Les étalons atomiques de fréquences jouent aujourd'hui un rôle clé en physique fondamentale mais se retrouvent aussi dans des applications "grand public" telles que les satellites de positionnement. Les contraintes de compacité posées sur ces horloges embarquées sont évidemment très grandes mais les besoins actuels poussent vers des horloges toujours plus performantes. Le projet HORACE (HOrloge à Refroidissement d'Atomes en CEllule) permet, grâce à l'utilisation d'atomes refroidis par laser et à une géométrie originale où toutes les interactions ont lieu directement dans la cavité micro-onde, d'obtenir d'excellentes performances en fréquence tout en préservant la compacité et la simplicité globale du dispositif. Ce mémoire expose les concepts fondateurs du projet HORACE. Il décrit par la suite la réalisation expérimentale du premier prototype à vocation métrologique de l'horloge HORACE. Il présente l'évaluation expérimentale et l'optimisation de la stabilité court-terme de l'horloge réalisée au laboratoire. L'étude de la séquence de refroidissement d'atomes en lumière isotrope a montré qu'environ $2~10^8$ atomes à une température de $35~\mu K$ pouvaient être obtenus. Par ailleurs, la très grande stabilité de cette technique permet d'observer que les fluctuations cycle à cycle du nombre d'atomes froids sont principalement limitées par le bruit de grenaille atomique, et ce jusqu'au niveau de $2~10^{-4}$. Cette grande stabilité a conduit à une simplification notable de la séquence expérimentale (refroidissement et détection) tout en préservant un rapport signal à bruit proche de 1000 en fonctionnement. L'horloge a montré une stabilité relative de fréquence de $2.2~10^{-13}~\tau^{-1/2}$ s'intégrant comme du bruit blanc jusqu'à quelques milliers de secondes. C'est à ce jour une des meilleures stabilités obtenues sur une horloge compacte. Ce résultat a pu être obtenu grâce à un fonctionnement où une partie des atomes froids sont recapturés d'un cycle à l'autre. Ceci permettant de réduire la durée de la phase de refroidissement jusqu'à 40~ms et d'obtenir \emph{in fine} un rapport cyclique proche de 50\%. La possibilité de faire fonctionner l'horloge à un taux de répétition élevé (12~Hz) relâche aussi les contraintes sur les spécifications en bruit de fréquence de l'oscillateur à quartz utilisé à terme. Enfin, les conclusions de cette étude sont extrapolées afin de prédire les performances attendues pour un fonctionnement en micro-gravité.

Ce mémoire présente la mise en oeuvre d'oscillateurs haute stabilité et pureté spectrale pour les applications en bande X qui imposent de disposer de résonateurs à fort coefficients de qualité compatibles avec les électroniques d'asservissement développées par les partenaires du projet NOVAE. Notre approche consiste à privilégier la réalisation de résonateurs à modes harmoniques aussi appelés HBAR (High-overtone Bulk Acoustic Resonator) alliant l'intérêt des couches minces piézoélectriques pour l'excitation de résonances hautes fréquences et la propagation d'ondes acoustiques dans les milieux de haute qualité cristalline. Des résonateurs HBAR à base de LiNbO3/LiNbO3 mais aussi LiNbO3/Saphir ont été ainsi mis en boucle d'oscillation sur la base d'un montage de Colpitts, et leur bruit de phase mesuré puis comparé à celui d'oscillateurs stabilisé par résonateurs à ondes de surface commercialement disponible. On montre ainsi que les très forts coefficients de qualité mesurés pour la solution niobate-sur-niobate permettent d'atteindre des niveaux de bruit comparable à voire meilleur que ceux obtenus avec les résonateurs à ondes de surface. Le manuscrit montre l'intérêt des résonateurs à ondes de volume harmoniques (HBAR) en termes de facilité de mise en oeuvre et de qualilté des résonances obtenues pour des modes d'ordre élevé. Nous avons ainsi pu montrer qu'il était raisonnablement simple d'atteindre la bande des 1,5 GHz avec des coefficients de qualité élevés (supérieur à 10000) pour des couplages ne dépassant toutefois pas quelques pour mille.

L'objectif de la thèse est de concevoir et développer un système numérique de combinaison de signaux d'horloges hétérogènes (PPS, horloges atomiques, quartz, ...). Le signal résultant possède une meilleure stabilité que chacune des entrée quelque soit la durée d'intégration et il peut détecter des défaillances chez une des entrées. / The goal of the PhD is to design and build a numerical system capable of combining clock signals from various sources (PPS, atomic clocks, quartz, ...). The output signal will have a better stability at each integration time than any single input signal and it could detect failures in input sources.

L'objectif du projet HORACE est la réalisation d'horloges compactes embarquées de haute performance en fréquence à l'aide d'atomes froids de Cs. Dans ce mémoire, on discute d'abord le mode de fonctionnement original d'HORACE où toutes les interactions appliquées aux atomes de Cs133 ont lieu dans la cavité micro-onde (refroidissement, interrogation, détection), selon une séquence purement temporelle. On montre que la stabilité relative de fréquence peut être <1.10^(-12)\tau^(-1/2), et dépendra des caractéristiques du refroidissement, comme la taille du nuage et le taux de capture, et des performances en fréquence de l'oscillateur local à des fréquences de Fourier de qq. 10 Hz (effet de repliement de spectre). Les méthodes de détection par fluorescence (populations) et par "radiation damping" (cohérences) sont décrits et discutés. La deuxième partie du mémoire présente un modèle de refroidissement Doppler dans une cellule réfléchissante ou diffusante, basé sur une étude du champ laser moyen dans la cellule. On montre alors que la figure de tavelure 3D permet des mécanismes de refroidissement Sisyphe. La troisième partie du mémoire est consacrée à l'étude expérimentale du refroidissement subDoppler dans une cavité micro-onde sphérique polie au niveau optique utilisée comme cellule. L'étude démontre que plus de 3.10^(7) atomes froids sont refroidis dans les puits de potentiels lumineux de la figure de tavelure 3D. Les constantes de temps de thermalisation ~30 fois plus longs que dans une configuration Lin per Lin prédits par le modèle ont été vérifiés expérimentalement. Des températures de ~2 microK ont été mesurées par temps de vol. La dernière partie du mémoire décrit la réalisation et l'accord en fréquence de la cavité micro-onde sphérique, et les principaux déplacements relatifs de fréquence attendus dans le bilan d'exactitude d'Horace. Ces derniers sont dus au déphasage du champ micro-onde pulsé et au déplacement relatif de fréquence collisionnel entre atomes froids au niveau de quelques 10^(-13).

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.

Ce mémoire présente l'étude et la fabrication de résonateurs sur guide d'ondes exploitant des substrats composites à base de matériau ferroélectrique polarisé périodiquement capables de répondre aux besoins de sources hautes fréquences dont les caractéristiques sont compatibles avec les applications concernées (détection radar). L'idée consiste à utiliser un guide d'ondes fondé sur un Transducteur à domaines ferroélectriques Polarisés Périodiquement (TPP) réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin tel que le niobate ou le tantalate de lithium, placé entre deux substrats mono-cristallins permettant le guidage d'ondes sans pertes. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués avec succès. Tout d'abord, des TPPs de différentes périodes (de 200 à 5 μm) ont été réalisés permettant l'excitation d'ondes élastiques de 30 MHz à 1,3 GHz. Ensuite, un oscillateur à 131 MHz stabilisé par un résonateur sur guide d'ondes a vu le jour avec des caractéristiques encourageantes. En effet, un palier de bruit de phase a été mesuré à -165 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse avec une puissance en entrée du résonateur de 2 mW et une stabilité de fréquence court terme de 109 (oscillateur non thermostaté avec une dérive en température du résonateur de -50 ppm/K). D'autres résonateurs sur guide d'ondes exploitant des TPPs amincis à une trentaine de microns ont permis de mettre en évidence l'excitation d'un mode pur spectralement avec une dérive thermique avoisinant celle des matériaux de guidage (soit -30 ppm/K avec du silicium). Enfin, un nouveau système fondé sur des barreaux polarisés périodiquement est présenté. Il se caractérise par ses propriétés remarquables et notamment avec l'excitation d'ondes à vitesse de phase supérieure à 10000 m.s1 et présentant des coefficients de couplage électromécanique de plus de 10%capable de répondre à des applications de filtrage large bande pour la téléphonie mobile.

Ce mémoire porte sur l’étude de la stabilité de fréquence d’une horloge atomique à piégeage cohérent de population. Le cadre de cette étude est d’une part d’approfondir la connaissance du piégeage cohérent de population en cellule de vapeur et d’autre part de construire un prototype d’horloge démontrant une stabilité de fréquence à l’état de l’art des meilleures horloges compactes de laboratoire. Grâce à une interrogation impulsionnelle et un schéma d’excitation en polarisations linéaires et orthogonales, cette horloge présenterait une stabilité de fréquence relative nettement inférieure à 10^-13 à 1 s si elle était limitée par un bruit fondamental tel que le bruit de photon. Après une présentation du montage expérimental, la première partie de ce mémoire est consacrée à l’étude des différentes sources de bruit limitant la stabilité de fréquence court-terme. Le soin particulier donné à la modélisation, à la caractérisation expérimentale et à la réduction des transferts de bruit de fréquence de l’oscillateur local (effet Dick) et du bruit d’intensité du laser en bruit de fréquence de l’horloge, a permis de mesurer une stabilité de fréquence au niveau de 3.2x10^-13 à 1 s. Dans un deuxième temps une étude théorique et expérimentale du déplacement de fréquence micro-onde en fonction de la puissance laser est présentée. Au-delà de la mise en évidence du caractère clé de la déformation de la raie dans l’explication de ce déplacement, elle a posé les bases de la dernière partie de ce mémoire qui propose une méthode d’insensibilisation du déplacement de fréquence aux fluctuations de puissance. / This report refers to the frequency stability study of a compact clock using coherent population trapping. The frame of such a study is firstly to deal in depth with the understanding of the systematic effects affecting the frequency of a coherent population trapping resonance. A second goal is to build a state-of-the-art compact atomic clock. Because of a pulsed interrogation and laser beams linearly and orthogonally polarized, our prototype would present a fractional frequency stability distinctly below 10^-13 at 1 s integration if it was shot-noise limited. Further to a setup description, the first part of this report is devoted to study the noise sources which limit the short-term stability of the clock. A special attention has been paid to model, experiment and reduce the transfer of local oscillator frequency noise and of laser intensity noise to microwave frequency noise. It led to measure an interesting stability measurement at the level of 3.2x10^-13 at 1 s. An experimental and theoretical study of the frequency shift due to laser intensity fluctuation is then presented. Beyond the influence on this shift of dark resonance overlapping that has been enlighted, this study gives the basics to understand the insensibilization method of the frequency to power fluctuations presented in the last chapter.

Ce travail de thèse effectué dans le cadre d’un contrat CIFRE-Défense porte sur l’étude des sources d’instabilité de fréquence d’une horloge atomique basée sur le piégeage cohérent de population. L’objectif est de démontrer une stabilité de fréquence d’horloge de l’ordre de 10-13 tau-1/2 jusque 10 000 s. Une cellule de vapeur de césium est utilisée avec un schéma d’excitation à fort contraste en utilisant des polarisations linéaires croisées et avec une interrogation impulsionnelle de type Ramsey. Un chapitre d’abord consacré aux sources de bruit à court terme présente les travaux réalisés pour réduire le bruit de phase et le bruit de puissance laser, limitant tous deux les performances de l’horloge à 1 s d’intégration. L’optimisation de la chaine micro-onde avec un nouvel oscillateur local, et la réalisation d’un asservissement de puissance performant ont permis d’améliorer la stabilité de fréquence à 2,3x10-13 à 1 s. L’analyse des fluctuations des paramètres de fonctionnement (puissance laser, champ magnétique, température, etc.) et la mesure de la fréquence d’horloge montrent que les variations de fréquence à moyen terme sont majoritairement limitées par les variations de puissance laser et celles du champ magnétique à 2x10-14 à 2 000 s. Ces analyses démontrent aussi que les fluctuations de puissance laser, malgré l’asservissement, sont liées aux fluctuations de polarisation via les fluctuations de température de l’expérience. Pour finir, les études d’un laser bifréquence et bipolarisation pour une horloge CPT compacte sont présentées, ouvrant la voie vers l’industrialisation en réduisant le banc optique. / This thesis work has been granted by a CIFRE-Défense contract to study the frequency stabilities of an atomic clock based on coherent population trapping. The objective is to demonstrate a frequency stability in the range of 10-13 tau-1/2 up to 10 000 s. A caesium vapour cell is used with a high-contrast excitation scheme using cross linear polarisations and a Ramsey interrogation. The short-term frequency stability is presented with the reduction of the phase and the laser power noise, both limiting clock performance at 1 s integration time. The optimisation of the microwave chain with a new local oscillator, and the implementation of a very low noise power lock loop have improved the frequency stability down to 2,3x10-13 at 1 s integration time. The fluctuations analysis of the operating parameters (laser intensity, magnetic field, temperature, etc.) and the measurement of the clock frequency show that the medium-term frequency instability is mostly limited by laser power and magnetic field fluctuations at the level of 2x10-14 at 2 000 s integration time. These analyses also show that laser power fluctuations, despite servo loop control, are related to polarisation fluctuations through temperature fluctuations inside the experiment isolation box. Finally, the studies of a dual-frequency and dual-polarisation laser for a compact CPT clock are presented, paving the way to industrialisation by reducing the optical bench.

La recherche en physique nécessite aujourd'hui des accélérateurs de haute énergie ou de forte intensité ; l'utilisation des cavités supraconductrices constitue un progrès technologique très important : elles permettent de fournir de hauts gradients accélérateurs avec une dissipation négligeable. Un des problèmes fondamentaux dans la conception de ces cavités est leur stabilité liée aux effets des forces de Lorentz : au fur et à mesure que la cavité se remplit d'énergie électromagnétique, les déformations de la cavité dues aux forces de Lorentz modifient sa fréquence de résonance, il faut un certain temps (constante mécanique) pour que les parois se déforment, l'amplitude RF s'écroule alors, puis la cavité tend à retrouver sa fréquence de résonance d'origine, le système peut devenir ainsi instable. La contribution de cette thèse consiste d'abord en une analyse numérique de ce problème, puis en une étude mécanique d'une nouvelle méthode de rigidification : un dépôt de cuivre réalisé sur les parois extérieures d'une cavité en niobium par projection thermique afin de réduire ses déformations dues aux forces de Lorentz. Comme il s'agit d'une expérience nouvelle, le choix du processus et une optimisation des paramètres de projection ont été réalisés. En particulier, un effort important a été consacrée aux caractérisations des matériaux et à l'analyse de leurs comportements, indispensables pour déterminer l'effet de rigidification grâce au dépôt. Certains liens entre les propriétés du dépôt et les paramètres de projection ont pu ainsi être établis. Les calculs ont permis ensuite de localiser les déformations maximales, puis de trouver l'emplacement idéal et la forme optimale du renfort. Plusieurs façons de réaliser le dépôt ont été étudiées afin de proposer une solution intéressante. Enfin, une approche originale des phénomènes de décalage en fréquence en mode pulsé a été développée, elle a permis d'interpréter certaines observations expérimentales.

Cette thèse rapporte le développement d'un nouveau montage expérimental pour la spectroscopie Térahertz basé sur une source de rayonnement réalisant la différence de fréquences, sur un substrat AsGa, de deux lasers émettant vers 820 nm pour générer du rayonnement infrarouge lointain. Ce montage s'inscrit dans le courant d'intérêt récent pour les possibilités du rayonnement Térahertz vues dans un premier chapitre. Le second chapitre s'intéresse à la génération de rayonnement par différence de fréquences sur un élément semi-conducteur et à son utilisation pour la spectroscopie. L'obtention d'une large accordabilité du rayonnement généré de cette manière s'appuie sur un système de modulateurs acousto-optiques en double passage. Le troisième chapitre s'attache à la stabilisation des sources infrarouges par une méthode Pound-Drever-Hall utilisant une cavité de haute finesse pour obtenir un rayonnement Térahertz généré de grande pureté spectrale. Enfin, le spectromètre mis en place a été caractérisé par des mesures du spectre du chlorure de méthyle et utilisé dans une étude exploratoire du paramètre d'élargissement collisionnel de raies de l'eau par le diazote, le dioxygène et l'air.