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Study on collisional shift of cesium clock frequency in presence of helium or xenon buffer gas. Applications to high temperature microcells
No full textCe mémoire présente l'étude du déplacement collisionnel de la fréquence d'horloge du césium en présence du gaz tampon hélium ou xénon. L'introduction d'un gaz tampon dans les cellules à vapeur alcaline est nécessaire pour diminuer la largeur de raie de la résonance CPT par effet Dicke. Cependant, la présence de gaz tampon induit un déplacement quadratique de la fréquence d'horloge en fonction de la température de la cellule. Il est possible d'annuler la dépendance thermique du déplacement collisionnel en se plaçant à une température, dite d'inversion, déterminée par le ratio de gaz tampons introduits dans la cellule. Cette température est un point de fonctionnement de choix pour l'opération d'horloges atomiques miniatures et nécessite d'être de l'ordre de 90 voire 100 °C pour les applications à contraintes environnementales sévères. Nous avons mesuré les valeurs des coefficients de déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence d’hélium et déterminé pour la première fois la valeur du coefficient quadratique en température. Concernant le xénon, les mesures des valeurs des coefficients de déplacement collisionnel sont incertaines en raison du caractère cubique non-attendu du déplacement collisionnel de la fréquence d’horloge du césium en présence de xénon. Ce comportement serait attribué à des interactions avec les molécules transitoires de van der Waals. Nous avons également établi qu'un mélange de gaz tampon néon-hélium permet d'obtenir des températures d'inversion supérieures à 80 °C. Des mesures dans des micro-cellules ont révélé des températures de l'ordre de 89 à 94 °C pour des mélanges à quelques pourcents d'hélium.This thesis presents a study on collisional shift of cesium clock frequency in the presence of helium or xenon buffer gas. Introduction of buffer gas in alkaline vapour cells is necessary to narrow the CPT line-width by Dicke effect. Nevertheless, buffer gas induces a quadratic shift of the clock frequency versus temperature cell. Cancellation of collisional shift temperature dependence is possible at a so-called inversion temperature depending on the buffer gas ratio. This inversion temperature is great working point for micro atomic clocks. This temperature is required to be 90 or even 100 °C, especially to work in harsh environmental constraints. We measured collisional shift coefficients of cesium clock frequency in presence of helium buffer gas and we determined for the first time the value of the quadratic coefficient. About xenon buffer gas, the measurement of collisional shift coefficients is more difficult because of non-expected cubic behavior of collisional clock frequency shift which could be linked to the interaction with van der Waals molecules. We established that a neon-helium buffer gas mixture could allow an inversion temperature superior to more than 80 °C. Inversion temperatures from 89 to 94 °C are measured in cesium vapor microcells filled with a mixture containing a few percent of helium
Coherent population trapping Cs cell atomic clock with Auto-Balanced Ramsey interrogation protocol
No full textCette thèse reporte une horloge atomique à cellule de césium de haute-performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge associe une diode laser DFB (à 895 nm, raie D1 du Cs), un modulateur électro-optique fibré, un modulateur acousto-optique, un système Michelson, une électronique bas bruit contrôlée par une carte FPGA et une cellule à vapeur de césium contenant un mélange de gaz tampon azote-argon. L’horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP) permettant la détection de résonances CPT à fort contraste.L’horloge repose sur l’exploitation d’un nouveau protocole d’interrogation pulsé nommé Auto-Balanced Ramsey (ABR). Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes. Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes. La mise en place de ce protocole ABR-CPT, amélioré par la suite avec symétrisation (SABR-CPT), conduit à une réduction drastique des effets de déplacement lumineux, avec en particulier une diminution de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de puissance laser par un facteur 80 comparativement à une interrogation Ramsey-CPT conventionnelle. Cette horloge CPT démontre à ce jour une stabilité relative de fréquence de 2 10-13 τ -1/2, atteignant le niveau record (pour ce type d’horloge) de 2,5 10-15 à 10 000 s. Des travaux annexes de spectroscopie laser en microcellules à vapeur de césium sont aussi reportés dans ce manuscrit. On notera en particulier la démonstration d’un laser stabilisé par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence dans une microcellule Cs avec une stabilité de fréquence préliminaire meilleure que 2 10-12 à 1 s. Ces performances sont 10 fois meilleures que celles de micro-horloges atomiques micro-ondes CPT.This thesis reports a high-performance Cs vapor cell atomic based on coherent population trapping (CPT). This clock combines a DFB diode laser (895 nm, Cs D1 line), a fibred electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, a Michelson system, FPGA-based low noise electronics and a N2-Ar buffer gas filled Cs vapor cell. The clock is based on an optimized CPT pumping scheme, named push-pull optical pumping (PPOP), allowing the detection of high-contrast CPT resonances.The clock uses a novel pulsed interrogation protocol named Auto-Balanced Ramsey (ABR). This method is based on the extraction of two error signals derived from two successive Ramsey sequences with different dark periods. The ABR-CPT protocol, improved further with symmetrization (SABR-CPT), allows a drastic reduction of light-shifts effects, yielding in particular to reduce the sensitivity of the clock frequency to laser power variations by a factor 80, in comparison with a standard Ramsey-CPT interrogation. This clock CPT demonstrates a fractional frequency stability of 2 10-13 τ -1/2, reaching the record level (for this kind of clock) of 2.5 10-15 at 10 000 s. Annex laser spectroscopy studies in Cs microfabricated cells were performed in this thesis. We shall note the preliminary demonstration of a laser frequency-stabilized using dual-frequency sub-Doppler spectroscopy in a Cs microcell, exhibiting a fractional frequency stability better than 2 10-12 at 1 s. These performances are 10 times better than those of microwave CPT-based chip-scale atomic clocks
Cs vapor microcell optical frequency reference based on dual-frequency sub-Doppler spectroscopy
No full textCette thèse présente le développement et la caractérisation d'une référence de fréquence optique à 895 nm basée sur l'interrogation d'atomes de césium confinés dans une cellule micro-fabriquée par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence. Cette référence comprend une diode laser accordée sur la raie D1 du césium (895 nm), un modulateur électro-optique, un modulateur acousto-optique, une microcellule césium et une électronique de contrôle.Deux systèmes laser quasi-identiques ont d’abord été développés, l'un avec une diode laser DFB (Distributed FeedBack), l'autre avec une diode laser à cavité étendue (ECDL). Le battement entre ces deux lasers a démontré une stabilité relative de fréquence à 1 s de 1.1×10-12, limitée par le bruit de fréquence de l’ECDL, alors modulé à une fréquence trop faible.Une référence de fréquence ultra-stable à 895 nm a ensuite été développée pour caractériser sans ambiguïté les performances du laser ECDL. Cette dernière repose sur un laser ECDL annexe, asservi en phase sur un peigne de fréquence spectralement étendu, lui-même asservi sur un laser à 1542 nm stabilisé sur une cavité Fabry-Perot ultra-stable. Un lien fibré compensé, avec un bruit de phase résiduel de - 55 dBrad²/Hz à 1 Hz, a été aussi mis en place pour le transfert du signal ultra-stable.Par battement hétérodyne avec la référence, le laser ECDL à microcellule a démontré une stabilité relative de fréquence au niveau de 2.9×10-13 à 1 s, en bon accord avec son bruit de phase (+40 dBrad²/Hz à f = 1 Hz), et meilleure que 5×10-14 à 100 s.En dernier lieu, des travaux préliminaires ont été initiés pour mesurer la sensibilité de la fréquence laser aux variations des paramètres expérimentaux. Parmi les effets évalués, les défauts de superposition entre les faisceaux contre propageants, la puissance micro-onde et la champ magnétique, semblent constituer des contributions importantes à la stabilité moyen-terme du laser.This thesis reports the development and characterization of an optical frequency reference at 895 nm based on the interrogation of cesium atoms confined in a microfabricated cell using dual-frequency sub-Doppler spectroscopy. This frequency reference includes a diode laser tuned on the cesium D1 line (895 nm), an electro-optic modulator, an acousto-optic modulator, a cesium vapor microcell and a control electronics.Two nearly-identical laser systems were developed, one using a DFB diode laser and the other with an external cavity diode laser (ECDL). The beatnote between these two lasers demonstrated a frequency stability of 1.1×10-12 at 1 s, limited by the intermodulation effect induced by the laser frequency noise.An ultra-stable frequency reference at 895 nm was developed to unambiguously characterize the individual performance of the microcell ECDL. The latter is based on an annex ECDL, phase locked to a spectrally-broadened frequency comb, referenced to an ultra-stable Fabry-Perot cavity-stabilized 1542 nm laser. A compensated fiber link, with a residual phase noise of - 55 dBrad²/Hz at 1 Hz, was developed to transfer the signal of the reference.Beating with the reference, the microcell ECDL laser has demonstrated a short-term frequency stability of 2.9×10-13 at 1 s, in good agreement with its phase noise (+40 dBrad²/Hz at f = 1 Hz), and better than 5×10-14 at 100 s.In a last step, preliminary studies were initiated to measure the sensitivity of laser frequency to variations of some experimental parameters. Among the evaluated effects, the misalignment between both counter-propagating beams, the microwave power, and the magnetic field appear to be important contributions to the laser medium-term stability
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Microwave atomic clock with improved microcell technology and pulsed interrogation regime
No full textCe travail de thèse a visé à proposer des solutions scientifiques et technologiques innovantes pour la démonstration d’une horloge atomique CPT à cellule micro-fabriquée à la stabilité de fréquence long-terme améliorée.Un premier axe d’étude a concerné la mise en place de protocoles d’interrogation impulsionnels pour réduire les déplacements de fréquence induits lors de l’interaction entre les atomes et le champ d’interrogation lumineux. La mise en œuvre d’une séquence avancée nommée Symmetric Auto-Balanced Ramsey (SABR) a notamment permis une réduction de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations du champ laser par plus de deux ordres de grandeur, bénéficiant à la stabilité de fréquence pour des temps d’intégration supérieurs à 100 s.Un second axe de recherche a porté sur la preuve de concept et le développement d’une nouvelle technologie de microcellule à vapeur de césium reposant sur l’exploitation de vannes ouvrantes et fermantes micro-fabriquées actionnables par laser, combinées à l’utilisation de substrats de verre à faible perméation, permettant un choix étendu et un contrôle renforcé de son atmosphère interne. Une réduction du taux de perméation par un facteur supérieur à 1000 a été démontrée dans des cellules avec verres aluminosilicatés et revêtements d’alumine. Des études pour le développement de cellules exploitant de nouveaux mélanges de gaz tampon et pouvant ainsi opérer à haute température (>90°C) ont été entreprises.Enfin, les résultats complémentaires de ces deux axes de recherche ont été valorisés par la démonstration d’une horloge à microcellule Cs-Ne à verres aluminosilicatés exploitant la séquence d’interrogation SABR. La combinaison de ces approches, renforcées par la mise en œuvre de contrôles actifs de paramètres expérimentaux clés, a mené à une stabilité relative de fréquence de 7x10-11 à 1 s et 1.4x10-12 à 105 s. Ces performances de stabilité journalières sont compétitives avec celles des meilleures horloges microondes à micro-cellule.This PhD thesis work aims to propose innovative scientific and technological solutions for the demonstration a microcell-based CPT atomic clock with improved long-term frequency stability.The first research axis has concerned the implementation of pulsed interrogation sequences used to reduce light-shifts induced during the interaction between the atoms and the optical interrogation field. The use of an advanced sequence named Symmetric Auto-Balanced Ramsey (SABR) has in particular allowed a reduction of the clock frequency sensitivity to variations of the optical field by more than two orders of magnitude, benefiting to the frequency stability for integration times higher than 100 s.A second research axis has led to the proof-of-concept and the development of a new alkali vapor microfabricated cell tehnology, based on hermetic laser-actuated break- and make-seals, combined with the use of low permeation glass substrates, for enhanced choice and reinforced control of the cell inner atmosphere. A reduction of the permeation rate by a factor higher than 1000 was demonstrated in cells filled with helium using aluminosilicate glass coupled with Al2O3 coatings. Studies for the development of cells using new buffer gas mixtures and working at high temperature (>90°C) have been undertaken.Complementary results of these two research axis led to the demonstration of a CPT atomic clock using a Cs-Ne microcell with aluminosilicate glass and operating with the SABR interrogation sequence. The combination of these approaches, reinforced by additional active stabilization loops of some key experimental parameters, has led to a fractional frequency stability of 7x10-11 at 1 s and 1.4x10-12 at 105 s. These stabilities at one day are competitive with those of best microcell-based microwave clocks
Integrated physics package for chip scale atomic clock with cesium microcell
No full textLa combinaison du phénomène physique de piégeage cohérent de population (CPT), les techniques de micro-fabrication et les diodes laser à semi-conducteur permet le développement de micro-horloges atomiques présentant une stabilité relative de fréquence journalière 2 ordres de grandeur meilleure que celle des oscillateurs à quartz massivement utilisés pour un volume et une puissance de consommation similaires. Ces micro-horloges atomiques reposent sur l’interaction entre un module physique et une carte électronique pilotant l’horloge.Ce travail de thèse, co-encadré par le laboratoire FEMTO-ST et l’industriel Tronics Microsystems, soutenue activement par la DGA dans le cadre des projets DGA HABAC puis DGA EDAM, a eu pour but la conception, simulation thermique et magnétique, réalisation et caractérisation métrologique en horloge de modules physiques hautement miniaturisés, répondant aux contraintes et spécifications d’une micro-horloge industrielle pour applications stratégiques. Deux concepts de modules physiques ont été proposés, la différence essentielle étant le chemin lumineux.Le module physique intègre une diode laser VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser), des éléments optiques pour le routage et la polarisation du faisceau lumineux, une microcellule à vapeur de césium diluée par une pression de gaz tampon (développée à FEMTO-ST et transférée industriellement à Tronics Microsystems), un photodétecteur et divers capteurs/actuateurs pour stabiliser la température d’éléments-clés. L’ensemble est inséré dans un cube de dimensions extérieures 15*15*13 cm3, lui-même entouré d’un solénoide pour appliquer un champ magnétique directeur et un blindage magnétique mu-métal. La consommation de ces modules physiques en régime permanent est de l’ordre de 250 mW à température ambiante.Ces modules physiques ont été testés à l’aide d’une électronique de laboratoire non intégrée. Des performances de stabilité relative de fréquence proches de l’état de l’art mondial, de l’ordre de 2,5.10-11 à 1 s et meilleures que 2 10-11 à 105 s, ont été démontrées en environnement calme. Pour l’aboutissement des performances ultimes sur la stabilité de fréquence d’horloge moyen et long terme (temps d’intégration supérieurs à 100-1000s) ont été mises en œuvre des techniques avancées, par le biais de deux boucles d’asservissement supplémentaires, visant à réduire drastiquement les effets de déplacement lumineux, eux-mêmes largement dépendants de la température extérieure et du bloc optique. Ces études ont aussi été associées à l’étude de la stabilité de l’atmosphère interne de microcellules, potentiellement limitée par des phénomènes de perméation de gaz tampon à travers le verre de la cellule. En ce sens, des tests de « vieillissement » préliminaires, menées sur 15-21 jours, ont été menés sur plusieurs microcellules, adoptant soit des verres de type borofloat, soit des verres de type alumino-sicilicaté (ASG). Dans le cas de microcellules Cs-Ne, ce phénomène de fuite est estimé pouvoir limiter la stabilité des micro-horloges atomiques à un niveau proche de 10-11 à 1 jour. Des tests, menés sur des cellules Cs-He, démontrent une réduction significative de presque 2 ordres de grandeur de ces phénomènes de fuite avec l’utilisation de verres alumino-silicatés (ASG).The combination of coherent population trapping (CPT) physics, microfabrication techniques and semi-conductor diode lasers has allowed the development of miniature atomic clocks exhibiting a fractional frequency stability at 1 day averaging time up to 2 orders of magnitude better than massively-used quartz-crystal oscillators for a similar volume and power consumption. These miniature atomic clocks associate a fully-miniaturized physics package and an electronics card that drives the clock.This thesis, supervised by FEMTO-ST and Tronics Microsystems and actively supported by DGA in the frame of projects DGA HABAC and DGA EDAM, targeted to the design, thermal and magnetic simulation, development and metrological characterization in clock operation of fully-miniaturized physics packages. These physics packages have to respond to constraints and specifications of an industrial miniature atomic clock for strategic applications. Two designs of physics package have been proposed, the main difference between them being the optical path.The physics package integrates a VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser) diode laser, optical components to route and polarize the laser beam, a buffer-gas filled Cs vapor microfabricated cell (developed in FEMTO-ST and industrially transferred to Tronics Microsystems), a photodetector and several sensors/actuators to stabilize the temperature of key elements. The ensemble is inserted into a 15*15*13 mm3 « cube », surrounded by a solenoid to apply a static magnetic field and a mu-metal magnetic shielding. The power consumption of the physics package is about 250 mW in the steady-state at room temperature.Physics packages have been tested in clock operation with a non-integrated laboratory-prototype electronics support. State-of-the-art clock fractional frequency stability performances at the level of 2.5 10-11 and 2 10-11 at 1 and 105 s averaging time respectively have been demonstrated in a quiet environment. In order to demonstrate best mid-term stability performances, advanced techniques have been implemented through two additional servo loops, aiming to reduce dramatically temperature-induced light-shift effects. Studies targeting to evaluate the stability of the microcell inner atmosphere, possibly limited by gas permeation effects through the cell windows, have been also performed. In that sense, preliminary “aging” tests, performed over 15-21 days measurements, have been investigated with different microcells, adopting borofloat glass or alumino-silicate glass (ASG). In the case of Cs-Ne microcells, this phenomenon is measured and estimated to limit the clock fractional frequency stability at a level o about 10-11 at 1 day. Other tests, led with Cs-He cells, have demonstrated a significant reduction by almost 2 orders of magnitude of these leakage phenomena using ASG wafers
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Micro-horloges atomiques
No full textInternational audiencePrésentation lors du Workshop Temps-Fréquence et Technologies Quantiques le 10/11/2023 proposé conjointement à l'AG First-TF.<br&g
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