Réalisation d'une horloge Rb pulsée à pompage optique avec une stabilité de fréquence inférieure à $$10^{

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12974 (2023) Citer cet article

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Nous présentons les performances de stabilité de fréquence d'une horloge Rb à cellule à vapeur basée sur la technique de pompage optique pulsé (POP). L'horloge a été développée dans le cadre d'une collaboration entre l'INRIM et Leonardo SpA, visant à réaliser un étalon de fréquence POP qualifié pour l'espace. Les résultats rapportés ici ont été obtenus avec un package de physique technique, spécialement conçu pour les applications spatiales, associé à une optique et une électronique de qualité laboratoire. La stabilité de fréquence mesurée exprimée en termes d'écart d'Allan est de \(1,2\times 10^{-13}\) à 1 s et atteint la valeur de \(6\times 10^{-16}\) pour des temps d'intégration de 40 000 s. (dérive supprimée). Il s’agit, à notre connaissance, d’un résultat record pour un étalon de fréquence à cellule à vapeur. Dans cet article, nous montrons que pour obtenir ce résultat, une stabilisation minutieuse des impulsions micro-ondes et laser est nécessaire.

En raison de leur fiabilité, de leur compacité et de leurs bonnes performances, les horloges à cellules à vapeur sont aujourd'hui utilisées dans une grande variété d'applications scientifiques et technologiques qui nécessitent un chronométrage précis, conjointement à une taille, un poids et une consommation d'énergie réduits (SWaP). Il suffit de mentionner que les systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS), les télécommunications et l’horodatage des transactions financières s’appuient tous sur des signaux temporels et fréquentiels précis fournis par des étalons de fréquence atomique qui sont très souvent des horloges à cellules Rb1.

Les horloges Rb couramment utilisées sont des dispositifs pompés par lampe : une lampe est utilisée comme source optique pour la préparation de l’état atomique grâce au processus de pompage optique2. Cependant, depuis leur introduction en physique atomique dans les années 80, les lasers à diode ont été exploités avec succès dans les normes de cellules dans le but d'améliorer le processus de pompage optique. De plus, en raison du grand nombre de longueurs d'onde disponibles, les lasers à diode permettent l'utilisation d'autres atomes, comme le Cs, et conviennent à la mise en œuvre de nouveaux schémas d'excitation, comme le piégeage cohérent de population (CPT) (voir par exemple3,4,5,6 ,7).

À l'heure actuelle, la recherche sur les horloges à cellules à vapeur pompées par laser est un domaine important et actif qui englobe grosso modo deux tendances : d'une part, la miniaturisation extrême, visant à réaliser des horloges à l'échelle d'une puce. D'autre part, le développement de prototypes à haute stabilité, dans le but de rivaliser avec les horloges H-maser en termes de stabilité de fréquence, mais en obtenant un SwaP inférieur.

Dans le premier cas, des horloges à cellule à vapeur aussi petites que 1 \(\hbox {cm}^3\) utilisant une cellule à l'échelle mm ont été démontrées8. Si d'une part ce procédé de miniaturisation présente de nombreux avantages (ex : consommation électrique de quelques dizaines de mW, masse et coûts de production réduits), d'autre part la stabilité à court terme est nécessairement limitée à des unités de \(10^{ -10}\) en 1 s par la taille de la cellule microfabriquée puis par le nombre d'atomes de métaux alcalins en interaction. Il a été démontré que les horloges atomiques miniaturisées fonctionnent avec succès comme base de temps pour les futurs récepteurs GNSS9 et pour les mesures sismiques liées à la détection des tremblements de terre, à la détection acoustique et à l'exploration pétrolière au fond des océans10. En outre, des horloges atomiques miniaturisées sont développées en vue d’applications futures dans les instruments mobiles et à faible consommation ou les appareils portatifs11.

Le deuxième axe de recherche concerne le développement d'horloges à cellules à vapeur à base de laser offrant les plus hautes performances de stabilité. À cet égard, plusieurs techniques ont été conçues et étudiées, adoptant dans la plupart des cas une disposition cellulaire à l’échelle du centimètre. Ces techniques comprennent l'approche par onde continue à double résonance12, le pompage optique pulsé (POP)13,14,15 et le CPT, soit en continu6,16, soit en régime pulsé17,18. Parmi eux, le système POP garantit des performances nettement améliorées, tant par rapport aux horloges Rb traditionnelles actuelles que par rapport aux nouvelles idées de recherche concurrentes. Après les travaux fondateurs basés sur le maser POP Rb19, il a été rapidement reconnu que la détection optique de la population de l'état fondamental permet d'obtenir les meilleurs résultats de stabilité de fréquence. Plus précisément, plusieurs groupes de recherche ont mesuré les écarts d'Allan compris entre \(1\times 10^{-13}\) et \(3 \times 10^{-13}\) pour 1 seconde de temps d'intégration. De plus, dans certains cas, les performances à moyen-long terme ont atteint la région basse \(10^{-15}\) pendant \(10^4\) s de temps moyen13,14,16,20,21.