Brevet FR2506531A1 — publié le 19821126

ETALON ATOMIQUE DE FREQUENCE A POMPAGE OPTIQUE La présente invention se rapporte aux étalons atomiques de fréquence. Elle concerne plus particulièrement un étalon atomique de fréquence à pompage optique présentant une faible constante de temps de l'asservissement. Les étalons atomiques de fréquence à pompage optique sont bien connus. Ils comportent essentiellement, comme le montre la figure 1, un dispositif de pompage optique 10 avec un détecteur de lumière 24, un oscillateur à quartz 12 et une électronique 14. Celle-ci a la double fonction de produire, à partir du signal fourni par l'oscillteur 12,une onde haute fréquence qui est appliquée au dispositif 10 et de comparer, à partir du signal fourni par le détecteur 24, la fréquence de resonan- ce du système atomique a celle de l'oscillateur pour l'as- servissement de cette dernière. Dans le dispositif 10, on produit par pompage optique une inversion de population entre les niveaux hyperfins de l'étant fondamental d'atomes qui sont généralement des métaux alcalins tels que le potassium, le sodium ou le rubidium. Dans le cas d'un étalon de fréquence au rubidium (Rb), l'un des montages classiques de pompage optique est le suivant. Une cellule 16, soumise à un champ magnétique constant, contient l'isotope Rb 87 dont le spectre comprend les deux composants hyperfins A et B. La cellule est illuminée par une lampe 18 au rubidium 87 à travers un filtre 20 qui contient l'isotopé Rb 85 dont le spectre d'absorption comporte les composants hyperfins a et b. Les composants A et a sont pratiquement en coinci- dence, tandis que les composants B et b sont complètement séparés.Le composant A du spectre d'émission de la lampe 18 est ainsi éliminé par le filtre 20, de sorte que la lumière qui atteint la cellule 16 est constituée en majeure partie par la raie B. Seuls les atomes de Rb 87 de la cellule 16 situés dans le niveau hyperfin inférieur tF=l) absorbent de la lumière et sont portés dans des états su périeurs. Ils retournent par émission spontanée soit sur le niveau hyperfin supérieur (F=2) soit sur le niveau hyperfin inférieur. Comme les atomes sont aussitat excités par l'arrivée de la lumière, le niveau inférieur (F=1) se vide au profit du niveau supérieur (F:2) Il se réalise alors l'inversion de population entre ces deux niveaux et, de ce fait, la cellule 16 devient pratiquement transparente au rayonnement de la lampe 18.La cellule 16 est disposée dans une cavité micro-onde 22 qui est excitée à une fréquence proche de 6835 MHz, correspondant à l'énergie de séparation des niveaux hyperfins F=l, mF=o et F=2, mF=o, ce qui provoque la transition hyperfine, accompagnée d'une émission stimulée de rayonnement électromagnétique entre ces deux niveaux. Dès que les atomes qui participent à l'émission stimulée arrivent sur le niveau hyperfin inférieur (F=l), ils sont pompés optiquement et portés dans les états excités. Plus le nombre de transitions stimulées est grand, plus la quantité de lumière absorbée dans la cellule 16 est grande, plus la quantité de lumière arrivant sur une cellule photoélectrique 24 est petite et plus le courant dans la cellule photoélectrique 24 sera petit.Ce courant photoélectrique passe par un minimum lorsque la fréquence du signal d'excitation de la cavité est exactement égale à la fréquence de transition. Les parois de la cellule 16 sont avantageusement revêtues d'une couche dite "non-désorientante", destinée à éliminer la désorientation de spin des atomes lorsqu' ils entrent en collision avec les parois. Cette couche permet d'augmenter sensiblement la durée d'interaction des atomes de la cellule avec le champ micro-onde et donc d'avoir une raie étroite d'absorption de la lumière dans la cellule 76. L'oscillateur à quartz 12 produit un signal à 5 MHz. Ce signal est modulé dans un modulateur de phase 26 à une fréquence relativement basse (typiquement de l'ordre de 100 Hz) produite par un générateur BF 28. Le signal modulé est appliqué à un multiplicateur 30 pour ob tenir un signal ayant la fréquence de l'émission stimulée de 6835 MHz. C'est ce signal qui est utilisé pour exciter la cavité micro-onde 22. Le signal délivré par la cellule photoélectrique 24 est amplifié en 32, puis appliqué à un détecteur synchrone 34 qui reçoit également un signal du générateur BF 28 de manière à effectuer une détection synchrone permettant de détecter si la fréquence porteuse du signal appliqué à la cavité 22 est bien centrée sur la fréquence de la transition hyperfine (6835). Tout décalage se traduit par un signal d'erreur à la sortie du comparateur de phase 34. Ce signal est amené à un intégrateur 36, puis utilisé pour commander une capacité variable 38 couplée à l'oscillateur 12 et qui modifie la fréquence de celui-ci de manière à maintenir l'harmonique du quartz centrée sur la fréquence de la transition hyperfine du rubidium. Les étalons de fréquence du type ci-dessus sont systématiquement conçus pour obtenir des performances de stabilité les plus hautes possibles. La largeur de la raie d'absorption est donc relativement faible (de l'ordre de 300 Hzj, ce qui oblige à utiliser des fréquences de modulation relativement faibles (généralement inférieures à 200 Hz). La conséquence immédiate de cette modulation à basse fréquence est que la constante de temps de l'asservissement est relativement élevée (généralement supérieure à 100 millisecondes). L'objet de la présente invention est de fournir un étalon de fréquence ayant une constante de temps de l'asservissement notablement plus faible que celle des étalons cidessus, de manière à avoir une stabilité de fréquence qui, sans atteindre celle des étalons de haute performance, est néanmoins tout à fait suffisante dans des applications en environnement défaborable (vibrations, chocs) ou dans des domaines tels que la navigation et les communications. La diminution de la constante de temps de l'asservissement par utilisation d'une fréquence de modulation relativement élevée implique donc que la largeur de la raie d'absorption soit augmentée. I1 faut immédiatement indiquer qu'un élargissement de la raie d'émission pourrait être obtenu en éliminant la couche "non désorientante" qui recouvre les parois de la cellule. Cette solution ne peut cependant pas être retenue, car elle abaisserait le rapport signal/bruit à une valeur inacceptable. Le but de la présente invention est donc de proposer un étalon de fréquence compact et pratique, à asservissement rapide, pouvant fonctionner dans un environnement défaborable. Ce but est réalisé par l'utilisation d'une onde électromagnétique progressive ayant pour effet d'élargir la raie d'absorption de la cellule par effet Doppler, ce qui permet de travailler avec des fréquences de modulation élevées et de réduire ainsi la constante de temps de l'asservissement. Le dessin montre, à titre d'exemple, une réalisation de l'étalon de fréquence selon l'invention. La figure 1, déjà citée, montre l'état de la technique. La figure 2 est une vue en coupe de l'étalon de fréquence selon l'invention. La figure 3 montre la raie d'absorption d'un dispositif selon l'invention comparée à celle d'un étalon connu. I1 peut être distingué en 1 sur la figure 2, l'os- cillateur radiofréquence alimentant la bobine d'excitation la de la lampe 2. Cette dernière contient essentiellement du Rb 87 ainsi que de l'argon à la pression de 2 Torr servant de gaz d'amorce. En face de la lampe 2 se trouve un filtre 3 formé d'une cellule 3a dans laquelle se trouve du Rb 85 et un gaz tampon (de l'argon à la pression de 50 Torr). Ce dernier gaz a pour but d'élargir et de déplacer la bande d'absorption du filtre 3. Disposée dans l'axe formé par la lampe 2 et le filtre 3 se trouve une cellule d'absorption 4. Celle-ci, dans l'exemple décrit, forme une construction monobloc avec le filtre 3. n'étant séparée de celui-ci que par la paroi aa. La cellule 4 est recouverte d'une couche non désorientante" 4b. Celle-ci peut être avantageusement un organo-silane dérivé du dichlorodiméthyl-silane obtenu dans le commerce sous le nom ae Dry Film (eneral Electric), des silicones, du polyéthylène ou du polyéthylène deutéré (CD2)n Une boucle micro-onde, au plan perpendiculaire à l'axe lampe-cellule, entoure la cellule 4.En regard de cette dernière, et disposée perpendiculèrement à l'axe lampe-cellule, se trouve une cellule photo-électrique 6. Une bobine 7, entourant l'ensemble filtre 3, cellule 4, crée un champ magnétique constant à l'intérieur de la cellule 4. Des écrans magnétiques 8 et 9 isolent les filtre, 3, cellule 4 et lampe 2 de l'influence de champs magneti- ques extérieurs. Une entrée micro-onde 5a permet l'alimentation de la boucle 5. La boucle 5 peut aussi comprendre une diode SRD (step recovery diode) de manière à etre alimentée en fréquence relativement basse. La diode a pour but de multiplier la fréquence dans la boucle 5, ce qui permet une miniaturisation de 1 'électronique. Enfin, la cellule photo-électrique 6 est reliée à l'électronique de commande 14 par des sorties 11. Le fonctionnement de l'étalon de fréquence selon l'invention est le suivant Comme dans le montage classique, la lampe 2 émet de la lumière contenant les composants spectraux A et B. Le composant A étant filtré par le filtre 3, seul le composant B atteint la cellule à Rb 87, 4. I1 vide, comme dans le cas classique, le niveau hyperfin F=l par pompage optique. Une excitation micro-onde de 6835 MHz, provoquée par la boucle 5, fait, comme dans le montage classique, retomber les atomes de Rb 87, qui peuplaient le niveau hyperfin F=2, mF=o, sur le niveau F=l, mF=o. Le remplissage de ce dernier ni veau diminue la transparence de la cellule 4, phénomène détecté par la cellule 6, permettant l'accord de l'excita- tion micro-onde sur la fréquence de transition hyperfine. Dans un étalon de freqllence à Rb 87 connu, la cellule est disposée dans une cavité micro-onde. 'onde élec- tromagnétique est stationnaire t les atomes voient un champ de phase constante. I1 nty a donc pas d'élargissement par effet Doppler de la raie d'absorption. Cette raie a une largeur typique d'environ 300 Hz, ce qui oblige pour la détection d'utiliser des fréquences de modulation basses (typiquement 137 Hz). La conséquence directe de cette modulation basse fréquence est une constante de temps de l'asservissement relativement élevée (supérieure à 100 millisecondes). Dans l'étalon de fréquence décrit, la cellule est soumise à une onde électromagnétique progressive émise par la boucle 5. Les atomes de la cellule ne sont plus soumis à un champ électromagnétique de phase constante mais au contraire à un champ de phase variable. I1 en résulte que la raie d'absorption de la cellule est élargie par effet Doppler. La largeur de la raie d'absorption est alors typiquement de 4,5 kHz, ce qui permet une fréquence de modulation supérieure à 1 kHz. La constante de temps de l'asservissement peut descendre jusqu'aux environs de 1 milliseconde. I1 peut être observé sur la figure 3 la raie élargie 41 du dispositif à onde progressive décrit comparée à la raie normale 42 d'un dispositif connu. Des essais expérimentaux ont montré que la dérive à long terme d'un tel étalon de fréquence à onde progressive est plus faible que l.l0-ll/mois. Le rapport signal/ bruit reste cependant favorable; il est typiquement de 3000. La stabilité de fréquence (variance ALLAN mesurée) est typiquement ay (T) = l.lo 10. T 2, pour 1 Le système à onde progressive selon l'invention présente en plus de la faible constante de temps de l'asservissement, les autres avantages suivants - L'élimination de la cavité micro-onde et son remplacement par une boucle permet de réduire considérablement le volume de la cellule d'absorption. I1 est de 3 3 1 cm alors que celui des systèmes connus est de 50 cm . La miniaturisation est une qualité essentielle pour des applications telles que navigation aérienne et spaciale, communications... - L'élimination de la cavité micro-onde supprime la nécessité d'accorder la cavité et la cellule,ce qui simplifie grandement la fabrication d'étalons de fréquence à rubidium et abaisse le taux de rejets élevé dans les dispositifs connus. - Une boucle est beaucoup plus aisée à fabriquer et moins onéreuse qu'une cavité micro-onde. L'utilisation d'une couche "non désorientante" assure une fréquence de sortie plus reproductible. La -re- productibilité d'un étalon du type décrit ayant une cellule 3 -8 de 1 cm est de 5.10 ,alors qu un étalon classique n'uti- lisant pas une couche "non-désorientante" mais un gaz tampon a une reproductibilité de 1.10 6 Ces meilleures performances permettent l'utilisation d'un synthétiseur de fréquence plus simple. Il est évident que l'effet d'une onde progressive n'a lieu que pour une cellule à atomes en mouvement, c'està-dire à parois revêtues d'une couche "non désorientante" et non pour une cellule à gaz tampon où les atomes sont pratiquement immobiles Enfin, il est clair que la simple boucle microonde 5 décrite dans l'exemple ci-dessus peut être remplacée par tout système permettant de fournir une onde progressive engendrant l'élargissement de la raie d'absorption et, par voie de conséquence,l'abaissement de la constante de temps de l'asservissement. REVENDICATIONS 1. Etalon de fréquence à faible constante de temps d'asservissement, comprenant - un dispositif de pompage optique (10) comportant une source de lumière de composante spectrale déterminée (2,3), une cellule (4) contenant un métal alcalin sous forme gazeuse disposée pour recevoir ladite lumière et intérieurement revêtue d'une couche non-désorientante (4b), des moyens (6) pour détecter la lumière transmise par la cellule et produire un signal de détection représentatif de cette transmission et des moyens pour appliquer à ladite cellule un champ magnétique sensiblement constant; - un système (12, 26, 30) pour soumettre ladite cellule à une onde électromagnétique induisant une transition spectrale hyperfine des atomes dudit métal qui augmente l'absorption de ladite lumière par la cellule; et - des moyens d'asservissement (32, 34, 36, 38) répondant aux variations dudit signal de détection pour modifier la fréquence de ladite onde de façon à la centrer sensiblement sur la fréquence de la transition spectrale hyperfine, caractérisé en ce que ledit système est adapté à produire une onde électromagnétique progressive de manière à élargir la raie d'absorption de la cellule par effet Doppler afin de permettre de diminuer la constante de temps d'asservissement. 2. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système comporte une boucle (5). 3. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit système comporte, en outre, une diode SRD connectée en série avec ladite boucle. 4. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche non-désorientante comprend du polyéthylène. 5. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche non-désorientante comprend un organo-silane. 6. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche non-désorientante comprend un silicone. 7. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite source de lumière comprend une lampe à vapeur de métal alcalin (2) et un filtre isotopique (3). 8. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite lampe est une lampe au Rb 87, que ledit filtre comporte une cellule de Rb 85 et que ladite cellule est une cellule à Rb 87. 9. Etalon atomique de fréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit filtre et ladite cellule forment un tout monobloc.