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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 libreLight Shift Compensation for the Rubidium Two-Photon Clock: Studies using a 1556.2 nm Wavelength Mitigation LaserLes horloges atomiques sont essentielles pour plusieurs applicationsmodernes en science et en technologie. En asservissant la fréquence d’un oscillateur local sur une transition électronique, les horloges atomiques passives atteignent des niveaux exceptionnels de stabilité et d’exactitude de fréquence. Ces dernières décennies, l’intérêt scientifique pour les transitions électroniques optiques augmenta considérablement grâce à l’invention du peigne de fréquences optiques. Les horloges atomiques optiques possèdent un avantage face aux horloges micro-ondes traditionnelles grâce à leur utilisation de transitions à facteurs de qualité plus élevés, ce qui mène à une amélioration de la stabilité de fréquence dans le court terme. L’horloge de rubidium à deux photons est une horloge atomique optique passive qui combine le facteur de qualité élevé d’une transition optique avec la simplicité de la technologie des cellules à vapeurs chaudes. Ceci la rend une technologie prometteuse pour des horloges et des étalons de fréquence compacts etminiatures. La combinaison d’une petite cellule à vapeur avec une transition optique est possible grâce à la spectroscopie à deux photons sans effet Doppler d’un composant spectral hyperfin en utilisant un faisceau laser dans l’infrarouge proche qui a une longueur d’onde de 778.1 nm. Néanmoins, l’effet Stark dynamique (ou décalage Stark) limite souvent la stabilité de fréquence dans le long terme. Il reproduit des fluctuations et des dérives de l’intensité du laser sur la résonance atomique et donc sur la fréquence d’horloge. Cette thèse traite d’un schéma de compensation pour le décalage Stark qui est basé sur un faisceau laser de mitigation ayant une longueur d’onde de 1556.2 nm. Le faisceau de mitigation décale la fréquence de résonance atomique dans le sens opposé à celui du faisceau d’interrogation. En ajustant le ratio d’intensité des deux faisceaux et en les combinant afin d’adresser conjointement la même population atomique dans la cellule à vapeur, la magnitude du décalage Stark total qui en résulte peut être contrôlée. Le schéma de compensation est implémenté et évalué en vue de la stabilité et de l’exactitude de fréquence. Un étalon de fréquence optique est conçu, construit et testé. En comparaison avec un étalon conventionnel à deux photons, il est doté du faisceau laser supplémentaire dit de mitigation dont la puissance optique peut être contrôlée de manière indépendante de celle du faisceau d’interrogation. L’instabilité de fréquence à un temps d’intégration de 1 seconde est mesurée à quelques parts en 1013 et se moyenne à quelques parts en 1015 pour des temps d’intégration plus longs. Avec le laser de mitigation supplémentaire, une amélioration de l’exactitude de fréquence est démontrée. La dépendance de la fréquence d’horloge à l’intensité du laser d’interrogation devient négligeable. Une mesure de retrace confirme la répétabilité de la mitigation du décalage Stark. En outre, le potentiel pour une amélioration en stabilité de fréquence est évaluée. Avec ce schéma de mitigation, la sensibilité de la fréquence d’horloge aux dérives de tension de référence est réduite de plus d’un ordre de grandeur. Finalement, une perspective est donnée sur des directions de recherche à considérer à l’avenir. La caractérisation de cet étalon de fréquence optique nécessite un lien optique fibré. La pertinence des mesures doit être vérifiée car une fréquence optique transmise par fibre acquiert du bruit acoustique et thermique. De telles perturbations peuvent être détectées et compensées grâce au schéma dit compensation de Doppler. A part de la manipulation sur la mitigation du décalage Stark, cette thèse discute d’un point de vue théorique et experimental une extension du schéma de compensation de Doppler qui permet de transmettre simultanément deux fréquences optiques. Dans ce but, un signal primaire ainsi qu’un signal secondaire sont regroupés dans la même fibre. Le schéma de compensation de Doppler est implémenté pour le signal primaire. Il est démontré que le transfert du signal secondaire profite d’une stabilisation indirecte. A un temps d’intégration de 1000 secondes, la stabilité du transfert du signal secondaire est amélioré de 16 dB en utilisant le multiplexage par polarisation. Finalement, des limites pratiques de la méthode sont discutées etmises en contexte. ABSTRACT Atomic clocks are essential for many modern applications in science and technology. By referencing the frequency of a local oscillator to an atomic electron transition, passive atomic clocks achieve outstanding levels of frequency stability and accuracy. In the last decades, the scientific interest in electron transitions in the optical frequency spectrum has grown considerably due to the invention of the optical frequency comb. Optical atomic clocks have an advantage over their traditional microwave frequency counterparts by making use of transitions with higher resonance quality factors, leading to improved short-termfrequency stability. The rubidium two-photon clock is a passive optical atomic clock that combines the high quality factor of an optical transition with the simplicity of hot atomic vapor cell technology. Thismakes it a promising technology for compact and miniature clocks and optical frequency standards. The combination of a small atomic vapor cell with an optical transition is possible through Doppler-free two-photon absorption spectroscopy of a hyperfine spectral component using a near-infrared interrogation laser beam at 778.1 nmwavelength. However, the AC Stark shift (or light shift) often limits the long-term frequency stability. It maps fluctuations and drifts in laser intensity onto the atomic resonance and thus the clock frequency. This thesis explores a light shift compensation scheme based on a mitigation laser beam at 1556.2 nm wavelength. The mitigation beam shifts the atomic resonance frequency in the opposite direction as the interrogation beam. Adjusting the intensity ratio of the two beams and combining them to jointly address the same atomic population in the vapor cell allows to control the magnitude of the resulting total AC Stark shift. The compensation scheme is implemented and evaluated regarding frequency stability and accuracy. An optical frequency standard is designed, built and tested. In comparison to a conventional two-photon standard, it features the additional 1556.2 nm wavelength light shift mitigation beam whose power can be controlled independently of the one of the interrogation laser. Frequency instability at 1 second integration time is measured to a few parts in 1013 and averages down to a few parts in 1015 at longer integration times. With the added mitigation laser, an improvement in frequency accuracy is demonstrated. The dependence of the clock frequency on the interrogation laser intensity becomes negligible. A retrace measurement confirms the repeatability of the light shiftmitigation. Moreover, the potential for an improvement in frequency stability is assessed. With the mitigation scheme, the clock frequency sensitivity to reference voltage drifts is reduced by over an order ofmagnitude. Finally, an outlook on possible future research directions is given. The characterization of this optical frequency standard requires an optical fiber link. The validity of the measurements must be verified since an optical frequency that is transferred via fiber acquires acoustic and thermal noise. Such perturbations can be detected and compensated with the so-called Doppler cancellation scheme. In addition to the light shift mitigation setup, this thesis theoretically and experimentally discusses an extension of the Doppler cancellation scheme allowing to transmit two independent optical frequencies simultaneously. For this purpose, a primary and a secondary optical signal aremultiplexed into the same optical fiber. The Doppler cancellation scheme is implemented for the primary signal. The transfer of the secondary signal is demonstrated to benefit from indirect stabilization. At 1000 seconds integration time, the stability of the optical frequency transfer of the secondary signal is improved by 16 dB using polarization multiplexing. Finally, practical limitations of the method are discussed and it is put in a broader context.
- 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. - PublicationMétadonnées seulementHigh performance vapour-cell frequency standards(: Journal of Physics: Conference Series 723, 2015-10-27)
; ; ; ; ; ; We report our investigations on a compact high-performance rubidium (Rb) vapour-cell clock based on microwave-optical double-resonance (DR). These studies are done in both DR continuous-wave (CW) and Ramsey schemes using the same Physics Package (PP), with the same Rb vapour cell and a magnetron-type cavity with only 45 cm3 external volume. In the CW-DR scheme, we demonstrate a DR signal with a contrast of 26% and a linewidth of 334 Hz; in Ramsey-DR mode Ramsey signals with higher contrast up to 35% and a linewidth of 160 Hz have been demonstrated. Short-term stabilities of 1.4×10^-13 τ^-1/2 and 2.4×10^-13 τ^-1/2 are measured for CW-DR and Ramsey-DR schemes, respectively. In the Ramsey-DR operation, thanks to the separation of light and microwave interactions in time, the light-shift effect has been suppressed which allows improving the long-term clock stability as compared to CW-DR operation. Implementations in miniature atomic clocks are considered. - PublicationAccès libreEvaluation of the frequency stability of a VCSEL locked to a micro-fabricated Rubidium vapour cell(2010)
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