1 Franges de Ramsey à deux photons sur un jet supersonique de SF 6 à 10,6 µm : augmentation de la...

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

16

- 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

23

- 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

31

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

36

-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

41

- 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

42

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

44

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

45

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