Cette thèse reporte une horloge atomique à cellule de césium de haute-performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge associe une diode laser DFB (à 895 nm, raie D1 du Cs), un modulateur électro-optique fibré, un modulateur acousto-optique, un système Michelson, une électronique bas bruit contrôlée par une carte FPGA et une cellule à vapeur de césium contenant un mélange de gaz tampon azote-argon. L’horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP) permettant la détection de résonances CPT à fort contraste.L’horloge repose sur l’exploitation d’un nouveau protocole d’interrogation pulsé nommé Auto-Balanced Ramsey (ABR). Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes. Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes. La mise en place de ce protocole ABR-CPT, amélioré par la suite avec symétrisation (SABR-CPT), conduit à une réduction drastique des effets de déplacement lumineux, avec en particulier une diminution de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de puissance laser par un facteur 80 comparativement à une interrogation Ramsey-CPT conventionnelle. Cette horloge CPT démontre à ce jour une stabilité relative de fréquence de 2 10-13 τ -1/2, atteignant le niveau record (pour ce type d’horloge) de 2,5 10-15 à 10 000 s. Des travaux annexes de spectroscopie laser en microcellules à vapeur de césium sont aussi reportés dans ce manuscrit. On notera en particulier la démonstration d’un laser stabilisé par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence dans une microcellule Cs avec une stabilité de fréquence préliminaire meilleure que 2 10-12 à 1 s. Ces performances sont 10 fois meilleures que celles de micro-horloges atomiques micro-ondes CPT. / This thesis reports a high-performance Cs vapor cell atomic based on coherent population trapping (CPT). This clock combines a DFB diode laser (895 nm, Cs D1 line), a fibred electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a Michelson system, FPGA-based low noise electronics and a N2-Ar buffer gas filled Cs vapor cell. The clock is based on an optimized CPT pumping scheme, named push-pull optical pumping (PPOP), allowing the detection of high-contrast CPT resonances.The clock uses a novel pulsed interrogation protocol named Auto-Balanced Ramsey (ABR). This method is based on the extraction of two error signals derived from two successive Ramsey sequences with different dark periods. The ABR-CPT protocol, improved further with symmetrization (SABR-CPT), allows a drastic reduction of light-shifts effects, yielding in particular to reduce the sensitivity of the clock frequency to laser power variations by a factor 80, in comparison with a standard Ramsey-CPT interrogation. This clock CPT demonstrates a fractional frequency stability of 2 10-13 τ -1/2, reaching the record level (for this kind of clock) of 2.5 10-15 at 10 000 s. Annex laser spectroscopy studies in Cs microfabricated cells were performed in this thesis. We shall note the preliminary demonstration of a laser frequency-stabilized using dual-frequency sub-Doppler spectroscopy in a Cs microcell, exhibiting a fractional frequency stability better than 2 10-12 at 1 s. These performances are 10 times better than those of microwave CPT-based chip-scale atomic clocks.

Ce travail de thèse, effectué dans le cadre du projet européen MClocks (http://www.inrim.it/mclocks), reporte le développement et la caractérisation métrologique d’une horloge atomique à cellule de césium de haute performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP), permettant la détection de résonances CPT à fort contraste sur la transition d’horloge 0-0. Une caractérisation détaillée des différents éléments de l’horloge est reportée. L’horloge fut exploitée en mode continu (CW) et en mode impulsionnel de type Ramsey. Dans les deux modes de fonctionnement, l’horloge démontre une stabilité relative de fréquence de l’ordre de 2 10−13 τ−1/2 jusque 100 s d’intégration, principalement limitée par des effets de puissance laser. Cette horloge atomique, parmi les meilleures horloges à cellule développées à travers le monde, pourrait trouver des applications pour les systèmes de télécommunications, d’instrumentation, de défense ou navigation par satellite.Cette thèse reporte aussi une technique originale de stabilisation de fréquence laser par spectroscopie sub-Dopplerbi-fréquence en cellule. La plateforme constituée par l’horloge a été utilisée pour mener des tests de physique plus amont incluant la caractérisation par spectroscopie CPT d’une cellule de césium avec un revêtement anti-relaxant OTS (octadecyltrichlorosilane) ou la caractérisation de microcellules à vapeur de césium avec gaz tampon développées à FEMTO-ST pour des horloges atomiques miniatures. / This thesis work, performed in the frame of the MClocks European project (http://www.inrim.it/mclocks), reports the development and metrological characterization of a high-performance Cs vapor cell atomic clock based on coherent population trapping (CPT). The clock uses an optimized CPT pumping scheme, named push-pull optical pumping (PPOP), allowing the detection of high-contrast CPT resonances on the 0-0 magnetic-field insensitive clock transition. A detailed characterization of key components of the clock is reported. The clock was operated in the continuous-wave (CW) regime and in a Ramsey-like pulsed regime. In both regimes, the clock demonstrates a short-term fractional frequency stability at the level of 2 10−13 τ−1/2 up to 100 s averaging time, mainly limited by laser power effects. This CPT clock, ranking among the best microwave vapor cell atomic frequency standards, could find applications in telecommunication, instrumentation, defense or satellite-based navigation systems.This thesis reports also a novel laser frequency stabilization technique using dual-frequency sub-Doppler spectroscopy in a vapor cell. The clock ”platform” has also been used to perform using CPT spectroscopy the characterization of a Cs vapor cell coated with octadecyltrichlorosilane (OTS) or original buffer-gas filled Cs vapor micro-fabricated cells developed in FEMTO-ST for CPT-based miniature atomic clocks.