Brevet FR2946766A1 — publié le 20101217

HORLOGE ATOMIQUE FONCTIONNANT A L'HELIUM 3 DESCRIPTION Le sujet de l'invention est une horloge atomique fonctionnant à l'hélium 3. Des horloges atomiques comprennent un milieu gazeux souvent alcalin, un dispositif d'excitation des atomes de ce gaz tel qu'un laser, apte à les faire passer à des états d'énergie supérieurs, et un moyen de mesure d'un signal fréquentiel émis par les atomes en revenant au niveau d'énergie habituel, en utilisant les photons provenant du laser. La fréquence du signal des photons restitués par le gaz est définie par la formule v =0E/h, où v est la fréquence, AE la différence entre les niveaux d'énergie et h la constante de Planck, égale à 6, 62x10-34 J/s. Il est connu que cette fréquence est très stable et qu'elle peut donc servir d'unité de référence au temps. Cela n'est toutefois plus vrai quand on considère la structure Zeeman de la matière : les niveaux d'énergie apparaissent alors comme composés de sous-niveaux correspondant à des états un peu différents, qu'on distingue par leur indice de moment angulaire mF, 0 pour un état de référence du niveau d'énergie et -1, -2, etc. ou +1, +2, etc. pour les autres. Cela est illustré par la figure 1 dans le cas de l'élément 87Rb, dont on a figuré la décomposition des deux premiers niveaux d'énergie (de moments angulaires F=1 et F=2). 2 Les niveaux d'énergie sont sensibles au champ magnétique ambiant. Cette sensibilité est faible (du second ordre) pour le sous-niveau de moment angulaire égal à 0, mais beaucoup plus forte (du premier ordre) pour les autres sous-niveaux : les transitions faites depuis ou jusqu'à eux produisent des photons dont la fréquence est variable et ne peut donc pas servir de référence, et seule la portion du signal correspondant à la transition entre les deux sous- niveaux de moment angulaire nul est exploitée pour la mesure, ce qui nuit à sa qualité. La fréquence de référence donnée par l'horloge est alors fo=Eo/h, où Fo est la différence d'énergie entre les sous-niveaux à mF=O des deux états (F=1 et F=2 de l'exemple de la figure 1). Les gaz alcalins ont été préférés jusqu'à présent comme milieu de mesure dans les horloges atomiques puisqu'ils comprennent en général des états stables et excités dotés chacun d'un sous-niveau à moment angulaire nul qui assure donc une mesure à une fréquence de résonnance stable. Ces corps présentent toutefois l'inconvénient de pouvoir présenter plusieurs états physiques aux conditions ordinaires de fonctionnement et d'être chimiquement très réactifs. S'il est possible de maintenir le champ magnétique ambiant à une valeur fixe, tous les sous-niveaux sont fixés et peuvent contribuer à la mesure. Plusieurs techniques de stabilisation du champ magnétique ambiant ont été développées et exposées dans certaines publications, telles que le brevet américain US2007/0247241. 3 L'objet de l'invention est de perfectionner des horloges existantes. Elle est fondée sur l'emploi comme milieu de mesure de l'hélium 3, mais qui a été porté à l'état de plasma par un dispositif excitateur distinct du dispositif classique servant à l'excitation des particules en vue de la mesure. Seuls des milieux de mesures gazeux sont généralement considérés pour les mesures dans les horloges atomiques. L'emploi d'un plasma, et plus particulièrement celui d'hélium 3, permet de peupler un niveau métastable muni d'une structure hyperfine dont la fréquence élevée et fournit donc une base de mesure de temps appréciable pour sa précision. De plus, comme l'hélium 3 est chimiquement inerte, aucune réaction avec le matériel environnant n'est à redouter ; et comme seule une portion réduite est usuellement portée à l'état de plasma, la plus grande part reste gazeuse et sert de gaz tampon afin de limiter les chocs entre les atomes de l'hélium 3 dans le niveau métastable, lesdits atomes étant porteurs de l'information magnétique. Une définition synthétique de l'invention est une horloge atomique comprenant une cellule emplie d'un milieu de mesure, un premier dispositif excitateur (1) de particules du milieu de mesure jusqu'à un niveau d'énergie supérieur, un système (4, 6, 7) recueillant une fréquence d'énergie lumineuse restituée par le milieu de mesure en quittant le niveau d'énergie supérieur, ladite fréquence bande d'énergie lumineuse étant exploitée pour donner une mesure du temps, un 4 dispositif (9) d'application de champs magnétiques comprenant au moins un champ magnétique essentiellement statique et des moyens d'asservissement (8) dudit dispositif (9) pour ajuster les champs magnétiques, caractérisée en ce que le milieu de mesure comprend du plasma d'hélium 3, et il est prévu un second dispositif excitateur (10) pour susciter le plasma d'hélium 3 à partir d'hélium 3 gazeux. Le second dispositif excitateur est éventuellement un générateur d'ondes de radiofréquences � de puissance �. L'expression signifie que la puissance que ce second dispositif instaure dans le milieu de mesure est nettement supérieure à celle qui est instaurée par le premier dispositif excitateur, responsable de l'excitation à l'origine de la mesure. Les ondes de radiofréquences peuvent être comprises entre 20 MHz et 30 MHz, et leur puissance peut être de 1 W pour une quantité de gaz d'hélium 3 de 100 mm3 à une pression de 0,1 Torr environ. Il suffit en réalité d'ioniser une partie seulement du milieu de mesure, ayant par exemple une teneur de 1 partie par million des atomes portés au niveau métastable, le reste de l'hélium 3 restant à l'état gazeux et étant alors sans utilité directe pour la mesure ; il sert cependant de gaz tampon aux atomes de l'hélium 3 dans le niveau métastable. On a déjà mentionné la stabilité chimique de cet élément, qui le rend d'autant plus intéressant comme gaz tampon qu'étant de même nature chimique que l'élément servant à la mesure, il ne réagit pas chimiquement avec lui, ce qui n'est pas le cas avec les gaz alcalins, qui doivent souvent être mêlés à des gaz tampons pour donner un état stable. Il est conforme à une réalisation privilégiée de l'invention que le milieu de mesure soit, en conséquence, composé exclusivement d'hélium 3, l'état 5 métastable étant le niveau 2351. Parmi d'autres solutions, le premier dispositif excitateur peut comprendre un faisceau de laser ; et les champs magnétiques appliqués par le dispositif, qui sont destinés à la stabilisation des niveaux d'énergie du milieu de mesure, peuvent comprendre au moins un champ magnétique essentiellement statique et asservi, et éventuellement un ou deux champ magnétiques oscillants perpendiculaires au précédent. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures : - la figure 1 illustre un diagramme d'énergie d'un élément de mesure dans une horloge atomique ; - la figure 2 est une représentation de l'horloge atomique selon l'invention ; - et les figures 3 et 4 illustrent un mode d'asservissement de champ magnétique de stabilisation. Le coeur de l'horloge (figure 2) est une cellule 1 remplie d'un milieu de mesure. Un excitateur 2 transmet de l'énergie à ce milieu sous forme d'un flux de photons polarisés par une lame quart d'onde 3. L'excitateur peut être un laser injectant un faisceau lumineux pour détecter les résonances du milieu. Un photodétecteur 4 recueille l'énergie lumineuse restituée par le milieu excité de la cellule 1 et transmet un signal à un dispositif de comptage 5, le 6 photodétecteur 4 étant disposé avantageusement dans le prolongement d'un faisceau laser émanant de l'excitateur 2. Un séparateur de fréquences 6 recueille le signal à la sortie du dispositif de comptage 5 et transmet ses résultats à un dispositif d'exploitation 7 de l'horloge et un dispositif d'asservissement 8, qui gouverne l'excitateur 2 et un dispositif d'application de champ magnétique 9. On trouve également un second dispositif d'excitation 10 pour obtenir un plasma d'hélium 3 à partir du gaz de l'hélium 3. Voici quelques éléments de construction d'une réalisation possible de l'invention. Le premier excitateur 2 est une diode laser de longueur d'onde 1083 nm pour une puissance de 100 mW, avec un courant de pompe modulé à 3,37 GHz environ afin d'induire une modulation d'intensité optique chargée de générer la résonance de micro-onde de la transition hyperfine de l'hélium 3. La lame quart d'onde 3 impose une polarisation circulaire gauche pour les photons. La cellule 1 est emplie d'hélium 3 soumis à une pression de 0,1 torr environ. Elle est cylindrique, en Pyrex, et son volume est de 100 mm3. Le second dispositif excitateur 10 comprend deux électrodes accolées à la cellule 1 de part et d'autre d'elle et qui sont branchées à un générateur de puissance de radiofréquences à 25 MHz (entre 20MHz et 30 MHz environ) et 1W. Il crée le plasma d'hélium, qui est nécessaire pour peupler le niveau métastable 2351 disposant de la structure hyperfine. 7 Le dispositif d'application de champ magnétique 9 permet d'appliquer un champ magnétique Ho de 500g T parallèlement au faisceau du laser pour bloquer les sous-niveaux à des énergies constantes. On utilise pour cela une paire de bobines de Helmholtz. Ce champ magnétique est asservi à une valeur constante par la mesure de la fréquence de Larmor au sein de la structure hyperfine. Ainsi, on empeche que les variations du champ magnétique ambiant ne perturbent la transition de micro-ondes définissant la fréquence de résonnance fo. Le dispositif de d'application de champ magnétique 9 engendre encore une composante de champ magnétique oscillant à basse fréquence, appliquée perpendiculairement au champ magnétique statique et que l'on asservit grâce au dispositif d'asservissement 8 à la transition de Zeeman à 12 MHz environ. Ce champ oscillant permet d'induire une résonnance au sein des sous-niveaux de Zeeman qui donnera la mesure précitée pour évaluer le champ magnétique ambiant résultant et l'asservir à une valeur constante. L'hélium 3 étant dépourvu de sous-niveaux à indice de moment angulaire nul, il est nécessaire de faire fonctionner le dispositif à champ magnétique constant, ce qui peut être obtenu par un champ artificiel asservi avec ou sans un blindage magnétique. L'asservissement du champ magnétique peut être accompli de façon scalaire ou vectorielle par la fréquence de Larmor ou vectorielle par une recherche de champ magnétique total nul. 8 Le dispositif d'application de champ magnétique 9 peut à la fois générer le champ magnétique servant à la mesure de la résonnance s'il est composé de bobines triaxiales asservies. Dans une conception perfectionnée, le dispositif d'application de champ 9 émet des champs magnétiques à des radiofréquences de pulsations notées n et w, qui sont perpendiculaires entre eux et de direction dépendant de la polarisation (par exemple perpendiculaires aux rayons lumineux émis par l'excitateur 2 dans le cas d'une polarisation circulaire). On se reporte à la figure 3. Le signal issu du dispositif de comptage 5 comprend plusieurs raies lumineuses, et d'abord une qui est à la fréquence fo utile correspondant à la restitution des photons par le milieu gazeux et qui donne la référence à la mesure de temps. Il révèle encore des raies spectrales aux fréquences n /2n, (W-S) /2n, W/27t, et (W+S) /27t. Ces raies spectrales apparaissent pour des champs magnétiques de faibles valeurs, très inférieures à 1/S.TR , où TR est le temps de relaxation des sous- niveaux et y est leur rapport gyromagnétique, caractéristique de l'élément chimique excité. Elles correspondent à des résonances entre les sous-niveaux. Leur amplitude est proportionnelle au champ magnétique ambiant. Il est conforme à ce mode d'asservissement d'appliquer un champ magnétique de compensation du champ magnétique ambiant essentiellement statique, mais qu'on fait varier de façon continue en amplitude et en 9 direction si nécessaire, de façon que l'amplitude de ces raies soit réduite autant que possible, ce qui signifie que le champ de compensation a équilibré le champ magnétique ambiant. La figure 4 montre alors que les sous-niveaux de chaque niveau principal sont à une même valeur d'énergie, si bien que les photons restitués par le milieu gazeux sont tous à la fréquence fo utile : la raie spectacle correspondante apparaît sous forme d'un pic beaucoup plus fin et haut et dont la détection est donc facilitée. Il devient envisageable d'omettre le blindage magnétique traditionnel des horloges atomiques ; toutefois, comme le blindage magnétique filtre par effet de peau le champ électrique, un blindage électrique est avantageusement ajouté afin de ne pas perturber les niveaux d'énergie des atomes si le blindage magnétique est supprimé. Les amplitudes des champs de radiofréquences sont avantageusement choisies pour maximiser l'amplitude des raies spectrales de résonance (avant l'application du champ statique de compensation). On préconise de respecter approximativement les égalités yHw/w = 1 et yHn/n = 1, où HW et Hn sont les amplitudes des champs de radiofréquences de pulsations w et n. Avantageusement, le dispositif d'application du champ magnétique 9 applique à la fois le champ magnétique sensiblement statique de compensation et les champs magnétiques de radiofréquences. Il peut consister en des bobines triaxiales, ou en trois bobines monoaxiales concentriques entre elles. L'asservissement est 10 accompli par tout matériel connu comprenant une unité de calcul. Les bobines sont pilotées en courant ou en tension. L'excitation à la fréquence de résonance fo est accomplie par une modulation en amplitude de la diode laser à la fréquence fo/2 ou par une cavité à micro-ondes résonnant à la fréquence fo. Un excitateur comprenant deux lasers dont l'écart en fréquence est fo peut aussi être envisagé. L'hélium 3 étant dépourvu de sous-niveaux à indice de moment angulaire nul, il est nécessaire de faire fonctionner le dispositif à champ magnétique constant, ce qui peut être obtenu par un champ artificiel asservi avec ou sans un blindage magnétique. L'asservissement du champ magnétique peut être accompli de façon scalaire ou vectorielle par la fréquence de Larmor ou vectorielle par une recherche de champ magnétique total nul. Le dispositif d'application de champ magnétique 9 peut à la fois générer le champ magnétique servant à la mesure de la résonnance s'il est composé de bobines triaxiales asservies. L'instrument mesurant le flux laser peut être une photodiode de type InGaAs. Ce mode de réalisation, comprenant un dispositif de stabilisation du champ magnétique, ne comprend pas de blindage magnétique. Cependant, il est également possible d'utiliser un blindage magnétique en plus du dispositif d'asservissement du champ magnétique tel que précédemment décrit. Le blindage magnétique peut être composé par exemple d'un cylindre de fer doux et de cylindre de �métal imbriqués. 11 L'excitateur 2 pourrait comprendre une lampe ou une VCSEL (pour Variation capacity surface emitting light). En l'absence d'un dispositif de stabilisation du champ magnétique ambiant, L'excitation à la fréquence de résonnance pourrait aussi être procurée par une cavité micro-onde résonnante ou par deux lasers dont l'écart des fréquences est la fréquence de résonance.10 REVENDICATIONS1) Horloge atomique comprenant une cellule emplie d'un milieu de mesure, un premier dispositif excitateur (1) de particules du milieu de mesure jusqu'à un niveau d'énergie supérieur, un système (4, 6, 7) recueillant une fréquence d'énergie lumineuse restituée par le milieu de mesure en quittant le niveau d'énergie supérieur, ladite fréquence d'énergie lumineuse étant exploitée pour donner une mesure du temps, un dispositif (9) d'application de champs magnétiques comprenant au moins un champ magnétique essentiellement statique et des moyens d'asservissement (8) dudit dispositif (9) pour ajuster les champs magnétiques, caractérisée en ce que le milieu de mesure comprend du plasma d'hélium 3, et il est prévu un second dispositif excitateur (10) pour susciter le plasma d'hélium 3 à partir d'hélium 3 gazeux. 2) Horloge atomique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le second 20 dispositif excitateur (10) est un générateur d'ondes de radiofréquences de puissance. 3) Horloge atomique suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les ondes de radiofréquences sont comprises entre 20 MHz et 30 MHz. 4) Horloge atomique suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les ondes de radiofréquences ont une puissance de 1W pour une quantité d'hélium 3 de 100 mm3 à une pression de 0,1 torr environ. 5) Horloge atomique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce 25 30 13 que le niveau d'énergie supérieur, duquel le milieu de mesure restitue la fréquence d'énergie lumineuse exploitée pour donner la mesure du temps, et le niveau métastable 2351. 6) Horloge atomique suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le milieu de mesure est composé exclusivement d'hélium 3, ayant une teneur de 1 partie par million d'atomes portés au niveau métastable, quand le second dispositif excitateur fonctionne. 7) Horloge atomique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le premier dispositif excitateur (1) comprend un faisceau de laser, et les champs magnétiques appliqués par le dispositif (9) comprennent au moins un champ magnétique oscillant. 8) Horloge atomique suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les champs magnétiques appliqués par le dispositif (9) comprennent 20 deux champs magnétiques oscillants perpendiculaires entre eux. 9) Horloge atomique suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que le champ magnétique essentiellement statique est 25 précisément orienté par rapport au champ magnétique oscillant ou aux champs magnétiques oscillants. 10) Horloge atomique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en 30 qu'elle comprend un blindage magnétique qui l'entoure.