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Accueil > Français > Équipes > Confinement d’Ions et Manipulation Laser > Métrologie temps-fréquence

Explications

par Caroline CHAMPENOIS, Martina KNOOP - publié le , mis à jour le

Parce qu’on peut les confiner de quelques secondes à plusieurs jours dans des conditions expérimentales bien contrôlées, les ions refroidis par laser sont des candidats idéaux pour de nombreuses mesures de haute précision, comme c’est le cas en métrologie des fréquences. En effet, ce sont des ions uniques qui servent de support aux horloges atomiques les plus précises. Dans ces dispositifs, l’état de l’ion doit être mesuré de nombreuses fois pour s’affranchir du bruit de projection quantique, associé au caractère unique de l’objet étudié. Il faut alors un temps d’intégration très long pour qu’une horloge à ion unique puisse afficher une stabilité de fréquence comparable à celle que les horloges basées sur un ensemble d’atomes neutres fournissent en un temps beaucoup plus court.

Dans ce contexte, nous avons proposé un nouveau protocole d’interrogation d’ions piégés [1], basé sur le piégeage cohérent de population à trois photons dans un nuage d’ions, et l’observation d’une résonance noire dans leur spectre. Dans le cas d’un ion alcalino-terreux tel que l’ion calcium, la fréquence de référence pour cette résonance noire est dans le domaine des THz. Le schéma d’excitation permettant de fournir cette référence dans le domaine THz implique uniquement des sources laser dans le visible ou le proche infra-rouge. Il existe toujours une configuration géométrique pour les vecteurs d’onde qui permet d’annuler l’effet Doppler du premier ordre et ainsi d’envisager l’utilisation d’un ensemble d’ions comme support de la référence THz, et de gagner ainsi en signal sur bruit.

Pour observer une raie noire, l’excitation cohérente par trois lasers de longueurs d’onde différentes nécessite une relation de phase stable entre ces trois lasers, qui peut être obtenue par leur asservissement simultané sur un peigne de fréquence dans le domaine du proche infra-rouge. Dans le cas des ions calcium, les longueurs d’onde impliquées sont 794 nm (qui est doublé en fréquence pour atteindre la raie de résonance), 866 nm et 729 nm. Le peigne de fréquence doit lui-même être asservi sur une référence ultra-stable pour atteindre les performances ultimes qu’un tel système permet. Cette référence sera fournie grâce à l’implication du laboratoire PIIM dans le projet d’équipement national Refimeve+, qui organise la distribution d’un signal de référence de haute qualité métrologique (stabilité et exactitude) dans le domaine micro-onde.

Le coeur de ce projet est le laser Ti:Sa ultra-stable développé au sein de l’équipe. Pour en assurer la stabilité et la précision, la fréquence émise par ce laser est asservie, par une méthode Pound-Drever-Hall, à un mode propre d’une cavité optique ultra-stable en ULE, conçue dans notre équipe. L’optimisation des plans de cette cavité a été menée grâce à une simulation de sa structure par éléments finis, avec plusieurs aller-retour entre conception et réalisation pour adapter les dimensions critiques aux contraintes de fabrication. Ces simulations à différentes étapes de la réalisation de la cavité laissent espérer une variation relative de sa longueur inférieure à 10-14 sous le champs de gravitation terrestre. Nous avons contacté optiquement des miroirs en silice sur deux barreaux d’ULE identiques. Les finesses mesurées pour ces cavités sont de 140 000 et 200 000. L’évaluation des performances de l’asservissement du laser sur une de ces cavités par analyse sur l’autre cavité est en cours.


Photo réalisée en salle blanche, d’une des cavités ULE (vue de dessus), avec un miroir bientot contacté à une extrémité. On devine sur le miroir des franges d’interférences précédent la phase d’adhésion : plus les franges sont espacées, plus les deux faces sont parallèles, le contact étant initié par pression sur un bord. Le spacer, en forme de "double pot de fleur", est posé sur un support noir pour en assurer la stabilité.

[1] Champenois, et al., “Terahertz Frequency Standard Based on Three-photon Coherent Population Trapping,” Phys. Rev. Lett. 99, 013001, 2007.

[2] D. Guyomarc’h et al., “Some aspects of simulation and realization of an optical reference cavity”, Phys. Rev. A, 80 (6) : 063802, 2009.