Brevet FR2879396A1 — publié le 20060616

ENCEINTE A VIDE POUR LE RALENTISSEMENT D'ATOMES DANS UN GENERATEUR D'ATOMES LENTS La présente invention concerne, d'une façon générale, le domaine des dispositifs générateurs d'atomes lents utilisés par exemple dans les horloges atomiques ou les capteurs inertiels à interférométrie atomique (gyromètres et gravimètres), et, plus spécifiquement, elle concerne des perfectionnements apportés à l'enceinte à vide servant à constituer de tels dispositifs. Des développements récents dans le domaine du refroidissement (ralentissement) et de la manipulation d'atomes par faisceaux laser ont permis d'obtenir des améliorations très importantes des performances des horloges atomiques et des capteurs inertiels à interférométrie atomique. Cependant, ces appareils restent très complexes et très encombrants, et leur déplacement est souvent délicat. Le principe de mise en uvre de ces appareils est le suivant. Des atomes neutres (comme par exemple du césium ou du rubidium) sont enfermés sous forme de vapeurs ou de jets dans une enceinte où règne un vide poussé (c'est-à-dire inférieur ou égal à environ 10-8 hPa). Des paires de faisceaux laser superposés et de sens de propagation opposés, parfaitement maîtrisés (notamment en puissance, en fréquence, en polarisation), pénètrent dans cette enceinte à travers des hublots en verre (typiquement en verre BK7 traité antireflets). Grâce aux forces qu'ils exercent sur les atomes, ces faisceaux laser provoquent un ralentissement, dit aussi refroidissement, des atomes depuis leur vitesse initiale (plusieurs centaines de mètres par seconde dans une vapeur thermique) jusqu'à quelques millimètres par seconde (atomes "froids"). Ces atomes froids ont alors des trajectoires très bien déterminées et contrôlées, et ils servent de particules-tests pour le champ électromagnétique (cas de l'horloge atomique) ou pour les forces d'inertie (cas des gravimètres et gyromètres). Pour ce qui concerne la technique de refroidissement d'atomes par faisceaux laser, on pourra se reporter à C. Salomon et al., Europhysics Letters, 1990, Vol. 12, p. 683 et suivantes. L'enceinte à vide au sein de laquelle le processus 10 ci-dessus est mis en uvre doit présenter une géométrie satisfaisant à des contraintes importantes: - l'enceinte à vide doit être appropriée pour coopérer fonctionnellement avec trois paires de faisceaux laser contrapropageants dirigés selon trois directions au moins non colinéaires deux à deux dans l'espace, vers le centre de la zone de confinement de l'enceinte en pratique, pour que le ralentissement des atomes soit efficace, les faisceaux laser doivent avoir un diamètre suffisant pour ralentir un grand nombre d'atomes, typiquement mm, pour une vapeur de césium; - l'enceinte à vide doit posséder des accès optiques (hublots) supplémentaires pour permettre l'installation, à l'extérieur, d'appareillages (tels que caméra, photodiodes, ...) pointés vers le centre de la zone de confinement pour la caractérisation du ralentissement des atomes; - l'enceinte à vide doit posséder un accès (qui peut être de relativement petit diamètre quelques millimètres) relié à une réserve de matériau précurseur (par exemple césium, rubidium,...) ; - la zone de ralentissement est reliée au reste de l'enceinte à vide par un tube (ayant un diamètre intérieur de quelques millimètres, typiquement de 8 mm) permettant de laisser passer les atomes froids. Les enceintes à vide des horloges atomiques sont généralement réalisées en métal alliage d'aluminium (dural), acier inoxydable amagnétique, titane. Les plaques de verre constituant les hublots doivent alors être fixées mécaniquement sur l'enceinte à vide par bridage à l'aide de contre-brides, avec interposition de joints d'étanchéité (par exemple joints en cuivre lorsque l'enceinte est en titane, joints en indium lorsque l'enceinte est en alliage d'aluminium) Un inconvénient important de cette configuration connue réside dans le fait que, pour obtenir un serrage correct des brides, il est nécessaire de prévoir suffisamment de matière sur l'enceinte à vide: il en résulte l'impossibilité de réduire les dimensions de l'enceinte autant que cela pourrait être souhaité, et pour cette raison l'enceinte à vide est réalisée dans une configuration relativement volumineuse. En outre, la fixation par bridage des plaques de verre constitutives des hublots induit des contraintes mécaniques dans ces plaques qui peuvent alors se déformer; la qualité géométrique des fronts d'ondes optiques est dégradée, ce qui remet en cause les performances du ralentissement d'atomes. Cet inconvénient, s'il est déjà gênant pour la constitution et le fonctionnement des horloges atomiques, devient rédhibitoire lorsqu'on envisage des applications à la réalisation de capteurs inertiels à interférométrie atomique, tels que des gyromètres ou des gravimètre, où les séparations des ondes atomiques sont réalisées par faisceau laser. L'invention a pour but de proposer une solution perfectionnée originale qui permette d'écarter les inconvénients précités des dispositifs actuels et de mieux répondre aux attentes de la pratique, notamment en vue de la réalisation pratique de capteurs inertiels à interférométrie atomique. A ces fins, l'invention propose une enceinte à vide pour un dispositif générateur d'atomes lents, laquelle enceinte définit une chambre de confinement, propre à être placée sous un vide relativement poussé, pour le refroidissement d'atomes neutres sous l'action de faisceaux laser et comporte des hublots pour le passage desdits faisceaux laser, laquelle enceinte, étant agencée conformément à l'invention, se caractérise en ce qu'elle est constituée en verre, ce verre étant compatible avec un vide relativement poussé typiquement inférieur ou égal à 10-8 hPa, étant compatible avec les atomes froids présents dans la chambre de confinement, étant compatible d'un montage des hublots sans dégradation des qualités optiques de ceux-ci, et étant propre à servir de référence mécanique (typiquement 100 rad), stable dans le temps, pour diriger les faisceaux laser. De préférence, le verre constitutif de l'enceinte possède un très faible coefficient de dilatation thermique et est compatible d'une fixation des hublots par adhérence moléculaire. Avantageusement alors, le verre constitutif de l'enceinte pourra être choisi parmi la silice naturelle, la silice synthétique, le quartz, le verre à lunette (verre BK7). Un mode de réalisation tout particulièrement préféré consiste en ce que le verre constitutif de l'enceinte soit une céramique vitreuse non poreuse ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul. Un matériau de ce type qui, dans l'état actuel des connaissances, semble tout particulièrement approprié est le verre commercialisé par la société Schott sous la dénomination "zerodur" . Le recours à un matériau vitreux conformément à l'invention, et en particulier la mise en oeuvre d'une enceinte à vide en "zerodur" , autorise la fixation des hublots par adhérence moléculaire, ce qui évite d'avoir recours à des contre-brides et procure ainsi un gain dimensionnel considérable. Pour fixer les idées, une enceinte à vide réalisée conformément à l'invention présente une dimension transversale qui est approximativement moitié moindre que celle d'une enceinte métallique actuelle, à performances équivalentes. En outre, l'élimination des contre-brides et des moyens mécaniques de serrage écarte le risque de déformation géométrique des plaques de verre constitutives des hublots. Pour la mise en oeuvre du processus de fixation des plaques de verre constitutives des hublots par adhérence moléculaire, on prévoit avantageusement que l'enceinte, sur sa face extérieure, comporte des bossages annulaires à surface frontale superpolie sur lesquels les hublots sont appliqués et retenus par adhérence moléculaire le recours à ces bossages limite la superficie à traiter en superpoli. Les faisceaux laser destinés à parvenir jusque dans la zone de ralentissement des atomes sont amenés par des fibres optiques jusqu'à des collimateurs de mise en forme qui sont fixés sur l'enceinte à vide en regard des hublots. Le positionnement des collimateurs doit être très bien défini en direction et en centrage par rapport au centre de l'enceinte. A cette fin, on prévoit avantageusement que l'enceinte comporte des inserts en matière synthétique moulés directement dans des logements et des trous de centrage, lesdits logements et trous de centrage étant usinés dans la face externe de l'enceinte à vide et répartis autour des hublots propres à être traversés par les faisceaux laser, ce grâce à quoi des collimateurs peuvent être positionnés de façon centrée dans les trous de centrage et solidarisés à l'enceinte par vissage dans les inserts. Le fait de disposer d'une enceinte à vide de petites dimensions offre de nombreux avantages, certains étant liés au matériau constitutif de l'enceinte et d'autres étant liés aux faibles dimensions de l'enceinte. Les avantages liés au matériau constitutif de l'enceinte sont les suivants: le faible taux de dégazage du matériau vitreux utilisé, en particulier lorsqu'il s'agit du "zerodur" , conjugué avec la réduction notable de la surface interne de l'enceinte à vide permet d'envisager de maintenir le niveau de vide souhaité uniquement au moyen de getters, comme cela est déjà connu dans la technique des gyrolasers; ceci permet de s'affranchir de la mise en oeuvre d'une pompe ionique, coûteuse, d'éviter les perturbations magnétiques dues à celle-ci, et de gagner en encombrement; - le recours au "zerodur" en tant que matériau constitutif de l'enceinte à vide procure des surfaces de référence quasiment insensibles à la température, ce qui est fondamental pour déterminer une direction invariante de lancement des atomes; ceci est d'autant plus indispensable que la plupart des effets systématiques, dans un gyromètre atomique utilisant la technique du double jet atomique, sont liés à la non superposition parfaite des trajectoires des deux bouffées d'atomes. Les avantages liés aux faibles dimensions de l'enceinte à vide sont, quant à eux, les suivants: - le champ magnétique, ainsi que ses fluctuations temporelles et spatiales sont une source importante de déphasages parasites; avec une enceinte à vide de petite taille, le champ magnétique est contrôlé sur un volume plus petit, ce qui se réalise plus facilement et plus efficacement; de plus, les blindages magnétiques sont plus petits et plus légers; - de même, la température est plus facile à contrôler dans un volume réduit, et les effets liés aux dilatations thermiques sont réduits en proportion des dimensions de l'enceinte à vide; - la réduction des dimensions des différentes zones (piégeage des atomes, préparation atomique, interférométrie, détection) permet de limiter les temps morts entre les différentes phases de fonctionnement et d'augmenter ainsi le rapport cyclique de fonctionnement (temps d'interaction/temps de cycle) ; - les bobines de courant utilisées pour le piège magnéto-optique peuvent être placées plus près de la zone de piégeage et nécessitent donc des courants plus faibles pour réaliser le même gradient de champ magnétique; la dissipation thermique des bobines s'en trouve également réduite. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples purement illustratifs. Dans cette description, on se réfère au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue extérieure en perspective d'une enceinte à vide agencée conformément à 5 l'invention; et - la figure 2 est une vue extérieure en perspective de l'enceinte à vide en cours d'usinage, la pièce étant montrée à la fin de la première phase d'usinage. Comme illustré à la figure 1, l'enceinte à vide visée par l'invention, désignée dans son ensemble par la référence 1, se présente sous forme d'un corps polyèdre ayant six faces principales 2 qui sont deux à deux opposées et mutuellement parallèles et qui sont trois à trois adjacentes et mutuellement perpendiculaires (concrètement, ces six faces sont les faces d'un cube). Cette enceinte à vide 1 est destinée à constituer un dispositif générateur d'atomes lents et définit une chambre interne de confinement (non visible), propre à être placée sous un vide relativement poussé (typiquement de l'ordre de 10-8 à 10-8 hPa), pour le refroidissement ou ralentissement d'atomes neutres (tels que des atomes de césium ou de rubidium) sous l'action de faisceaux laser. Les faces principales 2 comportent des ouvertures respectives 3 fermées par des hublots 4 formés de plaques de verre (ces plaques de verre des hublots sont représentées en tirets) et destinées au passage desdits faisceaux laser. Les hublots 4 peuvent par exemple être en verre à lunette (verre BK7). Dans cette configuration, les ouvertures 3 fermées par les hublots 4 sont deux à deux opposées et coaxiales et chaque paire d'ouvertures opposées peut donner passage à deux faisceaux laser dirigés l'un vers l'autre et sensiblement coaxiaux (faisceaux contrapropageants). Conformément à l'invention, l'enceinte à vide 1 est constituée en verre, ce verre étant compatible avec un vide relativement poussé, étant compatible avec les atomes froids (par exemple césium, rubidium) présents dans la chambre de confinement, étant compatible d'un montage des hublots 4 sans dégradation des qualités optiques de ceux-ci, et surtout étant propre à servir de référence mécanique d'une très grande stabilité dans le temps (de l'ordre de 30" d'arc), pour diriger les faisceaux laser avec la précision souhaitable. De façon préférée, le verre constitutif de l'enceinte 1 possède un très faible coefficient de dilatation thermique et est compatible d'une fixation des hublots 4 par adhérence moléculaire. Le verre constitutif de l'enceinte 1 est alors avantageusement choisi parmi la silice naturelle, la silice synthétique, le quartz, le verre à lunette (verre BK7). Dans un mode de réalisation préféré, le verre constitutif de l'enceinte 1 est une céramique vitreuse non poreuse ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul. De façon tout particulièrement préférée, on a recours, conformément à l'invention, à un verre commercialisé par la société Schott sous la dénomination "zerodur" , qui confère une très grande stabilité géométrique à l'ensemble de la pièce, assurant ainsi une très grande précision mécanique. Les faces principales 2 sont munies de bossages 5 centraux, coaxiaux aux ouvertures 3 respectivement, dont l'axe est centré sur le point origine ou point central O de la pièce (point de concours des axes des ouvertures 3 comme montré à la figure 2). Les faces frontales des bossages 5 des faces principales 2 sont rectifiées et finies avec un superpoli, de sorte que les plaques de verre respectives constitutives des hublots 4 peuvent être fixées sur ces bossages uniquement par adhérence moléculaire, sans qu'il soit besoin de faire appel à des systèmes mécaniques de fixation tels que des contre-brides. Du fait de leur fixation par le simple phénomène d'adhérence moléculaire, les plaques de verre constitutives des hublots 4 ne sont soumises à aucune contrainte mécanique et ne sont donc sujettes à aucune déformation géométrique sensible. Dans un exemple typique de réalisation, les bossages 4 des faces principales 2 ont un diamètre de l'ordre de 21 à 24 mm et une épaisseur de 1 mm, alors que les ouvertures respectives ont un diamètre de 15 mm. De ce fait, la surface utile pour le phénomène d'adhérence moléculaire est une surface annulaire délimitée entre les diamètres 15 mm et 24 mm, soit environ 275 mm2. Une telle surface est suffisante pour l'effet recherché qui est d'assurer l'étanchéité de l'appui des plaques de verre constitutives des hublots 4 lorsque l'enceinte 1 est placée sous un vide inférieur à au moins 10-8 ou 10-9 hPa, typiquement de l'ordre de 10-10 hPa. Les faisceaux laser sont amenés, depuis un ou plusieurs générateurs, par des fibres optiques, puis mis en forme par des collimateurs (non montrés) qui sont montés coaxialement sur chaque ouverture 3, au contact des hublots 4. Ces collimateurs sont fixés mécaniquement sur l'enceinte 1 et, dans le cas où les atomes froids sont lancés par une technique de mélasse mouvante (voir C. Salomon et al., Europhysics Letters, 1991, Vol. 16, p. 165 et suivantes), leur position doit être définie de façon très précise en direction et en centrage par rapport au centre O de l'enceinte 1. Pour la fixation des collimateurs, on prévoit, répartis autour des bossages 5, plusieurs logements 6 dans lesquels sont moulés directement des inserts en matière synthétique (non montrés) propres à recevoir des vis de fixation des collimateurs. Typiquement, dans l'exemple illustré à la figure 1, les logements 6 sont des trous lamés à fond plat au nombre de trois sur chaque face principale 2, écartés angulairement de 135 , 135 et 90 , et ayant un diamètre de 5 mm et une profondeur de 5 mm. Pour un centrage correct des collimateurs, on prévoit, autour des bossages 5, des trous borgnes 7 de centrage notamment à fond hémisphérique, propres à recevoir des pions de centrage de forme complémentaire prévus sur les collimateurs. Dans l'exemple typique envisagé ci-dessus et illustré à la figure 1, les trous borgnes 7 ont un diamètre de 4 mm et une profondeur de 2 mm et, sur chaque face principale 2, ils sont au nombre de trois interposés entre les logements 6, avec une répartition angulaire identique à celle des logements 6, mais avec un décalage angulaire de 180 par rapport à ceux-ci, comme illustré à la figure 1. A la figure 2 est montrée la pièce cubique de départ avec ses six faces principales 2 munies chacune de son bossage 5 annulaire entouré des trois logements 6 et des trois trous de centrage 7 en alternance. Sur cette figure 2, on a représenté les trois axes des bossages des trois faces principales visibles, axes A qui sont mutuellement orthogonaux et qui s'intersectent en un point O centre de la pièce. Deux sommets opposés de la pièce cubique de départ montrée à la figure 2 sont éliminés (typiquement sur une profondeur de 12 mm) pour former deux faces respectivement supérieure 8 et inférieure 9, mutuellement parallèles et munies de passages centraux respectifs comme visible sur la figure 1 (sur la figure 2, l'emplacement des faces 8, 9 - non encore usinées- est schématisé en tirets). La face supérieure 8 est destinée à la fixation du corps du capteur inertiel (par exemple du gyromètre), tandis que la face inférieure 9 est destinée au raccordement d'une réserve de précurseur atomique (par exemple césium ou rubidium). L'enceinte à vide 1 telle qu'elle vient d'être décrite suffit en tant que telle pour la fonction qui lui est assignée. Toutefois, il est souhaitable de pouvoir contrôler le fonctionnement à l'aide d'appareils de contrôle situés à l'extérieur. Pour ce faire, on prévoit des hublots additionnels qui, comme aucun emplacement libre pour leur implantation n'est disponible sur les faces principales 2, sont mis en place sur des faces auxiliaires 10 de forme générale triangulaire obtenues en taillant les sommets de la pièce cubique (typiquement sur une profondeur d'environ 14 mm à partir du sommet correspondant) de telle manière que la perpendiculaire à chaque face auxiliaire en son milieu passe par le centre O précité de la pièce. Chaque face auxiliaire 10 comporte elle aussi un trou traversant 11 bordé par un bossage annulaire 12 (typiquement, les trous 11 ont un diamètre de 8 mm et les bossages 12 un diamètre externe de 17 mm), les trous 11 étant fermés par des hublots 13 maintenus sur les faces frontales superpolies des bossages annulaires 12 par adhérence moléculaire (sur la figure 2, l'emplacement des faces 10 - non encore usinées- est schématisé en tirets). 13 2879396 REVENDICATIONS 1. Enceinte à vide (1) pour un dispositif générateur d'atomes lents, laquelle enceinte (1) définit 5 une chambre de confinement, propre à être placée sous un vide relativement poussé, pour le refroidissement d'atomes neutres sous l'action de faisceaux laser et comporte des hublots (4) pour le passage desdits faisceaux laser, caractérisée en ce qu'elle est constituée en verre, ce 10 verre étant compatible avec un vide relativement poussé, étant compatible avec les atomes froids présents dans la chambre de confinement, étant compatible avec un montage des hublots (4) sans dégradation des qualités optiques de ceux-ci, et étant propre à servir de référence mécanique, 15 stable dans le temps, pour diriger les faisceaux laser. 2. Enceinte à vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le verre constitutif de l'enceinte (1) possède un très faible coefficient de dilatation thermique et est compatible avec une fixation des hublots 20 (4) par adhérence moléculaire. 3. Enceinte à vide selon la revendication 2, caractérisée en ce que le verre constitutif de l'enceinte (1) est choisi parmi la silice naturelle, la silice synthétique, le quartz, le verre à lunette. 4. Enceinte à vide selon la revendication 3, caractérisée en ce que le verre constitutif de l'enceinte (1) est une céramique vitreuse non poreuse ayant un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul. 5. Enceinte à vide selon la revendication 4, 30 caractérisée en ce que le verre constitutif de l'enceinte (1) est un verre commercialisé sous la dénomination "zerodur" . 6. Enceinte à vide selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que, sur sa face extérieure, elle comporte des bossages (5) annulaires à surface frontale superpolie et en ce que les hublots (4) sont appliqués sur lesdites surfaces frontales superpolies par adhérence moléculaire. 7. Enceinte à vide selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte des inserts en matière synthétique moulés directement dans des logements (6) et des trous de centrage (7), lesdits logements (6) et trous de centrage (7) étant usinés dans la face externe de l'enceinte à vide (1) et répartis autour des hublots (4) propres à être traversés par les faisceaux laser, ce grâce à quoi des collimateurs peuvent être positionnés de façon centrée dans les trous de centrage et solidarisés à l'enceinte par vissage dans les inserts.