Characterization of optical frequency comb based measurements and spectral purity transfer for optical atomic clocks

Cette thèse présente les avancées de la chaîne de fréquence opérationnelle du SYRTE, ensemble de différents oscillateurs ultrastables et peignes de fréquence. Le travail de recherche porte sur l’analyse du bruit des éléments critiques, afin de déterminer les limites de stabilité et d’exactitude de cette architecture métrologique. Les performances sont mesurées par comparaisons simultanées de paires d’oscillateurs avec 3 chaînes entièrement indépendantes. Les résolutions relatives obtenues, en deçà de 1E 16 dans le domaine micro-onde et de 1E 18 dans le domaine optique, démontrent que ces moyens de mesures ne sont pas limitants, même avec les horloges à l’état-de-l’art. Un élément clé des horloges optiques est la lumière sondant la transition métrologique. Si les meilleurs lasers ultrastables sont conçus dans l’infrarouge, la technique du transfert de pureté spectrale permet de transmettre leur niveau de performance aux longueurs d’onde visibles cibles (698 nm et 1062 nm) via un peigne de fréquence. Ce travail décrit ainsi un transfert hors boucle de résolution meilleure que 5E 18 à 1 s, utilisé pour l’interrogation synchronisées des horloges strontium et mercure du laboratoire lorsque leurs lasers d’horloge respectifs bénéficient du transfert d’un unique maître à 1542 nm. Ceci a déjà permis un gain d’un facteur 2 de la stabilité dans la mesure du rapport mercure/strontium.This PhD thesis presents the latest advances in SYRTE operational frequency chain, based on ultrastable oscillators at different wavelengths and frequency comb technologies. After describing this metrological architecture, the work focuses on the noise analysis of its critical elements so as to determine its stability and accuracy limits. The performance of these capabilities was measured by performing simultaneous comparisons of oscillators pairs with 3 fully independent chains. The relative resolutions obtained, below 1E 16 in the microwave and 1E 18 in the optical domains, demonstrate that these means of measurement are not a limiting factor, even with state-of-the-art clocks. A key element of optical clocks is the light probing the narrow atomic transition. While in practice ultrahigh stability lasers are built in the infrared range, the technique known as transfer of spectral purity makes use of a frequency comb to transmit its level of performance to target visible wavelengths (698 nm and 1062 nm in the SYRTE case). This work demonstrates an out-of-loop transfer reaching a resolution better than 5E 18 at 1 s. This lead to the first synchronized interrogation between the SYRTE strontium and mercury clocks when their respective clock lasers benefit from the transfer of a single master at 1542 nm, resulting in a 2-fold improvement of their stability ratio measurement