Les liens optiques permettent de disséminer une fréquence de référence ultra-stable à de nombreux laboratoires de recherche pour des mesures de très haute précision en métrologie et au-delà. Nous avons démontré premièrement une extraction simple d’un signal ultra-stable en différents points d’une liaison optique urbaine de 92 km, avec une stabilité de fréquence relative à 1 s de 1, 3 × 10−15 et sensiblement dégradée sur le long terme par les effets thermiques diurnes. Nous avons développé et testé un deuxième dispositif amélioré avec un montage interférométrique compact et activement thermalisé et une diode laser permettant de disséminer le signal vers un lien secondaire dont le bruit est activement compensé. Ces deux dispositifs permettront de disséminer le signal à de multiples utilisateurs en région parisienne et sur le réseau REFIMEVE+. Nous avons deuxièmement évalué les performances d’une méthode de type Two-Way pour la comparaison de deux références de fréquence par fibre optique. Nous avons testé la sensibilité de cette comparaison sur une boucle fibrée de télécommunication de 100 km en propagation unidirectionnelle puis bidirectionnelle, avec une excellente stabilité de la fréquence grâce à une très bonne réjection du bruit de la fibre. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’un réseau métrologique à l’échelle nationale et internationale pour la dissémination des meilleures horloges optiques. / Optical frequency links give the possibility to disseminate an ultra-stable frequency reference to many research laboratories for precise measurements as performed in frequency metrology and in applied and fundamental physics. We demonstrated first a simple branching network setup dropping an ultra-stable signal at different positions along an urban optical link of 92 km, that exhibits a relative frequency stability of 1.3×10−15 at 1 s integration time, limited by long-term diurnal thermal effects. We developed and tested an improved setupwith a compact and thermalized optical interferometer and a laser diode used to feed a secondary link, which fiber noise is compensated. These two setup open the way to multiple-users dissemination in Paris area and on the REFIMEVE+ network.Second we demonstrated optical frequency comparison using a two-way method. We tested the sensitivity of this comparison over a 100 km telecommunication fiber loop network using either unidirectional or bidirectional propagation, with an excellent frequency stability thanks to the very good rejection of the fiber noise.These results open the way to high-resolution frequency comparison of the best optical clocks over national or international fiber networks.

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.

Les méthodes de transfert de temps actuelles atteignent des performances telles que leur utilisation permet de tester les lois de la Physique Fondamentale. Dans ce cadre, la mission ACES vise, entre autres, l'étude des effets de la Gravitation sur le battement des horloges à travers un lien de communication performant, le Lien Micro-Onde. Ce manuscrit se focalise sur la comparaison des horloges de cette mission pour en développer un modèle précis au dixième de picoseconde. De ce modèle découle un algorithme de traitement des mesures brutes qui servira lors de la mission. Des tests de ce programme ont été réalisés à l'aide d'une simulation des mesures de la mission afin d'en évaluer les performances. Par ailleurs, les besoins de la mission en précision de l'orbitographie des stations et des calibrations temporelles de la mission sont approfondis et montrent de limites moins contraignantes que celles naïvement estimées. Enfin, la résolution statistique des ambiguïtés de phase est étudiée à l'aide d'un modèle réaliste de bruit des mesures. Ce travail conduit à des méthodes permettant de réduire considérablement le taux d'échec de cette détermination. Ce travail s'ouvre sur l'étude du projet SAGAS et de son concept avancé de lien optique. Des combinaisons de mesures et leur optimisation permettent d'évaluer les performances du projet sur plusieurs de ses objectifs scientifiques, tels que l'exploration spatiale, les tests des lois de la Gravitation ou les ondes gravitationnelles.

Les chaînes de réception de signaux satellitaires de navigation (GNSS), composées d'un récepteur, d'un câble d'antenne et d'une antenne, sont l'outil le plus utilisé lors de comparaisons d'horloges atomiques distantes nécessaires pour le calcul du Temps Atomique International (TAI). L'étalonnage de ces liens de temps, consistant à déterminer leur retard électrique lors de la propagation du signal au travers du système d'acquisition, est nécessaire afin de garantir leur exactitude et leur stabilité long-terme. Deux techniques d'étalonnage sont actuellement recensées : la méthode différentielle et la méthode en absolu. La technique différentielle consiste à comparer l'ensemble de la chaîne de réception à étalonner avec une chaîne de référence dont le retard est connu. Cette dernière circule de laboratoires en laboratoires afin que le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) puisse déterminer le délai interne des équipements opérationnels installés dans les laboratoires visités. La technique d'étalonnage dite en absolu consiste à déterminer indépendamment le retard électrique interne de chaque élément de la chaîne de réception en utilisant des signaux simulés permettant de s'affranchir des bruits liés à la diffusion de signaux satellitaires. Le CNES développe cette technique depuis 2005. Les travaux de cette thèse contribuent au développement et à l'optimisation des méthodes d'étalonnage en absolu de chacun des éléments de la chaîne de réception afin de déterminer le retard global de le la chaîne d'acquisition avec une incertitude inférieure à une nanoseconde. Cette méthode d'étalonnage permet également de caractériser les performances de chacun des composants du système d'acquisition ainsi que la sensibilité thermique et hygrométrique des récepteurs.

Le projet HORACE consiste en la réalisation d'une horloge atomique compacte de hautes performances exploitant le refroidissement laser d'atomes de 133Cs en "lumière isotrope", en visant principalement le marché des horloges embarquées. Afin d'obtenir un dispositif de faible encombrement, nous réalisons en un lieu unique l'ensemble des phases de la séquence d'horloge (refroidissement, préparation, interrogation et détection). Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'une cavité d'interrogation à la fois résonnante à la fréquence de la transition d'horloge, et faisant office de sphère intégrante pour la lumière de refroidissement. L'essentiel du travail de thèse présenté ici est consacré à l'étude expérimentale du refroidissement dans le champ de speckle 3D généré à l’intérieur de cette cavité. En limitant le refroidissement à une simple phase de capture, environ 3x108 atomes sont refroidis à des températures cinétiques inférieures à 60 K. Nous montrons par ailleurs qu'une répartition inhomogène de l'énergie optique dans la cavité conduit à scinder la phase de refroidissement sub-Doppler en deux étapes. Malgré le caractère aléatoire de la polarisation entre « grains » de speckle adjacents, la dynamique du refroidissement en régime sub-Doppler que nous observons est identique à celle suivie par des atomes refroidis au sein d’un réseau optique conventionnel. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l’aspect métrologique du projet où la séquence complète de l’horloge est démontrée pour la 1ère fois dans une zone d’interaction unique. Une stabilité relative de fréquence de 2x10-13-1/2 est attendue pour un fonctionnement terrestre de l’horloge. / The HORACE project consists in the development of a high-performance compact atomic clock based on isotropic laser cooling of 133Cs atoms, targeting the needs for on-board clocks. In order to minimize the clock size, the entire clock sequence is performed inside one interaction zone only, including atomic cooling, preparation, interrogation and detection. This is made possible with a microwave interrogation cavity that is both resonant at the clock transition frequency, and used as an integrating sphere for the cooling light as well. This thesis work is mainly dedicated to the experimental study of the atomic cooling in the 3D speckle field generated inside the cavity. By limiting the cooling sequence to a capture phase, about 3x108 atoms can be cooled to kinetic temperatures lower than 60 microkelvins. Besides, we show that an inhomogeneous optical energy repartition in the cavity leads us to perform the sub-Doppler cooling phase in 2 steps. Despite random polarization change from one speckle grain to another, the atomic cooling dynamics observed in the sub-Doppler regime is similar to the one observed in conventional optical lattices. The last part of this thesis is devoted to the metrological aspect where the entire clock sequence is demonstrated for the first time at the same place. The fractional frequency stability of 2x10-13-1/2 should be reached on Earth.

Les fontaines atomiques constituent le développement le plus abouti des horloges atomiques fondées sur l'atome de césium, atome dont une résonance hyperfine est depuis 1967 à la base de la définition la seconde. Ces systèmes sont aujourd'hui parmi ceux qui réalisent la seconde avec la meilleure exactitude. Nous présentons les dernières avancées de la fontaine double à atomes froids de césium et de rubidium du LNE-SYRTE. Combinant deux types d'atomes, ce dispositif unique au monde permet d'envisager des tests de physique fondamentale reposant sur la comparaison de fréquences de transition atomique avec une résolution exceptionnelle. Afin d'autoriser le fonctionnement à deux atomes simultanément, nous avons conçu, testé et mis en place de nouveaux systèmes optiques, chargés de mettre en forme et combiner les lumières utiles à la manipulation des deux espèces atomiques. Sans attendre le fonctionnement double, par la comparaison de notre fontaine rubidium avec une autre fontaine césium, nous avons pu tester sur dix ans la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 5x10^-16 par an. Nous avons poursuivi le travail d'amélioration de l'exactitude de l'horloge et focalisé nos efforts sur les effets liés aux gradients de phase dans la cavité d'interrogation et sur l'atténuation des fuites micro-ondes. L'exactitude de la fontaine a alors été évaluée à 4x10^-16 pour la partie césium et 5x10^-16 pour la partie rubidium complètement rénovée. Instrument de métrologie puissant, notre fontaine a été impliquée dans de nombreuses comparaisons d'horloges et a contribué à maintes reprises à l'étalonnage du Temps Atomique International. Nous avons également pu mener avec elle un test inédit de l'invariance de Lorentz.

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.

La définition de la seconde est basée sur l'atome de césium. A ce jour, les meilleures horloges sont des fontaines à atomes froids de césium. Elles réalisent la seconde avec une exactitude de 10^{-15}. Leur stabilité, limitée de manière ultime par le bruit de projection quantique, vaut typiquement 6 x 10^{-14}\tau^{-1/2} pour 4 x 10^5 atomes détectés, et atteint 6 x 10^{-16} en 3 heures d'intégration. Dans ces conditions, les interactions entre atomes froids déplacent la fréquence de l'horloge d'environ 3 x 10^{-14}. Ce déplacement est techniquement difficile à corriger au niveau de quelques 10^{-16}. Ce travail de thèse montre que l'utilisation du ^{87}Rb est une alternative intéressante au Cs, puisque son déplacement collisionnel est près de 100 fois plus petit. Dans un premier temps, nous caractérisons les performances de la fontaine à ^{87}Rb construite pendant ce travail de thèse. Puis, nous modélisons les effets dépendant du nombre d'atomes dans les fontaines : le déplacement collisionnel et l'entraînement de fréquence par la cavité micro-onde. Ces deux effets sont<br />mesurés simultanément par une méthode différentielle. La modélisation de l'évolution du nuage atomique dans la fontaine permet de confronter nos mesures avec les prédictions théoriques sur les longueurs de diffusion en onde "s". Par ailleurs, la comparaison des fréquences hyperfines du Rb et du Cs dans des fontaines indépendantes nous a permis de réaliser un test de la dérive de la constante de structure fine \alpha au niveau de <br />7 x 10^{-15}.an^{-1}. Afin d'améliorer ce test, nous avons construit une fontaine pouvant fonctionner simultanément au Rb et au Cs. Les améliorations techniques apportées sur cette<br />horloge, conjointement à une nouvelle procédure de mesure du déplacement collisionnel du Cs, devraient permettre d'explorer la gamme d'exactitude des 10^{-16} pour ces deux alcalins.

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.