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MClocks: Horloges micro-onde de haute performance pour applications industrielles

Chercheurs clés:


Au sein du projet Mclocks, le LTF fait partie d’un consortium européen dont le but est le transfert des avancées récentes sur les horloges atomiques à micro-ondes développées en laboratoire vers de nouvelles horloges atomiques adaptées aux applications industrielles et techniques en terme de stabilité de fréquences, taille, consommation énergétique et fiabilité. Ces nouvelles horloges devraient montrer des stabilités exceptionnelles, i.e. des stabilités de fréquence relatives (déviation d’Allan) de l’ordre de 10-13 à 1s et de 10-15 à l’échelle d’une journée.

Etalons de fréquences à cellule de vapeur de Rubidium (Rb) pompées optiquement

L’utilisation de la spectroscopie à double-résonnance micro-onde optiques par la technique d’interrogation domaine-temps Ramsey est une approche efficace pour la réalisation d’horloges atomiques micro-ondes à cellule de vapeur avec une stabilité de fréquence conforme [2]. Ce schéma d’interrogation de pompage optique pulsée (POP) permet la détection des signaux hautement bénéfiques pour la réalisation des horloges envisagées, car ils montrent un fort contraste,  largeurs de raie étroites, et de bons rapports signal-sur-bruit pour de petites (taille de l’ordre du cm) cellules à vapeur de Rb.
Dans ce projet nous utilisons une cavité micro-onde de type magnétron très compacte pour les interrogations des échantillons atomiques [3]. Cette cavité magnétron est trois fois plus petite que les cavités à mode fondamental conventionnelles et ainsi permet la réalisation d’horloges POP très compactes. Une tête laser très compacte et de fréquence stable est en développement par notre groupe. Cette tête laser et la nouvelle cavité micro-onde magnétron seront combinées pour former la base d’une horloge POP très compacte et à haute performance très intéressante pour de futures applications industrielles. Le développement de l’horloge POP est conduite en collaboration avec l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM).

Cœur de la cavité compacte à micro-onde magnétron développée par l’UniNe-LTF et l’EPFL-LEMA [3]

Franges de Ramsey étroites et hautement contrastées observées en mode horloge POP, utilisant la cavité micro-onde magnétron [1]

Autres développement au sein de projet Mclocks

Notre équipe contribue également au développement de deux autres types d’horloges au sein du projet Mclocks: l’évaluation spectroscopique de cellules de Cs en utilisant le piégeage cohérent de population (anglais : Coherent Population Trapping, CPT) est conduite en vue de la réalisation d’une horloge CPT à cellule de Cs, en collaboration avec l'Observatoire de Paris / SYRTE et l'Université de Franche-Comté / FEMTO. Avec l'Observatoire de Paris / SYRTE, nous étudions une cavité à micro-ondes sphérique. Cette cavité micro-onde est prévue pour être utilisée dans une horloge atomique micro-onde pulsée à  atomes froids de Rb (Rubiclock).
Le projet Mclocks est financé par l’European Metrology Research Programme (EMRP, project IND55). L’EMRP est financé conjointement par les pays participants au sein d’EURAMET et de l’Union Européenne.

Publications clés

  1. S. Kang, M. Gharavipour, C. Affolderbach, G. Mileti, Stability limitations from optical detection in Ramsey-type vapour-cell atomic clocks,  Electronics Letters 51 (22), 1767-1769 (2015). PDF

  2. C. Affolderbach, G.-X. Du, T. Bandi, A. Horsley, P. Treutlein, G. Mileti, Imaging Microwave and DC Magnetic Fields in a Vapor-Cell Rb Atomic Clock, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 64 (12), 3629-3637 (2015). PDF

  3. S. Kang, M. Gharavipour, C. Affolderbach, F. Gruet, G. Mileti, Demonstration of a high-performance pulsed optically pumped Rb clock based on a compact magnetron-type microwave cavity, Journal of Applied Physics 117, 104510 (2015). PDF

  4. S. Kang, C. Affolderbach, F. Gruet, M. Gharavipour, C. E. Calosso, G. Mileti, “Pulsed optical pumping in a Rb vapour cell using a compact magnetron-trype microwave cavity”, Proceedings of 28th European Frequency and Time Forum (EFTF), Neuchâtel, Switzerland, (2014). php  

  5. S. Micalizio, A. Godone, C. Calosso, F. Levi, C. Affolderbach, F. Gruet, “Pulsed optically pumped Rubidium clock with high frequency stability performance”, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control. Vol. 59, No. 3, pp. 457-462 (2012). PDF

  6. C. Stefanucci, T. Bandi, F. Merli, M. Pellaton, C. Affolderbach, G. Mileti, A. K. Skrivervik, “Compact microwave cavity for high performance rubidium frequency standards”. Rev. Sci. Instrum. 83, 104706 (2012). PDF