L'objet de cette thèse est la construction d'un laser étalon à 778 nm pour réaliser une mesure absolue des fréquences 2S-8S/D des atomes d'hydrogène et de deutérium. Cet étalon de fréquence est une diode laser stabilisée en fréquence sur une transition à deux photons 5S-5D de l'atome de rubidium. Les performances métrologiques de ce laser étalon sont 10 fois meilleures que celles du laser He-Ne stabilisé sur l'iode. La fréquence de ce laser a été mesurée au cours de cette thèse grâce à une chaîne de multiplication de fréquence située à l'Observatoire de Paris. L'étude des caractéristiques métrologiques de la fibre optique reliant nos laboratoires a montré que le passage du faisceau du laser étalon dans celle-ci ne détériorait pas ses propriétés métrologiques. Les transitions 2S-8S/8D sont excitées dans un jet atomique par un laser titane-saphir. Plusieurs effets parasites déplacent et élargissent les raies étudiées. Pour s'affranchir de ces effets, une forme de raie théorique est ajustée sur les signaux expérimentaux. Elle tient compte en particulier de l'effet Stark linéaire sur les niveaux excités. La comparaison en fréquence du laser d'excitation et du laser étalon donne la fréquence absolue de la raie étudiée. On en déduit la valeur de la constante de Rydberg : R8 = 109 737,315 6859 (10) cm-1 Ce résultat est le plus précis à ce jour. En comparant les mesures du deutérium à celles de l'hydrogène, on détermine la valeur du déplacement de Lamb de l'état 2S du deutérium : L2S-2P = 1059,230 (9) MHz Cette mesure améliore l'incertitude sur cette valeur de plus d'un ordre de grandeur ; elle est en bon accord avec la dernière mesure de cette quantité. L'incertitude sur ces résultats approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie.

Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^-16. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type. L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol balistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J = 0->J = 0. A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition 1^S_0 -> 3^P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 microK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique 87^Sr, à un niveau de quelques 10^-15.

Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^{-16}. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type.<br /><br />L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol ballistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J=0 -> J=0.<br /><br />A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition ^1S_0 -> ^3P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 µK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique ^{87}Sr, à un niveau de quelques 10^{-15}.

L'objet de cette thèse est la construction d'une chaîne de fréquences pour comparer les fréquences de l'atome d'hydrogène à celle d'un laser He-Ne. stabilisé sur l'iode à 633 nm. Le schéma de la chaîne tire profit de la quasi-coïncidence (à 89 GHz) entre la fréquence d'excitation à deux photons des transitions 2S→8S/D à 778 nm et la différence en fréquence du laser étalon à 633 nm et du laser He-Ne-étalon stabilisé sur le méthane à 3,39 μm. On utilise deux lasers titane-saphir construits au laboratoire, l'un pour l'excitation des transitions atomiques (TS1), l'autre pour la mesure de fréquence (TS2). On réalise, dans un cristal de LiIO3, le mélange des radiations à 778 nm (TS2) et 3,39 μm provenant d'un laser He-Ne auxiliaire construit au laboratoire. La fréquence du.faisceau ainsi synthétisé à 633 nm-est déterminée par battement avec le laser étalon stabilisé sur l'iode. Un battement entre les deux lasers He-Ne (3,39 μm) donne la fréquence du laser He-Ne auxiliaire. La mesure de la fréquence du laser TS1 à partir de celle de TS2 nécessite une source micro-onde à 89 GHz et un dispositif permettant de réaliser le mélange des trois fréquences et la détection du battement obtenu à basse fréquence. La fréquence de la diode Gunn à 89 GHz est déterminée à l'aide d'une chaîne de multiplication de fréquence d'un quartz ultrastable à 90 MHz. Après des essais avec des diodes MIM, nous avons pris une diode Schottky comme dispositif de mélange et de détection. Par cette méthode, nous avons relié pour la première fois une fréquence optique de l'atome d'hydrogène à l'horloge à césium sans utiliser l'interférométrie. Nous en avons déduit la constante de Rydberg qui est le facteur d'échelle des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. On ajuste la valeur de cette constante pour faire coïncider les fréquences expérimentales et théoriques. La nouvelle valeur ainsi obtenue est : R∞ = 109 737,315 683 4 (24) cm-1 L'incertitude sur cette valeur est de 2,2 10^-11. Elle approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie. Ce résultat, qui est le plus précis à l'heure actuelle, est en bon accord avec celui obtenu à Münich en 1992 sur les transitions 1S-2S et 2S-4D.

L'objet de ce travail est d'examiner et de comparer les différentes méthodes de mesures du déphasage résiduel de la cavité de Ramsey dans une horloge à jet de césium à pompage optique. <br> Dans ce but nous avons étudié et réalisé une horloge compacte à deux jets de césium. Dans la première partie du mémoire sont présentés le résonateur atomique de faible encombrement, et la cavité de Ramsey courte qui en est le c?ur. La cavité de Ramsey est une cavité micro-onde à deux zones d'interaction, rigoureusement réglée à 9,192 GHz. L'importance de ses propriétés est précisée, notamment l'influence du déphasage résiduel entre les deux zones d'interaction. <br> Puis l'étude théorique de ce déphasage et de ses conséquences sur les signaux délivrés par l'horloge - la frange de Ramsey et la fréquence d'horloge - est effectuée. Plusieurs méthodes de mesure de ce déphasage sont alors déduites de cette analyse. <br> La présentation des mesures du déphasage effectuées une fois le résonateur assemblé fait l'objet de la seconde moitié du manuscrit. La méthode traditionnelle appliquée à tous les étalons primaires de fréquence est la méthode par renversement de jet ; elle demeure dans notre résonateur compact la plus précise et la plus fiable. La seconde méthode utilisant des mesures de la fréquence d'horloge dans différentes conditions de fonctionnement s'avère délicate à appliquer sur une horloge compacte et ses limites sont analysées. <br> Finalement, les différents déplacements de fréquence significatifs sur ce type d'horloge font l'objet d'une étude expérimentale systématique. Un bilan de fréquence complet pour ce type d'horloge en est déduit. Le déplacement de fréquence dû au déphasage de la cavité reste l'effet limitatif pour l'exactitude en fréquence. On montre cependant que la seconde méthode de mesure permet d'obtenir une exactitude en fréquence inférieure à 10-12.

Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre $10^7$ ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.

Les travaux présentés ont été menés au sein de l'équipe HOTES (Horloges optiques et tests fondamentaux par spectroscopie et interférométrie atomique et moléculaire) du Laboratoire de Physique de Lasers (LPL) à Villetaneuse. La philosophie générale de l'équipe est de développer des expériences de très haute précision en spectroscopie moléculaire appliquées à des problèmes originaux de physique fondamentale. La première partie de ce travail porte sur le développement d'une expérience de recherche d'un effet de non conservation de la parité dans des molécules chirales par spectroscopie laser. Cette expérience nous a conduit à un gain de près de 5 ordres de grandeur par rapport à la sensibilité de la précédente mesure publiée en 1977. Nous avons conclu au terme de ce travail à la nécessité de passer à une expérience en jet moléculaire pour aboutir à l'observation de l'effet. La sensibilité requise nécessite par ailleurs des sources lasers très bien contrôlées en terme de stabilité de fréquence et de reproductibilité. Nous avons donc développé un lien optique entre le LPL et le SYRTE (Paris) pour le transfert longue distance d'une fréquence d'horloge. Nous avons ensuite appliqué ce transfert à des expériences de métrologie au LPL au cours desquelles nous avons notamment démontré une amélioration significative du contrôle en fréquence de nos lasers à CO2. Enfin depuis 4 ans, nous développons une nouvelle expérience de spectroscopie moléculaire avec pour objectif la première mesure de la constante de Boltzmann par spectroscopie laser à un niveau de quelques ppm. Le travail mené devrait prochainement nous permettre d'atteindre notre objectif. Cette nouvelle thématique nous conduit également à nous intéresser à des problèmes très fondamentaux sur les profils de raies en absorption linéaire.

Ce manuscrit présente l'expérience développée dans l'équipe MMTF du Laboratoire de Physique des Lasers avec pour objectif de contribuer à la redéfinition du Système International d'unités en mesurant la constante de Boltzmann, kB, par spectroscopie laser. La méthode utilisée est fondée sur la spectroscopie d'absorption linéaire d'un gaz d'ammoniac maintenu à température constante. La constante de Boltzmann est déduite de la mesure de température du gaz et de la largeur du profil d'absorption enregistré. Des expériences de 1ère et 2ème génération ont d'ores et déjà permis d'atteindre une incertitude statistique de 38x10-6 sur la mesure de kB. Dans ce mémoire, nous décrivons les améliorations apportées au dispositif expérimental pour réduire l'incertitude de mesure au niveau de quelques 10-6. Nous mettons à profit ces développements expérimentaux et utilisons une nouvelle procédure d'ajustement des données expérimentales pour réduire l'incertitude statistique de mesure au niveau de 6,4x10-6. Nous effectuons par la suite une étude complète des effets systématiques susceptibles d'affecter la mesure de kB. Nous décrivons notamment le dispositif expérimental mis en place pour analyser la structure hyperfine de NH3. Nous évaluons entre autres l'impact de la composition du gaz, de la saturation de la transition, et de la modulation du faisceau laser. Enfin, nous menons une étude poussée de la modélisation des collisions entre molécules. Au final, le budget d'incertitude global sur les effets systématiques est réduit au niveau de 2,1x10-6. L'ensemble des résultats obtenus et les perspectives envisagées ouvrent la voie vers une mesure optique de kB avec une incertitude de quelques 10-6.

Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet. / Optical lattice clocks show impressive performances and are begining to raise the question of the redefinition of the SI second. In these systems, an ultra-stable laser is used as local oscillator to probe very narrow optical transitions of neutral atoms trapped in an optical lattice. The ultime stability of these systems, determined by the number of atoms interrogated at each clock cycle, evaluated at a few 10−17/sqrt(tau) (where tau is the integration time), is currently not reached and is limited to a few 10−16/sqrt(tau) by the phase fluctuations of the probe laser. If the enhancement of the ultra-stable cavities, on which are currently stabilized the probe lasers, is widely studied, LNE-SYRTE has adopted a more recent approach where the frequency reference is a spectral hole burned in rare earth doped crystal cooled down at cryogenic temperature (around 4 K). A short term stability of a few 10−18 could be achieved. This thesis describes the construction of the experiment and present the results of a high resolution spectroscopy of narrow spectral holes (FWHM = 3.3 kHz) burned in the crystal Eu3+ : Y2SiO5. The influence of the closed cycle cryostat on the behaviour of the spectral holes is hightlighted and reduced. Finally, an original locking scheme based on a heterodyne detection of a spectral hole and a numerical lock program using FPGA in order to stabilize the laser frequency on the top of the narrow spectral hole is described and shows a short term stability of a few 10−14, which is a first promising result for the future of the project.

Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions une horloge à réseau optique nécessite des puissances de lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, à premier ordre, les perturbations induites par le piège. Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. dans ce mémoire on passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui rendent de lui un excellent candidats pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique via un système de détection assez sensible, ce qui nous a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement sub-Doppler des isotopes fermioniques. Suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362±5 nm). La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie. Suit d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S0 →3 P0 dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope 199Hg. Avec l'utilisation du système laser ultra-stable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, nous avons déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures nous a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrons ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude.