1

Première observation de la transition Première observation de la transition fortement interdite fortement interdite 11SS00--33PP00 du du

strontium, pour une horloge optique strontium, pour une horloge optique à atomes piégésà atomes piégés

Laboratoire des systèmes de référence temps-espace

du bureau national de métrologie (BNM - SYRTE)

BNM-SYRTESystèmes de Référence Temps-Espace

BNM-SYRTESystèmes de Référence Temps-Espace

2

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

I. Introduction et motivations

II. La source d’atomes froids de strontium Source laser à 461nm Ralentisseur Zeeman Piège magnéto-optique

III. Détection de la transition d’horloge Détermination indirecte de fréquence Excitation directe et mesure de fréquence

IV. Perspectives

3

Etat de l’art : les fontaines atomiquesEtat de l’art : les fontaines atomiques

0 : fréquence micro-onde • 133Cs : 9.192 631 770 GHz• 87Rb : 6.834 682 610… GHz

déplacements de fréquence

Incertitude sur => exactitude de fréquence : 7 x 10-16

y(t) : fluctuations temporelles

=> stabilité de fréquenceÉcart type d’Allan de y(t) :

y() = 1.5 x 10-14 -

1/2

Paramètres étroitement reliésasservissement

(t) = 0 ( 1+ + y(t) )

Marion et al. PRL 82, 150801 (2003)

4

Du domaine micro-onde Du domaine micro-onde au domaine optique…au domaine optique…

Stabilité des fontaines atomiques limitée par le bruit de

projection quantique :

• ~1Hz, limitée par la gravité

• Nat~106, ne peut pas être augmenté considérablement (technique de refroidissement, déplacement collisionnel…)

τ

T

Nπτσ c

at

y

11

0

=> Augmenter 0 : transitions optiques offrent un gain potentiel de 5 ordres de grandeur sur la stabilité• Horloges à ion : Hg+, Yb+, In+, Sr+, Ca+ …• Horloges à atomes neutres : Ca, Mg, Sr, Ag, Yb …

Stabilité des horloges optiques limitée par le bruit du laser d’interrogation par effet Dick

5

Etat de l’art des horloges optiquesEtat de l’art des horloges optiques

Stabilité : Ca : 4 x 10-15 -1/2, Hg+ : 5 x 10-15 -1/2 (NIST)

Oates et al. Opt. Lett. 25, 1603 (2000)

Bize et al. PRL 82, 150802 (2003) Exactitude : ~1x10-14 : Ca (PTB, NIST), Hg+ (NIST)

Stenger et al. Opt. Lett. 26, 1589 (2001)Wilpers et al. PRL 89, 230801 (2002)

Comparaison Yb+/Yb+ : en accord à 2 x 10-15 (PTB)

Peik et al. EFTF-FCS 2003

6

Chaînes de fréquence basées sur un Chaînes de fréquence basées sur un laser femtosecondelaser femtoseconde

Effectuer simplement des comparaisons de fréquence optique/optique et micro-onde/optique

Quelques exemples du niveau de performance actuel :• Transfert de stabilité optique => micro-onde : 2x10-14 à 1s

T. M. Ramond et al, Proc. of the IEEE IFCS, 2003

• Comparaison Ca/Hg+ : 7x10-15 -1/2 Diddams et al. Science 293, 825, 2001

• (Nd:YAG) / [2x(Nd:YAG)] mesuré avec une incertitude de 7x10-19

J. Stenger et al, PRL, 88, 073601, 2002

7

Les horloges optiquesLes horloges optiques

ion piégé atomes neutres en chute libre

Exactitude

régime de Lamb-Dicke : contrôle des degrés de liberté externes

mouvement résiduel des atomes

Stabilité

1 ion, S/B = 1

plus contraignant pour la stabilité du laser d’interrogation

~ 106 atomes

minimiser l’effet Dick en adaptant la séquence temporelle

τ

T

NQπτσ c

atat

y

11Bruit de projection quantique :

Une horloge optique à atomes piégés…? + :

8

Interroger les atomes de Interroger les atomes de 8787Sr Sr dans un piège dipolairedans un piège dipolaire

p= 813.5nm : 1S0 – 3P0 pas perturbée par les faisceaux du piège• Très faiblement sensible à la polarisation du laser piège• Eloignée des résonances atomiques • Laser de puissance

3P0461 nm

698 nm87Sr (I= 9/2): 1 mHz

1P1

3S1

p679nm

1S0

p

3D1

2.6 m

H. Katori, V.G. Pal’chikov et al, PRL 91, 173005 (2003)M. Takamoto and H. Katori, arXiv:physics/0309044 (2003)

p = 813.5 nm

1S0

3P0

9

II. La source d’atomes froids

de strontium

10

Description généraleDescription générale

Jet atomique Ralentisseur

Zeeman Piège

magnéto -optique

461 nm

1P1

1S0

(32 MHz) Refroidissement et capture à 461 nm

I(saturation) = 43 mW/cm2

=> puissance requise ~ 100 mW

Objectif : source d’atomes froids intense

• Détection de la transition d’horloge

• Stabilité de fréquence de l’horloge

11

Cristal de KTP : • Faible dépendance en température

• Accord de phase quasi non critique :

=90°, =81.3° => angle de double réfraction =1.6 mrad

Source laser à 461nm : Source laser à 461nm : somme de fréquence dans un cristal de KTPsomme de fréquence dans un cristal de KTP

Lasers de pompe : • Simples d’utilisation

• Puissances délivrées :

- 1.2 W à 1064nm

- 150 mW à 813nm

461nm

Diodes laser à 813 nm KTP

Puissance générée :

• Somme en puissance de 2 diodes laser

• Cavité de surtension doublement résonnante

P461 = P813 x P1064

Nd:YAG à 1064 nm

KTP

813 nm

1064 nm

12

Somme cohérente de la puissance Somme cohérente de la puissance de 2 diodes laser à 813nmde 2 diodes laser à 813nm

Interférences : contraste de 98% (après filtrage spatial)

=> cavité : puissance totale correspond à la somme des puissances à 2% près

2 lasers esclaves injectés par le même laser maître

Adapter les modes spatiaux des esclaves

-6 -4 -2 0 2 40

20

40

60

80

100

cont

rast

e (%

)

balayage PZT (ms)

puis

sanc

e (%

)

asservissement

Laser MAITRE

IO

ESCLAVE 1

PZT

(P1 + P2)

L2

L1

50:50

ESCLAVE 2

13

Cavité de surtensionCavité de surtension

Cavité en anneau (ondes progressives) Adaptation d’impédance : transmission du miroir de couplage Tailles des faisceaux dans le cristal :

• optimum en simple passage : 23 et 27 m => = 5 x 10-3 W/W2

• dans la cavité : à cause de , l’optimisation des puissances intra-cavité est différente de celle de la puissance générée à 461 nm

=> élargir les tailles :

efficacité de conversion : 27% (puissances couplées)

813 nm 1064 nm

miroir de couplage T = 14% T = 7%

finesse 35 75

faisceaux dans le cristal 50 m 57 m

puissance à l’entrée de la cavité 170 mW 900 mW

efficacité de couplage 70% 40%

P461 = 115 mW

L=2cmR=10cm

= 2.6 x 10-3 W/W2

14

Nd:YAG1064 nm

PZT

détectionsynchrone

70 kHz

T(1064) esclaves 813 nm

Nd:YAG1064 nm

PZT

détectionsynchrone

70 kHz

maître 813 nm

T(1064)T(813)

détectionsynchrone

461nm

Asservissements pour la source à 461nmAsservissements pour la source à 461nm

Asservissement de la longueur de cavité Lc sur la fréquence du Nd:YAG, T(1064)

Asservissement de la fréquence des lasers à 813nm sur Lc , T(813)

=> cavité résonnante à 813 et 1064 nm

Asservissement de la fréquence du Nd:YAG pour asservir la fréquence de l’onde générée sur la transition 1S0 - 1P1 du 88Sr

jet atomique

esclaves 813 nm

Nd:YAG1064 nm 461nm

PZT

détectionsynchrone

70 kHz

maître 813 nm

détection synchrone

100 kHz

T(1064)T(813)

détectionsynchrone

15

Four chauffé à ~ 600°C

Vapeur éjectée par 200 tubes pour la collimation du jet atomique (L=8mm,

int=200m)

Flux atomique

mesuré :

= 2x1012 atomes/s

Vitesse moyenne :

540 m/s

Jets atomiquesJets atomiques

16

Ralentisseur ZeemanRalentisseur Zeeman

Conçu à l’aide d’une simulation numérique Ralentissement efficace : = 2x108 s-1

Laser focalisé : refroidissement transverse du jet

=> gain d’un facteur 3 par rapport à un faisceau laser collimaté

/)( - 0

zBvkBLLL

Effet ZeemanEffet Doppler

Champ optimal en tenant compte de la focalisation du laser

Blindage magnétique : protection de la zone de capture et contrôle de la vitesse à la sortie

z (cm)0 10 20 30

-30

-20

-10

0

10

20

30

champ optimal mesuré avec les blindages mesuré sans les blindages

cham

p m

agné

tique

(m

T)

four

bobineslaser

17

Efficacité du ralentisseur ZeemanEfficacité du ralentisseur Zeeman

Caractéristiques du laser :• = 9 mrad

• L = - 2 x 503 MHz

= - 15.7x 461

• PL = 32mW

Flux d’atomes ralentis :

2-4x1010 at/s (88Sr)

Vitesse moyenne ~25 m/s Dispersion en vitesse : 20m/s

2 – 4 x 1010 at/s (88Sr)

T=630°C

T=600°C

décalage à résonance de la sonde (MHz)

fluor

esce

nce

(nW

)-120 -90 -60 -30 00

20

40

60

18

Piège magnéto-optiquePiège magnéto-optique 3 faisceaux laser rétro-réfléchis

• L = - 2 x 42 MHz

• = 2 cm

• PL = 15 -20 mW => s ~0.5 Bobines en configuration

anti-Helmholtz : 1.7 mT/cm

Température ~ 2mK

jusqu’à 1.3x109 atomes de 88Sr avec un taux de capture de 4 x 1010 at/s

Calibration du nombre d’atomes :

faisceaux du PMO et par un faisceau sonde décalé de résonance

Courtillot et al. Opt. Lett. 28, 468 (2003)

fluor

esce

nce

(V)

t (ms)-200 -100 0

0

1

2

3

4

0 5 10

0.0

0.2

0.4

0.6

x 10

19

Sélection isotopique : décalage de fréquence des faisceaux du ralentisseur et du PMO

Efficacités des processus de capture et refroidissement analogues pour les 3 isotopes

Piégeage des isotopesPiégeage des isotopes

88Sr (83%)

87Sr (7%)

86Sr (10%)

fluor

esce

nce

du P

MO

(V

)

temps (s)0.00 0.07 0.14

0.01

0.1

1

10

20

Durée de vie du PMODurée de vie du PMO

Limitée par les pertes par pompage optique dans l’état 3P2 :

opt = f D x 1/ i

~ 36 s-1 = 1/ (28 ms)

1P1

3P0

1

461 nm=2 108 s-1

689 nm=4.8 104 s-1

1S0

1D2

2

D=3.9 103 s-1

i=3 103 s-1

= 0.67

= 0.33

(métastable)

( =21s )

( =0.3 ms )

(métastable)

( =5 ns )

Mesuré avec la charge ou la décharge du PMO

= 31.1ms = 30.4 ms

temps (s)

fluor

esce

nce

du

PM

O (

V)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Zeeman éteint

Zeeman allumé

21

III. Détection de la transition d’horloge

22

PrincipePrincipe

Excitation directe et mesure

de fréquence de la transition d’horloge

698 nm(1mHz)

3P0

1S0

3S1

688 nm(5.2 MHz)

1 689 nm(7.6 kHz)

679 nm(1.75 MHz)

Mesure de fréquence indirecte :

transitions optiques

à 689, 688 et 679 nm

23

Mesures de fréquence absolue : Mesures de fréquence absolue : schéma expérimentalschéma expérimental

Laser ultra-stable

Laser sonde

• Asservi sur une cavité Fabry-Pérot, = 35Hz

• Fréquence mesurée avec le laser femtoseconde

DLCE1

Asservissement (PDH)

cavitéFabry-Pérot

vers le laser femtoseconde

atomes de Sr

Synthetiseur RF

verrouillage de phase

Laser SONDE (DLCE2)

LASER ULTRA-STABLE

PDA

MEO

Quartz60 MHz

24

1 10 1001E-14

1E-13

Mesure de la fréquence Mesure de la fréquence du laser ultra-stabledu laser ultra-stable

Avec la nouvelle chaîne de fréquence du BNM-SYRTE basée sur un laser femtoseconde :

résolution : 10 Hz en 100s

dérive de la cavité (0.5 Hz/s)

temps de mesure (s)

éca

rt ty

pe

d’A

llan

25

Mesures de fréquence absolue : Mesures de fréquence absolue : schéma expérimentalschéma expérimental

Laser ultra-stable :• Asservi sur une cavité

Fabry-Pérot, = 35Hz• Fréquence mesurée avec le

laser femtoseconde : résolution ~ 10Hz

Laser sonde :• Verrouillé en phase sur le

laser ultra-stable• Synthétiseur RF :

asservissement sur la résonance atomique

2 jeux de laser :• 688, 689 et 698 nm• 679 nm

DLCE1

Asservissement (PDH)

cavitéFabry-Pérot

vers le laser femtoseconde

atomes de Sr

Synthetiseur RF

verrouillage de phase

Laser SONDE (DLCE2)

LASER ULTRA-STABLE

PDA

MEO

Quartz60 MHz

26

Transition Transition 11SS00 – – 33PP11

88 = 434 829 121 300 (20) kHz

87 (9/2-9/2) = 434 829 343 010 (50) kHz

Absorption saturée dans un jet atomique

Exactitude limitée par les défauts de front d’onde du laser

3P0

1

1S0

689 nm

2

(7.6 kHz)

27

Transition Transition 33PP1 1 - - 33SS11

3P1 est peuplé dans le PMO Pertes par pompage optique

dans l’état 3P2 limitent la durée de vie du piège

3P0

1

1S0

2

3S1

688 nm1P1

461 nm(PMO)

1D2

689 nm

Laser à 688nm dans le PMO: atomes pompés dans les états métastables 3P0 et 3P2

=> Pertes additionnelles

jusqu’à 70% de contraste

écart à résonance à 688nm [MHz]

fluor

esce

nce

du P

MO

(%

)

-60 -40 -20 0 20 40 600

20

40

60

80

100

I688

= 630 mW/mm2

I688

= 2 mW/mm2

88Sr

28

Effet Zeeman induit par les bobines du PMOEffet Zeeman induit par les bobines du PMO

Fréquences déduites des mesures effectuées :

• en polarisation Lin1• à faible intensité laser

(0.5 – 2 mW/cm2)

Incertitude : 500 kHz pour 88Sr

300 kHz pour 87Sr

gradient de champ magnétique du PMO [mT/cm]

fréq

uenc

e [

MH

z]

- 43

5 73

1 69

7 M

Hz

intensité laser [mW/cm2]

fréq

uenc

e [

MH

z]

- 43

5 72

8 98

1 M

Hz

0 50 100 150 200 250

0.5

1.0

1.5

2.0

87Sr (F=9/2, F'=11/2)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

-1

0

1

2

3

4

5 88Sr

polarisation : Lin1 Lin2 Circ1 Circ2

29

33PP11- - 33SS11 : résultats des mesures : résultats des mesures3P1-3S1 g g’ Fréquence (MHz)

88Sr 3/2 2 435 731 697.2 (5)

7/2-7/2 -1/3 - 4/9 435 733 271.1 (6)

7/2-9/2 -1/3 8/99 435 730 832.3 (3)

9/2-7/2 2/33 - 4/9 435 734 401.75 (30)

9/2-9/2 2/33 8/99 435 731 962.7 (3)

9/2-11/2 2/33 4/11 435 728 981.6 (3)

11/2-9/2 3/11 8/99 435 733 425.8 (3)

11/2-11/2 3/11 4/11 435 730 444.9 (3)

F1- F2 Mesures (MHz) Déduits de [ * ]

7/2-9/2 1 130.65 (80) via 7/2

1 130.4 (6) via 9/2

1 130.26 (2)

9/2-11/2 1 463.1 (6) via 9/2

1 463.3 (6) via 11/2

1 463.15 (2)

7/2-11/2 2 593.5 (6) via 9/2 2 593.41 (2)

Écarts hyperfins du 3P1 : Écarts hyperfins du 3S1 : => décalage isotopique : (87,88) = -54.9 (3) MHz

=> structure hyperfine:A= -542.0 (1) MHzB= -0.1 (5) MHz

* G. zu Putlitz, Z. Phys., 175 : 543 (1963)

30

Transition Transition 33PP0 0 - - 33SS11

1P1

3P0

1

461 nm(PMO)

1S0

1D2

2

3S1

31

Détection de la transition Détection de la transition 33PP0 0 - - 33SS11

par déplacement lumineuxpar déplacement lumineux

1P1

3P0

1

461 nm(PMO)

1S0

1D2

2

3S1

688 nm

88= 441 332 751.3 (7) MHz transition 3P0 - 3S1 du 88Sr :

Le laser à 679nm induit un déplacement lumineux de l’état 3S1 mesuré, avec le laser à 688nm

679 nm

87Sr : mesure plus précise par piégeage cohérent de population

-100 0 100 200-400

-200

0

200

400

88Sr

3 P1-

>3 S

1 lig

ht s

hift

[kH

z]679nm laser detuning [MHz]

dépl

acem

ent

lum

ineu

x d

e 3 P

1-3 S

1 [k

Hz]

décalage à résonance à 679nm [MHz]

32

Mesure de la structure fine Mesure de la structure fine 33PP0 0 - - 33PP11

par résonance CPTpar résonance CPT

1P1

3P0

1

461 nm(PMO)

1S0

1D2

2

3S1

688 nm679 nm

Configuration Lambda 2 lasers à résonance : -60 -40 -20 0 20 40 60

70

80

90

100

detuning @ 688nm [MHz] M

OT

flu

ore

scen

ce (

%)

688nm + 679nm

-60 -40 -20 0 20 40 6070

80

90

100

MO

T f

luo

resc

ence

(%

)

detuning @688nm [MHz]

résonance CPT 87Sr :3P0, F=9/2 - 3P1, F’=9/2

688nm seul

03

13 PPNC

013 NCHS

Etat noir : flu

ores

cenc

e P

MO

(%

)flu

ores

cenc

e P

MO

(%

)

Structurefine

désaccord à 688nm [MHz]

désaccord à 688nm [MHz]

33

Structure fineStructure fine 3 3PP00 - - 33PP1 1 du du 8787SrSr

3P0 , 9/2

3P1 , 9/2

3S19/211/2

7/2

3P0, F=9/2 -3P1, F’=9/2 := 5 601 338 670 (50) kHz

550

600

650

700

750

via 11/2

via 9/2SF

87Sr

fre

qu

en

cy

[kH

z] -

5 6

01

33

8 M

Hz

via 7/2

Fréq.

[kH

z]

– 5 6

01 3

38 M

Hz

• Exactitude limitée par effet Zeeman (bobines du PMO)• Faibles facteurs de Landé

g(3P0)= -1x10-4

g(3P1, F=9/2) = 2/33

Incertitude : 50 kHz

34

Mesure indirecte de la fréquence de la Mesure indirecte de la fréquence de la transition d’horlogetransition d’horloge

698 nm

3P0

1S0

3S1

688 nm

1

689 nm

679 nm

1S0-3P0= 429 228 004 340 (70) kHz

35

Accumuler des atomes dans l’état 3P0 :

• Durée de vie du PMO : 30 ms• Durée d’une impulsion : 0.4 ms

=>Augmenter la fraction d’atomes excités

de près d’un facteur 100

Détection par excitation directe avec les atomes froids :• T = 2mK Largeur Doppler : 1.6 MHz• Puissance laser : 14 mW x 4 (w = 1.3 mm)

élargissement de raie par saturation : 1.8 kHz

fréquence de Rabi : 1.3 kHz

à première vue, fraction d’atomes excités : 10-3

Détecter la transition d’horloge Détecter la transition d’horloge 11SS00 – – 33PP00 du du 8787SrSr

atomes

= 5 mrad

36

Excitation de la transition Excitation de la transition 11SS00--33PP00

Bénéficier de l’effet de la gravité :

v (3P0)

698nm

v (1S0)

Accumuler les atomes dans l’état 3P0 :

• Taux de transfert constant vers 3P0

• Éviter le transfert retour vers 1S0

t

tLasers à 461nmLaser à 698nm

Atomes interrogés en chute libre => Fréquence de résonance balayée par effet Doppler : 10 kHz/ms

atomes

verticale

45°

37

Effet du balayage de fréquence par la gravitéEffet du balayage de fréquence par la gravité

Ex : à t=0, atome décalé de résonance : = 5x

0 1 20.0

0.2

0.4

0.6

prob

abili

té d

e tr

ansi

tion

temps d’interrogation (ms)

0 1 20

2

4

6

8

10

12

temps d’interrogation (ms)

pert

es P

MO

(10

-3)

désaccord constant

balayage de fréquence par effet Doppler (~10 /ms)

p(t) intégrée sur la distribution de vitesse des atomes dans le PMO ( )

Proche de la condition de transfert adiabatique

38

-4 -2 0 2 4

99.0

99.5

100.0

désaccord à résonance (MHz) fluo

resc

ence

du

PM

O

(%)

Première excitation directe de la Première excitation directe de la transition d’horloge du transition d’horloge du 8787SrSr

Mesure indirecte : 429 228 004 340 (70) kHz

Courtillot et al. PRA 68, R030501 (2003)

Séquence temporelle :• 698nm : limitée par la taille

du faisceau sonde • 461nm : recapturer les

atomes et recharger le PMO• S’affranchir des effets de

déplacement lumineux

tLasers à 461nmLaser à 698nm

3 ms 1 ms

mesure de la fluorescence du PMO

Asservissement du laser sur la résonance atomique

1S0-3P0) = 429 228 004 230 (15) kHz

39

IV. Perspectives

40

Estimation des performances de Estimation des performances de l’horloge optique à atomes de Sr piégés l’horloge optique à atomes de Sr piégés

Yb, Hg, Mg, Ca, Be…

Horloges optiques à atomes piégés : • Structure atomique analogue à celle de Sr• Isotope possédant un spin nucléaire non nul

Stabilité de fréquence : • Limite quantique : pour 105 atomes, Tc = 100ms, Qat ~ 1x1014

=> y (t) = 3 x 10-18 -1/2

• Limitée par le bruit du laser d’interrogation (effet Dick)stabilité escomptée : y (t) ~ 1 x 10-16 -1/2

Exactitude de fréquence : quelques 10-17

• Effet du rayonnement du corps noir : 5.6 x 10-15 à 300 Kcontrôlé au niveau de 2 x 10-17 pour T=0.3 K

• Effets liés au faisceau piège : pour I = 10 kW/cm2, - déplacement lumineux < 10-17 avec un contrôle de :

- (piège) au niveau de 1 MHz- la polarisation à 1mrad près

- 2ième ordre (Hyperpolarisabilité) ~ 5 x 10-18

• Limitations techniques?…

41

La multiplicité des horloges atomiques…La multiplicité des horloges atomiques…

Différents dispositifs • Fontaines atomiques• Horloges optiques à ion • Horloges optiques à atomes neutres en chute libre• Horloges optiques à atomes neutres piégés

Moyens de comparaison• Laser femtoseconde• Horloge transportable • Horloges spatiales (PHARAO/ACES, PARCS, RACE)

Applications en physique fondamentale• Test de la relativité générale : déplacement gravitationnel• Tester le principe d’équivalence d’Einstein : dérive de

constantes fondamentales…

42

43

Transition Transition 11SS00 – – 33PP11

Absorption saturée dans un jet atomique

Faisceaux rétro-réfléchis avec un œil de chat (<10 rad)

Champ magnétique parallèle à l’axe de propagation du jet

Asservissement avec une détection synchrone

87Sr, à puissance élevée : une seule transition sub-Doppler, insensible à BP = 14mWP = 250W

J=0-J’=0

44

Transition Transition 11SS00 – – 33PP11

Exactitude limitée par la distorsion du front d’onde

88Sr : mesure à faible puissance

87Sr (F=9/2 - F’=9/2), mesure par rapport à la résonance du 88Sr : 88-87 = 221 710 (50) kHz

88 = 434 829 121 300 (20) kHz

87 (9/2-9/2) = 434 829 343 010 (50) kHzIncertitude statistique des mesures < 1 kHz

Unité!

45

Déplacements de fréquence de la Déplacements de fréquence de la structure fine structure fine 33PP0 0 - - 33PP1 1 du du 8787SrSr

Fréqu

ence

[kH

z] –

5 6

01 3

38 M

Hz

0 5 10500

550

600

650

700

750

688nm laser intensity [mW/cm2]

FS

1.8 2.3 2.8500

550

600

650

700

750

I(688) = 1.3 mW/cm2

FS

MOT magnetic field [mT/cm]

50 80 110 140500

550

600

650

700

750

I (688) = 1.3 mW/cm2

FS

679nm laser intensity [mW/cm2]

• Faibles facteurs de Landég(3P0)= -1x10-4

g(3P1, F=9/2) = 2/33

• Incertitude de mesure: 50kHz

46

Laser ultra-stableLaser ultra-stable

Laser en cavité étendue Cavité Fabry-Pérot de finesse 27000 Asservissement de Pound-Drever-Hall :

• Bande passante : 2.1 MHz• Largeur de raie du laser asservi : 35Hz

100 101 102 103 104 10510-4

10-2

100

102

Fre

quen

cy n

oise

[Hz2 /H

z]

Frequency [Hz]

bleu

47

Laser Ti-Sa en mode impulsionnel

Domaine temporel

Domaine fréquentiel : peigne de fréquence

Laser femtoseconde (I)Laser femtoseconde (I)

~25 fs

0 fn = nfr + fo

I(f)

f

fo = fr x /2

fr

x2

t

E(t)

taux de répétition :r = 1/ fr ~1ns

f2n = 2nfr + fo

fo = 2(n fr+f0) – (2nfr+f0)

48

Laser femtoseconde (II)Laser femtoseconde (II)

Asservissement de fr : sur une référence micro-onde ou optique

40m

f

fo

fr

fn = nfr + fo

fb

opt = n fr + f0

+ fb

I(f)

Elargissement du spectre sur plus d’une octave, avec une fibre à cristal photonique => mesure f0

Ca mesuré par 2 chaînes : stabilité optique => micro-onde : 2x10-14 à 1s T. M. Ramond et al, Proc. of the IEEE IFCS, 2003

Comparaison Ca/Hg+ : 7x10-15 -1/2 Diddams et al. Science 293, 825, 2001

(Nd:YAG) / [2x(Nd:YAG)] mesuré avec une incertitude de 7x10-19 J. Stenger et al, PRL, 88, 073601, 2002