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Mileti, Gaetano
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Mileti, Gaetano
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gaetano.mileti@unine.ch
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- PublicationAccès libreStudies on miniature and compact Ramsey double-resonance Rubidium atomic clocks using hot vapors and cold atoms(2023)
; Cette thèse présente deux nouvelles horloges atomiques au Rubidium 87 à double résonance. Le chapitre 3 se concentre sur l’horloge μPOP, la première démonstration d’une horloge double résonance en mode Ramsey dans une cellule à vapeur micro-fabriquée. La stabilité court-terme de σy(τ ) ≤ 2 × 10−11τ−1/2 et la stabilité long-terme the 1.5 × 10−12 à la journée en font l’état de l’art dans la catégorie des horloges micro-onde double résonance dans les cellules micro-fabriquées. Comme démontré dans [1], la stabilié court-terme a été optimisée pour minimiser les contributions de l’effet Dick et de la contribution du bruit d’intensité relatif du laser, avec ce dernier limitant majoritairement les performances de l’horloge à court-terme. le budget long-terme montre que les effets de light-shift en intensité et en fréquence sont respectivement un et deux ordres de grandeurs en-dessous de la stabilité mesurée de l’horloge à la journée ce qui confirme la validité de l’approche POP pour limiter ces deux effets. Dans la limite supérieure, la contribution du décalage de fréquence dû à la température de la cellule est deux ordres de grandeurs au-dessous de la stabilité mesurée grâce au mélange de gaz tampons N2 et Ar. Les deux derniers effets évalués, les shifts de puissance micro-onde et de position, permettent d’expliquer les limites de performances de l’horloges à moyen et long-terme. Le shift de position est le facteur limitant au long-terme et est évalué avec soin grâce à la variance de Groslambert. Les études du μPOP se concluent par la démonstration d’une méthode fiable et rapide pour mesurer les taux de relaxation dans les horloges à cellules double résonance en mode Ramsey. Les valeurs des taux de relaxation de population et de cohérence sont d’environ 5 kHz et 4 kHz respectivement à la température nominale de ≈ 100◦C. A 60◦C, les deux taux tombent à 1 kHz. Ces valeurs sont globalement bien expliquées par le modèle présenté entièrement basé sur des coefficients physiques de la litérature. Dans ces conditions la différence entre le modèle et l’expérience est d’au maximum 20%. Le chapitre 4 démontre la réalisation d’une cavité micro-onde pour une horloge à atomes froids refroidis et prégés à l’aide d’un GMOT. Le facteur de qualité est Q ≈ 360 ce qui à l’avantage de réduire de shift du cavity-pulling. Le mode de type TE011 est séparé d’au moins 500 MHz de ses voisins, comme prédit par les simulations. Ces dernières ont également permis de simuler la fréquence du mode d’intérêt à 60 MHz près qui sont aisément compensés par la gamme d’accordage de la cavité. Les excellentes propriétés du champ magnétique prédites par les simulations en terme d’uniformité et d’homogénéité sont confirmées par la mesure du facteur d’orientation de champ de 97% et l’amortissement faible des oscillations de Rabi, respectivement. Le chapitre 5 décrit les résultats obtenus lors de l’intégration de la cavité micro-onde susmentionnées dans une manipulation d’horloge à atomes froids ayant eu lieu à l’université de Strathclyde dans le groupe d’Erling Riis. Cette horloge est la première démonstration d’une horloge à atomes froids de Rb à double résonance utilisant un GMOT pour le refroidissement et le piégeage des atomes. Cette approche permet de réduire considérablement la taille de l’horloge. En pratique, environ 106 atomes à 10 μK sont piégés grâce à celui-ci. Les franges de Ramsey sont obtenues avec un temps de Ramsey allant jusqu’à 20 ms limité par la géométrie du setup. Le cycle de l’horloge implémente également une phase de sélection d’état quatique permettant d’augmenter le signal-sur-bruit de l’horloge. La stabilité finale à court-terme est d’environ 1.5 × 10−11τ−1/2 et est en adéquation avec la limite estimée à partir du signal-sur-bruit venant des franges de Ramsey. La stabilité long-terme de l’horloge est limitée par le shift de Zeeman 2ème ordre dû à l’absence de blindage magnétique du setup. ABSTRACT This thesis presents results on two microwave, double-resonance, Rubidium 87 atomic clocks. These studies are motivated by the need for compact and miniature clocks with improved performances or improved Size,Weight and Power (SWaP). A first clock study, covered in chapter 3, focuses on the μPOP clock, the first demonstration of Double Resonance (DR) Ramsey operation in a micro-manufactured hot-vapor cell clock.With a short-termstability of σy(τ ) ≤ 2 × 10−11τ−1/2 and long-termstability of 1.5 × 10−12 at one day, the μPOP clock features state-of-the-art stability for microwave miniature cell clocks. As demonstrated in [1], the μPOP clock short-term stability has been optimized to mitigate the Dick effect and laser Relative Intensity Noise (RIN) contributions, with the latter being the biggest contributor to the short-termstability. The long-terminstability budget shows that the intensity and frequency light shifts contributions are one and two order of magnitudes lower than the measured stability with a contribution of the order of 10−13 and 10−14 at one day, respectively. This confirms the interest of the Pulsed Optically Pumped (POP) approach compared to the ContinuousWave (CW) scheme and sets the potential performances of the μPOP clock. Other long-termcontributors to the instabilities have been evaluated. In the upper limit, the contribution of the cell-temperature shift to the instability is estimated to be two orders of magnitude below the measured stability, confirming the benefit of the N2 and Ar buffer gas-mixture approach for a close to zero cell-temperature sensitivity coefficient. The last two effects, the microwave-power and the position shifts are the greatest contributor to the mid and long-termstability with the latter being the limiting long-term phenomenon whose contribution must be carefully evaluated using the Groslambert covariance. The μPOP studies conclude with the description of a fast and reliable method for measuring the relaxation rates in Ramsey DR vapor-cell clocks. At the nominal cell temperature, namely ≈ 100◦C, the population and coherence relaxations rates are measured to be at the order of 5 kHz and 4 kHz, respectively. Their values have been measured down to 60◦C with both at the order of 1 kHz. Finally, a theoretical model using only parameters taken from the literature has been derived to describe the measured relaxation rates values with agreement within 20%. Chapter 4 focuses on the simulation and realization of a microwave cavity for a DR cold-atom clock using a GratingMagneto-Optical Trap (GMOT). The final cavity shows a low quality factor of Q ≈ 360 which is in the interest of reducing the cavity-pulling shift. The TE011-like cavity mode is separated by at least 500 MHz from the neighbouring modes as predicted by the simulations. The same simulations allowed to effectively predict the cavity’s resonance frequency with a small error of 60 MHz which can easily be compensated by the cavity frequency tuning mechanism. The expected simulated excellent properties of the resonance mode in termof microwave field uniformity and homogeneity are confirmed by measurement of the field field orientation factor of 97% and low Rabi oscillation damping, respectively. Chapter 5 focuses on the integration of the microwave cavity in a clock setup designed by Erling Riis group from the university of Strathclyde. The clock described in this chapter is the first realization of a DR Ramsey Rb cold-atom clock using a GMOT for cooling and trapping which reduces the clock footprint. In practise, ≈ 106 atoms at ≈ 10 μK are loaded thanks to the grating. Ramsey fringes were successfully obtained with Ramsey times up to 20 ms, limited by the clock geometric design. The clock implements state-selection that allows for increased Signal-to-Noise Ratio (SNR) and better short-term stability of ≈ 1.5 × 10−11τ−1/2. This stability is well-explained by SNR of the fringes. Long-term stability is dominated by the 2nd-order Zeeman shift contribution as the clock is not magnetically shielded. The two studies presented in this thesis, namely the μPOP and cold-atom clocks, pave the way towards more miniature and compact frequency standards, respectively. Further improvements of the former would yield a intensity light shift limited clock with ≈ 10−13 stability at one day. Further version of the latter clock using the cavity as standalone vacuum system would allow for reduced SWaP cold-atom frequency standards. - PublicationAccès libreRubidium vapour-cell frequency standards: metrology of optical and microwave frequency references(2019)
; Cette thèse porte sur le développement, l'étude et l'optimisation de références de fréquence compactes de hautes performances à base de cellules de vapeur de rubidium (Rb)1. Plus particulièrement, deux références de fréquence à cellules à vapeur de Rb sont étudiées : une référence de fréquence optique à 1,5 μm et une horloge atomique à double résonance à pompage optique pulsé (POP). L'utilisation de cellules à vapeur permet de réaliser des références de fréquence compactes (i.e. dans un volume de quelques litres) ayant une stabilité de fréquence relative (1) pour une horloge atomique micro-onde au niveau de 1×10-14 à 1 jour (équivalent à 1 ns/jour) et (2) pour la référence optique au niveau de 1×10-11 à 1 jour (équivalent à environ 4 kHz/jour). Ces références de fréquence compactes peuvent être utilisées dans l'industrie, les télécommunications, la navigation ou comme référence de fréquence optique embarquée (par ex. LIDAR).
La première partie de cette thèse évalue la stabilité de fréquence à moyen et long terme d'une horloge atomique POP compacte de haute performance. Cela consiste à évaluer la sensibilité de la fréquence de l'horloge aux grandeurs pertinentes : fluctuations de fréquence et d'intensité du laser (effets de décalage de fréquence due à lumière (LS)), puissance micro-onde (décalages de fréquence due à la puissance micro-ondes), et effets environnementaux (effets barométriques, température). L'impact de telles perturbations est quantifié en utilisant (1) un coefficient de sensibilité, ou coefficient de décalage de fréquence, défini comme la variation de la fréquence d'horloge par rapport au paramètre physique perturbateur (par exemple une variation de puissance σp), ΔVclock/Δp; et (2) l'amplitude des fluctuations du paramètre physique perturbateur lui-même évalué à différentes échelles de temps, σpΤ). Les coefficients de sensibilité de l'effet LS et du décalage due à la puissance micro-onde sont minimisés, contribuant à l'instabilité de fréquence de l'horloge en dessous de 10-14 dans le long terme (fluctuation de fréquence relative).
Un effet barométrique est démontré dans les étalons de fréquence à cellule de vapeur. La fluctuation naturelle de la pression atmosphérique déforme la cellule en verre, ce qui modifie la pression interne du gaz. Il en résulte un couplage de la fréquence de l'horloge avec la pression atmosphérique. Le phénomène est caractérisé expérimentalement et théoriquement, et la contribution de l'effet barométrique est réduite en dessous de 10-14. En minimisant l'effet barométrique, la sensibilité à la puissance micro-ondes et l'effet LS, on démontre une stabilité de fréquence de notre prototype d'horloge POP de 1×10-14 (fluctuation de fréquence relative) à 104 secondes de temps d'intégration.
Des études plus fondamentales sont menées sur l'origine du décalage de fréquence dû à la puissance micro-onde pour notre prototype d'horloge POP. L'impact de l'inhomogénéité du champ (champ lumineux et champ micro-ondes) sur le signal de Ramsey et la fréquence de l'horloge est étudié numériquement. Sur la base de la distribution d'amplitude du champ micro-onde simulée dans la cellule de l'horloge, le signal de Ramsey mesuré et ses propriétés (contraste, largeur totale à mi-hauteur (FWHM)) sont reproduits par simulations.
La validation de la production additive (impression 3D) pour la fabrication des cavités micro-ondes complexes est démontrée. L'horloge POP et ses possibilités (grâce à l'interrogation pulsée) est utilisée pour évaluer l'homogénéité et la distribution du champ micro-onde de la cavité micro-onde. On démontre que la distribution du champ micro-onde de la cavité fabriqué par impression 3D est équivalente au champ micro-onde d'une cavité de fabrication conventionnelle. De plus, on présente une stabilité de fréquence horloge au niveau de l'état de l'art obtenu avec une horloge ayant une cavité micro-onde fabriquée par impression 3D.
Les études présentées dans cette thèse sont des étapes importantes vers une meilleure compréhension des horloges atomiques à double résonance. L'identification de la principale source d'instabilité de fréquence à long terme (l'effet barométrique) et sa réduction en dessous d'une instabilité de fréquence relative de 10-14 permet de comparer notre prototype d'horloge atomique avec l'état de l'art des horloges atomiques compactes et à haute performance. De plus, ce niveau d'instabilité de fréquence permet de mener de nouvelles études sur les phénomènes physiques auxquels l'horloge atomique est moins sensible. La stabilité de fréquence d'horloge obtenue avec l'horloge possédant une cavité fabriquée par impression 3D est une étape importante vers la commercialisation d'horloges atomiques Rb à double résonance.
La deuxième partie de cette thèse porte sur les références de fréquence optique utilisent une cellule à vapeur de Rb pour la stabilisation en fréquence des lasers à 780 nm, 1560 nm et 1572 nm. Un laser maître de 1560 nm a été stabilisé en fréquence sur une cellule de vapeur de Rb à 780 nm par doublement de fréquence. Un générateur de peigne de fréquence optique a été utilisé pour combler l'espace de 12 nm entre 1572 nm et le laser à 1560 nm. Le système laser a été conçu pour être une référence de fréquence embarquée à 1572 nm pour un système LIDAR spatial ou pour faire du pompage optique pour les horloges atomiques à cellules Rb. La stabilité de fréquence démontrée du laser à 1572 nm est inférieure à 3×10-11 (équivalent à 5,8 kHz à 1572 nm) à toutes les échelles de temps et atteint 4×10-12 (équivalent à 760 Hz à 1572 nm) à long terme. En outre, la reproductibilité et la répétabilité du schéma de stabilisation de fréquence du laser maître ont été évaluées. La dégradation du bruit de fréquence et du bruit d'intensité par le processus de doublage de fréquence a également été évaluée. La caractérisation des références de fréquence optique permet d'identifier les futurs axes de recherche pour l'application de ces références optiques pour le pompage optique dans les horloges atomiques ou comme références de fréquence embarqué (LIDAR spatial).
1 Ces travaux ont été menés au Laboratoire Temps-Fréquence de l'Université de Neuchâtel. Ces travaux ont été soutenus par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) : "Precision double-resonance spectroscopy and metrology with stabilised lasers and atomic vapours : applications for atomic clocks and magnetometers" n°. 156621 (2015-2019)., This thesis concerns the development, study, and optimisation of compact and high-performance frequency references based on rubidium (Rb) vapour cells1. More specially, two Rb vapour-cell frequency references are studied: an optical-frequency reference at 1.5 μm and a double-resonance pulsed optically pumped (POP) atomic clock. The use of vapour cells allows compact frequency references (typically a volume of few litres) and with relative frequency stability (1) for a microwave atomic clock at the level of 1×10-14 at 1 day (equivalent to 1 ns/day) and (2) for the optical reference at the level of 1×10-11at 1 day (equivalent to ~4 kHz/day). Such compact frequency references can be applied in industry, telecommunications, navigation, or as an on-board optical-frequency reference (e.g. LIDAR).
The first part of this thesis evaluates the medium- to long-term frequency stability of high-performance, compact POP atomic clocks. It evaluates the POP atomic clock frequency sensitivity to relevant quantities: laser frequency and intensity fluctuations (light-shift (LS) effects), microwave power (microwave-power shifts), and environmental effects (barometric effects, temperature). The impact of such perturbations are quantified using (1) a sensitivity coefficient, or shift coefficient, defined as the variation of the clock frequency with respect to the perturbing physical parameter (e.g. a power variation σp), ΔVclock/Δp; and (2) the amplitude of fluctuation of the perturbing physical parameter itself at various time scales, σp(Τ). The sensitivity coefficients of the LS effect and the microwave-power shift are minimised, contributing to the clock's long-term frequency instability below 10-14 (relative frequency fluctuation).
A barometric effect is demonstrated in vapour-cell frequency standards. The natural fluctuation of the atmospheric pressure deforms the glass body of the vapour cell, which changes the internal gas pressure. It results in a coupling of the clock frequency with the atmospheric pressure. The phenomenon is characterised experimentally and theoretically, and the contribution of the barometric effect is reduced below 10-14. By minimising the barometric effect, the microwave-power sensitivity, and the LS effect, a POP clock frequency stability of 1×10-14 (relative frequency fluctuation) at 104 seconds of integration time is demonstrated.
More fundamental studies are carried out on the origin of the microwave-power shift in our POP clock prototype. The impact of the field inhomogeneity (light field and microwave fields) on the Ramsey signal and the clock frequency is studied numerically. Based on the simulated microwave-field amplitude distribution in the clock vapour cell, the measured Ramsey signal and its properties (contrast, the full width at half maximum (FWHM)) is reproduced by simulations.
The validation of the additive manufacturing (3D printing) for the fabrication of the complex microwave cavities is demonstrated. The POP clock setup and its possibilities (due to pulsed interrogation) is used to evaluate the homogeneity and the distribution of the microwave field of the 3D-printed microwave cavity. Equivalent microwave-field distribution between the additive manufacturing cavity and the conventional-manufacturing cavity is demonstrated. Short-term frequency stability at the level of the state-of-the-art is presented.
The studies on microwave atomic clocks presented in this thesis constitute important steps towards a better understanding of double-resonance atomic clocks. The identification of the main source of long-term frequency instability and its reduction to below a relative frequency instability of 10-14 allows for our atomic clock prototype to be compared with state-of-the-art, compact, high-performance atomic clock. Moreover, this level of frequency instability allows for new studies on the physical phenomena to which the atomic clock is less sensitive to be conducted. The reported clock frequency stability with the additive manufacturing technology is an important step towards the commercialisation of high-performance double-resonance Rb atomic clocks.
The optical-frequency references studied in this thesis used an Rb vapour cell for the frequency stabilisation of lasers at 780 nm, 1560 nm and 1572 nm. A 1560 nm master laser was frequency stabilised to a Rb optical transition at 780 nm using frequency doubling. An optical-frequency comb generator was used to fill the gap of 12 nm between 1572 nm and the laser at 1560 nm. The laser system was designed to be an on-board frequency reference at 1572 nm for spaceborne CO2 LIDAR systems or optical pumping for Rb cell atomic clocks. The demonstrated frequency stability of the 1572 nm laser at 1572 nm is below 3×10-11 (equivalent to 5.8 kHz at 1572 nm) at all time scales reaching 4×10-12 (equivalent to 760 Hz at 1572 nm) in the long-term at the state-of-the-art level. In addition, the reproducibility and repeatability of the frequency stabilisation scheme of the master laser were evaluated. The degradation of the frequency noise and the relative intensity noise through the non-linear doubling process were also evaluated. The characterisation of the optical-frequency references identifies the basic elements for future evaluations of applications of optical pumping in atomic clocks or satellite LIDAR on-board frequency references.
1 This work was conducted at the Laboratoire Temps-Fréquence at the University of Neuchâtel. This work was supported by the Swiss National Science Foundation (FNS): “Precision double-resonance spectroscopy and metrology with stabilised lasers and atomic vapours: applications for atomic clocks and magnetometers” no. 156621 (2015–2019). - PublicationAccès libreFabrication and characterization of MEMS alkali vapor cells used in chip-scale atomic clocks and other atomic devices(2018)
La partie centrale d’une telle horloge est la cellule micro-fabriquée. Celle-ci consiste en une cavité ayant un accès optique et contenant une vapeur de métal alcalin ainsi qu’un gaz tampon. On notera en outre que leur utilisation n’est pas limitée aux horloges miniatures, mais peut être étendue à d’autres senseurs atomiques tels que les gyroscopes atomiques et les magnétomètres atomiques. La présente thèse de doctorat s’articule autour de deux principaux sujets d’étude concernant les cellules atomiques micro-fabriquées. Premièrement, différents aspects liés aux techniques de microfabrications sont passées en revue et de nouvelles techniques sont étudiées. Dans un second temps, les performances de cellules atomiques fabriquées selon ces techniques sont mesurées afin d’évaluer leur utilisation en micro-horloge ainsi qu’en gyroscope.
La première technologie de micro-fabrication proposée ici est l’application de la thermocompression cuivre-cuivre comme méthode alternative à la soudure anodique pour le scellage hermétique. Cette technique permet de réduire les contaminations internes à la cavité ainsi que d’utiliser des matériaux différents que le silicium et le borosilicate comme constituants de la cellule, allongeant potentiellement leur durée de vie et leur stabilité sur le long-terme. La contamination gazeuse des cellules scellées par thermocompression cuivre-cuivre est en particulier étudiée et une étude préliminaire sur la fabrication de cellules saphir-saphir est présentée.
La deuxième technique de micro-fabrication étudiée est l’application d’un revêtement d’oxyde d’aluminium sur les parois intérieures des cellules. Celle-ci permet de réduire la réaction entre le métal alcalin et les parois des cellules et/ou d’agir comme barrière étanche entre la cavité et le verre et l’extérieur et ainsi d’améliorer leur durée de vie. Cette technologie est en particulier utilisée dans le cas de cellules remplies par décomposition d’azoture de rubidium pour lesquelles la quantité de métal alcalin est limitée. Dans ce cadre, une nouvelle méthode de mesure de la pression partielle d’azote par spectroscopie Raman est présentée et comparée à une mesure similaire réalisée par spectroscopie atomique. Ces résultats sont utilisés dans le cadre d’une étude de durée de vie de cellules remplies par cette méthode et scellées par soudure anodique.
L’utilisation de micropilules rubidium comme source de métal alcalin est ensuite étudiée. Des cellules de ce type sont caractérisées selon plusieurs aspects. En particulier un nouveau mélange de gaz tampon argon-néon développé pour cette méthode de remplissage est examiné et la dépendance de la fréquence atomique à la température et le "point d’inversion" thermique sont étudiés.
La dernière technologie décrite est l’utilisation de micro-disques en or comme point de nucléation du rubidium. En condensant le rubidium hors du chemin optique du laser, ceux-ci permettent d’éviter la migration de gouttelettes de métal alcalin et les instabilités de fréquence d’horloges induites. Des études de stabilité long-terme sont présentées pour mettre en évidence phénomène et prouver l’efficacité de cette technologie.
Finalement, une étude préliminaire sur le temps de relaxation du xénon dans des cellules microfabriquées est présentée en vue de leur utilisation dans des gyroscopes atomiques., Atomic clocks are timekeeping devices that can achieve extreme performance in terms of stability and accuracy. Behind this name, hides a variety of different systems which size and complexity can be considerably different depending on their applications. The primary frequency standards used for the realization of the second and the clocks mounted on the Galileo satellite positioning system are two well-known examples.
In recent years, considerable efforts lead to miniaturization and reduction of the power consumption of such systems, giving rise to the first chip-scale atomic clocks (CSACs). The performance of these devices is potentially superior to high-performance quartz of comparable size. Their manufacturing is made possible by the use of micro-technology-specific manufacturing processes techniques and the use of a purely optical interrogation scheme called coherent population trapping (CPT). At the heart of a CPT clock is the micro-fabricated (MEMS) cell. It consists of a sealed cavity having an optical access and containing an alkali metal vapor as well as a buffer gas. It should however be noted that the use of such MEMS cells is not limited to CSACs but can be extended to other atomic sensors such as atomic gyroscopes and atomic magnetometers.
The present thesis deals with two main subjects of study concerning micro-manufactured atomic cells. First, various aspects related to cells fabrication are reviewed and new micro-fabrication techniques are studied. In a second step, the performances of atomic cells manufactured with these techniques are measured for their use in CSACs and atomic gyroscopes.
The first micro-fabrication technology proposed here is the application of copper-copper thermocompression as an alternative hermetic sealing technology. This method allows to overcome some of the limitation inherent to the established anodic bonding. By limiting the cavity contamination and allowing the bonding of other alternative materials, it potentially allows to lengthen the cell lifetime and improve the long-term clock frequency stability. In particular a preliminary study on the manufacturing of the sapphire-sapphire cells is presented and a study of the residual gas contamination inside the cavity is realized.
The second technique of micro-fabrication presented here is the application of an aluminum oxide coating on the inner walls of the cells. This coating allows to reduce the reaction between the alkali metal and the cell walls and to improve their lifetime which is particularly interesting in the case of cells filled by UV-decomposed rubidium azide for which the amount of alkali metal is limited. In this context, a new method for measuring the partial pressure of nitrogen by Raman spectroscopy is presented and compared with a similar measurement carried out by atomic spectroscopy. The results made with this novel technique are used in a lifetime study of cells filled by rubidium azide decomposition and sealed by anodic bonding.
The use of rubidium micro-pills as an alkali metal source is then studied. Cells filled with this method are characterized with respects to their application in CSACs. In particular, a new argon-neon buffer gas mixture developed for this filling method is assessed and the dependence of the atomic frequency to the temperature and its thermal inversion point are studied.
The latest technology studied here is the use of gold micro-disks as preferential nucleation sites for rubidium. By condensing the rubidium out of the laser light-path, these micro-structures prevent the migration of alkali metal droplets and the induced clock frequency instabilities. Long-term stability studies are therefore presented to highlight this phenomenon and demonstrate the effectiveness of this technology.
Finally, a preliminary characterization of the Xe relaxation time in MEMS cells in presented in view of their use in atomic gyroscopes. - PublicationAccès libreRamsey spectroscopy in a Rubidium vapor cell and realization of an ultra-stable atomic clock(2018)
; Divers domaines d’application dans l’industrie, les télécommunications, la navigation et l’espace exigent des étalons de fréquence fiables, compacts et performants avec un niveau de stabilité de <1×10−14 à 105s (équivalent à <1 ns/jour). Avec la technologie des lasers à semi-conducteurs, la technique du pompage optique par laser a ouvert de nouveaux schémas d’interrogation basés sur la double résonance (DR) laser et micro-ondes comme le pompage optique continu (CW) et le pompage optique pulsé (POP) qui sont utilisé pour faire de nouvelle horloges atomiques à cellules.
Dans cette thèse, nous présentons les performances d’un prototype de laboratoire d’horloge atomique à cellule à vapeur de Rubidium (Rb) fonctionnant avec un schéma Ramsey-DR (basé sur POP). L’horloge utilise une cavité micro-ondes compacte de type magnétron avec un volume de seulement 45 cm3 et un faible facteur de qualité (≈ 150). Le schéma Ramsey-DR utilise deux champs électromagnétiques résonants pour interroger les atomes - le champ optique pour polariser une population d’atomes par pompage optique, et le champ micro-ondes pour interroger la transition hyperfine de l’état fondamental qui est la fréquence atomique de référence. Les impulsions optiques et micro-ondes sont séparées dans le temps dans le schéma Ramsey-DR ; par conséquent, l’effet de biais de fréquence du à la lumière (light shift LS) peut être fortement réduit, ce qui améliore la stabilité de l’horloge. La cavité micro-ondes de type magnétron est conçue, développée et construite en collaboration avec le Laboratoire d’Electro- Magnétique et d’Acoustique (LEMA) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)1. Une cellule de verre nouvellement fabriquée au LTF avec un volume queusot 10 fois plus petit que la version précédente est remplie de 87Rb et de gaz tampon d’Argon et Azote. Un queusot plus petit réduit le coefficient de température queusot d’environ un ordre de grandeur, ce qui a été un facteur limitant pour la stabilité de l’horloge à moyen et long terme.
Les caractérisations et performances détaillées du signal d’horloge (frange centrale du signal Ramsey) sont présentées dans cette étude2. Nous obtenons un signal d’horloge avec un contraste allant jusqu’à environ 35% et une largeur à mi-hauteur d’environ 160 Hz obtenu en optimisant les différents paramètres impliqués dans le schéma Ramsey-DR. Avec notre cavité plus petite, ces réalisations ne sont pas triviales, car les exigences élevées en matière d’homogénéité sur l’ensemble du volume de la cellule sont plus difficiles à satisfaire. Dans cette étude, on obtient une stabilité à court terme (1 s à 100 s) de 2.4×10-13τ−1/2 ce qui est comparable à l’état-de-l’art en utilisant le schéma CW-DR et/ou en utilisant le schéma POP avec une cavité micro-ondes TE011 plus grande avec un facteur de qualité plus élevé. Le biais de fréquence dû à la lumière (light shift) est quantifié dans notre horloge atomique Ramsey-DR Rb. De plus, nous présentons un modèle préliminaire basé sur le modèle du light-shift en mode continue (CW-DR-LS) et estimons l’impact de l’intensité de la lumière (intensity light shift) dans le schéma Ramsey-DR. De plus, une nouvelle expression analytique est développée pour prédire la stabilité à court terme de l’horloge en considérant la durée de détection optique dans le schéma Ramsey-DR. A partir de cette formule, nous estimons également le meilleur temps Ramsey pour optimiser la stabilité à court terme de l’horloge.
Cette thèse contient en outre une étude plus fondamentale sur les temps de relaxation de la population et de la cohérence (T1 et T2, respectivement) de la "transition d’horloge" 87Rb. Cette étude a été réalisée en collaboration avec l’Institut de physique de Belgrade (Université de Belgrade)3. Les temps de relaxation sont une donnée importante de notre horloge atomique Rb, car ils limitent le "temps de Ramsey" utilisable dans le schéma Ramsey-DR. Une méthode expérimentale de Echo de Spin Optiquement Détecté (Optically-Detected Spin-Echo ODSE), inspirée de l’écho de spin classique de la résonance magnétique nucléaire, est développée pour mesurer les temps de relaxation du rubidium 87 dans notre cellule. La méthode ODSE permet d’accéder au T2 intrinsèque (spécifique pour la transition d’horloge) en supprimant la décohérence résultant de l’inhomogénéité du champ C à travers la cellule. Le T2 mesuré avec la méthode ODSE est en accord avec la prédiction théorique.
Ce travail a été réalisé au Laboratoire Temps-Fréquence de l’Université de Neuchâtel, en collaboration avec l’EPFL-LEMA pour la cavité micro-ondes de type magnétron, l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) pour l’oscillateur local (LO) et l’Institut de physique de l’Université de Belgrade pour les mesures des temps de relaxation.
1 Dans le cadre des projects du Fonds National Suisse (FNS):"Microwave Cavities for High Performance Double Resonance Atomic Clocks and Sensors" no. 140712 (2012-2015) et "Study of microwave cavities for high performance pulse pumped double resonance atomic clocks" no. 162346 (2015-2018).
2 Dans le cadre du projet MClocks: "Compact and High-Performing Microwave Clocks for Industrial Applications", EMRP (European Metrology Research Programme, Programme of Euramet) project IND55-Mclocks (2013-2016). Le EMRP est conjointement financé les pays participant au EMRP qui dépend de EURAMET de l’union européen.
3 Dans le cadre du project FNS (SCOPES): "Ramsey spectroscopy in Rb vapor cells and application to atomic clocks" no. 152511 (2014-2018)., Various application fields in industry, telecommunication, navigation and space demand reliable, compact, high-performance frequency standards with a stability level of <1×10−14 at 105s (equivalent to <1ns/day). Thanks to semiconductor technology, optical pumping technique with a laser has opened up new schemes based on laser-microwave double-resonance (DR), such as continuous-wave (CW) and pulsed optical pumping (POP) to operate vapor cell atomic clocks.
In this thesis, we demonstrate the performances of a vapor cell Rubidium (Rb) atomic clock operating in a Ramsey-DR (based on POP) scheme in an ambient laboratory using a compact magnetron-type microwave cavity with a volume of only 45 cm3 and a low quality factor of ≈ 150. The Ramsey-DR scheme involves two resonant electromagnetic fields to interrogate the atoms - the optical field to polarize a population of atoms by optical pumping, and the microwave field to drive the ground-state hyperfine clock transition that serves as an atomic frequency reference. The applied optical and microwave pulses are separated in time in the Ramsey-DR scheme; therefore, the light shift (LS) effects can be strongly reduced which results in improving the clock stability. The magnetron-type microwave cavity is designed, developed and built in collaboration with Laboratory of Electro Magnetics and Acoustics (LEMA) at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)1. A newly homemade vapor cell with a 10 times smaller stem volume compared to the previous contains 87Rb and buffer gases of Argon and Nitrogen. The smaller stem results in reducing the stem temperature coefficient by about one order of magnitude, which has been a limiting factor for the medium- to long-term scales clock stability.
Detailed characterizations and performances of the clock signal (Ramsey central fringe) are presented in this study2. We obtain a clock signal with a contrast up to approximately 35% and a linewidth of approximately 160 Hz by optimizing the various parameters involved in the Ramsey-DR scheme. In our smaller cavity, these achievements are not trivial, because of the high requirements on field homogeneity over the entire cell volume are more challenging to meet. In this work, a short-term stability (1 s to 100 s) of 2.4×10-13τ−1/2 is achieved which is comparable to the state-of-the-art results using the CW-DR scheme and/or using the POP scheme with a larger TE011 microwave cavity with a higher quality factor. The LS effect is quantified in our Ramsey-DR Rb atomic clock. In addition, we present a preliminary model based on the CW-DR LS theory and estimate the intensity LS coefficient in the Ramsey-DR scheme. Moreover, a new analytical expression is developed to predict the clock’s short-term stability by considering the optical detection duration in the Ramsey-DR scheme. From this formula, we also estimate the best Ramsey time to improve the short-term stability of the clock.
This thesis, in addition, contains a more fundamental investigation on the measurements of the population and coherence relaxation times (T1 and T2, respectively) of the 87Rb "clock transition". This study has been performed in collaboration with the Institute of Physics Belgrade (University of Belgrade)3. These relaxation times are relevant for our Rb atomic clock, since they limit the usable "Ramsey time" in the Ramsey-DR scheme. An experimental method of Optically-Detected Spin-Echo (ODSE), inspired by classical nuclear magnetic resonance spin-echo, is developed to measure the ground-state relaxation times of 87Rb atoms held in our buffer gas vapor cell. The ODSE method enables accessing the intrinsic (T2 (specific for the clock transition) by suppressing the decoherence arising from the inhomogeneity of the C-field across the vapor cell. The measured T2 with the ODSE method is in good agreement with the theoretical prediction.
This work has been done at the Laboratoire Temps-Fréquence of University of Neuchâtel, in col- laboration with the EPFL-LEMA for the magnetron-type microwave cavity, Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) that provided the Local Oscillator (LO) and Physics Institute of Belgrade University for relaxation times measurements.
1 Within the projects Fonds National Suisse (FNS):"Microwave Cavities for High Performance Double Resonance Atomic Clocks and Sensors" no. 140712 (2012-2015) and "Study of microwave cavities for high performance pulse pumped double resonance atomic clocks" no. 162346 (2015-2018).
2 Within the MClocks project: "Compact and High-Performing Microwave Clocks for Industrial Applications", EMRP (European Metrology Research Programme, Programme of Euramet) project IND55-Mclocks (2013-2016). The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union.
3 Within the project FNS (SCOPES): "Ramsey spectroscopy in Rb vapor cells and application to atomic clocks" no. 152511 (2014-2018). - PublicationAccès libreDouble-resonance studies on compact, high-performance rubidium cell frequency standardsThis thesis presents experimental studies on continuous-wave (CW) laser-microwave double-resonance (DR) spectroscopy and metrology in rubidium (87Rb) vapor cells in view of new high-performance, compact Rb-cell atomic clocks. The Rb vapor cell is confined inside a magnetron-type cavity microwave resonator (MWR). The CW DR spectroscopy involves two resonant electromagnetic fields that are operated simultaneously to interrogate the atoms - the optical field to polarize the atoms by optical pumping, and the microwave field to drive the ground-state hyperfine clock transition that serves as an atomic frequency reference. Details on characterization of compact laser heads and microwave synthesizers used in this work are presented. The vapor cell standards are useful in our everyday lives for applications ranging from telecommunications, navigation, metrology etc.
In view of improving the performances of the Rb cell standards, two different clock approaches were studied in detail:
The first one is on use of vapor cells (1.4 cm3) whose inner walls are coated with anti-relaxation material. A first ever wall-coated cell clock was demonstrated with good short-term frequency stability. The medium- to long-term stability was found to be limited by the temperature coefficient (TC) of the coating material itself. This work gave the insight to important features to be considered in future anti-relaxation coating materials for atomic standards.
The second novel approach involves using a bigger cell (12 cm3) within a newly developed, improved MWR towards a high-performance atomic standard. Adopting a larger cell gives a higher atomic Q-factor signal that improves the short-term clock stability. In this approach, the cell was filled with 87Rb and buffer gases. With this clock, we demonstrate the state-of-the-art short-term stability of <1.4×10−13 τ−1/2. Metrological quantitative measurements on parameters influencing the medium- to long-term stability were studied in view of next generation satellite navigation systems that demand a stability level of <1×10−14 at 10 4 s (equivalent to <1 ns/day). The potential of short-term stability and understanding of the limiting factors on medium- to long-term time scales demonstrated in this study pave the way for future work towards the commercialization of high-performance Rb atomic clocks for a variety of applications. - PublicationAccès libreLight-shift and temperature-shift studies in atomic clocks based on coherent population trapping(2013)
; Les horloges atomiques à cellules exploitent une transition de l’état fondamental d’un atome alcalin afin d’obtenir une référence de fréquence stable. La cellule contenant ces atomes est au le cœur de ce type d’horloges. Une horloge atomique à cellule peut être réalisée selon deux principes différents: La Double Résonnance (DR) et le Piégeage Cohérent des Populations (CPT). Dans le cas de la DR, les atomes sont pompés optiquement dans l’état désiré, puis interrogés par un champ micro-onde résonnant avec la transition dite “horloge”. Dans le cas de la CPT, les deux états fondamentaux de l’atome alcalin sont couplés à un état excité commun en utilisant deux champs électromagnétiques cohérents (ici, la fréquence de transition micro-onde est appliquée à travers la différence de fréquence entre les deux champs électromagnétiques cohérents). Les atomes sont ainsi «piégés» dans une superposition cohérente des deux états fondamentaux, appelée «état noir». La fréquence d’une horloge atomique à cellule est sensibile aux variations de divers paramètres, tels que: les propriétés de la lumière utilisée pour l’excitation (à travers l’effet du «déplacement radiatif»), de la pression du gaz tampon dans la cellule, de la température de la cellule, etc. Il est donc très important de stabiliser tous ces paramètres et de trouver une configuration qui minimise la sensibilité de l’horloge aux variations de ces paramètres.
Cette thèse décrit l’étude de deux horloges atomiques de laboratoire, basées sur la DR et la CPT, utilisant des cellules de tailles et contenus différents. L’impact de la source lumineuse y est également étudié. La partie principale de cette thèse se concentre sur l’étude du déplacement radiatif et du décalage en température (temperature-shift) des deux types d’horloges atomiques. Ces études incluent un développement théorique ainsi que des mesures expérimentales de ces phénomènes, montrant une bonne correspondance entre eux. Deux nouvelles approches de suppression de ces taux de variation de fréquence sont proposées pour les horloges CPT. Le premiére est la suppression du déplacement radiatif en fonction de la température de la cellule. La seconde est la suppression du taux de variation de fréquence en température. La suppression du taux variation de fréquence en température est obtenue à une température coïncidant avec la température de la cellule à laquelle le déplacement radiatif d’intensité est supprimé. De plus, cette température se trouve est dans une gamme favorable à l’opération de l’horloge. La stabilité en fréquence des horloges DR et CPT est mesurée avec deux types de cellules: des cellules avec gaz tampon et des cellules avec revêtement. La première mesure à long-terme de stabilité en fréquence avec une cellule à revêtement est présentée dans cette thèse. Les résultats obtenus permettront la réalisation de nouvelles horloges atomiques miniatures basées sur le principe CPT, ayant des stabilités en fréquence de l’ordre de 10-11 à 10 000s, ce qui permettra de produire une nouvelle génération d’instruments portables pour le positionnement, la navigation, la synchronization des réseaux de distribution d’energie (smart-grids) ou encore les télécommunications. De plus, les résultats discutés dans cette thèse ont ètè utilisés dans l’élaboration de la première horloge atomique miniature Européenne., Vapor-cell atomic clocks exploit the ground-state microwave transition in an alkali atom to provide a stable frequency reference. At the heart of a conventional vapor-cell atomic clock is a cell containing the alkali atoms. A vapor-cell atomic clock can be realized using two different basic principles: Double Resonance (DR) and Coherent Population Trapping (CPT). In DR, the alkali atoms are optically pumped in order to be placed in the desired states, and the microwave resonances are excited by a microwave field resonant with the clock transition. In the CPT principle, the two ground-state atomic levels of the alkali atom are coupled to a common excited state, using two coherent electromagnetic fields (here, the microwave transition frequency is present in the frequency difference of the two coherent electromagnetic fields). The atoms are trapped in a coherent superposition of the ground states, called a dark state. The frequency of the vapor-cell atomic clocks can shift due to various residual variations such as: the properties of the light field (through the light-shift effect), the buffer gas pressure in the resonance cell, the temperature of the clock cell, and others. It is therefore critical to carefully stabilize all these parameters and to find a clock operational scheme that minimizes the sensitivity of the clock frequency towards them.
This thesis presents the studies on two laboratory atomic clocks: based on DR and CPT, using different vapor-cell content and size and different laser wavelengths. The main part of this thesis is focused on the study of the light-shift and temperature-shift phenomena in DR and CPT atomic clocks. These studies include theoretical developments and experimental measurements of these phenomena, showing a good agreement between them. Two novel approaches for the CPT vapor-cell atomic clock frequency shift suppression are proposed. The first is on the light-shift suppression as function of the miniature vapor-cell temperature. The second is on the temperature-shift suppression in the miniature single buffer gas vapor-cell. This temperature-shift suppression is obtained for the temperature that coincides with the cell temperature for suppressed intensity light-shift and it is also in the range of suitable temperatures for clock operation. DR and CPT clocks frequency stabilities are measured using both: buffer gas and wall-coated cell. A first ever wall-coated clock long-term frequency stability measurement is shown here. These results potentially provide possibilities for a number of applications like realization of novel CPT miniature atomic clocks with frequency stability of ~10-11 at 10 000s, which will enable a new generation of portable instruments for positioning, navigation, smart-grid synchronization and telecommunication applications. Also, the results discussed in this thesis are used in devising the first European integrated miniature atomic clock. - PublicationAccès libreÉvaluation métrologique de l'étalon primaire de fréquence à atomes froids de césium FOCS-2(2012)
; ; Ce travail de recherche s'inscrit dans la continuité des études, menées depuis 20 ans à l'Observatoire Cantonal de Neuchâtel, pour réaliser un étalon primaire de fréquence fonctionnant avec un jet continu d'atomes froids et lents. Ces développements théoriques et expérimentaux ont conduit à la construction de deux horloges à fontaine continue FOCS-1 et FOCS-2. Ce document expose les dernières améliorations et les premières mesures d'évaluation du second étalon primaire de fréquence effectuées ces trois dernières années au Laboratoire Temps-Fréquence de l'Université de Neuchâtel.
Dans la première partie, nous présentons le développement et l'implémentation d'une nouvelle méthode de préparation d'état utilisée pour améliorer la stabilité de fréquence à court terme de l'étalon. Nous avons montré qu'en utilisant un schéma de pompage optique à deux lasers, il est possible de combiner simultanément préparation d'état et refroidissement Sisyphe. Grâce à cette technique, nous avons réussi à préparer 60% des atomes dans le niveau - PublicationMétadonnées seulementHigh-resolution spectroscopic studies in glass-blown and micro-fabricated cells for miniature rubidium atomic clocksLes cellules à vapeur d’atomes alcalin et gaz tampon sont au cœur de presque toutes les horloges atomiques commerciales compactes ou miniatures. Elles contiennent une vapeur d’atomes alcalin dont une des fréquences de transition atomique sert de référence stable à l’oscillateur de l’horloge. Ce travail de recherche porte sur l’étude des phénomènes physiques se déroulant dans ces cellules et plus particulièrement des effets de miniaturisation sur la vapeur d’atomes, en vue de la réalisation d’une horloge miniature.
Plus de 150 cellules en verre soufflé ont été produites et caractérisées, et plus de 30 cellules micro fabriquées ont été évaluées. Leurs méthodes de fabrications, ainsi que les évaluations spectroscopiques de certains types seulement, orientées vers la miniaturisation, sont présentées. Ces techniques d’évaluation, développées au cours de cette thèse, ont permis d’évaluer des processus innovants de (micro-) fabrication développés à Neuchâtel pour des cellules de référence d’horloges atomiques compactes ou miniatures. Notamment, la caractérisation par spectroscopie du taux de mélange de gaz tampon avec une résolution de ±1% ainsi que la détection de fuites aussi petites que 1.5 x 10-13 mbar l/s ont permis de valider deux processus de micro-fabrication de cellule : le "classique" anodic-bonding ainsi qu’une technique innovante de scellage à basse température par thermocompression d’indium.
L’utilisation de certains revêtements anti relaxants permet de s’astreindre du gaz tampon pour la préservation du spin des atomes; quatre types différents ont été testés: Parylene N et C, tetracontane et Octadecyl-Trichloro-Silane (OTS). Alors que les parylenes N et C s’avèrent inadéquats en tant que revêtements anti-relaxants, d’excellentes propriétés anti-relaxantes sont obtenues pour le tetracontane, validant ainsi la méthode ainsi que le système de production développé au LTF pour des cellules en verre soufflé. La fabrication au sein du LTF a permis l’observation du phénomène dit de ripening d’une cellule revêtue de tetracontane par spectroscopie double résonance, dont on présente les résultats. Une explication physique est également donnée. L’expérience acquise avec les cellules en verre soufflé a permis la validation spectroscopique par double résonance d’une cellule micro-fabriquée avec revêtement OTS. Les résultats sont présentés et les propriétés antirelaxantes du revêtement sont démontrées pour un volume de vapeur de rubidium de 4.2 mm3.
Finalement, une évaluation spectroscopique et métrologique d’un assemblage "résonateur micro-onde-cellule" novateur et micro fabriqué d’un volume inférieur à 0.9 cm3 est présentée. Le volume de la vapeur de rubidium et de gaz tampon est de l’ordre de 50 mm3 seulement. Les déplacements de fréquence systématiques limitant les performances métrologiques sont caractérisés, avec une attention particulière pour le déplacement radiatif. Une analyse détaillée, théorique et expérimentale, de ce dernier, dans les lignes D1 et D2 et pour chaque variante de pompage optique est donnée. Le déplacement de fréquence lié aux variations de puissance micro-onde et le déplacement radiatif en fréquence s’avèrent être les principaux facteurs limitant la stabilité à moyen-long terme à un niveau de quelques 10-12. On démontre également des performances d’instabilité d’horloge relative meilleure que 10-11 pour des temps d’intégration de 1-105 s. Une variante d’interrogation supprimant totalement le déplacement radiatif est proposée. Cette dernière permet d’envisager une horloge rubidium extrêmement compact avec des performances hautement compétitives., Buffer-gas alkali vapour cells form the heart of essentially all types of commercial compact or miniaturized atomic clocks. They reliably hold and confine a vapour of alkali atoms, which provides the atomic transition frequency serving as stable reference for the clock oscillator. The desire to bring atomic clock stability to portable applications such as telecommunication and navigation increased the need for more compactness and lower power consumption. This motivated the present thesis work on the cells miniaturization and the novel clocks that could be realized with such cells.
More than 150 glass blown cells were produced and tested and more than 30 microfabricated cells evaluated. We present the fabrication process for each type of them. We restrict ourselves to the spectroscopic analysis of certain cell types only, which are more oriented towards the miniaturization of an atomic clock. These evaluation techniques, developed in the frame of this thesis, allowed to tests the innovative (micro-) cells fabrication processes elaborated at the LTF and SAMLAB in Neuchâtel. In particular, the buffer gas mixture characterization with a resolution of ±1%, and the leak rate detection with a limit of 1.5 x 10-13 mbar l/s were achieved. This allowed the validation of two distinct sealing processes: the “classic” anodic bonding, and an innovative low temperature sealing technique using thermocompression of indium.
As an alternative to the buffer gas, the use of certain types of wall coating also allows the atomic polarization preservation. Four different types have been used: Parylen C and N, Tetracontane and OTS. While the Parylene appears to be inadequate for use with rubidium atoms, excellent antirelaxing properties are obtained with tetracontane and OTS. The successful in-house fabrication of wall coated cells allowed the observation of the ripening process by double resonance spectroscopy. The results are presented and an interpretation is given. A microfabricated OTS wall coated cell was produced at Neuchâtel too, by R. Straessle at SAMLAB. We present its spectroscopic analysis and demonstrate truly antirelaxing properties of the coating in a 4.2 mm3 vapour volume.
Finally, a spectroscopic and metrologic study of an innovative "cell-microwave resonator" assembly is presented. Both the cell and the resonator are microfabricated. The cell vapour volume is of the order of 50 mm3 only. Systematic shifts limiting the metrologic performances are characterized, with a focus on the light shift. A detailed, theoretical and analytical, analysis is presented in both, the D1 and D2, lines and for various optical pumping schemes. Frequency light shift is found to be one of the main stability limiting factor in the medium to long term regime. The limit is at a level of few 10-12. We demonstrate fractional frequency stability < 10-11 from 1 s up to one day of integration time with a resonator physics package volume of less than 0.9 cm3. An alternative interrogation scheme, suppressing completely the light shift, is discussed to improve the medium to long term performances. This scheme would allow the fabrication of an atomic clock extremely compact with highly competitive stability performances.