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Dans le cadre de ce projet, nous proposons de développer un laser à semiconducteur pompé optiquement, émettant deux fréquences distantes de 9,2 GHz autour de 852 nm, pour simplifier le banc optique des horloges atomiques à Césium de type CPT (Coherent Population Trapping). Le laser à semiconducteur émettant par la surface en cavité externe (VECSEL) étudié dans ce projet fournira, en une seule source compacte, les mêmes fonctions qu'un banc conventionnel à 852 nm : deux fréquences optiques cohérentes en phase et séparées de 9.2 GHz, de polarisations linéaires orthogonales, et de spectre optique ultra pur sans raie parasite. - Les principaux objectifs de ce projet sont : - - démontrer expérimentalement l'oscillation bi-fréquence et bi-polarisation d'un VECSEL, - - réaliser un VECSEL bi-fréquence à 852 nm, incluant un contrôle de chaque fréquence, - - mettre en oeuvre cette source dans une expérience d'horloge basée sur le piégeage cohérent de population (CPT) d'atomes de césium. - Un laser bi-fréquence est une bonne alternative à deux lasers indépendants, puisqu'il émet deux faisceaux polarisés orthogonalement, dont la différence de fréquence peut être continûment ajustée de quelques MHz à quelques THz [1,2]. La stabilité de fréquence du battement entre les deux fréquences est intrinsèquement excellente (typ. 10 kHz), et peut être améliorée avec une boucle à verrouillage de phase (moins de 1 mHz a été démontré [3,4]). Jusqu'à présent, ce fonctionnement bifréquence n'a été obtenu qu'avec des lasers solides pompés diode à 1.06 µm (Nd:YAG) et 1.5 µm (verre dopé Er:Yb). - Nous proposons ici d'étudier théoriquement et expérimentalement une source VECSEL bi-fréquence bi-polarisation pour une expérience d'horloge CPT. Une telle source devrait combiner les avantages suivants: - - le choix de la longueur d'onde par le design du milieu actif semiconducteur [5], - - une architecture simplifiée, plus compacte que deux lasers indépendants [6], - - un faible bruit d'intensité, récemment démontré dans un VECSEL monomode [7]. - Ces travaux nous permettrons aussi : - -d'étudier la dynamique d'un VECSEL émettant sur deux modes longitudinaux, et en particulier d'analyser ses bruits d'intensité et de phase, - -d'améliorer le composant actif semiconducteur à 852 nm, d'optimiser l'efficacité laser et l'architecture de pompage du VECSEL, - -d'étudier les potentialités d'un VECSEL bi-fréquence utilisé dans une expérience d'horloge atomique CPT en analysant les performances de celle-ci [6]. - Ce projet bénéficiera de l'expérience des partenaires dans les différents domaines abordés : - -TRT développe des solutions optiques pour les radars. Parmi celles-ci, les lasers bi-fréquences à état solide sont dans une phase de transfert pour la génération future de systèmes de distribution optique de signaux radars. - -Le LPN travaille sur la croissance de structures de gain à base d'InP et de GaAs pour les VECSELs pompé optiquement. Une méthode de soudure par inter-diffusion solide-liquide sur des substrats de forte conductivité thermique a été mise au point, pour améliorer le comportement thermique de ces sources. - -Le LCFIO possède une grande expérience dans le développement de lasers solides pompés par diode, à partir de cristaux, de fibres et de matériaux semiconducteurs. En particulier, il étudie depuis quelques années des VECSELs monofréquences à 1003 nm et 852 nm pour la métrologie. - -Le SYRTE est le laboratoire national de métrologie français pour le temps et les fréquences. En particulier, le SYRTE développe de nouvelles horloges atomiques, et dispose d'une profonde expérience dans la réalisation de lasers ultrastables, et dans les systèmes d'asservissements associés. - Nous nous appuierons sur les collaborations en cours entre les partenaires. Ainsi, le SYRTE, le LCFIO et le LPN sont impliqués dans un projet commun de réalisation d'un VECSEL monofréquence à 852 nm pour le refroidissement d'atomes. Par ailleurs, TRT et le LPN développent conjointement des sources VE...