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«Réalisation de sources lasers à l’état solide, mise en évidence du phénomène LIAD : application au développement d’une horloge optique à atomes neutres d’argent» par Jean-Philippe Loisel

Présentée par : Monsieur Jean-Philippe LOISEL Discipline : Optique photonique Laboratoire : LISV

Résumé :
Les possibilités remarquables offertes par les techniques de refroidissement laser et de piégeage ont permis des avancées significatives dans le domaine des références de fréquence à base d'atomes neutres. Parmi les différents systèmes permettant d'accéder à des valeurs de stabilité et précision élevées, l'atome d'argent est considéré comme l'un des candidats les plus prometteurs comme référence optique de fréquence. Cette thèse traite du développement d'une horloge basée sur des atomes neutres d'Ag. La transition 4d105s2 S1/2 > 4d95s2 2D5/2 dans l'Argent peut fournir une référence de fréquence pour les raisons suivantes : le niveau métastable 2D5/2, qui se relaxe par émission d'un photon quadripolaire électrique à 330.5 nm, possède une durée de vie estimée à 0.2 s, correspondant à une largeur de raie naturelle très faible de 0.8 Hz. Il est par conséquent possible de bénéficier d'un temps d'interaction long pour le dispositif de fontaine atomique. De plus, cet état est accessible par une transition à 2 photons à 661.2 nm, ce qui permet d'éliminer l'effet Doppler qui est du 1er ordre. Comme aspect technique important, les fréquences nécessaires pour la transition d'horloge et pour le refroidissement des atomes d'argent (raie D2 à 328 nm) peuvent être obtenues avec le même cristal de NdYLF (émission possible à 1322 nm/1312 nm). Ce travail de thèse détaille la réalisation des sources nécessaires au refroidissement des atomes d'argent et à la transition d'horloge à l'aide d'un cristal de NdYLF pompé par diode et par deux étapes de doublage de fréquence intracavité. Par ailleurs, le phénomène LIAD y est présenté comme un compromis intéressant dans la conception d'une horloge atomique optique.

Abstract :
The remarkable capabilities of laser cooling and trapping techniques for neutral atoms have led to great advances in the field of neutral atom-based frequency standards. Among the several atomic systems affording excellent prospects of high stability and accuracy in the optical region, the silver atom is regarded as one of the most promising candidates for an optical frequency standard. This thesis deals with the development of a clock based on neutral silver atoms. The Ag 4d105s2 S1/2 > 4d95s2 2D5/2 transition provides an attractive frequency standard for the following reasons : the 2D5/2 metastable level, which decays by emission of electric quadrupole radiation at 330.5 nm, has an estimated lifetime of 0.2 s, corresponding to an ultralow natural linewidth of only 0.8 Hz. It’s therefore possible to benefit from the long interaction time in an atomic fountain setup. Furthermore, the long-lived state is accessible with a two-photon transition at 661.2 nm, providing a first-order Doppler-free interaction with atoms whatever their velocity. As an important technical aspect, the frequency needed to drive the clock transition and to cool the silver atoms (D2 line at 328 nm) can be provided by the same crystal Nd:YLF from which both 1322 nm and 1312 nm emissions can be generated. This work details especially the realization of the laser sources for both cooling silver atoms and driving the clock transition by diode-pumped Nd-YLF crystal and intracavity frequency doubling operation in two steps (second and fourth harmonic generation). Moreover, the Light Induced Atomic Desorption (LIAD) phenomenon is presented as an interesting compromise in the design of optical atomic clock.

Informations complémentaires
François BALEMBOIS, Professeur des Universités, à l’Institut d’Optique Graduate School - Palaiseau - Rapporteur
Marin NENCHEV, Professeur des Universités, à l’Université Technique de Sofia - Plovdlv (Bulgarie) - Rapporteur
Pierre-Richard DAHOO, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Département de Physique - Versailles - Directeur de thèse
Suat TOPCU, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en- Yvelines/Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - Versailles - Co-Directeur de thèse
Yasser ALAYLI, Professeur des Universités, à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines/Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - Velizy - Examinateur
Jean-Christophe CHANTELOUP, Chargé de Recherche, Habilité à Diriger des Recherches, à l’Ecole Poyltechnique/Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) - Palaiseau - Examinateur
Patrick JUNCAR, Professeur des Universités, à l’Institut National de Métrologie (INM)/Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE)/CNAM - La Plaine St-Denis - Examinateur

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