Brevet FR2770350A1 — publié le 19990430

L'invention concerne un procédé de contrôle de l'amplitude du signal micro-onde appliqué à une horloge atomique du type comportant un résonateur atomique et un dispositif d'asservissement d'un oscillateur ultra-stable sur la résonance atomique, adaptée pour produire le signal duquel est dérivé ledit signal micro-onde, et un dispositif d'asservissement pour la mise en oeuvre de ce procédé. On connaît déjà un procédé et un dispositif de ce type. Il est connu que, lorsque la fréquence du signal micro-onde appliquée au résonateur atomique est égale à fo fm (fo étant la fréquence de la résonance atomique), la réponse du résonateur présente des extremums quand l'amplitude du signal micro-onde est variée, ce qui permet d'asservir l'amplitude du signal micro-onde sur une valeur qui ne dépend que des propriétés du résonateur, lesquelles sont quasi-insensibles aux perturbations ambiantes telles que par exemple la température. C'est l'extremum le plus marqué, le premier maximum en l'occurence, qui est mis à profit. Or, dans le cas d'une horloge à jet de césium, la réponse atomique n'est pas symétrique par rapport à une verticale passant par le maximum, lorsque l'abscisse est proportionnelle à l'amplitude du signal. Dans ce cas, le maximum ne peut être obtenu avec une bonne exactitude que si la profondeur de la modulation de l'amplitude micro- onde est petite. Le signal d'erreur qui permet de contrôler la valeur de l'amplitude est alors obtenu avec un faible rapport signal sur bruit, ce qui impose une modulation permanente de l'amplitude. Par conséquent, les procédés et dispositifs connus, du type indiqué plus haut, effectuent une modulation peu marquée de l'amplitude du signal micro-onde, qui est appliqué en permanence. Cette technique présente l'inconvénient que la modulation d'amplitude et la modulation de fréquence sont entremêlées, ce qui créé des conditions très, sinon trop complexes, notamment dans le cas d'une horloge à jet de césium à pompage optique. La présente invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif du type indiqué plus haut, qui pallient les inconvénients de l'état de la technique. Pour atteindre ce but, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on transforme l'amplitude du signal micro-onde, avant son application au résonateur à jet atomique, selon une loi telle que la forme de la courbe de réponse atomique en fonction de l'amplitude transformée soit symétrique sur une large extension autour de la verticale passant par le maximum de la réponse. Selon une caractéristique de l'invention, la modulation de l'amplitude du signal micro-onde appliqué au résonateur est profonde, la profondeur de modulation pouvant aller jusqu'à quelques dB de la valeur médiane. Selon une autre caractéristique de l'invention, la modulation est appliquée de façon discontinue, le choix de l'intervalle de temps entre deux réglages successifs de l'amplitude du signal micro-onde étant guidé par l'inertie de l'horloge atomique vis-à-vis des perturbations de son environnement. Selon encore une autre caractéristique, pour un résonateur à pompage optique, la loi de transformation est une loi logarithmique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, on corrige la valeur asservie de l'amplitude du signal micro-onde, suite à une erreur provenant de la présence de raies de résonance latérales qui encadrent la raie de résonance atomique servant de référence pour l'horloge atomique, en déterminant le décalage occasionné par cette erreur et on applique au tube le signal micro- onde asservi en amplitude moins la valeur de décalage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans 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 représente un diagramme de la réponse d'un résonateur à jet atomique en fonction de la fréquence du signal micro-onde appliqué au résonateur, autour de la fréquence de résonance, le déphasage entre les deux champs oscillants étant égal à n; - la figure 2 représente le diagramme de la réponse du résonateur en fonction de l'amplitude du signal appliqué au résonateur; la figure 3 représente le diagramme de la réponse du résonateur en fonction du logarithme de l'amplitude du signal micro-onde; - la figure 4 représente le chronogramme des asservissements successifs de la fréquence de l'oscillateur ultra-stable et de l'amplitude du signal micro-onde; et la figure 5 illustre la structure d'une horloge atomique pourvue d'un dispositif d'asservissement selon la présente invention. L'invention sera décrite ci-après dans son application à une horloge atomique comportant un résonateur à jet de césium à pompage optique. Cette application n'est cependant décrite qu'à titre d'exemple et n'est pas limitative. En se référant à la figure 5, on constate qu'une horloge atomique comporte un résonateur atomique indiqué en 1 et un dispositif "électronique" 2 destiné à asservir un oscillateur ultra-stable 3 sur la résonance atomique. Etant donné que la structure du résonateur ne fait pas partie de l'invention elle ne sera pas décrite ici, mais sa description se trouve dans le brevet français N 2 688 632 appartenant de la demanderesse. Afin d'asservir l'oscillateur 3, on applique au résonateur 1 un signal micro-onde S dont la fréquence f varie périodiquement. En régime établi, la fréquence appliquée est égale à fo - fm pendant une demi-période de modulation et fo + fm pendant la demi-période suivante, comme l'illustre la figure 1. La valeur de fm est voisine de la demi-largeur de la résonance atomique. La fréquence fo est égale à la fréquence de résonance atomique et on constate que la réponse du résonateur est la même à fo - fm et à fo + fm. La fréquence de l'oscillateur ultra- stable 3 est asservie en conséquence. Il est connu que, lorsque la fréquence du signal micro-onde S appliqué est égale à fo fm, la réponse du résonateur 1 présente des extremums lorsque l'amplitude du signal micro-onde varie. La figure 2 montre ainsi que la courbe de réponse atomique P n'est pas symétrique par rapport à une verticale passant par le maximum, lorsque l'abscisse est proportionnelle à l'amplitude du signal micro-onde. Dans ce cas, le maximum ne peut être obtenu avec une bonne exactitude que si la profondeur de la modulation de l'amplitude micro-onde est petite. La méthode d'asservissement effectuée à cette fin est semblable en son principe à celle indiquée sur la figure 1 en remplaçant la grandeur fréquence par la grandeur amplitude. Cette méthode est employée dans l'état de la technique, comme il a été expliqué plus haut. Or, dans ce cas, le signal d'erreur qui permet de contrôler la valeur de l'amplitude n'est obtenu qu'avec un faible rapport signal sur bruit, ce qui impose donc une modulation permanente de l'amplitude. Un aspect primordial de la présente invention est fondé sur la découverte que dans un diagramme o l'abscisse est proportionnelle au logarithme de l'amplitude du signal micro- onde, la variation de la réponse atomique P devient symétrique sur une large extension de 1 à 3 dB par exemple autour de la verticale passant par le maximum Po à la valeur Vt de la tension contrôlant l'amplitude de telle sorte que l'on obtienne un diagramme o l'abscisse est comme l'illustre la figure 3. Grâce à cette symétrie, la modulation de l'amplitude peut alors être profonde, la profondeur pouvant aller jusqu'à quelques dB comme cela vient d'être énoncé. Le rapport signal sur bruit devient alors très satisfaisant et la modulation peut être appliquée de façon discontinue. Le choix de l'intervalle de temps entre deux réglages successifs de l'amplitude micro-onde est choisi en fonction de l'inertie de l'horloge dans son ensemble, vis-à- vis des perturbations de son environnement. Pour réaliser la symétrie selon la figure 3, on applique au résonateur un signal micro-onde S dont l'amplitude est une fonction exponentielle de la tension de commande 15 produit par l'unité 4. Comme on l'expliquera plus loin, en se référant à la figure 4, on alterne les intervalles de temps pendant lesquels l'asservissement de la fréquence de l'oscillateur 3 est activé et des intervalles de temps plus courts pendant lesquels l'asservissement de l'amplitude est réalisé. Les tensions de commande de la fréquence de l'oscillateur ou de l'amplitude du signal micro- onde sont bloquées pendant les intervalles de temps o les asservissements correspondants sont inactifs. L'asservissement de l'amplitude du niveau micro- onde stabilise les déplacements de fréquence dont la valeur dépend de ce niveau (par exemple: effet Doppler du 2ème ordre ou effet d'un écart résiduel par rapport à la valeur 0 ou t du déphasage entre les deux champs oscillants auxquels les atomes de césium sont soumis dans le résonateur atomique). Or, il existe une valeur de l'amplitude micro-onde telle que s'il y a un petit déséquilibre entre les valeurs de cette amplitude associée à f0 fm, d'une part, et à f0 + fm, d'autre part, il n'en résulte pas d'erreur sur le pointé de la fréquence de la résonance atomique. Un tel déséquilibre peut provenir d'une imperfection de la génération et de la transmission du signal micro-onde ou d'un désaccord de la cavité résonante, c'est-à-dire lorsque la fréquence d'accord de la cavité est différente de la fréquence de la résonance atomique. Dans ce dernier cas, à un niveau d'entrée identique du signal micro-onde, aux fréquences fo fm et fo + fm, il correspond une amplitude différente du champ dans la cavité - et donc interagissant avec les atomes - aux deux fréquences f0 fm appliquées. L'amplitude micro-onde qui supprime ces deux déplacements de fréquence est celle qui correspond à un extremum de la réponse atomique lorsque la fréquence appliquée est égale à fo0 fm. Mais, la réponse atomique à considérer ici est celle qui serait obtenue si seule la raie de référence du spectre micro-onde de l'atome de césium contribuait à la réponse du résonateur atomique et donc si les raies latérales du spectre de l'atome de césium, encadrant la raie de référence, ne contribuaient pas à la réponse atomique totale Pt qui seule est directement mesurable. Cependant il n'est pas possible, en pratique de séparer suffisamment les raies latérales de la raie centrale. Cette séparation est proportionnelle à la valeur du champ magnétique statique appliquée aux atomes et il n'est pas indiqué d'accroître arbitrairement cette valeur. En conséquence, la valeur de l'amplitude micro- onde obtenue comme décrit plus haut diffère de la valeur souhaitée de quelques pourcents, typiquement. Or, il s'est avéré qu'il est possible de corriger la valeur asservie de l'amplitude micro-onde pour approcher la valeur désirée à quelques 0,1 % près ou moins. La façon de procéder à cette fin constitue un autre aspect majeur de la présente invention. Sur la figure 3, la courbe Pt en traits continus donne la réponse totale du résonateur à la fréquence f = fo + fm, et la courbe Pr en traits interrompus, pour f = fo fm, donne la réponse théorique, c'est-à- dire obtenue par calcul, s'il n'y avait pas de raies latérales. On constate que les extremums Vt et Vr des deux courbes sont décalés d'une valeur d. A ce stade, il convient de remarquer que lorsque le résonateur atomique est construit de telle sorte que les deux champs oscillants auxquels sont soumis les atomes sont déphasés de A, tel que décrit dans le brevet français n 2 688 632 déjà cité, la raie centrale ne contribue pas à la réponse du résonateur atomique lorsque la fréquence est égale à fo. La courbe Pn représente la réponse à la fréquence f = fo, qui résulte seulement de la présence des raies latérales. Comme indiqué plus haut, la réponse atomique à considérer étant celle qui serait obtenue sans contribution des raies latérales, il convient de déterminer le décalage d, alors que seulement Pt est mesurable directement. Or, on constate que la réponse totale Pt peut être exprimée par l'équation suivante: Pt = C - A (V - Vt)2, (1) A et C étant des constantes Etant donné que: Pt = Pr + Pn Pr peut s'exprimer de la manière suivante: Pr = C - A (V - Vt)2 - Pn (2) Dans la mesure o à l'extremum de la courbe Pr, "Pr -= 0 on peut écrire 1 cP V -V = - (3) 2A JV Or, les quantités A et peuvent être obtenues ë? v par mesure. On établira, pour f = fo fm, la valeur Po du maximum de la courbe Pt et sa valeur P1 aux valeurs Vt + AV ou Vt - AV de la tension de commande. La valeur de la quantité A s'en déduit. La quantité n est v obtenue pour f = fo. Il se trouve que lorsque l'amplitude micro-onde est une fonction exponentielle de la tension de commande, comme considéré jusqu'ici, la courbe Pn est une droite. Sa pente s'obtient en mesurant les v valeurs P2 et P3 de Pn aux valeurs Vt + AV et Vt - AV de la tension de commande. Si la loi de transformation entre l'amplitude micro-onde et la tension de commande devait être différente, une excellente approximation de la valeur de la pente s'obtiendrait par des mesures de Pn à des valeurs appropriées de la tension de commande. L'opération qui vient d'être décrite permet donc d'établir la valeur de Vr - Vt et donc du décalage d. On peut donc obtenir la valeur désirée Vr de la tension de commande, pour laquelle l'amplitude du champ micro- onde correspond au maximum de la réponse associée à la seule raie centrale du spectre de l'atome de césium. L'erreur provenant de la présence des raies de résonance encadrant la raie de résonance centrale servant de référence est donc corrigée. En se référant à la figure 5 on décrira ci-après le dispositif d'asservissement qui permet la mise en oeuvre des deux aspects majeurs du procédé selon l'invention, qui viennent d'être décrits en se reportant aux figures 1 à 3. On constate que la réponse Pt est appliquée à une unité d'acquisition, de calcul et de commande indiquée en 4 qui, d'une part commande la fréquence de l'oscillateur ultra-stable 3, en 5, et produit un signal de commande de fréquence ajustable 6 à destination d'une unité de synthèse de fréquence ajustable 7. Celle-ci est reliée en 8 à l'oscillateur 3 et commande une unité de synthèse micro-onde 9, en 10, cette unité 9 recevant en 11 le signal produit par l'oscillateur 3. L'unité 9 est reliée en 13 à une unité à gain ajustable 14 et qui effectue en 13 à une unité à gain ajustable 14 et qui effectue aussi l'opération de symétrisation de la courbe de réponse du résonateur en transformant en conséquence l'amplitude du signal micro-onde en provenance de l'unité de synthèse 9, qui constitue le signal S appliqué au résonateur 1. Dans ce présent exemple, l'amplitude du signal micro- onde est une fonction exponentielle de la tension de commande 15. Pour l'ajustage du gain, l'unité 4 envoie en 15 à l'unité 14 un signal de commande d'amplitude. Le fonctionnement du dispositif d'asservissement 2 ressort du diagramme présenté sur la figure 4. Cette figure présente en a la modulation carrée de la fréquence du signal micro-onde. La modulation de fréquence est appliquée en permanence et chaque asservissement occupe un nombre entier de périodes de modulation TM. Selon la figure 4c, la tension de commande de la fréquence de l'oscillateur ultra-stable 3 assurant l'asservissement de celui-ci sur la fréquence du résonateur, occupe N périodes TM, au cours desquelles la tension est fluctuante. A cet intervalle d'asservissement de l'oscillateur suit un intervalle de deux périodes TM d'asservissement d'amplitude, avec acquisition aux niveaux correspondant aux tensions de commande Vt + AV et Vt - AV, par exemple, en 17 et 18. La figure 4 montre en c la courbe de la tension de commande de la puissance micro-onde et on constate que cette tension de commande est augmentée de + Am et - Am pendant l'intervalle d'asservissement d'amplitude, alors qu'elle est constante pendant la durée de l'asservissement en fréquence. La présente invention vient d'être décrite dans son application à un résonateur à jet de césium à pompage optique. Il est évident que l'invention est applicable en d'autres cas, la symétrisation pouvant alors requérir une loi différente de la loi logarithmique du présent exemple. On indiquera, également à titre d'exemples non limitatifs, un certain nombre de dispositifs du domaine d'application de l'invention: - Toute espèce atomique (césium, rubidium, etc.), ionique (ion mercure, etc.) ou moléculaire pouvant donner lieu à la réalisation d'un étalon de fréquence ou d'un dispositif exploitant les méthodes d'observations précisées ci-après. Par simplicité les atomes ou ions ou molécules utilisés seront dénommés "atomes". - En général, tout étalon de fréquence ou dispositif o la réponse des "atomes" présente un extremum lorsque la fréquence appliquée est égale à la fréquence de résonance des "atomes" plus ou moins un décalage égal, en ordre de grandeur, à la demi-largeur de la résonance des "atomes". Cette résonance peut être due à une excitation dans n'importe quelle partie du spectre électromagnétique (micro-onde ou optique, par exemple). - Etalon de fréquence ou dispositif utilisant un flux continu ou discontinu d'"atomes" dans lesquels l'interaction entre les "atomes" et le rayonnement électromagnétique s'effectue dans une seule région de l'espace (méthode de Rabi et ses variantes) ou dans deux (méthode de Ramsey et ses variantes) ou plusieurs zones disjointes réparties le long de la trajectoire des "atomes". Dans ces dispositifs, la succession des interactions résulte du mouvement des "atomes". Trois exemples de ces dispositifs sont les suivants: a) horloge à atomes de césium issus continûment d'un four à une température voisine de l'ambiante (- 80 à 100 C),b) l'horloge à atomes de césium refroidis par irradiation laser, tombant continûment ou par paquets sous l'effet de la pesanteur, et interagissant avec le champ micro-onde dans une, deux ou plusieurs zones, c) fontaine à atomes de césium refroidis par irradiation laser, o les atomes sont lancés vers le haut et effectuent une trajectoire balistique et o l'interaction avec le champ micro-onde se produit deux fois dans une seule zone de l'espace: une fois lors du trajet montant des atomes et l'autre fois lors de leur trajet descendant. - Etalon de fréquence ou dispositif à cellule de piégeage des "atomes", quelle que soit l'origine physique du piégeage: paroi matérielle, champ électrique et/ou magnétique, interaction avec des ondes lumineuses associées ou non à un champ magnétique. - Etalon de fréquence ou dispositifs dans lesquels l'interaction avec le signal d'excitation électromagnétique de la résonance s'effectue dans une seule zone, mais dans lesquels un découpage temporel du signal d'excitation assure la succession désirée des interactions conduisant à l'observation de la résonance des "atomes". Concernant la méthode de correction de la valeur asservie de l'amplitude micro-onde, celle-ci s'applique lorsque les deux champs oscillants successifs sont déphasés de w. Ceci peut s'obtenir: a) dans un dispositif à jet continu o la structure de la cavité assure ce déphasage; b) dans la fontaine à atomes de césium si l'on change de t la phase de l'excitation entre les deux passages des atomes dans l'unique région d'interaction et c) dans les dispositifs à piégeage d'"atomes" si la phase est changée de K entre deux impulsions appliquées successivement pour observer la résonance des "atomes". REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de l'amplitude du signal micro-onde appliqué à une horloge atomique du type comportant un résonateur atomique et un dispositif d'asservissement d'un oscillateur ultra-stable sur la résonance atomique, adaptée pour produire le signal duquel est dérivé ledit signal micro-onde, caractérisé en ce que l'on transforme l'amplitude du signal micro-onde (S), avant son application au résonateur à jet atomique (1) selon une loi telle que la forme de la courbe de réponse atomique (Pt) en fonction de l'amplitude du signal micro-onde (5) soit symétrique sur une large extension autour de la verticale passant par le maximum de la réponse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation de l'amplitude du signal micro-onde (S) appliquée au résonateur (1) est profonde, la profondeur de modulation pouvant aller jusqu'à quelques db autour de la valeur médiane. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la modulation est appliquée de façon discontinue, le choix de l'intervalle de temps entre deux réglages successifs de l'amplitude du signal micro-onde étant guidé par inertie de l'horloge atomique vis-à-vis des perturbations de son environnement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour un résonateur à pompage optique, la loi de transformation est une loi logarithmique. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on corrige la valeur asservie de l'amplitude du signal micro-onde, suite à une erreur provenant de la présence de raies de résonance latérales qui encadrent la raie de résonance atomique servant de référence à l'horloge atomique, en déterminant le décalage occasionné par le déséquilibre et on applique au tube le signal micro-onde asservi moins la valeur de décalage. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on établit par mesure les courbes de la résonance totale Pt du résonateur à la fréquence fo fm et la réponse Pn du résonateur à la fréquence fo et détermine par calcul, à partir des valeurs caractéristique (Po, Pj) de la courbe Pt et (P2, P3) de la courbe Pn le décalage d. 7. Dispositif d'asservissement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un oscillateur ultra-stable (3) et une unité d'acquisition, de calcul et de commande (4) destinée à produire des signaux de commande (5, 15) pour l'asservissement du signal micro-onde sur la résonance atomique à partir de la réponse (Pt) du résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transformation (14) de l'amplitude du signal micro-onde dérivé directement de l'oscillateur ultra-stable (3) pour que la courbe de la réponse (Pt) du résonateur soit symétrique en fonction de l'amplitude du signal micro- onde, sur une large extension autour de la verticale passant par le maximum de la réponse. 8. Dispositif d'asservissement selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de gain ajustable (14), sous la commande de l'unité d'acquisition, de calcul et de commande (4), pour la correction d'une erreur provenant de la présence de raies de résonance latérales qui encadrent la raie de résonance atomique servant de référence à l'horloge atomique. 9. Dispositif de commande selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens de transformation précités comportent une diode PIN dans le cas d'un résonateur à jet de césium à pompage optique.