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Light Shift Compensation for the Rubidium Two-Photon Clock: Studies using a 1556.2 nm Wavelength Mitigation Laser
Auteur(s)
Editeur(s)
Maison d'édition
Neuchâtel : Université de Neuchâtel
Date de parution
2025
Nombre de page
145
Mots-clés
- Atomic Clock
- Optical Frequency Standard
- Rubidium
- Two-Photon Absorption Spectroscopy
- AC Stark Effect
- Light Shift
- Light ShiftMitigation
- Optical Frequency Transfer
- Optical Fiber Link
- Horloge Atomique
- Etalon de Fréquence Optique
- Spectroscopie d’Absorption à Deux Photons
- Effet Stark Dynamique
- Décalage Stark
- Modération du Décalage Stark
- Transfert de Fréquence Optique
- Lien Optique Fibré
Atomic Clock
Optical Frequency Sta...
Rubidium
Two-Photon Absorption...
AC Stark Effect
Light Shift
Light ShiftMitigation...
Optical Frequency Tra...
Optical Fiber Link
Horloge Atomique
Etalon de Fréquence O...
Spectroscopie d’Absor...
Effet Stark Dynamique...
Décalage Stark
Modération du Décalag...
Transfert de Fréquenc...
Lien Optique Fibré
Résumé
Les 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 10<sup>13</sup> et se moyenne à quelques parts en 10<sup>15</sup>
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 10<sup>13</sup> and
averages down to a few parts in 10<sup>15</sup> 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.
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 10<sup>13</sup> et se moyenne à quelques parts en 10<sup>15</sup>
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 10<sup>13</sup> and
averages down to a few parts in 10<sup>15</sup> 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.
Notes
Composition du jury:
Prof. Gaetano Mileti, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
Prof. Thomas Südmeyer, Université de Neuchâtel, Suisse
Dr Sylvain Karlen, CSEM, Neuchâtel, Suisse
Dr PierreWaller, ESA/ESTEC, Noordwijk, Pays-Bas
Dr John Kitching, NIST, Boulder CO, USA
Soutenue le 14 mars 2025
No de thèse : 3182
Prof. Gaetano Mileti, directeur de thèse, Université de Neuchâtel, Suisse
Prof. Thomas Südmeyer, Université de Neuchâtel, Suisse
Dr Sylvain Karlen, CSEM, Neuchâtel, Suisse
Dr PierreWaller, ESA/ESTEC, Noordwijk, Pays-Bas
Dr John Kitching, NIST, Boulder CO, USA
Soutenue le 14 mars 2025
No de thèse : 3182
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Type de publication
doctoral thesis
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