FR2730845A1 - Configuration de refroidissement radiatif d'atomes neutres a l'aide d'un rayonnement isotrope - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule (2) pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens (12) pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule. Elle s'applique en particulier aux horloges atomiques.

Description

CONFIGURATION DE REFROIDISSEMENT RADIATIF D'ATOMES
NEUTRES A L'AIDE D'UN RAYONNEMENT ISOTROPE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine du refroidissement radiatif d'atomes neutres. Cette technique présente des applications dans de nombreux domaines, notamment en interférométrie atomique et en métrologie des temps et fréquences. Plus précisément, dans ce dernier domaine, on peut citer l'application aux horloges atomiques, dans lesquelles l'utilisation d'atomes froids conduit à une amélioration exceptionnelle des performances, c'est-à-dire de la précision de la mesure.

Art antérieur
Une source d'atomes froids est décrite dans l'article de A. CLAIRON et al. paru dans Europhysics
Letters, volume 16, n02, pp. 165-170, 1991, intitulé "Ramsey Resonance in a Zacharias Fountain". Cet article décrit une horloge atomique fonctionnant sur le principe d'une fontaine de Zacharias. Dans cet article, l'expérience décrite met en oeuvre un refroidissement des atomes dans la zone d'intersection de trois ondes stationnaires laser orthogonales. Cette configuration de refroidissement est représentée schématiquement sur la figure 1 sur laquelle sont représentés, suivant trois directions orthogonales x, y, z, trois faisceaux lasers 41, 42, 43 qui convergent vers une même zone d'interaction 44.Pour chaque faisceau, une configuration d'ondes stationnaires est obtenue par interaction avec un faisceau 41-1, 42-1, 43-1 se propageant suivant la même direction, mais en sens opposé. Sur chacun des trois axes, l'alignement des deux faisceaux est très critique. Ainsi, on réalise en général le deuxième faisceau par réflexion du premier sur un miroir ou séparation et réflexion du premier sur plusieurs miroirs, non représentés sur la figure 1.

Chaque faisceau a une fréquence égale à fo-Af, où fg représente la fréquence de la transition résonnante des atomes à refroidir, et Af un désaccord entre la fréquence de résonance de l'atome et la fréquence des faisceaux lasers, typiquement de l'ordre de quelques mégahertz. Le volume d'atomes froids obtenu, appelé "mélasse optique" est déterminé par la taille des faisceaux laser : les atomes n'appartenant pas à cette zone ne sont pas refroidis.

Après refroidissement, les atomes sont poussés dans une direction donnée à l'aide d'un des faisceaux lasers, par exemple suivant la direction z sur la figure 1. Deux des faisceaux lasers 43, 43-1 sont alors désaccordés respectivement aux fréquences fg-bf-df' et f0-Af+f'. La différence de fréquence 2Af' entre les deux faisceaux permet de lancer les atomes refroidis selon la direction z (zone grisée 45 sur la figure 1).

Ils sont alors disponibles pour une mesure, par exemple, dans une horloge atomique. Ils traversent alors une cavité où règne un champ micro-ondes (fréquence 9,19GHz, correspondant à l'écart entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium). Le signal d'horloge est ensuite détecté en observant l'émission de lumière de fluorescence par les atomes qui ont effectué la transition d'horloge.

Le nombre d'atomes que l'on peut refroidir est évidemment un paramètre critique, puisque ce nombre va conditionner l'intensité du signal de la mesure effectuée après refroidissement. Ce nombre est directement lié au volume de la zone de mélasse optique. Ce volume est en général limité car il est fixé expérimentalement par la taille des faisceaux lasers : les atomes n'appartenant pas à cette zone ne sont pas refroidis. Dans l'article cité ci-dessus, une mélasse d'un volume de 0,5cm3 est obtenue, contenant environ 7.106 atomes refroidis.

Par ailleurs, la solution consistant à utiliser des faisceaux lasers de plus grand diamètre (plusieurs centimètres) n'est pas satisfaisante car cette solution nécessite des rayonnements lasers intenses issus d'un laser de type titane-saphir de puissance optique supérieure à 1 Watt et de coût important.

Un autre problème posé par les sources d'atomes froids selon l'art antérieur est qu'elles mettent en oeuvre des alignements optiques très sensibles à toutes les perturbations extérieures : les faisceaux lasers sont réfléchis par des miroirs et le parfait alignement de tous les miroirs est nécessaire, tout désalignement (dû par exemple à des variations de température ambiante) entraînant un arrêt du fonctionnement de l'expérience.

Enfin, en ce qui concerne les horloges atomiques, le type d'horloge (étalon primaire) qui vient d'être décrit, bien que très précis, est très volumineux.

Par ailleurs, il existe d'autres types d'horloge atomique, dans lesquels un jet thermique d'atomes de césium est utilisé. Mais ce type d'appareil est d'une part peu précis et d'autre part encore trop volumineux. Une réduction de volume des horloges atomiques commercialisées est nécessaire, et en particulier une réduction du volume de la source d'atomes utilisés, mais ceci sans perte de précision.

Exposé de l'invention
La présente invention propose un procédé et un dispositif pour refroidir des atomes, permettant d'obtenir un nombre d'atomes refroidis plus importants qu'avec les appareils de l'art antérieur.

Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule.

Avec un tel dispositif, c'est un volume quelconque de la cellule qui baigne dans le rayonnement laser isotrope et, par conséquent, tous les atomes de ce volume sont susceptibles d'être refroidis. Ce volume n'est pas limité à l'intersection de trois faisceaux lasers, comme dans les techniques connues. En outre, le caractère isotrope du rayonnement laser permet d'accroître la vitesse de capture des atomes (c'est-àdire la vitesse maximale des atomes pouvant être refroidis) ce qui permet de disposer d'une population encore plus grande d'atomes pouvant être refroidis : le refroidissement est plus efficace et ceci peut permettre de réaliser une source d'atomes froids et de faible volume, donc avantageusement utilisable dans une horloge atomique compacte.

Selon un mode particulier de réalisation, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans la cellule comportent un récipient opaque qui contient la cellule et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir une source de rayonnement laser.

Ce dispositif permet de générer à partir d'un faisceau laser de faible puissance, un rayonnement laser isotrope permettant de refroidir un nombre important d'atomes.

Chaque source de rayonnement laser peut être constituée de l'extrémité d'une fibre optique, l'ensemble des fibres étant couplé à des moyens pour générer un faisceau laser, par exemple une diode laser.

On obtient ainsi un dispositif ne mettant en jeu que les composants de coût relativement modeste comparé aux lasers titane-saphir. Par ailleurs, ce dispositif n'est pas susceptible de se dérégler facilement, et il ne met en jeu aucun miroir dont l'alignement serait critique.

Le récipient opaque peut être de forme sphérique. De plus, les orifices qui y sont pratiqués pour recevoir des sources lasers peuvent être disposés de manière symétrique dans le récipient.

Selon un autre aspect, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope peuvent comporter un récipient opaque qui contient la cellule ainsi qu'une source laser, et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse.

L'efficacité du dispositif peut encore être améliorée en déposant un film sec sur la surface intérieure de la cellule destinée à contenir la vapeur d'atomes à refroidir.

Avec un tel film, le phénomène de collage d'un atome contre la paroi de la cellule, consécutif à une collision atome-paroi est limité dans le temps. Ainsi, lorsqu'un atome tape sur une paroi avec une vitesse supérieure à la vitesse de capture (c1 est-à-dire supérieure à la vitesse maximale des atomes pouvant être refroidis), il peut être réémis avec une vitesse inférieure à la vitesse de capture, et par conséquent être refroidi, et ceci avec une certaine probabilité il y a donc redistribution des vitesses des atomes qui entrent en collision avec la paroi.

Ce film sec peut être constitué d'octadécyltrichlorosilane.

Selon un autre aspect de 1 invention, une zone d'ombre au rayonnement laser isotrope est formé, par exemple, par un dispositif permettant l'extraction d'atomes froids hors de la cellule.

Le dispositif comporte des moyens d'extraction des atomes refroidis de la cellule, ces moyens pouvant fonctionner de manière continue ou en impulsions dans le temps. Dans le cas d'un fonctionnement continu, des moyens de collimation du flux continu d'atomes peuvent être prévus.

L'invention a également pour objet une horloge atomique qui comprend un dispositif de refroidissement d'atomes tel que décrit ci-dessus, une cavité microondes, un dispositif de détection d'un signal d'horloge et des moyens d'asservissement de la fréquence dans la cavité micro-ondes.

Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1, déjà décrite, illustre un dispositif de refroidissement selon l'art antérieur,
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif de refroidissement d'atomes selon l'invention,
- la figure 3 représente un diagramme des niveaux atomiques (et de leurs niveaux hyperfins) du césium,
- la figure 4 représente des distributions de vitesses d'atomes refroidis et d'atomes thermalisés,
- la figure 5 représente un dispositif de refroidissement d'atomes selon l'invention, avec système d'éjection d'atomes fonctionnant en continu,
- les figures 6A et 6B illustrent le principe d'un piège magnéto-optique à deux dimensions,
- la figure 7 représente schématiquement une horloge atomique dans laquelle est incorporé un dispositif de refroidissement selon la présente invention.

Description détaillée de modes de réalisation
Un premier mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 2. Sur cette figure, la référence 2 désigne une cellule destinée à contenir une vapeur d'atomes à refroidir. Cette cellule est transparente au moins à la longueur d'onde du rayonnement laser qui permet le refroidissement des atomes. Sur la figure 2 cette cellule 2 est reliée à des moyens 4 pour y introduire une vapeur d'atomes à refroidir. Cette vapeur peut être produite par exemple par dépôt d'une certaine quantité d'un matériau 6 à évaporer en liaison avec des moyens 8 pour porter ce matériau à une certaine température. Par ailleurs, la cellule peut être reliée à des moyens 10 qui permettent le pompage, par exemple en combinaison avec une pompe ionique non représentée sur la figure.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, les moyens pour transmettre un rayonnement isotrope sont essentiellement constitués par une sphère intégrante 12 dont la surface intérieure 14 permet une réflexion diffuse d'un rayonnement laser introduit dans la sphère. Plusieurs types de matériau peuvent être utilisés pour obtenir ce résultat. Le Spectralon permet de réaliser une sphère ayant des propriétés diffusantes dans la masse : ce matériau renvoie plus de 99% de la lumière incidente et est bien adapté en particulier pour des longueurs d'onde voisines de 850 nm. Une alternative peut consister à revêtir la surface intérieure 14 d'une couche d'un matériau diffusant, tel qu'une peinture par exemple à base de sulfate de baryum.

En fait, les moyens pour transmettre un rayonnement isotrope peuvent également être des moyens pour transformer un rayonnement laser en un rayonnement laser isotrope : c'est le cas de la sphère intégrante décrite ci-dessus, qui transforme, par réflexion diffuse, un rayonnement laser en rayonnement isotrope.

De tels moyens sont alors des moyens pour transformer un faisceau laser, en particulier un faisceau non isotrope, en faisceau laser isotrope et pour transmettre ce dernier à toute ou partie de la cellule. Il est également possible de disposer d'une part de moyens pour générer un faisceau laser isotrope (par exemple en transformant un faisceau laser non isotrope en faisceau isotrope) et d'autre part de moyens pour transmettre ce faisceau laser isotrope à la cellule.

Dans la sphère 12, un certain nombre d'orifices permettent d'introduire un rayonnement laser à l'intérieur de la sphère. Cette introduction peut être par exemple réalisée à l'aide de fibres optiques 16, 17, 18, ..., 23 reliées par exemple par l'intermédiaire de coupleurs optiques 24, 26 à une source laser 28.

Dans ce cas, les fibres peuvent être avantageusement des fibres multimodes, chacune permettant, à son extrémité, d'injecter dans la cellule une partie du rayonnement laser. Cette injection a lieu de préférence non pas de manière directive, mais avec une certaine ouverture a, ce qui est plutôt favorable à la production d'un rayonnement isotrope dans la cellule 2.

Selon une variante, il serait possible de remplacer la source commune 28, les coupleurs 24, 26 et les fibres optiques 16, 17, ..., 23 par des sources lasers telles que des diodes lasers directement incorporées dans des ouvertures pratiquées dans la sphère intégrante 12. Une telle configuration offre l'avantage d'une plus grande compacité par rapport à la configuration avec fibres optiques.

Enfin, il est possible d'incorporer un laser (du type diode laser) directement à l'intérieur de la sphère intégrante, le faisceau laser produit étant réfléchi et diffusé par les parois de la sphère et étant ainsi transformé en un faisceau laser isotrope.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, sont également prévus un laser 30 de repompage ainsi que des ouvertures 32, 34 pratiquées dans la sphère intégrante et qui permettent à un faisceau sonde 36 de traverser la cellule 2. Les fonctions du laser 30 et du faisceau sonde 36 sont précisées ci-dessous.

L'interaction physique rayonnement laser-atomes qui produit le refroidissement est connue et décrite dans la littérature, par exemple dans l'article de C.

MONROE et al. intitulé "Very cold atoms in a Vapor CeII", Physical Review Letters, vol. 65, pp. 1571-1574, (1990)
Tout type d'atome peut en principe être refroidi, mais la longueur d'onde du faisceau laser permettant le refroidissement doit pouvoir être accordée sur une transition atomique caractéristique des atomes en question. Des candidats particulièrement bien adaptés au refroidissement sont donc les alcalins (Na, Rb, Cs,...), les alcalino-terreux. I1 est également envisageable de refroidir des gaz rares ou des atomes à noyaux radioactifs.

En fait, la fréquence du faisceau laser est choisie légèrement inférieure à la fréquence correspondant à cette transition atomique caractéristique, pour tenir compte de l'effet Doppler.

Dans le cas d'une vapeur de césium, la transition choisie a lieu entre un des niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium (62S1/2, F=4, voir figure 3) et un niveau hyperfin (F'=5) de l'état excité 62P3/2 (voir figure 3), la longueur d'onde correspondant à cette transition étant sensiblement égale à 852 nm.

Lorsqu'il est porté dans l'état excité 62P3/2, l'atome peut se désexciter, mais la transition correspondant à cette désexcitation doit respecter la règle de sélection AF=0,+1. Par conséquent, après désexcitation, l'atome peut uniquement se retrouver dans le niveau hyperfin F=4 de l'état fondamental. Cependant, puisque le laser refroidisseur est désaccordé légèrement endessous de la transition F=4-F'=5 (pour tenir compte de l'effet Doppler), la probabilité pour que l'atome passe du niveau hyperfin F=4 de l'état fondamental vers le niveau hyperfin F'=4 de l'état excité est faible mais non nulle. Une fois qu'il est dans ce niveau hyperfin
F'=4, l'atome peut se désexciter vers l'un des niveaux
F=4 ou F=3 de l'état fondamental, du fait des règles de sélection.Dans le cas où l'atome retombe dans l'état
F=3 il y reste piégé car le niveau F=3 n'est plus résonnant avec la transition laser à 852 nm (les deux niveaux hyperfins F=4 et F=3 de l'état fondamental sont séparés par une transition d'environ 9 GHz). Pour récupérer les atomes qui sont alors piégés dans le niveau hyperfin F=3 de l'état fondamental, on utilise le laser 30 de repompage. Ce laser est par exemple accordé sur la transition 62S1/2, F=3-+62P3/2, F'=3, ce dernier niveau (F'=3) pouvant se désexciter au profit du niveau F=4 de l'état fondamental. L'atome est alors de nouveau prêt pour interagir avec le rayonnement à 852 nm.Le niveau hyperfin F=3 de l'état fondamental 62S1/2 forme donc en quelque sorte un piège dans l'état fondamental et, si la structure de l'atome choisi présente un tel état piège, il est important d'effectuer un repompage pour le bon fonctionnement du système.

A l'intérieur de la sphère 12, le rayonnement laser est distribué dans pratiquement tout l'espace, et il va subir un phénomène de diffusion sur la surface intérieure 14. Ce phénomène de diffusion n'est pas directif et permet de renvoyer le rayonnement laser dans différentes directions de l'espace. Il s'établit donc à l'intérieur de la sphère 12 un rayonnement laser isotrope dans lequel baigne la cellule 2 ainsi que la vapeur que cette dernière contient.Par conséquent, par rapport aux systèmes connus de l'art antérieur dans lesquels seuls sont ralentis les atomes qui se trouvent à l'intersection de trois faisceaux lasers établissant une configuration d'onde stationnaire, le refroidissement selon la présente invention présente au moins deux différences fondamentales : aucune configuration d'onde stationnaire directive n'est établie, et c'est un volume important (tout le volume de la cellule 2) qui est soumis au rayonnement refroidissant. En conséquence, un grand nombre d'atomes peut être refroidi, correspondant au nombre d'atomes contenus dans la cellule.

En fait, ce phénomène de refroidissement ne peut que concerner les atomes dont la vitesse se situe en-dessous d'une certaine vitesse critique Vc dite vitesse de capture. Cette limitation se retrouve dans tous les systèmes de refroidissement, y compris dans les systèmes de l'art antérieur mettant en jeu une mélasse Doppler conventionnelle. Dans ces derniers, la vitesse de capture est déterminée en comparant le désaccord par effet Doppler à la largeur naturelle de la raie atomique, et elle est de l'ordre de 5 m/s pour des faisceaux lasers de lcm de diamètre environ. Un avantage de la présente invention est de permettre de pouvoir repousser cette vitesse de capture vers une valeur supérieure. Ceci est lié au caractère isotrope du rayonnement laser.En effet, dans le dispositif de refroidissement selon l'invention, pour tout atome de vitesse V situé en un endroit quelconque à l'intérieur de la cellule 2, il existe toujours un cône de lumière ayant pour axe la direction de la vitesse de l'atome dont la fréquence dans le référentiel lié à l'atome est égale à sa fréquence de résonance. Le demi-angle au sommet O de ce cône de lumière résonnante est fixé par le décalage par effet Doppler de la fréquence laser vue dans le référentiel de l'atome.Si l'on appelle fg la fréquence de résonance atomique, fl la fréquence laser et X la longueur d'onde du rayonnement, on a la relation
Vcoso
fO = fl +~ X
Si l'on a pris soin de choisir la fréquence f1 du laser inférieure à la fréquence fg de la résonance atomique il est toujours possible de trouver un angle O qui permet de satisfaire à la condition de résonance.

Comme, par ailleurs, le rayonnement laser est isotrope, il existe, suivant la direction repérée par un angle O par rapport à la vitesse de l'atome, une onde laser de fréquence f1 qui permet donc de satisfaire à la condition de résonance.

Il faut noter, là encore, une différence fondamentale par rapport aux systèmes de refroidissement classiques, puisque dans ces derniers l'atome voit un rayonnement de fréquence constante provenant d'une direction fixée. Au contraire, dans la configuration de refroidissement en lumière isotrope, plus l'atome ralentit (v diminue) et plus l'ouverture du cône de lumière résonnante avec la transition atomique diminue pour que la condition de résonance cidessus soit toujours vérifiée (l'angle e diminue). Par contre, lorsque v augmente l'angle e devient plus large. On a donc un phénomène d'auto-adaptation qui permet d'obtenir un refroidissement plus efficace puisqu'un atome subit un rayonnement refroidissant quelle que soit sa vitesse dans la cellule.La vitesse de capture, telle qu'elle a été définie ci-dessus, est donc plus élevée, c'est-à-dire qu'il est possible de refroidir de manière efficace des atomes ayant des vitesses telles qu'ils n'auraient pas été refroidis dans une mélasse conventionnelle à trois dimensions.

Par conséquent, par rapport aux dispositifs de refroidissement classiques, le nombre d'atomes pouvant être refroidis est accru non seulement du fait du volume plus important, ainsi qu'on l'a déjà expliqué plus haut, mais aussi du fait que toute une population d'atomes ayant une vitesse supérieure à la vitesse de capture "classique" (c'est-à-dire la vitesse de capture qu'il était possible d'obtenir avec les dispositifs de l'art antérieur) est maintenant disponible pour le refroidissement. Ceci est d'autant plus important que le nombre N d'atomes ralentis est proportionnel à la puissance 4 de la vitesse de capture. En fait, il est actuellement possible d'estimer que la distance nécessaire pour arrêter un atome de vitesse initiale fixée v est au moins 4 fois plus faible dans la configuration proposée que dans une configuration conventionnelle de refroidissement.C'est ce qui permet de réaliser une source d'atomes froids produisant un grand nombre d'atomes dans un faible volume (densité d'environ 108cl~3, soit au moins 3x109 atomes refroidis dans une sphère de 4cm de diamètre pour une puissance injectée de 30mW) et donc particulièrement bien adaptée à une utilisation dans une horloge atomique compacte.

Selon un mode particulier de réalisation, les parois de la cellule 2 peuvent être dépolies à l'extérieur (par sablage) et/ou à l'intérieur (par attaque acide) et ceci afin d'éviter toute réflexion spéculaire sur les parois.

Selon un autre aspect de l'invention, il est possible de recouvrir la paroi intérieur de la cellule 2 d'un "film sec" qui permet, lors d'une collision d'un atome contenu dans la cellule avec la paroi intérieure de cette cellule, d'éviter que l'atome ne reste collé à la paroi trop longtemps. De tels films sont décrits dans l'article de M. Stephens et al., Physical Review
Letters, volume 72, pp. 3787-3790 (1994). Un film constitué d'octadécyltrichlorosilane (OTS) est particulièrement bien adapté. Pratiquement, le dépôt de ce genre de produit (qui est liquide) est relativement simple. Après une étape de dépôt d'une fine couche de produit à i'intérieur de la cellule, le dépôt est séché, et est ensuite testé en introduisant une petite goutte d'eau à l'intérieur de la cellule. La goutte ne soit pas s'accrocher à la paroi comme elle le fait sur une paroi non pourvue d'un dépôt.Ce test est qualitatif mais est efficace.

L'effet physique obtenu avec ce type de film est très intéressant, puisqu'il permet également de résoudre partiellement le problème de la limite que constitue la vitesse de capture. Lorsqu'un atome tape sur la paroi de la cellule, il colle un certain temps sur la paroi et il est réémis avec une vitesse donnée par la distribution de vitesses à la température de la cellule, c'est-à-dire en général la température ambiante (phénomène de thermalisation). Sur la figure 4, la courbe en trait plein représente la distribution de vitesses des atomes dans la cellule, après refroidissement. Cette distribution comporte un pic proche de V=0 et une partie qui correspond aux atomes qui n'ont pas pu être refroidis puisque leur vitesse est supérieure à la vitesse de capture Vc. La courbe en trait interrompu représente la distribution de vitesse des atomes thermalisés, après interaction avec la paroi.Il apparaît clairement qu'une partie de cette dernière distribution est située en-dessous de la vitesse de capture Vc. Par conséquent, l'effet de thermalisation dû à la paroi permet de redistribuer des atomes "chauds" (V > Vc) dans une classe de vitesse (V < Vc) dans laquelle ils peuvent être refroidis.

Cependant, ce phénomène ne fonctionne bien, et c'est là tout l'intérêt de la présence d'un film sec, que si le collage d'un atome sur la paroi, consécutif à la collision atome-paroi, ne dure pas trop longtemps. Or, la présence du film sec permet justement d'éviter une durée trop importante de collage. L'effet de thermalisation peut alors être efficace, et il s'ensuit un accroissement de la population d'atomes pouvant être refroidis.

Pratiquement, un dispositif de refroidissement d'atomes tel que celui illustré sur la figure 1 a été réalisé, avec une cellule 2 en verre de diamètre 4cm centrée dans une sphère intégrante 12 en matériau
Spectralon (téflon très pur), de diamètre 8cm, 14 fibres optiques débouchaient dans la sphère, ce qui correspond à des fibres disposées suivant des longitudes et des latitudes de la sphère espacées de 600. Ce nombre est par ailleurs compatible avec les coupleurs fibrés à une entrée et à 16 sorties disponibles commercialement.La source laser 28 choisie était une source laser à semi-conducteur (puissance de l'ordre de 100 mW) et de haute pureté spectrale (largeur de raie inférieure à 100 kHz) . Du fait des pertes intervenant aux différentes interfaces optiques (fibres, coupleurs) seule une puissance optique de 30 mW répartie sur les 14 fibres était injectée dans la sphère intégrante 12. La cellule 2 était préalablement pompée pour y établir un vide de 10-10 torr et la vapeur introduite était une vapeur de césium, à pression d'environ 10-9 torr. Dans de telles conditions, il a été possible d'obtenir un gaz refroidi à une température au plus de l'ordre de 120pK, avec une densité d'atomes refroidis de l'ordre d'environ 108cl~3 .

Dans le cas du césium, la population d'atomes refroidis était sondée à l'aide d'un faisceau sonde 36 (voir figure 1) permettant de mettre en évidence l'affinement d'une raie d'absorption linéaire à 852 nm (raie D2 du césium), cet affinement étant la marque du refroidissement. En fait, la largeur de raie obtenue est égale à 5 MHz, c'est-à-dire à la largeur naturelle de la raie à 852 nm du césium. Cette largeur correspond à une température de 40 mK, mais la température réelle des atomes refroidis est, comme on l'a dit ci-dessus, au plus de l'ordre 120 uK. Par conséquent, le faisceau sonde peut permettre de déterminer la densité d'atomes refroidis, mais pas leur température exacte.En fait pour un dispositif courant de refroidissement d'atomes, l'utilisation d'un faisceau sonde n'est absolument pas nécessaire et on remplace le faisceau sonde par un faisceau laser ou un dispositif permettant d'éjecter les atomes refroidis en dehors de la cellule, par exemple dans la direction z. La technique d'éjection des atomes sera décrite plus loin.

Par ailleurs, la configuration décrite cidessus (cellule 2 sphérique, sphère 12 sphérique, source laser disposée symétriquement sur la sphère 12) permet d'obtenir un rayonnement isotrope optimal.

Néanmoins, une configuration de rayonnement isotrope peut être obtenue avec un nombre plus faible de sources lasers, par exemple en n'utilisant que les deux fibres 18, 22 (voir figure 1) disposées symétriquement. Il est également possible d'obtenir un rayonnement laser isotrope à l'intérieur de la sphère en n'utilisant qu'une seule source dans un seul orifice pratiqué dans la sphère.

De même, la forme sphérique, si elle permet d'obtenir une configuration de rayonnement optimale, peut être remplacée par diverses autres formes (par exemple, une forme ellipsoïdale). Ainsi, la sphère intégrante 12 peut être remplacée en général par un récipient opaque qui contient la cellule 2 et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir au moins une source de rayonnement laser.

De même, la cellule 2 n'est pas limitée à une cellule de forme sphérique.

Il est également possible de ne plonger qu'une partie de la cellule 2 dans le rayonnement isotrope, par exemple en ne laissant qu'une partie de cette cellule transparente au rayonnement ralentisseur, 1'autre partie étant une zone dite zone d'ombre. Le refroidissement n'a alors lieu que pour les atomes qui baignent dans ce rayonnement. Cette configuration permet elle aussi, malgré la présence d'une zone d'ombre, d'obtenir un nombre d'atomes refroidis supérieur à celui de l'art antérieur et de bénéficier de l'effet (déjà décrit ci-dessus) permettant de repousser la vitesse critique à une valeur supérieure.

Le dispositif selon l'invention est tel qu'aucun problème de désalignement de composants optiques ne peut se présenter, au contraire des dispositifs de l'art antérieur qui mettent en jeu des alignements précis de miroirs. De plus, ce dispositif est insensible à des variations de la température ambiante (il n'est pas nécessaire de refroidir la paroi de la cellule 2), ainsi qu'à des variations du champ magnétique extérieur. Dans les dispositifs selon l'art antérieur, la sensibilité à toute variation de température et/ou de champ magnétique extérieur était au contraire très importante. De plus, les composants optiques sont simples : les sources lasers mises en jeu sont des sources de faible taille et de faible coût une diode laser de 100 mW est suffisante pour générer un rayonnement laser isotrope dans une sphère intégrante.Par ailleurs, il est possible d'estimer que seulement environ 30 mW de la puissance issue de cette source laser sont distribués dans la sphère intégrante, ce qui signifie qu'une puissance de 30 mW est suffisante pour obtenir un refroidissement efficace dans cette sphère.

Les atomes peuvent être éjectés de la cellule d'où ils ont été refroidis, le procédé et le dispositif pour l'éjection dépendant du mode de fonctionnement (pulsé ou continu) que l'utilisateur souhaite mettre en oeuvre.

Pour un fonctionnement en mode pulsé, le dispositif pour éjecter les atomes correspond en fait à celui décrit sur la figure 2. Il suffit de remplacer le faisceau sonde 36 par un faisceau désigné sur cette même figure 2 par la référence 46 et symbolisé par une flèche en trait interrompu, ce faisceau laser ayant une fréquence fo-Af+Af' (fo-Af est la fréquence du faisceau laser injecté dans la cellule sous forme de faisceau isotrope destiné à refroidir les atomes ; Af' est relié à la vitesse de lancement des atomes, vl, par la relation : vl~k Af', X étant la longueur d'onde du laser, k=852nm). Simultanément, un faisceau laser 48 est dirigé en sens contraire du faisceau 46, vers l'intérieur de la cellule.Ce deuxième faisceau possède une fréquence fo-Af-Af', Af' ayant été défini cidessus. Ces deux faisceaux 46, 48 créent une configuration d'ondes stationnaires qui permet de donner aux atomes refroidis une certaine vitesse suivant la direction z (voir figure 2), tout en continuant à les refroidir suivant cette même direction. Les décalages en fréquence Af et Af' peuvent être facilement obtenus à l'aide de cristaux acoustooptiques qui permettent de moduler la fréquence d'un faisceau laser. Dans une telle configuration, après refroidissement des atomes à l'aide du faisceau laser isotrope à l'intérieur de la cellule 2, ces derniers sont éjectés en impulsion, les impulsions de faisceaux lasers 46, 48 ayant une durée de l'ordre de quelques millisecondes pour des vitesses d'éjection des atomes de l'ordre de quelques mètres/seconde.

La sortie de la cellule et la zone dans laquelle le faisceau d'atomes se déplace sont maintenues dans des conditions d'ultravide à l'aide de moyens de pompage non représentés sur la figure 2.

Il est également possible d'extraire les atomes de la cellule avec un seul faisceau laser fonctionnant en impulsion : le faisceau 46 (à la fréquence fo-Af).

Cette configuration est plus simple que la précédente (elle ne nécessite pas un deuxième faisceau laser 48) mais elle induit un réchauffement progressif des atomes qui sont éjectés.

Une autre configuration d'éjection, pour un mode de fonctionnement en continu, va être décrit en liaison avec la figure 5. Sur cette figure, les références 52 et 54 désignent respectivement la cellule en matériau transparent qui contient les atomes à refroidir et une sphère intégrante. Les éléments permettant de créer un faisceau laser, qui est ensuite transformé par la sphère en faisceau laser isotrope, ne sont pas représentés en détail sur cette figure.Un faisceau laser 56, de fréquence fo-Af+Af' (les notations sont les mêmes que dans le paragraphe précédent) entre dans la sphère 54 puis dans la cellule 52 par la partie gauche de la figure 5, tandis qu'un faisceau laser 58 de fréquence fo-Af-Af' entre dans la cellule 52 et dans la sphère 54 par l'intermédiaire de deux orifices 60, 62 pratiqués respectivement dans la sphère et dans la cellule. Les faisceaux 56, 58 sont émis de façon continue dans le temps, si bien qu'il est extrait de la cellule 52 un flux continu d'atomes refroidis, qui se déplacent à une vitesse déterminée par Af'. Ainsi qu'illustré sur la figure 5, un diaphragme 64 en forme de cylindre est introduit par les orifices 60, 62. Ce diaphragme ou cylindre déborde vers l'intérieur de la cellule 52.Du fait de ce débordement, les atomes de la cellule 52, qui se trouvent à l'intérieur du cylindre 64, ne sont pas soumis au rayonnement laser isotrope refroidisseur. Une zone d'ombre est ainsi créée à l'intérieur du volume de la cellule 52, zone qui échappe au rayonnement laser isotrope. Après refroidissement, une partie des atomes refroidis diffuse peu à peu vers l'intérieur du cylindre 64. Arrivés dans le cylindre les atomes ne sont plus soumis qu'aux faisceaux lasers 56, 58, qui vont leur communiquer une certaine vitesse déterminée de la façon déjà indiquée ci-dessus (v=2Af'/k). De cette façon, une fois refroidi, l'atome échappe au rayonnement de refroidissement et peut être emmené par les faisceaux lasers 56, 58, de manière efficace.En l'absence de zone d'ombre, telle que celle créée par le cylindre 64, il se produirait, sur le trajet des faisceaux 56 et 58, une "compétition" entre ces faisceaux lasers et le rayonnement laser isotrope, les premiers ayant tendance à emmener l'atome en lui communiquant une certaine vitesse, tandis que le second a tendance à le freiner. En outre, si le cylindre 64 est constitué de graphite, il a alors également pour fonction d'empêcher les atomes "chauds" (notamment les atomes dont la vitesse est supérieure à la vitesse critique, et qui ont donc une faible probabilité d'être freinés par le rayonnement isotrope) d'être emmenés également par les faisceaux 56, 58. Ceci tient à la nature du graphite, qui permet d'adsorber les atomes "chauds" (en fait, le graphite adsorbe tous les atomes de césium qui entrent en collision avec ce matériau ; toutefois, les atomes froids ont une faible probabilité d'entrer en collision avec le graphite et ce sont principalement les atomes chauds qui sont adsorbés). Il est clair que la forme du diaphragme 64 peut être différente de celle d'un cylindre : ce peut être par exemple une forme conique, l'essentiel étant que cette forme puisse remplir sa fonction qui est de créer une zone d'ombre à l'intérieur de la cellule 52 pour le rayonnement laser isotrope.

Des moyens de pompage sont prévus (non représentés sur la figure) pour maintenir des conditions d'ultravide sur le trajet du faisceau d'atomes.

On peut ainsi produire un faisceau d'atomes froids qui se déplacent à la vitesse v vers une zone d'utilisation extérieure à la zone de refroidissement.

Cependant, le procédé d'extraction continu des atomes qui vient d'être décrit, encore appelé technique de la mélasse mouvante à une dimension, peut présenter un problème, dans la mesure où les atomes ainsi extraits peuvent avoir tendance à diffuser dans un plan perpendiculaire à la direction des faisceaux 56, 58.

Ceci est dû au fait que les faisceaux 56, 58 permettent non seulement d'extraire les atomes avec une certaine vitesse, mais également continuent à refroidir les atomes suivant une dimension pendant l'extraction. Le processus de refroidissement est toujours le même : il consiste, pour chaque atome, en une succession d'absorption du rayonnement laser, puis d'émission (fluorescence). Or, si les faisceaux lasers ont un caractère directif, l'émission garde son caractère isotrope, et elle a lieu en particulier dans les directions perpendiculaires à celles des faisceaux 56, 58.

Afin de compenser cet effet de diffusion, il peut être intéressant d'avoir recours à un piège magnéto-optique à deux dimensions, en sortie de la sphère intégrante 54. Le principe de ce piégeage va être brièvement rappelé en liaison avec les figures 6A et 6B. Si l'on appelle z la direction suivant laquelle les atomes sont éjectés par les faisceaux 56, 58, et x, y deux directions perpendiculaires dans un plan perpendiculaire à z, on établit, suivant l'axe x, (respectivement y), deux faisceaux lasers 70, 72, (respectivement 66, 68), se propageant en sens contraire l'un de l'autre, et se rencontrant dans la zone de passage du flux d'atomes éjectés hors du dispositif de refroidissement. Cette zone est désignée par la référence 74 sur la figure 6A.Les deux faisceaux se propageant suivant chaque axe x, y sont polarisés circulairement en sens contraire l'un de l'autre. Ainsi, le faisceau 70 a une polarisation circulaire négative (~) suivant l'axe des x, tandis que le faisceau 72 a une polarisation circulaire positive (a+) ; il en va de même pour les faisceaux 66 (a+) et 68 (~). Par ailleurs, un champ magnétique inhomogène est créé dans la même zone. Ce champ est tel que sa composante suivant l'axe z est quasi-nulle et ses composantes suivant les axes x et y s'annulent sur l'axe z et changent de signe de part et d'autre de cet axe. Les valeurs de ces composantes Bx et By sont représentées schématiquement sur la figure 6A, en fonction de x et y.

Des moyens pour produire un tel champ sont illustrés sur la figure 6B, où sont représentées trois paires de bobines (81, 83), (85, 87), (89, 91) montées en position anti-Helmholz, centrées sur les axes x et y. Toutes les bobines sont parcourues par un même courant I, dans le sens indiqué sur la figure 6B pour chaque bobine. Les bobines 89 et 91 ont un nombre de spires double des autres bobines (par exemple 16 spires pour les bobines 89, 91 et 8 spires pour les autres).

Pour chaque paire de bobines (89, 91), (85, 87), (81, 83), la distance entre les deux bobines est approximativement égale au rayon de ces bobines. Ainsi, pour la configuration suivante - bobines 85, 91 de rayon 24,4mm, séparées de 25mm, - bobines 81, 87 de rayon 27,4mm, séparées de 25mm, - bobines 85, 87 de rayon 22,8mm, séparées de 25mm, on obtient un gradient de 5G/cm pour un courant I~1A.

L'action combinée des faisceaux lasers polarisés et du champ magnétique inhomogène permet de créer une force de rappel qui tant à confiner les atomes sur l'axe z. Cette force de rappel n'agit pas suivant la direction z puisque le champ magnétique est nul suivant cet axe. De cette façon, on réalise un flux continu d'atomes froids bien collimatés.

Le dispositif qui vient d'être décrit, ainsi que toutes ses variantes, est particulièrement bien adapté pour être mis en oeuvre dans une horloge atomique, ainsi qu'illustré sur la figure 7. Sur cette figure, la référence 76 désigne une source d'atomes froids conforme à la présente invention, telle qu'elle vient d'être décrite, et fonctionnant en mode pulsé ou continu. Le faisceau 77 d'atomes froids extraits de cette source (atomes de césium) passe ensuite dans une cavité micro-onde 78, de forme préférentiellement cylindrique. Il règne à l'intérieur de cette cavité un champ micro-onde à la fréquence de 9,192GHz, qui correspond à la fréquence de transition entre les sousniveaux Zeeman F=3,mF=0 et F=4,mF=0 de l'état fondamental 62S1/2 de l'atome ce césium. Ainsi les atomes, au départ dans le sous-niveau F=3, sont portés dans le sous-niveau F=4.Le faisceau est ensuite dirigé vers un dispositif 80 de détection du signal d'horloge.

Dans ce dispositif, un faisceau laser est dirigé vers le faisceau d'atomes de césium, à une fréquence correspondant à la transition 625112, F=4-+62P3/2, F'=5 de l'atome de césium. Les atomes ainsi portés dans le sous-niveau F'=5 de l'état excité se désexcitent en émettant un rayonnement de fluorescence qui est détecté et qui est converti en un signal S transmis à une électronique d'asservissement 82. En fait, ce signal S permet d'établir si la fréquence de la cavité microonde est bien ajustée à la fréquence de transition entre les deux sous-niveaux Zeeman F=3,mF=0-F=4,mF=0 de l'état fondamental. Lorsque l'accord de cette fréquence est parfait, le signal de fluorescence est maximum.Au contraire, lorsque le signal S est croissant ou décroissant, l'électronique d'asservissement envoie un signal de correction de fréquence à un oscillateur à quartz 84 qui commande lui-même un dispositif 86 de synthèse de fréquence. Lorsque l'asservissement 82 est en opération, une sortie 88 permet de recueillir une fréquence étalonnée sur la fréquence de transition entre les deux sous-niveaux Zeeman F=3,mF=0-F=4,mF=0 de l'état fondamental de l'atome de césium.

L'électronique d'asservissement 82, l'oscillateur à quartz 84, et le dispositif de synthèse de fréquence 86 sont plus précisément décrits dans l'ouvrage de J. VANIER et al., intitulé "The Quantum
Physics of Atomic Frequency Standards", vol. 1, édité par Adam HILGER, Bristol and Philadelphia, 1989, chapitre 5, ≈5.4 (pages 708 à 751).

Plusieurs configurations de cavités cylindriques 78 peuvent être envisagées : cavité à un mode (mode TE011) ou cavité à N-modes (mode TEo1N).

L'invention a été décrite dans le cadre d'une utilisation avec une horloge atomique. Par ailleurs, les refroidissements d'atomes à très basse température possèdent d'autres applications, puisqu'il est par exemple possible de réaliser des cavités à ondes atomiques analogues aux cavités Fabry-Pérot de l'optique. En outre, une source d'atomes froids trouve une application directe dans le domaine de l'étude des propriétés de la matière à très basse température. Pour toutes ces applications, la source d'atomes froids selon la présente invention est extrêmement intéressante, puisqu'elle permet de refroidir tous les atomes (de vitesse inférieure à la vitesse critique) contenus dans une cellule de volume donné. Le nombre d'atomes froids ainsi engendrés est nettement supérieur au nombre d'atomes froids engendrés par des techniques conventionnelles (mélasse à trois dimensions) . En outre, le dispositif qui a été décrit n'est pas sensible au problème d'alignement, de dérive de la température ou du champ magnétique, et il ne met en jeu que des composants de coût relativement modeste (sphère intégrante, cellule en verre, fibre optique, diode laser, laser d'extraction).

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour le refroidissement, en trois dimensions, d'une vapeur d'atomes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule (2) pour contenir la vapeur d'atomes à refroidir et des moyens (12) pour transmettre un rayonnement laser isotrope dans au moins une partie de la cellule.

2. Dispositif selon la revendication 1, les moyens pour transmettre un rayonnement laser isotrope comportant un récipient opaque qui contient la cellule (2) et dont la surface intérieure (14) présente des propriétés de réflexion diffuse ainsi qu'au moins un orifice destiné à recevoir une source de rayonnement laser.

3. Dispositif selon la revendication 2, chaque source de rayonnement laser étant constituée par l'extrémité d'une fibre optique (16, 17, ..., 23), l'ensemble des fibres étant couplé à des moyens (28) pour générer un faisceau laser.

4. Dispositif selon la revendication 2, le récipient opaque étant de forme sphérique.

5. Dispositif selon la revendication 4, les orifices étant disposés de manière symétrique dans la sphère.

6. Dispositif selon la revendication 1, les moyens pour - transmettre un rayonnement laser isotrope comportant un récipient opaque qui contient la cellule (2) ainsi qu'une source laser, et dont la surface intérieure présente des propriétés de réflexion diffuse.

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, la surface intérieure de la cellule (2) étant recouverte d'un film sec.

8. Dispositif selon la revendication 7, le film sec étant constitué d'octadécyltrichlorosilane.

9. Dispositif selon l'une des revendication précédentes, comportant une zone d'ombre au rayonnement laser isotrope.

10. Dispositif selon la revendication 9, la zone d'ombre étant formée par un dispositif (64) permettant d'extraction des atomes froids hors de la cellule.

11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens (47, 48, 56, 58, 64) pour extraire les atomes refroidis de la cellule.

12. Dispositif selon la revendication 11, les moyens d'extraction des atomes fonctionnant de manière continue dans le temps.

13. Dispositif selon la revendication 12, comportant en outre des moyens (66, 68, 70, 72) pour collimater un flux continu d'atomes froids extraits de la cellule.

14. Dispositif selon la revendication 11, fonctionnant en impulsions dans le temps.

15. Horloge atomique comportant un dispositif (76) de refroidissement d'atome selon une des revendications 11 à 14, une cavité micro-ondes (78), un dispositif (80) de détection de signal d'horloge et des moyens (82, 84, 86) d'asservissement de la fréquence dans la cavité micro-ondes.