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Asservissement de laser dans la gamme Telecom par spectroscopie de gaz piégés dans des fibres creuses

Description

Les atomes refroidis par laser jusqu’à des températures de l’ordre du micro-Kelvin sont aujourd’hui largement utilisés pour les applications de métrologie. Les propriétés spectroscopiques des atomes sont ainsi exploitées pour réaliser des mesures de grande précision du temps (horloge atomique), des fréquences optiques (étalon de fréquence absolue) ou encore des forces d’inertie (accéléromètre, gyromètre, gravimètre, et gradiomètre notamment).

            Le LP2N/IOGS a développé une expertise de recherche poussée sur les capteurs inertiels avec en particulier le développement d’un gravimètre bi-espèces fonctionnant en environnement 0g et permettant de tester le principe d’équivalence (projet ICE). Pour améliorer le fonctionnement des horloges et des capteurs inertiels et leur ouvrir de nouveaux champs d’application dans le spatial ou sur le terrain (i.e. hors des environnements protégés de laboratoire) il est primordial de fiabiliser et de rendre plus robuste les sources lasers utilisées pour le refroidissement laser. A l’heure actuelle, à l’exception des modules d’asservissements, les architectures lasers que nous avons développées sont entièrement fibrées. Dans le cadre de cette thèse, et en partenariat avec le XLIM, nous proposons d’améliorer encore la robustesse des architectures et leur compatibilité aux exigences des missions spatiales en parvenant à fibrer ce dernier élément de la chaine laser.

            L’étude vise donc à démontrer expérimentalement que des lasers de la gamme de fréquence Telecom (1530 à 1560nm) peuvent être asservis par absorption saturée sur des vapeurs de gaz moléculaires piégés dans des fibres creuses. Un tel développement permettrait de rendre les sources lasers utilisées pour le refroidissement d’atomes par laser plus compactes, robustes, fiables et agiles. Il aura pour conséquence de fiabiliser et de simplifier le développement des horloges atomiques et des capteurs inertiels à onde de matière. Ce développement pourrait également bénéficier au domaine des télécommunications optiques et au domaine de la spectroscopie dans ce domaine de fréquence.          

Ce développement s’appuie sur l‘expérience du laboratoire LP2N sur les sources laser Telecom doublé ainsi que sur le XLIM pour la spectroscopie de gaz en fibre creuses. Le principe de l’architecture que nous souhaitons tester est très général. Il impactera la communauté de la manipulation d’atomes par laser dans la bande 765 – 780 nm et se trouve particulièrement adaptables pour de futures évolutions des projets ICE ou GRICE. Expérimentalement, nous prévoyons de développer deux axes de travail : la réalisation d’un banc optique utilisant la technologie des fibres creuses pour le refroidissement laser du Potassium (1533 nm) ainsi que la réalisation de la preuve de concept de l’asservissement de laser à 1560 nm sur fibres creuses remplies qui pourra trouver des applications dans le refroidissement du Rubidium. Les abondances moléculaires et la force des transitions ro-vibrationnelles des molécules à 1560 nm sont plus faibles qu’à 1533 nm ce qui rendra la spectroscopie plus difficile à réaliser à 1560 nm. La gamme 1560 nm est néanmoins particulièrement profitable pour les développements métrologiques liés à la manipulation d’atomes froids de Rubidium. La société Muquans qui développe des gravimètres et des horloges à atomes froids de Rubidium est très intéressée par ce développement technologique ainsi que par la formation de docteurs experts de cette connaissance qui pourront venir accroitre le niveau technologique de leur société. Leur intérêt est exprimé dans une lettre de soutien ci-jointe à cette demande. Ce développement d’asservissement de laser sur fibre creuse pourra également trouver des applications dans le marché des Télécommunications. En effet, les qualités spectrales de ce système devrait lui permettre d’atteindre, voir même de supplanter les performances des meilleurs références optique Telecom commerciale dans un système entièrement fibré et donc très compact. 

            L’étudiant commencera par s’approprier le sujet en effectuant des calculs qui permettront de déterminer les gaz moléculaires susceptibles d’être utilisés pour la gamme de fréquence choisie ainsi que les conditions d’utilisation expérimentales (pression, température, puissance laser, géométrie des fibres etc…). Il se focalisera en particulier sur l’évaluation d’effets propres aux spectroscopies en fibres creuses (élargissement collisionel, élargissement de transit, etc…). Cette étude sera la base de travail pour déterminer le matériel et la mise en œuvre choisie par le laboratoire XLIM pour la réalisation de la première série de fibres.

Les fibres seront testées par l’étudiant au laboratoire LP2N qui tentera de mettre en œuvre une absorption saturée sur ces fibres creuses. Le résultat de ce test mènera peut être à une modification du design des fibres dont certains effets parasites sont difficilement modélisables de manière théorique (ex : battement des modes longitudinaux). Une fois les asservissements mis en place sur la fibre creuse, un système laser complet asservi et générant de la lumière à 767 nm sera mise en place et caractérisé. En parallèle de ce travail à 1533nm, nous développerons également avec le candidat une première version de fibres creuses optimisées pour l’asservissement de laser à 1560 nm. Nous mènerons en outre avec le XLIM, l’étude métrologique des fibres et nous mettrons en place un protocole de test du vieillissement. En seconde partie de thèse, un banc laser complet et opérationnel pour le refroidissement du Potassium sera mis en place. Son opérabilité sera caractérisée par le refroidissement d’un gaz d’atomes de Potassium à des températures inférieures à 10 muK. Il est attendu que l’air ambiant dégrade les qualités spectroscopiques des fibres creuses sur des durées de plusieurs années. On vérifiera cette hypothèse et développera le cas échéant une solution technique de conservation long terme nécessaire pour l’industrialisation du composant.

            L’étudiant pourra, si le développement donne lieu à un transfert de technologie et selon son appétence propre, participer à ce travail de transfert de technologie. La fin de la troisième année sera consacrée à la rédaction du mémoire de thèse. Dans le cadre de l’EUR Science et technologie de la lumière portée par l’université de Bordeaux, le candidat à cette thèse se verra offrir l’opportunité d’être formé à l’entrepreneuriat et d’être accompagné dans la valorisation des technologies développées dans le cadre de son doctorat.

Profil

Les masters  principalement visés pour le recrutement du candidat seront les masters ayant une formation assez poussée dans l’interaction lumière matière :

- IOGS (Palaiseau et Bordeaux)

- Laser Optique Matière (LOM - Palaiseau)

- Lumière Matière Interaction (LuMI - UPMC)

- LMN / EUR Science et technologie de la lumière (Bordeaux)

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : LP2N
Directeur(rice) de thèse/recherche : Bouyer Philippe
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : philippe.bouyer@institutoptique.fr
Responsable Cnes de l'offre : FAURE Benoït

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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