generally, the mid and long term stability of the vapour cell atomic clock is limited by the collisional shift induced by alkali-buffer gas collisions and the light shift (or the effects depending on the laser intensity). We report on the study of the collisional shift of Cs clock frequency in the presence of Ne, N2 or Ar buffer gas and its temperature dependence. The coefficient values of this dependence for these three buffer gases were revealed (some of them for the first time), allowing us to realise a cell with optimal combination of buffer gases to cancel the temperature dependence around the working temperature. Following the study of the signal amplitude and the coherence relaxation rate the optimal values for such parameters as interrogation cycle, magnetic field, cell temperature, pressure of the buffer gas mixture, etc. were found for the chosen cell. The investigation on the light shift and the effects depending on the laser intensity allowed us to determine the most sensitive parameters (laser intensity ratio, temperature) and to implement the required stabilisations in order to better control them. Finally, the mid- and long-term clock frequency stability was improved by a factor 40, reaching 2.5*10-14 at 1 hour.

L'objet de ce manuscrit est la caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique d'atomes de césium contenue dans une cellule avec gaz tampon et l'étude des principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme. La particularité de l'horloge à piégeage cohérent de population développée est la combinaison de deux techniques originales : utilisation d'un schéma d'excitation en double-Λ et interrogation pulsée. Cela nous permet d'obtenir un signal étroit, une grande amplitude et des déplacements de fréquence liés à l'intensité laser réduits. La stabilité de fréquence à moyen-long terme des horloges à cellule est généralement limitée par les déplacements induits par les collisions avec le gaz tampon et par des effets liés à l'intensité laser. Une partie importante de ce travail est consacrée à l'étude des déplacements collisionnels en présence de gaz tampon - Ne, N2 et Ar, et à leur dépendance thermique. Les valeurs des coeffcients de la dépendance thermique, mal connues ou inconnues jusqu'à présent, ont été établies, cela nous a permis de réaliser une cellule optimale contenant un mélange de gaz tampon ayant une sensibilité thermique nulle autour de température de fonctionnement. Suite à l'étude de l'amplitude du signal et des temps de relaxation, les valeurs optimales des paramètres de fonctionnement en horloge (séquence d'interrogation, champ magnétique, la température de la cellule, pression du mélange, etc.) ont été déterminées pour cette cellule. L'étude des effets liés à l'intensité laser a permis de déterminer les paramètres sensibles (rapport de intensités laser, température) et de mettre en place des stabilisations nécessaires pour les réduire. Finalement, la stabilité de fréquence à moyen-long terme a été améliorée d'un facteur 40 pour attendre 2.5 *10-14 à 1 heure en valeur relative.

Mots clés: compact atomic clock; coherent population trapping; buffer gas; collisional shift; frequency stability

Mots clés: horloge atomique compacte; piégeage cohérente de population; césium; gaz tampon; déplacement collisionnel; stabilité de fréquence

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Olga Kozlova. Caractérisation d'une horloge à piégeage cohérent de population dans une vapeur thermique de césium. Principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence à moyen-long terme.. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00669784⟩