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2. Instrumentation scientifique Micro-actionneur pour horloge ultraprécise

Jean-Charles Guézel

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Le refroidissement des atomes de césium de l'horloge Pharao réclame un contrôle laser des plus pointus. Mission accomplie grâce à une platine de déflexion hors norme.

Il y a actionneurs et actionneurs. Ceux qu'EADS Sodern met en oeuvre dans le cadre de Pharao (Projet d'horloge atomique par refroidissement d'atomes en orbite, lancé par le Cnes et un ensemble de laboratoires de la région parisienne) n'ont vraiment rien à voir avec des moteurs conventionnels. Les déplacements se font ici au micromètre près, les déviations angulaires ne dépassant guère le dixième de milliradian.

But du jeu : contrôler les faisceaux laser chargés de piéger et de refroidir (jusqu'à quelques millionièmes de kelvin) des atomes de césium dont la fréquence de transition entre deux niveaux d'énergie sert de référence ultraprécise à l'horloge.

Installé par l'ESA au cours de l'année 2006 à bord de la station spatiale internationale (ISS), cet instrument ne devrait pas dériver de plus d'une seconde toutes les 350 millions d'années. Cent fois moins qu'une horloge atomique "de base" ! Cette précision repose d'une part sur le ralentissement des atomes (de façon à augmenter le temps d'observation) et, d'autre part, sur l'absence de gravité à bord de la station spatiale.

Un temps de réponse de 220 microsecondes

Opération délicate s'il en est, le piégeage des atomes est ici l'objet de tous les soins. Il résulte en l'occurrence de l'action convergente de six faisceaux laser contrôlés à la dizaine de microradians près par autant de platines de positionnement. Fournies par Cedrat Technologies, ces dernières (DTT 35 XS) sont de type piézo-électrique à trois degrés de liberté. Chaque platine est elle-même articulée autour de deux paires d'actionneurs piézo-amplifiés (APA 35 XS) disposés en croix.

« La DTT 35 XS est capable d'assurer des déflexions angulaires de ± 2 milliradians autour des axes X et Y, avec un déplacement vertical maximal de 35 micromètres sur l'axe Z. Elle pèse 25 grammes et mesure 30 millimètres de diamètre », précise Thomas Maillard, responsable ventes et marketing de Cedrat Technologies.

Sur chacun des six faisceaux, les trois degrés de liberté offerts sont mis à profit pour régler l'incidence et l'intensité laser à l'entrée d'une fibre optique.

Dans ce type d'application, l'électronique de commande, à travers son rapport signal/bruit et la qualité de ses asservissements (pilotés en l'occurrence par toute une batterie de jauges de contrainte), détermine elle aussi une bonne partie des performances. Au final, sur toute la course, Cedrat garantit des résolutions de 3,5 nanomètres sur l'axe Z et de 1,7 microradian autour des axes X et Y. Le temps de réponse, pour sa part, ne dépasse pas 220 microsecondes.

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