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.

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.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.