Études des corrélations spectrales de phase des interféromètres à fibre.
Application à la stabilisation et la comparaison de fréquences lasers.
Sujet de thèse pour le concours 2015 de recrutement de doctorants contractuels
organisé par l’école doctorale « Sciences fondamentales et appliquées » de l’université
de Nice. Les candidatures doivent être déposées sur le site de l’école doctorale entre le
1er mai et le 6 juin 2015.
La métrologie des fréquences optiques [1] est un domaine en plein essor qui a été notamment
reconnu par le prix Nobel de physique en 2005 [2]. Générer, mesurer, stabiliser et comparer des
signaux électromagnétiques oscillant à plus d’une centaine de milliers de gigahertz constituent le
cœur de ce domaine. Ce thème de recherche trouve également un nombre croissant d'applications
dans les capteurs, les télécommunications et les radars.
Les lasers sont les sources de base pour la génération de signaux de grande pureté spectrale aux
fréquences optiques. Grâce aux cavités Fabry-Pérot ultra-rigides il est possible d’améliorer de
plusieurs ordres de grandeur cette pureté et d’être ainsi capable de comparer ces fréquences aux
fréquences propres d’atomes froids pour réaliser des horloges optiques atteignant des erreurs
correspondant à moins d’une seconde sur l’âge de l’univers. Par ailleurs, depuis le début des
années 2000, il est possible grâce aux impulsions ultra-brèves et régulières générées par les lasers à
verrouillage de modes de comparer directement n’importe quelles fréquences optiques et microondes entre elles.
Le laboratoire ARTEMIS appartient à l'Observatoire de la Côte d'Azur et est associé au CNRS et à
l’université de Nice. Il est membre du réseau d’excellence en temps fréquence First-TF et est
fortement impliqué dans la réalisation du détecteur interférométrique géant d’ondes
gravitationnelles Advanced VIRGO [3]. Au sein de ce laboratoire, notre équipe s’intéresse à de
nouveaux concepts pour la stabilisation et la comparaison de fréquences optiques en utilisant des
interféromètres à fibres optiques. L’utilisation de fibres optiques et de composants photoniques
fibrés présentent de nets avantages en termes de compacité, robustesse, fiabilité, simplicité
d’utilisation et cout. En 2009 il a été démontré expérimentalement [4-5] qu’un interféromètre
réalisé à partir d’une bobine de fibre optique standard kilométrique pouvait présenter une stabilité
de longueur optique approchant celle d’une cavité optique monolithique ultra-stable. Sur cette
base nous proposons d’étudier les propriétés de stabilité différentielle de la longueur optique d’une
fibre à deux longueurs d’ondes différentes, ceci dans le cadre de deux applications : le transfert
spectral de stabilité de fréquence, et la stabilisation de fréquence laser par auto-compensation des
dérives thermiques. Il n’existe à l’heure actuelle aucune donnée concernant ces propriétés des
fibres optiques, ce sujet de thèse apportera par conséquent des connaissances scientifiques
entièrement nouvelles sur les fibres optiques tout en quantifiant leur potentiel technologique en
métrologie des fréquences.
Notre groupe recherche pour cela un(e) étudiant(e) de master en physique expérimentale ou
appliquée ou bien d'école d'ingénieur avec idéalement une spécialisation en optique/photonique.
Largement pluridisciplinaire, le travail consistera notamment en la réalisation de montages
expérimentaux à base de lasers et composants optiques fibrés et de systèmes d’asservissement
électroniques, le développement de techniques de caractérisation de bruit et de mesures
physiques, et l’analyse de données. Le/la doctorant(e) sera également amené(e) à proposer de
nouvelles expériences et à imaginer des solutions pour repousser les limites rencontrées. Selon
l’intérêt du/de la doctorant(e) le sujet pourra s’orienter sur des aspects plus appliqués ou plus
fondamentaux.
Proche du centre-ville, notre laboratoire est situé dans l’environnement agréable de l’observatoire
de Nice où travaillent 170 personnes. Il possède des salles expérimentales récemment rénovées et
dispose d’équipements de mesure de haute performance. Le(la) doctorant(e) pourra s’appuyer sur
une équipe technique comprenant notamment une large expertise en électronique et
asservissement. Ce sujet pourra en outre donner lieu à des collaborations avec plusieurs autres
laboratoires s’intéressant à la métrologie de fréquence, aux interféromètres et aux fibres optiques.
L’ensemble de l’équipement pour le projet est d’ores et déjà pleinement financé par plusieurs
institutions locales et régionales et par le Centre national d’études spatiales.
Contact :
Dr Michel Lintz, chercheur HDR : michel.lintz at oca.eu / 04 92 00 31 98
Dr Fabien Kéfélian, enseignant-chercheur : fabien.kefelian at oca.eu / 04 92 00 30 22
[1] Optical frequency metrology, Th. Udem, R. Holzwarth & T. W. Hänsch Nature 416, 233-237
(2002)
[2] Cf. Nobel lectures 2005: Defining and Measuring Optical Frequencies: The Optical Clock
Opportunity - and More (John Hall). Passion for precision (Theodor Hänsch)
www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/
[3] Advanced Virgo: a second-generation interferometric gravitational wave detector, Classical and
Quantum Gravity 32 (2015) 024001 http://arxiv.org/abs/1408.3978
[4] F. Kéfélian, H. Jiang, P. Lemonde, and G. Santarelli, "Ultralow-frequency-noise stabilization of a
laser by locking to an optical fiber-delay line," Opt. Lett.
34, 914-916 (2009)
http://arxiv.org/abs/0901.4856
[5] H. Jiang, F. Kéfélian, P. Lemonde, A. Clairon, and G. Santarelli, "An agile laser with ultra-low
frequency noise and high sweep linearity," Opt. Express 18, 3284-3297 (2010)
http://arxiv.org/abs/0911.5359