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Thèse Année : 2003

Evaluation des performances de la fontaine atomique PHARAO, Participation à l'étude de l'horloge spatiale PHARAO

Michel Abgrall

Résumé

The performances of an atomic frequency standard depend drastically on the observation time of the atoms. The interrogation of laser cooled atoms allows to obtain about half a second interaction time in a fountain geometry. This duration could be much more varied in absence of gravity, and would allow a better trade-off between stability and accuracy. The application of this principle is the aim of the PHARAO project, that should attend to the ACES mission planned in 2006 onboard the International Space Station. The first part of this thesis deals with the cold Cs133 PHARAO fountain. This clock stems from the transformation of a space clock prototype previewsly tested in microgravity. A detailed evaluation of the whole frequency shifts has been carried out, reaching a 7,7 10^(-16) accuracy and a 1,7 10^(-13)tau^(-1/2) short term stability. These values are obtained for 4 10^(5) detected atoms, that provides a good stability-accuracy trade-off. This transportable fountain, built at BNM-SYRTE, has been operating at MPQ in Munich (Germany). The collaboration between the 2 laboratories gave a ~10 improvement factor on the measurement accuracy (1,8 10^(-14)) for the 1S-2S two photons hydrogen transition. In a second part of this thesis, we present the characterisation of 2 elements of the PHARAO space clock: the construction of an etalon extended cavity laser and the test of the phase symmetry between the two interrogating areas of the space cavity.
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.
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Dates et versions

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  • HAL Id : tel-00003079 , version 1

Citer

Michel Abgrall. Evaluation des performances de la fontaine atomique PHARAO, Participation à l'étude de l'horloge spatiale PHARAO. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00003079⟩
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