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Blum, Roman

Nom
Blum, Roman
Affiliation principale
Fonction
Doctorant.e
Identifiants
https://libra.unine.ch/handle/123456789/35036
_
0009-0002-7853-6297

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    Light Shift Compensation for the Rubidium Two-Photon Clock: Studies using a 1556.2 nm Wavelength Mitigation Laser
    (Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2025)
    Blum, Roman 
    ;
    Mileti, Gaetano 
    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 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.