Les performances d'un étalon de fréquence atomique dépendent étroitement du temps d'observation des atomes. L'interrogation d'atomes refroidis par laser dans une géométrie de fontaine permet d'obtenir des temps d'interaction d'une demie seconde. Cette durée peut être variée sur une plus large gamme en l'absence de gravité terrestre, dans un environnement spatial et doit fournir un meilleur compromis stabilité-exactitude. L'application de ce principe constitue une des motivations principales du projet PHARAO, qui participera à la mission spatiale ACES, prévue en 2006 à bord de la station spatiale internationale. La première partie de ce travail de thèse porte sur l'étude de la fontaine PHARAO, fonctionnant avec des atomes de Cs133. Cette horloge est issue de la transformation d'un prototype d'horloge spatiale testé en micro-gravité. Une évaluation détaillée de l'ensemble des déplacements de fréquence mène à une exactitude relative de 7,7 10^(-16), essentiellement limitée par les collisions entre atomes froids. Sa stabilité de fréquence est de 1,7 10^(-13)tau^(-1/2). Ces valeurs sont obtenues pour un fonctionnement avec 4 10^(5) atomes détectés fournissant un bon compromis stabilité-exactitude. Cette horloge transportable construite au BNM-SYRTE, a également fonctionné au MPQ à Munich (Allemagne). La collaboration entre les deux laboratoires a permis une amélioration d'un facteur ~10 sur l'exactitude de la mesure (1,8 10^(-14)) de la transition à deux photons 1S-2S de l'atome d'hydrogène. Ce mémoire présente dans une seconde partie, la caractérisation de sous ensembles de l'horloge spatiale PHARAO, en particulier la construction d'un prototype de diode laser à cavité étendue et le test de la symétrie de phase entre les deux zones d'interrogation de la cavité spatiale.

La thèse présente les résultats expérimentaux obtenus au cours du développement et des essais au sol du modèle de vol de l'horloge à atomes froids PHARAO. PHARAO est le premier étalon primaire de fréquence dédié à des applications spatiales. Il est développé par l'agence spatiale française CNES. PHARAO est un des principaux instruments de la mission spatiale de l'ESA: ACES (Atomic Clock Ensemble in Space). Le lancement est prévu en 2016. La mission est basée sur des comparaisons de très hautes performances en temps et en fréquence, entre PHARAO et un ensemble d’horloges basées au sol, pour effectuer des tests en physique fondamentale. La charge utile sera installée sur une palette extérieure de la Station spatiale internationale. Après une introduction sur les horloges atomiques et un résumé de la mission ACES, l'architecture de PHARAO optimisée pour la microgravité et son fonctionnement sont décrits. Ensuite nous présentons les mesures et l'analyse de la stabilité de fréquence. Au sol la stabilité de fréquence est mesurée à un niveau de 3,1x10-13 t-1/2. Cette valeur est en accord avec les différentes sources de bruit. En microgravité la stabilité atteindra 10-13 t-1/2. Pour terminer les principaux déplacements de fréquence sont analysés. Une étude détaillée est donnée sur les propriétés des blindages magnétiques, leurs hystérésis et la conception d’une compensation magnétique active. L'objectif est de réduire l'incertitude sur l’effet Zeeman du second ordre au niveau de quelques 10-17. La détermination de la température de l’environnement des atomes est également analysée avec l'objectif d'atteindre une incertitude sur le déplacement de fréquence par le rayonnement du corps noir dans la gamme de 10-17. Un budget préliminaire sur l’incertitude de fréquence de l’horloge au sol s’établit à 1,1x 10-15. Ce budget est compatible avec un objectif de 3x10-16 en microgravité. La prochaine étape verra l’assemblage tous les autres instruments ACES pour un lancement prévu en 2016. / This thesis presents the experimental results obtained during the development and the ground tests of the flight model of the cold atoms space clock PHARAO. PHARAO, the first Primary Frequency Standard (PFS) for space applications, is developed by the French space agency CNES. It is a main instrument of the ESA space mission ACES: Atomic Clock Ensemble in Space with a launch scheduled on 2016. The mission is based on high performances time and frequency comparisons between a payload including PHARAO and ground based clocks to perform tests in fundamental physics. The payload will be installed on an external pallet of the International Space Station. After an introduction on atomic clocks and a summary on the ACES mission, the PHARAO architecture, optimized for microgravity environment, and its operation is described. It is followed by the measurements and the analysis of the frequency stability. On ground the frequency stability is measured at a level of 3.1 10-13 t-1/2. This value is in agreement with the different sources of noise. In space the frequency stability will reach 10-13 t-1/2. Finally the main frequency shifts are analyzed. A detailed study is given on magnetic shield properties, hysteresis and the design of the active magnetic compensation. The objective is to reduce the uncertainty of the second order Zeeman effect within few 10-17. The temperature determination of the atomic environment is also detailed and the goal is to reach an uncertainty on the blackbody frequency shift in the 10-17 range. A preliminary budget on the frequency accuracy of PHARAO on ground is evaluated at 1.1 10-15. This value is compatible with the expected accuracy budget of 3x10-16 when the clock will operate in microgravity. In the next step all the ACES instruments will be assembled for a launch scheduled on 2016.

Les performances des horloges atomiques ont été considérablement<br />améliorées par l'utilisation d'atomes refroidis par laser. En<br />effet, il est possible d'observer ces atomes extrêmement lents<br />beaucoup plus longtemps que les atomes à température ambiante des<br />horloges conventionnelles. A ce jour, la meilleure horloge à<br />césium a une exactitude de $2\times 10^(-15)$ et une stabilité de<br />$1\times 10^(-15)$ sur trois heures d'intégration. Sur terre, le<br />temps d'observation est limité à une seconde environ par la<br />présence de gravité. L'objet de ce travail de thèse est l'étude<br />d'une horloge à atomes froids fonctionnant en impesanteur. Dans un<br />premier temps, nous montrons comment la micro-gravité peut<br />conduire à une amélioration des performances de l'horloge avec un<br />temps d'observation des atomes de plusieurs secondes. Les<br />performances ultimes d'une horloge à atomes froids dans l'espace<br />sont étudiées. Atteindre une exactitude et une stabilité à un jour<br />de $1\times10^(-16)$ semble tout à fait réaliste à court terme. Le<br />problème de la méthode d'interrogation des atomes doit être<br />reconsidéré à ce niveau de performances et dans cet environnement<br />d'impesanteur. Nous introduisons la fonction de sensibilité<br />atomique pour le résoudre et comparer plusieurs méthodes<br />d'interrogation possibles. La deuxième partie de ce travail<br />présente un prototype de l'horloge spatiale. Compact et fiable, il<br />a été testé en absence de gravité au cours de vols paraboliques à<br />bord d'un avion. Cette expérience montre la faisabilité de<br />l'horloge spatiale.

FO1, du laboratoire BNM-SYRTE, a été la première fontaine à Cs fonctionnant comme un étalon primaire de fréquence dans le monde. La dernière évaluation d'exactitude en 2002 était de 1x 10^-15 avec une mélasse optique. Travaillant comme instrument, FO1 a contribué à la physique fondamentale et à des mesures extrêmement précises: - la comparaison de la fréquence entre les fontaines à Cs et à Rb pendant un intervalle de 5 ans a fixé une limite supérieure à la variation possible de la constante de structure fine |alpha/alpha|< 2x10^-15 par an. L'évaluation est environ 5 fois meilleure que celle obtenue précédemment au laboratoire. - l'exactitude attendue pour l'horloge spatiale PHARAO est de 1x10^-16. Nous avons confirmé les performances de la cavité Ramsey en examinant la différence de phase entre les deux zones d'interaction dans la fontaine FO1. - le déplacement de fréquence mesuré dans l'horloge à Cs dû au rayonnement du corps noir en fonction de la température T a donné par nu(T)=154(6)x10^-6(T/300)^4[1+epsilon(T/300)^2] Hz avec la valeur théorique epsilon=0,014. Ce résultat représente une amélioration d'un facteur 3 par rapport à la mesure précédente par le groupe PTB. Diverses améliorations ont été apportées à FO1. La nouvelle version de FO1 fonctionne directement en mélasse optique en utilisant un jet de césium ralenti comme source atomique. L'application de la méthode du passage adiabatique pour la sélection du niveau F=3, mF=0 nous permet d'évaluer le déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids et à l'effet d'entraînement de fréquence par la cavité au niveau de 10^-16. Les résultats récemment obtenus avec l'horloge FO1 améliorée montrent qu'elle est l'une des meilleures fontaines au monde: la stabilité de fréquence en utilisant l'oscillateur cryogénique en saphir est maintenant de 2,8x10^-14 tau^-1/2. L'exactitude est en cours d'évaluation. Quelques 10^-16 sont attendus.