Fontaine atomique double de césium et de rubidium avec une ...

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Chapitre 1. Principe de fonctionnement
d’une fontaine atomique
tel-00319950, version 1 - 9 Sep 2008
par fluorescence. Celle-ci est collectée sur une photodiode. L’impulsion lumineuse
qui reflète la forme du nuage atomique défilant à travers la détection
est dénommée “signal de temps de vol”. De l’aire du signal de temps de vol
est déduit le nombre d’atomes N |F =4〉 peuplant le niveau hyperfin |F = 4〉 au
moment de la détection. Ces atomes sont ensuite poussés hors du système de
détection par la pression de radiation d’une nappe laser où l’onde est progressive,
accordée sur cette transition toujours. Ceci permet de ne garder pour la
suite de la détection que les atomes restés dans l’état |F = 3, m F = 0〉 après
l’interrogation Ramsey. Ceux-ci traversent alors une nappe stationnaire de
lumière “repompeur” accordée sur la transition 6 S 1/2 (F =3) → 6 P 3/2 (F =4)
qui permet de replacer tous les atomes dans l’état |F = 4, m F = 0〉 après
désexcitation. Une dernière nappe laser stationnaire, de géométrie, taille
et éclairement identiques à la première, accordée là aussi sur la transition
6 S 1/2 (F = 4) → 6 P 3/2 (F = 5), permet de dénombrer encore par fluorescence
la population d’atomes N |F =3〉 venant d’être placée dans l’état |F = 4〉 mais
correspondant à la population du niveau hyperfin |F = 3〉 en sortie d’interrogation
Ramsey. A partir de là, la probabilité de transition P peut être
calculée :
P =
N |F =4〉
N |F =3〉 + N |F =4〉
et servir de critère pour l’asservissement de la fréquence d’interrogation.
1.2.2 Asservissement de la fréquence d’interrogation
Le tracé de la probabilité de transition en fonction du désaccord de la
fréquence d’interrogation par rapport à la fréquence atomique est présenté
Fig. 1.5. Il fait apparaître les franges de Ramsey, ici obtenues avec la fontaine
FO2 du laboratoire fonctionnant avec l’atome de césium.
En mode de fonctionnement d’horloge, les deux côtés de la frange centrale
sont sondés alternativement et à mi-hauteur en appliquant une modulation
carrée à la fréquence de la micro-onde d’interrogation. De la différence des
probabilités de transition mesurées de part et d’autre de la frange centrale est
déduit l’écart de fréquence entre la micro-onde d’interrogation et la résonance
atomique. Les différences successives sont utilisées comme signal d’erreur
pour corriger l’oscillateur d’interrogation. Cette méthode d’asservissement
conduit à égaliser les probabilités de transition mesurées de part et d’autre
du pic central. Cette technique offre une grande sensibilité aux déviations de
la fréquence interrogatrice par rapport à la fréquence atomique car sur les
flancs de la frange centrale, la pente est maximale ce qui en fait un excellent
discriminateur de fréquence.