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.

Le sujet de cette thèse est l'étude et la conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de haute intensité. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la prochaine extension du GANIL, Spiral2 et de la future installation basse-énergie DESIR (« Désintégration, excitation et stockage d'ions radioactifs »). L'objectif est de réduire l'émittance des faisceaux de Spiral2 pour permettre à un séparateur haute-résolution d'en effectuer la purification, idéalement au niveau isobarique. Ce refroidisseur consiste en une structure quadrupolaire linéaire dans laquelle les ions sont confinés par des champs RF en opposition de phase à une énergie d'environ 100 eV. Un gaz léger, généralement de l'hélium, est injecté dans le quadrupole et, à chaque collision, l'ion perdra de l'énergie et sera finalement refroidi. La principale problématique de notre projet est la charge d'espace. En effet, les appareils existants sont capables de refroidir des courants de quelques dizaines de nanoampère quand nous aurons à faire face à des intensités de l'ordre du microampère ce qui accroitra la répulsion coulombienne entre les ions. Cela impose de produire de forts champs de confinement ce qui se traduit par des amplitudes RF élevés (≈ 10 kVpp) et un petit rayon interne (r0 ≈ 3 à 5 mm). Nous avons travaillé sur un premier prototype, SHIRaC-Phase1 (« Spiral2 High Intensity Radiofrequency Cooler »), ayant un rayon de 3mm, construit au CSNSM-Orsay et déplacé au LPC-Caen à la fin de 2007. Le principal effort en termes de R&D a porté sur la partie électronique. Un premier système, basé sur un circuit résonant LC, a été développé permettant de fournir jusqu'à 2500 Vpp entre 4.5 et 6.3 MHz. Dans ces conditions, nous avons vérifié que nous n'avions pas de fortes limitations dues aux décharges électriques entre nos électrodes. Avec ce dispositif, nous avons réduit l'émittance des faisceaux à 2 π.mm.mrad à 60 keV et la dispersion en énergie longitudinale à 146 meV. La transmission maximale en Sodium 23Na+ et en Rubidium 87Rb+ est de 25% avec une source à ionisation de surface dont la qualité du faisceau est meilleure que celle de Spiral2. Cela nous a incités à concevoir un nouveau refroidisseur avec une acceptance de 80 π.mm.mrad à 60 keV. Ce second prototype a un rayon interne plus grand (r0 ≈ 5 mm) et de nouveaux jeux d'électrodes à l'injection et à l'extraction. Les performances du système RF ont été améliorées pour atteindre des amplitudes de 7 kVpp pour des fréquences comprises entre 5.9 MHz et 7.3 MHz. Les exigences en termes de sécurité et de maintenance pour Spiral2 ont également été prise en compte.

Les horloges atomiques miniatures présentent des stabilités de fréquence inégalées avec des volumes de quelquescentimètres cubes et des consommations inférieures à 100mW.Dans cette thèse, les paramètres optimaux concernant la conception et la fabrication des cellules à vapeur decésium, un des composant clés de ce type d’horloges, sont définis. Ainsi, les performances de plusieurs cellulesont été caractérisées en condition d’horloge à court et long terme. En parallèle, des solutions sont proposéespour pallier à certaines limitations telles que la plage de température opérationnelle, le coût de fabrication dudispositif et la facilité d’assemblage du module physique.Un nouveau mélange de gaz tampon composé de néon et d’hélium peut étendre la plage de fonctionnementau-dessus de 80 C, en adéquation avec les besoins industriels. A l’inverse des gaz tampon usuels, ce mélangeest compatible avec les dispensers de césium solides, dont la fiabilité est établie.Outre les gaz tampon, les revêtements permettent également de limiter la relaxation induite par les parois dela cellule. Ici, des revêtements d’octadécyltrichlorosilane sont étudiés. Un effet anti-relaxant a été observé dansdes cellules centimétriques et un procédé a été développé pour revêtir des cellules micro-fabriquées.D’autres sources de césium sont présentées pour s’affranchir des inconvénients propres aux dispensers solides.Un dispenser sous forme de pâte, qui peut être déposée collectivement, a été étudié et montre des densitésatomiques stables jusqu’à présent. Un concept de vannes hermétiques micro-fabriquées a été proposé poursceller hermétiquement et séparer des cellules d’un réservoir de césium commun.Les premières étapes vers un module physique micro-fabriqué sont ensuite présentées. En particulier, un designoriginal de cellule combinant des réseaux de diffraction à une cavité en silicium formée par gravure anisotropea été caractérisé et a montré des contrastes CPT remarquables malgré un volume de cavité réduit, ce qui permettraitde réaliser un module physique particulièrement compact. Enfin, des cellules intégrant des résistanceschauffantes et thermométriques ont été fabriquées et leur compatibilité vis-à-vis du champ magnétique généréa été caractérisée dans un prototype de module physique compact. / Chip-scale atomic clocks (CSACs) provide unprecedented frequency stability within volumes down to a fewcubic centimeters and power consumptions as low as 100mW.In this work, we determine the optimal parameters regarding the design and the fabrication of cesium vaporcells, one of the key components of a CSAC. For this purpose, cells were characterized on both short and longtermperformances in clock setups. In addition, we propose solutions to overcome present limitations includingthe operating temperature range, the device microfabrication cost and the ease of integration of the physicspackage.A novel mixture of buffer-gas composed of neon and helium was found to potentially extend the operating rangeof the device above 80 C, meeting the industrial requirements. Unlike the well-known buffer gas compositions,this mixture is compatible with solid cesium dispensers whose reliability is established. As an alternativeto buffer gases, wall coatings are known to limit the relaxation induced by sidewalls. Here, we investigatedoctadecyltrichlorosilane (OTS) coatings. An anti-relaxation effect has been observed in centimeter-scale cellsand a process was developed to coat microfabricated cells.Other cesium sources have been investigated to overcome the drawbacks imposed by solid cesium dispensers. Apaste-like dispenser, which can be deposited collectively, was explored and has shown stable atomic densities sofar. Single-use zero-leak micro valves were also proposed to hermetically seal and detach cells from a commoncesium reservoir.Eventually, the first steps toward a microfabricated physics package were made. In particular, an originalcell design combining diffraction gratings with an anisotropically etched single-crystalline silicon sidewalls wascharacterized and exhibited remarkable CPT contrasts despite a reduced cavity volume, which could lead to amore compact physics package. Finally, cells with integrated heating and temperature sensing resistors werefabricated and their magnetic field compliance was characterized in a compact physics package prototype.

L'installation DESIR/SPIRAL2 est une installation de faisceaux radioactifs de faible énergie et de seconde génération. Les flux d'ions radioactifs produits nécessiteront une purification isobariques des isotopes. Cette séparation sera faite par un séparateur de très haute résolution (HRS) développé au Centre d'Etudes Nucléaire de Bordeaux Gradignan, CENBG. Pour avoir des performances nominales le HRS requiert des faisceaux de faible émittance. La seule technique universelle qui peut aboutir à un faisceau de faible émittance est le refroidisseur radiofréquence à gaz tampon, le RFQ Cooler. Le but du RFQ Cooler est de réduire l'émittance du faisceau à moins de 1 π.mm.mrad ainsi que la dispersion longitudinale en énergie d'environ 1 eV, en utilisant des faisceaux de hautes intensités (i≈1µA). De ce fait, l'effet de la charge d'espace est considérable à la dégradation du faisceau refroidit. La compensation de cet effet exige des tensions RF et des fréquences élevées, respectivement quelques kilovolts et de quelques mégahertz. Ces derniers points différencient ce Cooler avec ceux qui existent. Le prototype du RFQ Cooler examiné pendant cette thèse, communément appelée " SHIRaC". Il a été développé de façon à transmettre au moins 60 % des ions à haute intensité. Les simulations numériques liées à la définition du SHIRaC ont conduit à trouver les paramètres de fonctionnement en termes de la pression, le champ de guidage et les tensions de polarisation des électrodes de la cellule d'injection et d'extraction. Elles ont permis également de choisir et optimiser un triplet électrostatique d'extraction pour adapter le faisceau refroidit et extrait du SHIRaC au HRS. A 1µA, les résultats optimums de refroidissement des ions 133Cs+ sont variants : soit une dispersion en énergie minimale de 1.15 eV pour une transmission de 21 % soit une dispersion en énergie de 4.67 eV pour une transmission de 60 %. L'émittance est d'environ 2.2 π.mm.mrad. La dégradation de la dispersion en énergie est due à la contribution de l'effet de la charge d'espace et du champ longitudinal. En dehors du RFQ, où les deux effets dégradent la dispersion en énergie. Pour achever la réduction de deuxième effet, nous avons remplacé la lentille à trois électrodes de la cellule d'extraction par une à deux électrodes. En se servant de cette nouvelle lentille les dispersions en énergie se sont réduites de quelques pourcents : La dispersion en énergie correspondant à une transmission de 60 % a été réduite à 3.85 eV. Cependant, la dispersion en énergie minimale a été légèrement diminuée à 1.08 eV mais avec une augmentation de la transmission à 26 %. L'émittance est en dessous de 2 π.mm.mrad. Les faisceaux disponibles au SPIRAL 2 sont intensifs et radioactifs. Ainsi, il serait indispensable de considérer l'effet de la nucléarisation sur l'environnement pour le RFQ Cooler SPIRAL2/DESIR. La réduction de cet effet exige le confinement de la matière nucléaire au sein de la chambre du RFQ.

Ce mémoire présente l'étude du déplacement collisionnel de la fréquence d'horloge du césium en présence du gaz tampon hélium ou xénon. L'introduction d'un gaz tampon dans les cellules à vapeur alcaline est nécessaire pour diminuer la largeur de raie de la résonance CPT par effet Dicke. Cependant, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d'horloge en fonction de la température de la cellule. Il est possible d'annuler la dépendance thermique du déplacement collisionnel en se plaçant à une température, dite d'inversion, déterminée par le ratio de gaz tampons introduits dans la cellule. Cette température est un point de fonctionnement de choix pour l'opération d'horloges atomiques miniatures et nécessite d'être de l'ordre de 90 voire 100 °C pour les applications à contraintes environnementales sévères. Nous avons mesuré les valeurs des coefficients de déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence d’hélium et déterminé pour la première fois la valeur du coefficient quadratique en température. Concernant le xénon, les mesures des valeurs des coefficients de déplacement collisionnel sont incertaines en raison du caractère cubique non-attendu du déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence de xénon. Ce comportement serait attribué à des interactions avec les molécules transitoires de van der Waals. Nous avons également établi qu'un mélange de gaz tampon néon-hélium permet d'obtenir des températures d'inversion supérieures à 80 °C. Des mesures dans des micro-cellules ont révélé des températures de l'ordre de 89 à 94 °C pour des mélanges à quelques pourcents d'hélium. / This thesis presents a study on collisional shift of cesium clock frequency in the presence of helium or xenon buffer gas. Introduction of buffer gas in alkaline vapour cells is necessary to narrow the CPT line-width by Dicke effect. Nevertheless, buffer gas induces a quadratic shift of the clock frequency versus temperature cell. Cancellation of collisional shift temperature dependence is possible at a so-called inversion temperature depending on the buffer gas ratio. This inversion temperature is great working point for micro atomic clocks. This temperature is required to be 90 or even 100 °C, especially to work in harsh environmental constraints. We measured collisional shift coefficients of cesium clock frequency in presence of helium buffer gas and we determined for the first time the value of the quadratic coefficient. About xenon buffer gas, the measurement of collisional shift coefficients is more difficult because of non-expected cubic behavior of collisional clock frequency shift which could be linked to the interaction with van der Waals molecules. We established that a neon-helium buffer gas mixture could allow an inversion temperature superior to more than 80 °C. Inversion temperatures from 89 to 94 °C are measured in cesium vapor microcells filled with a mixture containing a few percent of helium.

L’effet de la transparence induite électromagnétiquement est observée à l’aidede cellules nanométriques et de cellules micrométriques. La résonance EIT avec de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) est obtenue dans des cellules étroites. L' éclatement de la résonance EIT dans un champ magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons un modèle théorique qui explique la dépendance du déplacement en fréquence des composantes de la résonance EIT en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord.Pour la première fois une résonance de type N est obtenue dans une micro-cellule. Nous obtenons de bons paramètres (fort contraste et faible largeur du signal à mi-hauteur) dela résonance N à l’aide d’une micro-cellule. Cela nous permet d’observer le comportement d’une résonance N dans un champ magnétique. L’éclatement de la résonance N dans unchamp magnétique est observé pour les raies D1 du 85Rb et 87Rb. Nous présentons les calculs théoriques qui expliquent la dépendance du déplacement en fréquence des composantes dela résonance N en fonction de l’intensité du champ magnétique. Les résultats théoriques et expérimentaux sont comparés et démontrent un bon accord. Le comportement de la résonance N en régime hyperfin Paschen-Back est présenté et expliqué. Enfin une comparaison des résonances EIT et N est faite / The effect of electromagnetically induced transparency is observed, using nanocelland microcell. The EIT-resonance with good parameters (high contrast and small FWHM) is obtained in thick cells. The EIT-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of D1-line of 85Rb and 85Rb. The theoretical model, explaining the EIT-resonance components frequency shift dependence on magnetic field strength is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the EIT-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. For the first time the N-type resonance in microcell is observed. Good parameters of theN-type resonance in microcell are obtained. It allows us to observe the N-type resonance behavior in magnetic field. The N-resonance splitting in magnetic field is observed for the cases of 85Rb and 85Rb. The theoretical calculations of the N-resonance components frequency shift dependence on magnetic field is presented. The theoretical and experimental results are compared and good agreement is shown. Also the N-resonance behavior in hyperfine Paschen-Back regime is presented and explained. Simultaneous observation of N- and EIT-resonance is shown. Comparison of EIT- and N-resonance is made

A l'aide d'un spectre de fluorescence de résonance à bande étroite obtenu avec une nano-cellule d'épaisseur L= [lambda]/2 et des résonances VSOP formées pour une épaisseur L =[lambda] ([lambda] est la longueur d'onde de la radiation résonnante), cette thèse présente pour la première fois une étude expérimentale du comportement en fréquence et en intensité (probabilités de transition) des transitions atomiques de la structure hyperfine entre sous-niveaux Zeeman des raies D1 and D2 pour le 85Rb et le 87Rb en présence de champs magnétiques extérieurs compris entre 5 et 7000 G. Le comportement d'une dizaine de transitions atomiques inétudiées à ce jour a été analysé et nous avons démontré que l'intensité de ces raies peut montrer alternativement de grandes variations : jusqu'à un facteur 10 de taux de croissance ou de décroissance. Pour la première fois, nous avons parfaitement enregistré des résonances VSOP dans le cas où un gaz tampon (néon de pression partielle 6 torr) est introduit dans la nano-cellule d'épaisseur L =[lambda], alors que l'addition d'un gaz tampon (néon) même à une pression partielle de 0,1 torr, dans une cellule d'épaisseur centimétrique conduit à une complète disparition de ces résonances VSOP obtenues par la méthode usuelle d'absorption saturée. Enfin, nous avons montré pour la première fois que la largeur spectrale d'un spectre de fluorescence de résonance d'une nano-cellule de rubidium d'épaisseur L= [lambda]/2, quelques soient les pressions du gaz tampon (néon), est beaucoup plus étroite (6 à 8 fois) que celle obtenue avec une cellule centimétrique de rubidium pour les mêmes valeurs de pressions / Using a narrow-band resonant fluorescence spectra from a nano-cell with a thickness of L= [lambda]/2, and VSOP resonances formed at a thickness L =[lambda] ([lambda] is the wavelength of the resonant radiation), for the first time it was experimentally investigated the behaviour of the frequency and intensity (transition probabilities) of the atomic hyperfine structure transitions between the 85Rb, 87Rb, D1 and D2 lines Zeeman sublevels in external magnetic fields in range 5 - 7000G. The behaviour of tens of previously unstudied atomic transitions was analyzed and it is demonstrated that the intensities of these lines can both greatly increase, and decrease (tenfold). For the first time it is demonstrated that, in the case of partial pressure of neon buffer gas up to 6~torr into the nano-cell of thickness L = [lambda] filled with Rb, VSOP resonances are recorded confidently, while the addition of 0.1~torr neon buffer gas in a cell of a centimeter thickness leads to the complete disappearance of VSOP resonances formed with the help of the widely used technique of saturated absorption. It is demonstrated for the first time that the spectral width of the resonant fluorescence spectra of the rubidium nano-cell with thickness L= [lambda]/2, for all values of the neon buffer gas pressures is much narrower (6-8 times) compared with the resonant fluorescence spectra of an ordinary centimeter cell containing rubidium with the same pressures of neon