High Contrast Coherent Population Trapping Resonances in Cs Vapour Cells with A Simple-Architecture Laser System.
Système laser d'architecture simple par la détection de résonances à piégeage cohérent de population en cellules à vapeur de césium.
Résumé
This thesis reports the development of a simple-architecture laser system resonant at 895 nm used for the detection of high-contrast coherent population trapping (CPT) resonances in Cs vapor cells. The laser system combines a distributed feedback-diode (DFB) laser, a pigtailed Mach-Zehnder intensity electro-optic modulator (EOM) driven at 4.596 GHz for the generation of optical sidebands frequency-splitted by 9.192 GHz and a Michelson delay-line system to produce a bichromatic optical field that alternates between right and left circular polarization. This polarization pumping scheme, pioneerly proposed by Happer's group in Princeton on K atoms, allows to pump optically a maximum number of Cs atoms into the 0-0 magnetic field insensitive clock transition. Advanced noise reduction techniques were implemented in order to stabilize the laser power, the optical carrier suppression at the output of the EOM and the DFB laser frequency. Using this system, we demonstrated the detection of CPT resonances with a contrast of 80% in cm-scale Cs vapor cells. This contrast was measured to be increased until a saturation effect with the laser power at the expense of the CPT line broandening. To circumvent this issue, we proposed with a simple setup Ramsey spectroscopy of CPT resonances in vapor cells to combine high-contrast and narrow linewidth of the CPT resonances. In this setup, the EOM is used both for optical sidebands generation and light switch to produce Ramsey interaction. Ramsey fringes of 166 Hz linewidth with a contrast better than 30% were detected with this setup. This laser system will be in a near future devoted to be used for the development of a high-performance CPT-based atomic clock.
Cette these reporte le développement d'un système d'architecture simple, resonant à 895 nm, utilisé pour la detection de resonances à piégeage coherent de population (CPT) de fort contraste dans des cellules à vapeur de cesium. Le système laser combine une diode laser DFB, un modulateur électro-optique d'intensité type Mach-Zehnder piloté à 4.596 GHz pour la génération de bandes latérales optiques séparées de 9.192 GHz et un système de type Michelson pour produire à terme un champ optique bichroamatique dont la polarisation est alternativement circulaire gauche et circulaire droite au rythme de la fréquence de Bohr des atomes. Ce schéma de polarisation CPT optimisé, proposé par le groupe de Happer à Princeton en 2004, permet de pomper optiquement un grand nombre d'atomes sur la transition d'horloge entre les sous-niveaux Zeeman 0-0 de l'état fondamental. Des techniques avancées ont été implémentées pour stabiliser la puissance laser, la suppression de porteuse optique en sortie de l'EOM et la fréquence laser. En utilisant ce montage, nous avons démontré la détection de résonances CPT avec un contraste de 80% dans des cellules Cs de dimensions centimétriques. Le contraste augmente avec la puissance laser au dépit d'un élargissement de la résonance CPT. Pour contourner ce problème, nous avons proposé la spectroscopie Ramsey de résonances CPT pour combiner fort contraste et faible largeur de raie. Dans ce montage, l'EOM est utilisé et pour la génération de bandes latérales optiques et comme un obturateur de lumière pour produire l'interaction Ramsey. Des franges de Ramsey de largeur 166 Hz et de contraste supérieur à 30% ont été détectées avec ce système. Ce système laser sera utilisé dans un future proche au sein d'une horloge atomique CPT de haute-performance.
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