1
Franges de Ramsey à deux photons sur un jet supersonique de SF6 à 10,6 µm :
augmentation de la sensibilité de détection et de la résolution.
Comparaison à la fontaine à Césium par laser femtoseconde.
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS
2
Sujet de thèseDévelopper une expérience de franges de Ramsey à
deux photons sur un jet supersonique de SF6
- pour la métrologie des fréquences à 30 THz
- pour la spectroscopie à ultra-haute résolution :Transitions ro-vibrationnelles de molécules à 10 µmSpectroscopie moléculaire en jet supersonique
-pour la physique fondamentale :
InterféromètreTests spécifiques sur un étalon moléculaire
3
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètre a. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
4
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
5
Etalon CO2 à 30 THz
Laser à CO2 asservi sur une raie d’absorption saturée d’OsO4
- Reproductibilité : 10 Hz (3.10-13) [1,3.10-13 , SYRTE(1999)]
20 kHzS/B[1 Hz]= 30000
- Stabilité : 0,1 Hz sur 100s (3.10-15)
2/1
10 /)(
Hz
pp
BSBruitPente
)(
1 10 100 1000
0,1
1
Hz
10 -15
10 -14
10 -13
0.098 Hz
Temps (s)
Déviation d’AllanLaser CO2
-10
30
20
10
0
fréq
uenc
e du
bat
tem
ents
( H
z)0
Temps25020015010050
(min)
(25 kHz/div.)
6
augmenter la résolution rapport signal sur bruit maximal
D
u
cohpp
1
- Molécules lentes
(0.5 kHz/div)
6 s/pt
560 Hz
Durand, et al 1997
Comment améliorer ces performances ?
7
Bordé, et al 1984
-Franges de Ramsey sur un jet moléculaire
2,5 s/pt
5 kHz
zone 1 zone 2 zone 3 zone 4
Contraintes d’équidistances et de parallélisme très sévères
absorption saturée
S/B[1 Hz]= 1
8
Franges de Ramsey à deux photons
zone 1
• Interaction avec deux zones de champ séparées d’une distance D• Spectroscopie à deux photons sans effet Doppler
zone 2Ec
t
))2cos(1()(2
21
P
CbbS
D
TP
2
1
Ea
T=D/u
9
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
10
Absorption à deuxphotons
v=2, J=3
76 MHz
v=1, J=3
v=0, J=4
Niveaux d’énergie de la transition à deux photons de SF6
11
SF
6
synthétiseur
laser CO2(2)
CO2/OsO4
laser CO2(2)
FM
Schéma de l’expérience
12
SF6
buse =50 µm
écorceur =500 µm 7 mm
Jet supersonique de SF6 pur ou ensemencé d’Hélium
20 % de SF6 v 690 m/s v/v 7%
100 % de SF6 v 390 m/s v/v 15%
Amélioration : collimateur (0,7×4 mm)
Divergence horizontale 41 mmDivergence verticale 7 mm
à 50 cm
Jet supersonique de SF6
13
50 cm
finesse 300 w 3-4 mm
Cavité Fabry-Perot repliée
14- Limiter le bruit basse fréquence
S/B[1 Hz] ≈ 10
1,8 kHz
Enjeux expérimentaux : - Accroître la résolution
- Améliorer l’efficacité de détection
fréquence relative (kHz)
6
4
2
0
-2
-4
1050-5
Point de départ :
Constantin, 2000
90/ 1
Hz
pp
BS
15
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
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- Détection sur une transition à deux photons :
SF6
+ Toutes les classes de vitesses contribuent+ facile à mettre en oeuvre
- Forte puissance pour saturer la transition- contraste limité
Détection sur le faisceau d’excitation
17
SF6
MAO
Puissance dans la cavité en U20 mWPuissance sur détecteur40 µW
Puissance dans la cavité de détection75 µWPuissance sur détecteur150 nW
laser CO2(2)
Séparation de la voie d’excitation etde la voie de détection
18
Profil Doppler
bcFraction de moléculescontribuant au signal
Doppler
transitN
Emissionstimulée
Absorption à deuxphotons
aczz kvkv 111 2
bczkv 2200
1
a
Eb
c
Jet
Cavité dedétection
2èmeCavitéd’excitation
19
Profil Doppler
bc
Peigne defréquence
tranist
Gain en S/B d’un facteur 10
Détection de l’émission stimulée par peigne de fréquence
20
SF6
laser CO2(2)
MAO FM
0.1
1
10
10 100 1000Puissance dans la cavité de détection (µW)
0.1
Séparation de la voie d’excitation etde la voie de détection
Signal de franges
Bruit de détectionà 215 Hz
21
Les deux cavités d’excitation et de détection
22
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea) Interzone de 50 cmb) Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur local pour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
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- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
24
Jet supersonique 20% de SF6 dans He
Déviation d’Allan : 4.10-14-1/2
Am
plitu
de (
u. a
rb.)
403020100-10-20-30
Fréquence relative (kHz)
690 Hz
S/B[1 Hz] = 140
Enveloppe d’une composante hyperfine v
v
v
Nombre de frange
Meilleur rapport signal sur bruit
60Hz 345
kHz 20
20% SF6
50 cm
5,2/ 1
Hz
pp
BS
25
Déviation d’Allan : 7.10-14-1/2 (CO2/OsO4 : 3.10-14-1/2)
Am
plitu
de (
u. a
rb.)
-10 0 10
Fréquence relative (kHz)
400 Hz
S/B[1 Hz] = 45
Meilleure résolution à 50 cm
SF6 pur50 cm
100Hz 200
kHz 20 5/ 1
Hz
pp
BS
26
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
27
Accroissement de la résolution :nouvel interféromètre de 1 m
Nouvelle structure mécanique (Invar)Effort de réduction du bruit basse fréquence
1,20 m
28
-Déviation d’Allan potentielle : 8.10-14-1/2
-Structure hyperfine …
Am
plitu
de (
u. a
rb.)
210-1Fréquence relative (kHz)
200 Hz
S/B[1 Hz] = 20
Meilleure résolution à 1 m
SF6 pur1 m
5/ 1
Hz
pp
BS
29
Il faut une référence de fréquence plus stable sur le long terme (> 100 s)
Problèmes de dérives dulaser à CO2/OsO4
Meilleure résolution obtenuepour les franges de Ramsey sur SF6
30
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
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Maser à Hydrogène Stabilité à long terme
2 10-15 sur 1000 s Exactitude 10-15
(fontaine à Césium)
BNM-SYRTEParis
Laser à CO2/OsO4
Stabilité à court terme 3.10-15 (100s)
LPLVilletaneuse
Laser à CO2
Laser fs
Liaison par fibre optique( 43 km)
Laser Diode @ 1.55 µm
MA
Nouvel oscillateur local
32
1 10 100 1000 100001E-17
1E-16
1E-15
1E-14
1E-13
1E-12D
évi
atio
n d
'Alla
n r
ela
tive
Temps (s)
CO2/OsO4
Maser H
Lienoptique
Performances du lien optique
33
fr 1 GHz p 28370
CO2
1 2
fr
Diode laser 788 nm
Diode laser 852 nm
CO2 = p fr+ 1 + 2
CO2 = 788 nm- 852 nm
2 diodes lasers avec :
Mesure de CO2 mesure de fr
p fr
Mesure à 30 THz (laser à CO2)
34
CO2 (2)
CO2/OsO4 (1)
Synthétiseur 1
Compteur
Laser fs
fr
100 Hz
Maser-H/Cs BNM-SYRTE
SF6
MAO
Synthétiseur 2
35
- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètrea. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
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-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6
222018161412108
(kHz)
Structure hyperfine
37
désaccord par rapport àla moyenne ( Hz )
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
7
8
Nno
mbr
e de
mes
ures
= 1,4 Hz
24 séries de mesures4 mois
Fréquence absolue :28 412 764 347 323.0 1.4 Hz
Mesure de la fréquence centrale
38Déplacement lumineux pour la frange centrale+0.750.5 Hz (pour impulsion /2)
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00
Puissance dans la cavité en U (mW)
Déplacement deFréquence
Mesure des effets systématiquesDéplacements lumineux
Fré
qu
ence
(H
z)
Amplitudedes franges
/2
39
CO2 (2)
CO2/OsO4 (1)
Synthétiseur 1
Compteur
Laser fs
fr
100 Hz
Maser-H/Cs BNM-SYRTE
SF6
MAO
Synthétiseur 2
Laser à CO2 asservi sur les franges de Ramsey à deux photons, de SF6
40
10-15
2
4
6
10-14
2
4
6
10-13
2
4
6
10-12
Lo
g(
y()
)
100
101
102
103
104
Log()
Déviation d’Allan du laser à CO2 asservisur le signal de franges de Ramsey
à deux photons
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- Introduction
1. Dispositif expérimental
2. Nouvelle méthode de détection
3. Accroissement de la résolution de l’interféromètre a. Interzone de 50 cmb. Interzone de 1 m
4. Développement d’un nouvel oscillateur localpour la spectroscopie
5. Comparaison à l’étalon primaire de fréquence par laser fs
- Conclusion & perspectives
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20 cm
6 s/p
2 s/p
560 Hz
900 Hz
Hz
pp
BS 1/
1
11
346 Hz
560
8120 %
S/B[1 Hz]
50 cm
2 s/p 9,2 3720 %
50 cm
50 cm
1 s/p
1 s/p
140
45
337 Hz
200 Hz
2,4
5
20 %
100 %
100 Hz100 %
100 cm
1 s/p 20 5
43
-Augmentation résolution d’un facteur 10 P=200 Hz, S/B[1 Hz]= 20-140
- Développement d’un nouvel oscillateur local
-Performances- Déviation d’Allan : 4.10-14-1/2 (mesurée à 2.10-13)- Reproductibilité de l’ordre du Hz (avec mesures d’effets systématiques)- Spectroscopie avec un bon S/B sur un temps raisonnable
Bilan
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Développements envisagés
- Augmentation du rapport S/B :- Buse multi-trous- Détection haute fréquence- Nouveau détecteur
- Amélioration de l’oscillateur local- Maser H remplacé par oscillateur cryogénique 3.10-14 de 1 à 500s- Contrôle des fluctuations de phase du lien optique- Amélioration de la chaîne de mesure
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Tests sur des molécules
Mesure de la fréquence centralede la transition de SF6 par rapport à Cs
Variation des constantes fondamentales
Cs
SF
Cs
SF dtd
6
6 /
dtd /
25
-3
-2
-1
0
1
2
3
fréq
unec
e ce
ntra
le d
e S
F6
(Hz)
Temps (jours)
12/1
2/02
31/0
1/03
11/0
5/03
30/0
6/03
19/0
8/03
08/1
0/03
27/1
1/03
16/0
104
22/0
3/03
±3,1.10-14/an
andtd
/102,1/ 15
46
Derniers tests de l’équipe CHFClBr-Raie de ~ dizaines de kHz-Ecart type de 0,5 Hz (dû aux collisions)
laser CO2CO2/OsO4
Laser fsMaser-H/Cs
BNM-SYRTE
Tests envisageablesNouvelle molécule : GD~1 Hz?-Raie de ~ 100 Hz?-Ecart type ???
Tests de violation de parité sur des molécules