Mileti, Gaetano

2019, Moreno, William, Mileti, Gaetano

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 σ_p), ΔV_clock/Δp; et (2) l'amplitude des fluctuations du paramètre physique perturbateur lui-même évalué à différentes échelles de temps, σ_pΤ). 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 σ_p), ΔV_clock/Δp; and (2) the amplitude of fluctuation of the perturbing physical parameter itself at various time scales, σ_p(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).

, Pellaton, Matthieu, Mileti, Gaetano

Les 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.

2018, Gharavipour, Mohammadreza, Mileti, Gaetano

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).

2012, Devenoges, Laurent, Mileti, Gaetano, Thomann, Pierre

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