Brevet FR2582172A1 — publié le 19861121

Procédé et dispositif de commande de la fréquence d'un standard de fréquence de faisceau atomique ou moléculaire. La présente invention se rapporte à un procédé de commande de la fréquence d'un standard de fréquence comportant un circuit à faisceau atomique ou moléculaire avec deux cavités alimentées par un champ électromagnétique, dont la fréquence est modulée en temps de manière substantiellement sinusoïdale autour d'une fréquence d'interrogation proche de la fréquence caractéristique d'une transition choisie des atomes ou des molécules dudit faisceau, un courant étant généré dans ledit circuit propor- tionnellement au nombre d'atomes ou de molécules du faisceau qui ont traversé ladite transition suite à leur passage à travers les cavités; le procédé comportant les phases consistant à: - générer un signal de commande en fonction d'une caractéristique détectée présélectionnée dudit courant, et - modifier la fréquence dudit champ en fonction dudit signal de commande, de façon à minimiser la différence entre ladite fréquence caractéristique et la fréquence d'interrogation. Un tel procédé est couramment utilisé dans les dispositifs à faisceau de Césium, par exemple tels que décrits dans les brevets US N 2 972 115 et 3 354 307. Un tel dispositif est représenté sur la figure I des dessins annexés. Un tel circuit comporte une source I (four) qui génère un faisceau atomique au Césium 2 et l'émet au travers d'une première paire de pièces polaires magnétiques déflectrices 3a et 3b, qui engendrent un champ magnétique fortement hétérogène. Ledit champ magnétique sépare spacia- lement les atomes qui sont en l'état énergétique ayant une direction donnée du moment magnétique des atomes qui ont la direction opposée du moment magnétique. Les atomes sélectionnés 2a interagissent immédiatement après, dans deux cavités résonantes à micro-ondes 4a,4b successives, avec une radiation électromagnétique d'une fréquence i proche de la fréquence apte à causer la transition ou le changement d'état (inversion de la direction du moment magnétique de "spin") desdits atomes. Plus la fréquence de ladite radiation est proche de la fréquence caractéristique de transition du Césium (9.192.631.770 Hz), plus le nombre d'atomes qui voient leur moment magnétique inversé est grand, ce qui 82172 provoque le changement d'état. Une deuxième paire de pièces polaires magnétiques de déflection a,5b affecte les atomes 2a qui émergent de la deuxième cavité 4b, de telle sorte que seulement les atomes 2b qui ont traversé l'inversion de moment magnétique peuvent atteindre un détecteur 6. Le détecteur produit, de manière connue, un courant I propor- tionnel au nombre d'atomes incidents. D'un point de vue fonctionnel, le dispositif à rayon de Césium de la figure 1 peut être considéré dans la description qui va suivre comme un "bloc" D (figure 2) caractérisé par une fonction de transfert connue qui relie le courant de sortie I à la fréquence d'interrogation d'entrée. Ladite fonction de transfert est bien connue et sera décrite plus avant dans ce qui suit. Sur la figure 3 est illustré un standard de fréquence, comportant un tube au Césium D du type tel que décrit en référence aux figures 1 et 2. La figure 3 montre un modulateur de phase 10, qui module la fréquence (par exemple 5 MHz) du signal qui lui est appliqué par un oscillateur commandé en tension (VCO). La fréquence du VCO 11 est donc modulée dans le temps par une onde sinusoïdale de fréquence fm obtenue à partir d'un oscillateur à signaux carrés 12 à fréquence 2fm. La sortie de cet oscillateur est appliquée à deux diviseurs de fréquence 13,14 qui divisent par deux la fréquence d'entrée et émettent par suite en sortie un signal à ondes carrées à fréquence fm. La sortie du diviseur 13 est appliquée à un filtre passe-bas 15, dont la sortie fournit un signal pratiquement sinusoïdal à la fréquence fm pour le modulateur 10. Le signal modulé en fréquence produit par le modulateur 10 est élevé en fréquence par exemple au moyen d'un multiplieur de fréquence 16, qui alimente le tube au Césium D avec un signal dont la fréquence est modulée de manière sinusoYdale en temps autour d'une fréquence d'interro- gation proche de la fréquence de résonance caractéristique du Césium. Le courant I généré par le détecteur 6 est appliqué à un amplificateur sélectif 17, qui extrait et amplifie dudit courant uniquement la composante d'onde sinusoïdale dont la fréquence est le premier harmoni- que de la fréquence de modulation appliquée dans le modulateur 10, c'est-à-dire la fréquence fm. Les sorties de l'amplificateur 17 et du diviseur de fréquence 14 sonttoutesdeux connectées à un démodulateur de phase cohérent 18, d'un 82172 modèleconnu, dont la sortie est appliquée à amplificateur-intégrateur 19, à son tour connecté à l'entrée de commande du VCO 11. Sur la figure 4 des dessins joints sont représentées une série de formes d'ondes pour expliquer le fonctionnement d'à la fois un standard de fréquence à faisceau de Césium de type connu, et un standard réalisé conformément à la présente invention. En particulier, sur la figure 4, la courbe de I montrée comme une fonction de la fréquence de f est la courbe dite de Ramsey (diagramme), qui est la fonction de transfert d'un tube à faisceau de Césium. Lesdites courbes font apparaître un pic central à la fréquence fcs, qui est de 9.192.631.770 Hz pour la transition entre les sous-niveaux de Zeeman entre F = 3, mF = 0 et F = 4, mF = 0. Au-dessus et en-dessous de la courbe de Ramsey sur la figure 4 se trouvent deux graphiques illustrant la variation en temps de la fréquence de modulation f appliquée au tube au Césium D. Sur le graphique situé sous la courbe de Ramsey sont montrées deux variations sinusoïdales différentes de i, repérées 0(i) et; (3) dans les deux cas la variation en temps de 9 est centrée vers fcs. En supposant que la fréquence du signal appliquée au tube Césium D est modulée selon i (1) ou i (3) du graphique inférieur de la figure 4, le courant I généré par le détecteur 6 aura, en fonction du temps t, les formes d'ondes montrées par les courbes I(1) et I(3) de la figure 4 respectivement. On peut voir que, si la fréquence de modulation est parfaitement centrée autour du pic central de la courbe de Ramsey, le courant produit par le détecteur du tube Césium contient seulement des harmoniques pairs de la fréquence de mosulation fm. En conséquence dans un tel cas, l'amplificateur sélectif 17 a idéalement un signal nul en sortie et la fréquence du VCO 11 n'est pas modifiée. A contrario, si la fréquence modulée) n'est pas centrée autour du pic central du diagramme de Ramsey, comme montré sur la graphique au dessus de la courbe de Ramsey sur la figure 4, le détecteur du tube Césium retiendra un courant avec les formes d'onde montrées par les courbes I'(1) et I'(3) sur la figure 4 respectivement. Les courbes I'(1) et I'(3) de la figure 4 montrent que, si la (3) fréquence de modulation n'est pas centrée sur le pic central de Ramsey, le courant produit par le détecteur comporte des harmoniques impairs de la fréquence de modulation. En particulier I'(1) montre essentiellement une 82172 composante harmonique un. Dans ce cas l'amplificateur sélectif 17 de la figure 3 est accordé pour extraire du courant I la composante à fréquence fm, qui est ensuite modulée en amplitude et signe par le démodulateur de phase cohérent 18. A la sortie de ce dernier apparaît ensuite un signal à la fréquence 2 fm, qui est basiquement un signal sinusoïdal rectifié en double-onde, à fréquence fm. Le signal est amplifié et intégré dans l'amplificateur 19 qui est ensuite utilisé pour commander la fréquence du VCO 11. Néanmoins, le mode opératoire décrit ci-dessus du standard de la figure 5 est quelque peu idéalisé, puisqu'il n'a pas été tenu compte de l'effet des transitions de Cesium adjacentes à celles à fréquence fcs. La figure 5 montre les courbes dites de Rabi qui représentent le courant de sortie du tube D en fonction de la fréquence f en abscisses, pour les trois transitions centrales des atomes de Césium. La ligne centrale de Rabi, centrée sur la fréquence fcs correspond aux transitions entre les sous-niveaux de Zeeman indiqués ci-dessus. La courbe de gauche au contraire correspond à la transition entre les sous-niveaux à F = 4, mF = -1 et à F = 3, mF = -1, o la courbe de droite correspond à la transition entre les sous-niveaux à F = 4, mF = 1 et à F = 3, mF = 1. Dans le cas idéal o ces deux courbes latérales sont égales et symétriques par rapport à la courbe centrale, et dans l'intervalle de fréquences F centré autour du pic central de Ramsey, les "ailes" ou "queues" des courbes latérales (qui dans cet intervalle peuvent bien être évaluées par un segment de ligne droite) s'ajoutent, donnant en résultat un segment horizontal rectiligne, indiqué par R sur la figure 3. Cependant, dans la réalité, les queues desdites courbes correspon- dant aux transitions adjacentes s'ajoutent, donnant en résultat dans l'inter- valle F un segment rectiligne R' avec une courbe finie, généralement différente de zéro. Dans le cas idéal, l'effet des transitions adjacentes ne pose pas de problème; comme déjà indiqué, leur fonction de transfert combinée est donnée par un segment rectiligne horizontal, qui ne change pas la compo- sante harmonique du courant de sortie du tube. Dans la réalité, la fonction de transfert combinée des ailes adjacentes a au contraire une pente généralement non égale à zéro; par suite de telles transitions induisent une composante harmonique un dans le 82172 courant de sortie I du tube, même lorsque la fréquence modulée est réellement centrée sur la fréquence caractéristique de la transition excitée. En général, les transitions adjacentes à la transition utilisée comme référence introduisent par suite une erreur de polarisation de la fréquence du standard; du fait qu'une telle polarisation peut changer avec le temps, elle peut par suite limiter à la fois la précision et la stabilité sur une longue période du standard. L'objet de la présente invention est de permettre la réalisation de standards de fréquence de plus grande précision, de meilleure répétabilité et de stabilité sur une longue période, et de plus grande insensibilité aux conditions environnantes. Ces dernières peuvent en fait affecter la forme des lignes de Rabi, par exemple par l'intermédiaire de la puissance de la micro-onde appliquée dans les cavités. Ledit objet est mené à bien conformément à l'invention, par un procédé pour la commande de fréquence d'un standard de fréquence du type cidessus défini, caractérisé en ce que l'on extrait dudit courant la composante dont la fréquence est un harmonique impair, de nombre supé- rieur à un, de la fréquence de modulation de la fréquence d'interrogation, et en ce que ledit signal de commande est généré en démodulant de manière cohérente ladite composante, en amplitude et en signe. Par ailleurs, l'invention se rapporte à un dispositif pour la commande de fréquence d'un standard de fréquence du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération d'un signal de commande comprennent un circuit de détection apte à extraire dudit courant la composante dont la fréquence est un harmonique impair présélectionné, supérieur à l'harmonique un, de la fréquence de modulation de la fréquence d'interrogation, et un démodulateur connecté audit circuit de détection et apte à démoduler ladite composante en amplitude et en signe. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante considérée comme exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: Figure I déjà décrite précédemment, illustre schématiquement un standard de fréquence à faisceau au Césium, Figure 2 et figure 3, déjà décrite précédemment, montrent une représentation fonctionnelle schématique d'un tube à faisceau au Césium selon la figure 1 et, respectivement, le schéma-blocs d'un standard de fréquence selon l'art antérieur, comportant un tube au Césium, 82172 Figure 4 déjà décrite précédemment, montre plusieurs graphiques qui expliquent le fonctionnement d'un tube au Césium. Figure 5 déjà décrite, montre les courbes de Rabi d'un tube au Césium, correspondant à la transition centrale réellement utilisée et aux deux adjacentes, et Figure 6 montre le schéma-blocs d'un standard de fréquence comportant un tube au Césium, modifié conformément à la présente invention. Sur la figure 6, les parties déjà décrites en référence à la figure 5 portent les mêmes chiffres de référence. Sur la figure 6, un autre diviseur de fréquence 100 est inséré entre l'oscillateur 12 et le diviseur de fréquence 13, ce diviseur de fréquence divisant par trois la fréquence du signal qui lui est appliqué à l'entrée. En conséquence, le diviseur 13 fournit à sa sortie une onde carrée symétrique de fréquence fm/3. Le filtre 15 alimente par suite le modulateur 10 avec un signal de modulation sinusoïdal qui est également à la fréquence fm/3. Egalement dans ce cas, l'amplificateur sélectif 17 connecté à la sortie du tube au Césium est accordé pour extraire la composante à fréquence fm. Néanmoins, dans ce cas, ladite fréquence est le troisième harmonique de la fréquence de modulation. Si la fréquence modulée appliquée au tube Césium D est réel- lement centrée sur la fréquence caractéristique fcs, l'amplificateur sélectif 17 conserve à sa sortie un signal pratiquement nul. En fait, le courant I comporte seulement des harmoniques pairs, qui sont rejetés par l'amplifi- cateur sélectif 17, plus une petite composante à la fréquence de modulation fm/3, causée par les transitions adjacentes, qui est aussi rejetée par l'amplificateur sélectif 17. Si au contraire la fréquence modulée appliquée au tube D n'est pas centrée sur la fréquence fcs, le courant I a une forme d'onde du type selon la courbe I'(3) de la figure 4, avec une importante composante à fréquence fm, correspondant au troisième harmonique de la fréquence de modulation. Cette composante au troisième harmonique est démodulée de manière cohérente et intégrée pour générer le signal de commande en fréquence du VCO 11. Egalement dans ce cas, la contribution des transitions adjacentes ne pose pas de problème, parce que c'est une composante à fréquence fm/3 du courant I qui est rejetée par l'amplificateur sélectif 17. 82172 En conséquence, conformément à l'invention, il est possible d'améliorer la précision et la stabilité sur une longue période en utilisant la détection cohérente du troisième harmonique de la fréquence qui module l'hyper- fréquence appliquée aux cavités du tube Césium. Le recours à la détection du troisième harmonique pour résoudre les problèmes causés par un signal secondaire non uniforme a déjà été proposé et réalisé pour d'autres applications, en particulier pour la stabili- sation en fréquence de lasers en spectroscopie à absorption saturée. Dans le domaine spécifique des standardsde fréquence de faisceaux atomiques, la détection de l'harmonique trois a non seulement jamais été proposée, mais, au contraire, a généralement été considérée comme non viable, parce qu'on croyait que l'amplitude de l'harmonique trois détecté serait beaucoup plus petite que l'amplitude de la fréquence fondamentale détectée, et qu'en conséquence la perte en rapport signal-sur-bruit ne serait pas acceptable. Telle était l'opinion générale des experts dans ce domaine, et en particulier même des inventeurs, comme reporté par exemple dans l'article "Pulling by neighbouring transitions and its effects on thé performance of Cesium beam frequency standards", publié dans Metrologia, 20,37-47 (1984). En reconsidérant de manière critique une telle opinion, généra- lement partagée par les experts dans ce domaine, les inventeurs ont d'abord trouvé par l'analyse, puis vérifié expérimentalement, que le rapport signal-sur-bruit que l'on peut obtenir dans une boucle d'harmonique trois est pratiquement égal à celui que l'on obtient dans une boucle d'harmonique un. La figure 6, par comparaison avec la figure 5, montre immédia- tement comment des standards de fréquence existants peuvent être ai- sément et rapidement modifiés pour inclure la détection de l'harmonique trois, et obtenir les avantages qui en découlent. Naturellement, le principe de l'invention restant le même, les formes d'exécution et les détails de réalisation peuvent varier largement par rapport à ceux décrits et illustrés ici purement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de la présente invention. 82 1 72 REVENDICATIONS 1. Procédé de commande de la fréquence d'un standard de fréquence comportant un circuit (D) à faisceau atomique ou moléculaire avec deux cavités (4a,4b) alimentées par un champ électromagnétique, dont la fréquence est modulée en temps de manière substantiellement sinusoïdale autour d'une fréquence d'interrogation () proche de la fréquence caracté- ristique d'une transition choisie des atomes ou des molécules dudit faisceau (2a), un courant (I) étant généré dans ledit circuit proportionnellement au nombre d'atomes ou de molécules (2b) du faisceau qui ont traversé ladite transition suite à leur passage à travers les cavités (4a,4b); le procédé comportant les phases consistant à: - générer un signal de commande en fonction d'une caractéristique détectée présélectionnée dudit courant (I), et - modifier la fréquence dudit champ en fonction dudit signal de commande, de façon à minimiser la différence entre ladite fréquence caractéristique (fcs) et la fréquence d'interrogation (), caractérisé en ce que l'on extrait dudit courant (I) la composante dont la fréquence est un harmonique impair, de nombre supérieur à un, de la fréquence de modulation de la fréquence d'interrogation (), et en ce que ledit signal de commande est généré en démodulant de manière cohérente ladite composante, en amplitude et en signe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on extrait dudit courant (I) la composante dont la fréquence est le troisième harmonique de la fréquence de modulation de la fréquence d'interrogation. 3. Dispositif de commande de la fréquence d'un standard de fréquence de faisceau atomique ou moléculaire, comportant - deux cavités à micro-ondes (4a,4b), - des moyens à générateur commandé (10,11,16) aptes à alimenter lesdites cavités (4a,4b) par un champ électro-magnétique de fréquence modulée périodiquement en temps par une onde sinusoïdale autour d'une fréquence d'interrogation variable () proche de ladite fréquence caracté- ristique (fcs) d'une transition présélectionnée des atomes ou des molécules du faisceau (2a), - une source (1) apte à émettre un faisceau d'atomes ou de molécules (2a) à travers lesdites cavités (4a,4b), - un détecteur (6) apte à générer un courant (I) proportionnel au nombre d'atomes ou de molécules (B) qui ont traversé ladite transition; le 82172 dispositif de commande comportant des moyens (17,18) pour générer un signal de commande en fonction d'une caractéristique détectée présélec- tionnée dudit courant (I), ledit signal de commande étant utilisable pour modifier la fréquence dudit champ de façon à minimiser la différence entre ladite fréquence caractéristique (fcs) et la fréquence d'interrogation ('), caractérisé en ce que lesdits moyens de génération d'un signal de commande comprennent un circuit de détection (17) apte à extraire dudit courant (I) la composante dont la fréquence est un harmonique impair présélectionné, supérieur à l'harmonique un, de la fréquence de modulation de la fréquence d'interrogation, et un démodulateur (18) connecté audit circuit de détection (17) et apte à démoduler ladite composante en amplitude et en signe. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de détection (17) est accordé de manière à extraire dudit courant (I) la composante dont la fréquence est le troisième harmonique de la fré- quence de modulation de la fréquence d'interrogation ()). 5. Standard de fréquence de faisceau atomique ou moléculaire comportant un dispositif de commande selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes.