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Des lasers pour la mesure du temps Martina Knoop - Fête de la Science 2006

Des lasers pour la mesure du temps

Martina Knoop

CR (CNRS), Université de Provence


2005 – Année mondiale de la physique

1905 - Einstein’s « annus mirabilis »


Roy J. Glauber John L. Hall Theodor W. Hänsch 1/2 of the prize

Harvard University Cambridge, MA, USA

The Nobel Prize in Physics 2005

"for his contribution to the quantum theory of optical coherence"

"for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"


le plan

la mesure du temps

le laser

l’horloge atomique

le projet calcium


la mesure du temps

le laser


le projet calcium


la mesure du temps

Un étalon de fréquencedans le domaine optique…

…ou comment mesurer le temps avec une précision inégalée !


la mesure du temps

PRINCIPE

● on se sert d’un phénomène cyclique

● on compte un nombre de périodes

● pour une grande précision, il faut un grand nombre de périodes

● fréquence temps


Un peu d’histoire…Un peu d’histoire…

Anciens temps Cadran solaire Clepsydre Sablier - Bougie

© Francis Lagardesse. Septembre 1998. http://members.aol.com/lagardesse/index.htm

Horloge Chronomètre QuartzAtome


L’horloge à césium

• la seconde est définie à partir d’une transition atomique

• depuis oct. 1967 c’est une transition hyperfine du Cs à

= 9.192 631 770 GHz

• précision de 2x10-14 = 1 seconde en 3,2 millions d’années

• définition du temps « officiel », utilisation pour le trafic, la

transmission des données, le GPS, les cookies…

• appareils radiocommandés (émetteur DCF-77 de la PTB à

Mainflingen/Allemagne)


Encore plus de précision…

• mesures de constantes fondamentales (Rydberg)

• observation des pulsars ultrastables (PSR1937+21)

• détection d’ondes gravitationnelles (1cycle/an)

• augmentation de la cadence dans les transmission de données

• positionnement de bateaux, camions,... (GPS, Galilée)

…

en augmentant la fréquence de la transition de référence


le temps

- temps atomique international– temps universel (astronomique)

temps universel coordonné (secondes intercalaires)


la mesure du temps

le laser


le projet calcium


le laser

De la mémoire à la lecture optique…


un oscillateur très précis

un laser dans le visible = 400-700nm = qq 100 THz

un oscillateur d’une largeur de qq Hz

précision 10-14

dérives et instabilités


le spectre électromagnétique

la lumière est une onde

lumière rouge = 680 nm

lumière verte-jaune = 550 nm

lumière violette = 410 nm



c

: nombre de périodes par seconde



c

avec c = 299 792 458 m/s

1nm = 10-9 m

1018 1015 1012 109 106 Hz

énergie d’un photon

E = h


Petit intermède : 10-9 ???? 10-15 ????

Lille

Marseille

1000 km

10-9 : distance mesurée à 1 mm prèsTerre

Soleil

150 millions de km

10-15 : distance mesurée à 0,15 mm


le spectre atomique

la lumière est composée de particules, les photons


le spectre atomique

Absorption

Emission spontanée


le laser

Amplification par émission stimulée

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

atomeexcité


le laser

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Émission stimulée Cavité (rétroaction)

Pompage (électrique, optique …)

Inversion de population

milieu amplificateur


le laser

diversesréalisationsselon le milieu amplificateur et le pompage


le laser

laser 20W Argon, laser HeNe, laser Nd:YAG, laser CO2, diodes laser….


le laser

incohérent - cohérent

60W 1mW


le laser

résumé

• longueur d’onde précise• largeur spectrale• cohérence (focalisation)• faible divergence

largeur spectrale

1 MHz/500 THz ≈10-6 nm/500nm

500,00000x nm


le laser - applications

le lecteur de CD (780 nm)/DVD (640nm)/Blu-Ray (405nm)


le laser - applications

l’imprimante laser

DPSS ApplicationsAVIA - via hole drilling

• 18m thick Cu layer• 60m epoxy resin• 50m trepanned

through holes• 1.4W @ 20kHz• ~10 holes/sec

AVIA-Polyimide processing

• Electronic packaging– PCB

– flex circuits

– polymer stencil

• microfluidic devices• wire/cable tapes and

for other electronic insulation apps.

Cold marking on plastic

• 355nm light interacts photochemically with TiO2 pigment

• high contrast mark w/ no surface damage

• laser fluence of <0.3 J/cm^2

• medical and food packaging markets

15 octobre 2003 F. BALEMBOIS15 octobre 2003 F. BALEMBOIS 3232

Laser Nd:YAG déclenché

Laser Nd:YAG déclenché

Exemple d’effacement de Exemple d’effacement de tatouagetatouage

les pigments de couleur sont cassés par l’interaction avec le laser, puis évacués par le système immunitaire du corps


Télémétrie laser


Télémétrie laser

Mesures de distance par mesure du temps de parcours

3535

LASIK : Laser-Assisted In Situ Keratomileusis

Photo-ablation : chirurgie réfractive de la cornée pour la correctionde la vue en utilisant un laser à excimère impulsionnel (UV)

Resurfaçage interne de la cornée, assistée par ordinateurprécision de 0,25 µm

keratectomie

Laser à excimère

Correction de la myopieCorrection de la myopie


Light saber


la mesure du temps

le laser


le projet calcium


le laser

résumé

• longueur d’onde précise• largeur spectrale• cohérence (focalisation)• faible divergence

largeur spectrale

1 MHz/500 THz ≈10-6 nm/500nm

500,00000x nm

interrogation d’autres atomes = résonance


un oscillateur très précis

un laser dans le visible = 400-700nm = qq 100 THz

un oscillateur d’une largeur de qq Hz

précision 10-14

dérives et instabilités


une horloge atomique

oscillateurréférence

atomique ou

moléculaire

sortie

traitement de l'interrogationsignal d'erreur

une transition hyperfine du Cs à = 9.192 631 770 GHz

stable et précisprécis


l’interrogation de l’atome

absorption émission


l’effet Doppler

une source à la vitesse v envoie des informations tous les Tem (= 1/f0 )

si l’émetteur s’éloignecTrec = Tem (c+v) Trec= Tem (c+v)/c Trec= Tem (1+v/c)

si l’émetteur se rapprochecTrec = Tem (c-v) Trec= Tem (c-v)/c Trec= Tem (1-v/c)

f ' f v) (c c

0

f '' f v) (c c

0


l’effet Doppler

l’émetteur bouge à la vitesse v

l’émetteur est immobile f0

f ' f v) (c c

0 f '' f v) (c c

0

v


l’effet Doppler

• l’effet Doppler élargit les transitions atomiques observés quand l’atome bouge

• il est proportionnel à la vitesse de l’atome (et donc à sa température)

largeur à mi-hauteur

ff0


la mesure du temps

le laser


le projet calcium


Le projet calcium

• étalon de fréquence dans le

domaine optique (729 nm)

• un ion unique confiné dans

un piège miniature

• système de laser “tout-

solide“

• refroidissement par laser

Univ. Mainz; CRL, Kobe; Osaka University; Univ. Innsbruck; MPI für Quantenoptik, Garching; Oxford University; Univ. de Provence, Marseille


Le piège de Paul

02

222

22)cos(),,,(

rzyxttzyx VV ACDC

• électrodes métalliques avec application d’un champ

• confinement pendant des durées très longues (des heures…)

• permettant des études de grande précision (temps d’interactions très grands)

• sélectivité en e/m


Du nuage à l’ion unique…

nuage d’ions

approx 500 ions, T1000K

1 ion


PM

filter

ICCD

beamsplitter

achromat f=300 mm

shutter

objectif f=50mm

D

uhvwindow

piège

asphericlens

D

D

PBS

PD

dichroicmirror

power stabilisation

po

mpe

io

niq

ue

AOMGlan prism

PM fiber

/2

729 nm

866 nm

397 nm

singlemode fiber

singlemode fiber

Montage expérimental

40Ca+

repumping866.21 nm

2S1/2

detection andlaser cooling397 nm

-

clock transition

729.14 nm

2D3/2

2D5/2

2P3/22P1/2


Montage expérimental


Des ions uniques

résolution 3.3 m


Refroidissement laser

pLaser = ћkx pIon = mvx

p Ion

= m ( v x - v ) rec pLaser = ћkx

limite Doppler Tlimit =

(Ca+: 0.55mK@23MHz)

natBk2

32

2

341

c)()(I s

havec et = laser-atome)(II

I

s 2

kF xx


Conclusion

définition du temps par un nombre de périodes par seconde

le principe du LASER largeur spectrale (du laser et de l’atome)

les horloges de demain seront basées sur des lasers


Pour en savoir plus…

•sur Internet :

« How stuff works »

http://science.howstuffworks.com/index.htm

http://www.wikipedia.fr

•à l’Agora des Sciences, Marseille

•en librairie….


Questions ???

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