Brevet FR2688632A1 — publié le 19930917

L'invention concerne un résonateur à jet atomique, notamment à jet de césium, avantageusement pour produire une fréquence de référence pour la stabilisation en fréquence d'un oscillateur à quartz, et comprenant, montés en série dans la direction du jet, une source du jet atomique, un premier sélecteur d'état, une zone d'interrogation comportant un corps guide d'onde formant une cavité résonnante à deux bras du type Ramsey, dont les bras sont traversés transversalement par le jet atomique, un second sélecteur d'état, un dispositif capteur des photons pour produire le signal de sortie utile du résonateur et un dispositif d'injection dans la cavité résonnante d'un signal d'interrogation produit à partir du signal dudit oscillateur, de façon à produire dans chaque bras de ladite cavité un champ d'interrogation hyperfréquence interagissant avec les atomes du jet atomique, la zone d'interrogation étant entourée d'un blindage magnétique. Des résonateurs à jet atomique de ce type sont déjà connus. L'injection de l'énergie hyperfréquence est habituellement réalisée par un couplage magnétique au moyen d'un Té-H. Dans ce cas les deux champs d'interrogation hyperfréquences sont en phase et la réponse du résonateur présente un maximum à la fréquence de résonance. Ces résonateurs connus présentent des inconvénients considérables, aussi bien du point de vue électrique que mécanique. Ainsi, le couplage à l'aide d'un élément guide d'onde en forme d'un Té rend le résonateur encombrant. Ce couplage utilisant un Té en guide-d'onde qui doit traverser le blindage magnétique produit des perturbations importantes du champ magnétique statique, ce qui est défavorable à l'obtention d'une bonne stabilité de fréquence à long terme et d'une bonne exactitude. De plus, du fait que la réponse du résonateur présente un maximum à la fréquence de résonance, la stabilité de fréquence à court terme du résonateur est limitée par le bruit de grenaille associé au flux atomique détecté à la résonance. D'autre part, pour cette réponse du résonateur ayant un maximum à la fréquence de résonance, l'amplitude de la modulation de fréquence appliquée au signal d'interrogation doit être relativement grande, ce qui occasionne des déplacements importants de la fréquence de résonance atomique en cas par exemple d'un désaccord de la cavité. La présente invention a pour but de proposer un résonateur à jet atomique qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique, qui viennent d'être énoncés. Pour atteindre ce but, le résonateur selon l'invention est caractérisé en ce que le moyen d'injection de l'énergie hyperfréquence dans la cavité résonnante est formé par un dispositif de couplage qui est adapté pour imposer dans la cavité un nombre de modes impairs de façon que les deux champs d'interrogation soient en opposition de phase et que la réponse du résonateur présente un minimum à la fréquence de résonance. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif de couplage est un dispositif du type à couplage électrique. Selon une autre caractéristique, le dispositif de couplage électrique est réalisé sous forme d'une antenne plongeant dans la cavité résonnante à travers un passage pratiqué dans la paroi du corps guide d'onde de façon que l'axe de l'antenne soit confondu avec l'intersection des plans de symétrie de la cavité. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'antenne est constituée par l'rame centrale d'un câble coaxial dont une extrémité est reliée au générateur du signal d'interrogation et dont l'autre extrémité est reliée au guide d'onde formant la cavité résonnante, et qui traverse l'enveloppe de blindage par un trou de faible diamètre correspondant au diamètre du câble et situé à un emplacement choisi pour ne pas perturber le champ magnétique statique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'un résonateur à jet atomique selon la présente invention, avec des arrachements partiels - la figure 2 est une vue en coupe axiale selon la ligne II-II de la figure 1, mais représentant seulement la zone d'interrogation du résonateur - la figure 3 est une vue en direction de la flèche III de la figure 2 - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2. - la figure 5 montre une autre version de réalisation de couplage électrique pour l'injection de l'énergie d'interrogation ; et - la figure 6 illustre sous forme d'une courbe, la réponse du résonateur selon l'invention ; La figure 1 montre un résonateur à jet atomique, dans le cas présent à jet de césium, pour une horloge atomique comprenant un oscillateur à quartz (non représenté) qui est asservi en fréquence sur le signal de sortie du résonateur servant de signal de référence. Ce signal de référence correspond à la transition d'horloge à 9,192 MHz entre les deux sous-niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium. Le résonateur dont la structure générale est connue en soi comprend essentiellement un four 1 formant la source du jet de césium 2 et, montés en série dans le trajet du jet 2, un premier sélecteur d'état 3, une zone d'interrogation 4, un deuxième sélecteur d'état 5 et un photodétecteur 6 destiné à capter les photons et à produire le signal utile de sortie du résonateur. L'ensemble qui vient d'être décrit, à l'exception du détecteur 6, est enfermé dans un boîtier de forme sensiblement parallélépipèdique 8. Une première enveloppe de blindage désignée par 9 enferme les deux sélecteurs d'état 3 et 5 et la zone d'interrogation 4, ce dernier se trouvant dans une enveloppe de blindage magnétique spécifique 10. Le blindage 10 comporte une bobine 11 réalisée sous forme d'un circuit imprimé et intégré dans l'enveloppe de blindage. Cette bobine a pour fonction de produire un champ magnétique Bo statique, faible d'environ 40 à 60 mG. Le champ doit être très homogène et uniforme. Dans le mode de réalisation du résonateur représenté, les sélecteurs d'état sont du type à pompage optique à diode laser. Chacun des sélecteurs comprend un système optique 12 dans une bobine 13 génératrice d'un champ magnétique respectivement B1 et B2. La lumière laser est introduite à travers un hublot 14. Au sélecteur d'état 3 est associé un détecteur 15 qui reçoit la lumière laser à travers un hublot de détection et produit un signal utilisé pour la stabilisation du laser. Le photodétecteur 6 qui produit le signal de sortie du résonateur est associé au sélecteur d'état 5. Bien entendu, les sélecteurs pourraient aussi être du type à déflection magnétique, les zones d'intersection avec le laser étant alors remplacés par des aimants de sélection d'état. La zone d'interrogation 4 est formée par un corps métallique comportant une cavité résonnante 16 à deux bras du type Ramsey. Ce corps présente la forme générale d'un C dont les deux bras 17 et 18 sont traversés perpendiculairement par le jet de césium 2, le jet étant orienté parallèlement à l'axe de la base du C. Pour permettre le passage du jet, les deux bras présentent des canaux appropriés indiqués en 19. Le corps 4 est réalisé sous forme d'un élément délimitant une cavité en guide d'onde courbée dans le plan E. Un système électronique de synthèse de fréquence (non représenté) délivre à partir du signal de l'oscillateur à quartz un signal d'interrogation modulé en fréquence autour de 9,192 MHz qui est injecté dans la partie de la base du C de la cavité résonnante et occasionne dans la cavité délimitée dans chacun des deux bras 17 et 18 un champ hyperfréquence. Dans ces cavités les atomes du jet de césium interagissent avec le champ hyperfréquence respectif. La réponse du résonateur, fonction de la fréquence du signal d'interrogation, apparaît comme une courbe de résonance inscrite sur un fond continu. Ce dernier est dû aux imperfections du système de détection. Une démodulation synchrone permet d'extraire un signal d'erreur proportionnel à l'écart en fréquence entre le signal d'interrogation et la transition atomique. Ce signal d'erreur est mis à profit pour stabiliser la fréquence de l'oscillateur à quartz. On confère ainsi dans la bande passante de l'asservissement la stabilité de fréquence de la transition atomique à l'oscillateur à quartz. Selon la présente invention, pour assurer l'injection de cette énergie dans la cavité, on utilise un couplage électrique qui est réalisé au moyen d'une antenne 20 plongeant dans la cavité résonnante du corps guide d'onde, à travers un perçage 22 pratiqué dans la paroi intérieure de la base du C, au centre de celle-ci, de façon que l'axe de cette antenne soit confondu avec l'intersection des plans de symétrie de la cavité. L'injection de l'énergie d'interrogation par couplage électrique implique le choix d'une cavité 16 en guide d'onde standard courbée dans le plan E et résonnant suivant un nombre de modes impairs de façon que les deux champs d'interrogation hyperfréquences établis dans les deux bras de la cavité soient en opposition de phase. Le résonateur présente alors la réponse représentée à la figure 5 qui est caractérisée par un minimum à la fréquence de résonance fO. Cette figure montre l'amplitude s du signal en fonction de la fréquence f du signal d'interrogation. Dans l'exemple représenté, l'antenne est constituée par l'âme centrale d'un câble coaxial 25 qui est relié à une extrémité au générateur du signal d'interrogation et à son autre extrémité au corps guide d'onde 4, avantageusement à la manière représentée de façon détaillée à la figure 4. Cette antenne peut être également réalisée par une pièce conductrice prolongeant l'âme centrale d'un conducteur coaxial. Le câble coaxial traverse le blindage magnétique 10 qui protège la zone d'interrogation, par un trou de faible dimension 26. Ce trou est situé près d'une extrémité de l'enveloppe de blindage. En raison de cette position du trou et de ses faibles dimensions, les perturbations du champ magnétique statique Bo sont minimisées. La souplesse du câble permet la fixation au guide d'onde 4 dans l'espace disponible entre les deux bras de ce corps sans que sa présence gêne le jet atomique 2. Comme le montrent notamment les figures 2 et 3, le câble peut être replié latéralement au niveau de sa fixation au guide d'onde et ensuite amené parallèlement à la paroi du blindage à proximité de celle-ci au trou de passage en étant guidé entre ce blindage et la face frontale du bras correspondant du corps guide d'onde. Comme le montre la figure 4, la fixation du câble coxial au guide-d'onde s'effectue à l'aide d'un bouchon métallique 28 de forme cylindrique pourvu d'une collerette de fixation 29 qui fait radialement saillie vers l'extérieur et permet le montage du bouchon sur la surface extérieure de la paroi du guide d'onde à l'aide de plusieurs vis. Le câble coaxial est fixé dans le bouchon par soudure en 30. D'autres modes de fixation du câble coaxial peuvent être envisagés. Pour assurer la rigidité du montage de l'antenne, celle-ci peut être placée dans un support en un matériau diélectrique qui fait saillie dans la cavité et pourrait venir, le cas échéant, en appui sur la face interne en regard du guide d'onde. Sur la figure 4, un tel élément de rigidification du montage est illustré en traits interrompus et est réalisé sous forme d'un élément cylindrique en diélectrique emmanché sur l'âme du câble coaxial. L'élément pourrait être formé par un tronçon du diélectrique du câble. La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l'injection de l'énergie d'interrogation hyperfréquence, par couplage électrique. Dans ce cas, la base du guide d'onde en forme de C présente un embout guide d'onde 31 de forme parallélépipèdique, qui pourrait être ouvert sur sa face frontale 32 pour permettre l'injection de l'énergie. Cet embout pourrait aussi être fermé et l'injection pourrait être réalisée par une antenne, le cas échéant formée par l'âme d'un câble coaxial fixé sur la surface supérieure de l'embout, comme le montre la figure 5. L'espace interne de l'embout pourrait être utilisé pour loger des dispositifs supplémentaires éventuels. L'injection de l'énergie d'interrogation par couplage électrique à l'aide d'un câble coaxial procure de multiples avantages considérables. Comme il ressort des figures, l'injection à l'aide d'un câble souple, notamment lorsque celui-ci est fixé sur le guide d'onde à cavité résonnante dans la zone entre les deux bras, réduit considérablement l'encombrement de l'ensemble et confère au résonateur une structure très compacte. Etant donné que le trou de passage du câble à travers le blindage présente des dimensions très faibles, juste suffisantes pour permettre le passage du câble, et en raison du fait que ce trou peut être prévu à une extrémité du blindage, le champ magnétique Bg n'est que très faiblement perturbé par le dispositif d'injection de l'énergie dans la cavité, ce qui est favorable à l'obtention d'une bonne stabilité de fréquence à long terme et d'une bonne exactitude. Etant donné les faibles dimensions du trou de passage du câble, le champ magnétique statique Bo peut être produit par un enroulement réalisé par un circuit imprimé à pistes conductrices parallèles intégré dans l'enveloppe de blindage, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des mesures particulières au niveau des conducteurs pour compenser des perturbations éventuelles, ces perturbations étant minimisées dans le cas de l'invention. Etant donné que la réponse du résonateur, illustré à la figure 6, présente un minimum à la fréquence de résonance fO, le flux atomique détecté à la résonance est proche de zéro. Le bruit de grenaille associé à ce flux est par conséquent très faible. La stabilité de fréquence à court terme de l'horloge s'en trouve donc améliorée. D'autre part, l'amplitude de la modulation de fréquence Wm nécessaire, appliquée au signal d'interrogation pour explorer la zone de résonance peut être relativement faible en raison du faible niveau du bruit. Cette amplitude de modulation Wm est très faible par rapport à la largeur de raie W de la courbe de résonance. Cette diminution de l'amplitude de la modulation est favorable à la réduction de certains déplacements de fréquence tel que celui appelé "cavity pulling". Dans le cas de l'invention, en présence d'un désaccord de la cavité résonnante, le déplacement de la fréquence de résonance atomique tend à s'annuler, en raison de la faible valeur de l'amplitude wm. I1 est à noter que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention. En particulier, tout autre type de couplage électrique pour l'injection de l'énergie d'interrogation peut être prévu pour réaliser l'opposition de phase des champs d'interrogation dans les bras de la cavité résonnante. I1 est encore à noter que l'invention est utilisable non seulement pour des résonateurs à pompage optique, comme représenté sur les figures, mais également pour des résonateurs à déflection magnétique. REVENDICATIONS 1. Résonateur à jet atomique, notamment à jet de césium, avantageusement pour produire une fréquence de référence pour la stabilisation en fréquence d'un oscillateur à quartz, et comportant, montés en série dans la direction du jet, une source du jet atomique, un premier sélecteur d'état, une zone d'interrogation comportant un guide d'onde ayant une cavité résonnante à deux bras du type Ramsey, dont les bras sont traversés transversalement par le jet atomique, un second sélecteur d'état, un dispositif détecteur d'atomes pour produire le signal de sortie utile du résonateur et un dispositif d'injection dans la cavité résonnante d'un signal d'interrogation produit à partir du signal dudit oscillateur, de façon à produire dans chaque bras de ladite cavité un champ d'interrogation hyperfréquence interagissant avec les atomes du jet atomique, la zone d'interrogation étant entourée d'un blindage magnétique produisant dans l'espace interne un champ magnétique statique et homogène, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de l'énergie hyperfréquence (20, 25) dans la cavité résonnante (16) est un dispositif de couplage qui est adapté pour imposer dans la cavité un nombre de modes impairs de façon que les deux champs d'interrogation soient en opposition de phase et que la réponse du résonateur présente un minimum à la fréquence de résonance fO. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de couplage (20) est un dispositif du type à couplage électrique. 3. Résonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage électrique est réalisé sous forme d'une antenne (20) plongeant dans la cavité résonnante (16) à travers un passage (22) pratiqué dans la paroi du corps guide d'onde (4) de façon que l'axe de l'antenne soit confondu avec l'intersection des plans de symétrie de la cavité. 4. Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'antenne (20) est constituée par l'âme centrale d'un câble coaxial (25) ou son prolongement dont une extrémité est reliée au générateur du signal d'interrogation et dont l'autre extrémité est reliée au guide d'onde (4) à cavité résonnante (16) et qui traverse l'enveloppe de blindage (10) par un trou (26) de faible diamètre correspondant avantageusement au diamètre du câble (25) et situé à un emplacement choisi pour ne pas perturber le champ magnétique statique. 5. Résonateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps (4) à cavité (16) en guide d'onde courbé dans le plan (E) et résonnant suivant un nombre de modes impairs présente la forme d'un C dont les bras (17) et (18) sont traversés par le jet atomique (2) et en ce que le câble (25) est monté sur la paroi intérieure de la base du C, qui est tournée vers les deux bras (17) et (18). 6. Résonateur selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le trou de passage (26) du câble (25) à travers le blindage (10) se trouve au niveau d'une extrémité du blindage. 7. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique statique (Bo) de la zone d'interrogation (4) est produit par une bobine intégrée dans la paroi de l'enveloppe de blindage et réalisé avantageusement sous forme d'un circuit imprimé à pistes conductrices sensiblement parallèles. 8. Résonateur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité de l'antenne (20) qui plonge dans la cavité résonante (16) est maintenue par un corps en un matériau diélectrique fixé à l'intérieur de la cavité. 9. Résonateur selon l'une des revendications prédédentes, caractérisé en ce que le corps guide d'onde (4) comporte dans la partie centrale de la base un embout guide d'onde latéral (31) permettant l'injection de l'énergie d'interrogation. 10. Résonateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplitude de modulation du signal d'interrogation dans la zone autour de la fréquence de résonance fO présente une valeur (wm) qui est très faible par rapport à la largeur de raie (W) de la courbe de réponse du résonateur.