L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.
L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.
Depuis les développements des techniques de refroidissement d'atomes, les applications des ondes de matière ont fleuri. On présente la première réalisation d'un gyromètre fonctionnant sur des ondes associées à des atomes froids, dans le but d'atteindre une sensibilité et une stabilité inégalées. L'appareil, basé sur l'effet Sagnac, est un interféromètre atomique dont les séparatrices et miroirs sont réalisés à l'aide d'impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées aux nuages d'atomes froids de césium. En sortie de l'interféromètre, le déphasage dépend de la vitesse de rotation et de l'accélération de l'appareil. On utilise alors deux sources atomiques contrapropageantes afin de discriminer l'accélération de la rotation. Une géométrie novatrice permet de réduire les déphasages parasites dus aux aberrations des optiques, en rétroréfléchissant les faisceaux lasers réalisant les séparatrices. L'obtention d'un premier signal et sa caractérisation sont présentées dans cette thèse. Grâce à la mise en place d'un système d'isolation des vibrations, les sensibilités obtenues sur une seconde sont de 2,2.10-6 rad.s-1 pour la rotation et 6,2.10-6 m.s-2 pour l'accélération. Cette première caractérisation a mis en évidence la principale limite actuelle de l'appareil, qui est le nombre d'atomes utiles. Diverses modifications sur l'expérience permettront d'améliorer ce point. Par ailleurs, un nouvel interféromètre a été testé, fournissant une mesure de l'axe de rotation horizontal perpendiculaire aux faisceaux lasers, habituellement inaccessible. Cette géométrie ouvre la voie à de nouveaux types de gyromètres, de très hautes sensibilité et stabilité.
Depuis les premières expériences de principe, l'interférométrie atomique a connu un essor important lié notamment à la maîtrise des processus de refroidissement d'atomes par laser et à l'utilisation de transitions cohérentes à deux photons pour les manipuler. Nous présentons dans ce manuscrit le développement d'un gyromètre atomique à effet Sagnac de haute sensibilité fondé sur une configuration repliée. Les choix expérimentaux réalisés lors de la conception de ce nouvel appareil ont été guidés par l'étude d'un premier prototype afin de repousser ses limites techniques. La première partie du travail a consisté en la caractérisation du premier gyromètre et à l'étude de ses performances limites liées à la fluctuation du biais introduit par les défauts de front d'onde du faisceau Raman. Cet appareil nous a également permis de mettre en place une méthode de mesure utilisant un sismomètre pour mesurer puis soustraire les accélérations parasites du signal de l'interféromètre assurant ainsi un niveau de sensibilité intéressant dans un environnement perturbé. L'étude s'est ensuite portée sur le test de nouvelles séparatrices atomiques en double-diffraction permettant d'accroître l'aire d'un interféromètre. La dernière partie de ce travail s'est concentrée sur le développement d'un nouveau prototype. Nous présentons ici les résultats préliminaires de cette expérience fondée sur une configuration à 4 impulsions Raman stimulées. Cette première caractérisation ouvre la voie à des mesures atteignant des niveaux de sensibilité inégalés pour ce type de capteurs.
Nous présentons l'étude d'un capteur inertiel basé sur l'interférence d'ondes atomiques permettant d'effectuer des mesures simultanées de rotations et d'accélérations. Contrairement aux appareils précédents, l'utilisation d'atomes refroidis par laser permet d'obtenir un dispositif compact et stable sur le long terme. Cet appareil utilise deux sources d'atomes de Césium froids lancées dans des directions opposées sur des trajectoires paraboliques. Au sommet de cette trajectoire, les atomes interagissent avec des impulsions lasers induisant des transitions Raman stimulées (séquence d'impulsions pi/2-pi-pi/2), afin de réaliser la séparation, la déflection et la recombinaison des paquets d'ondes atomiques. A la sortie de l'interféromètre, le déphasage mesuré est proportionnel à l'accélération et à la vitesse de rotation de l'appareil. Ce signal de déphasage est également sensible à certaines imperfections expérimentales qui peuvent dégrader la stabilité (bruit de phase des lasers, fluctuation du champ magnétique, bruit de vibration) ou l'exactitude l'appareil (gradient de champ magnétique, défauts de trajectoires, déplacement lumineux) dont nous déterminons l'influence. Nous étudions les améliorations apportées aux sources atomiques concernant notamment le contrôle des trajectoires et la stabilité des mesures de déphasage obtenue dans des configurations utilisant des faisceaux Raman verticaux et horizontaux. Dans ce dernier cas les sensibilités atteintes sont respectivement de 3,5 10^-7 rad.s^-1 et 8 10^-7 m.s^-2 sur 1 s pour des mesures de rotation et d'accélération. Une première étude de l'exactitude des mesures est également présentée en utilisant la rotation de la Terre.
Amélioration de la stabilité d'un interféromètre Sagnac à atomes froids : vers un fonctionnement continu Cette thèse a pour objet de repousser les performances d'un interféromètre à atomes froids principalement sensible aux rotations selon un axe particulier. Des atomes de Cesium sont refroidis par laser, piégés, et lancés verticalement selon une configuration en fontaine. La sensibilité du gyromètre repose sur l'effet Sagnac et est proportionnelle à l'aire physique qu'entourent les deux bras de l'interféromètre. Nous utilisons des transitions Raman stimulées pour séparer les ondes atomiques et former une géométrie d'interféromètre de type Mach-Zehnder replié. Avec un temps d'interrogation de 800 ms, nous parvenons à une aire physique de 11 cm^2. Le manuscrit décrit les améliorations apportées au dispositif expérimental pour faire fonctionner le gyromètre avec une telle aire Sagnac. Une procédure d'alignement relatif des faisceaux Raman au niveau du microrad est présentée et est particulièrement importante pour permettre aux ondes de matière d'interférer. La caractérisation des bruits de vibration impactant la sensibilité du gyromètre, ainsi que sa réjection sont également décrites. Nous démontrons une sensibilité de 160 nrad/s à 1 s, et une stabilité long terme de 1.8 nrad/s après 10 000 s d'intégration. Ce niveau de stabilité représente une amélioration d'un facteur 5 par rapport à la précédente expérience de gyromètre du SYRTE de 2009, et d'un facteur 15 par rapport aux autres résultats publiés. Cette thèse présente également une nouvelle méthode d'interrogation des atomes pour opérer le gyromètre sans temps morts, un aspect important pour diverses applications des capteurs à atomes froids en navigation inertielle, en géophysique et en physique fondamentale.
Un capteur inertiel a interferometrie atomique utilisant des atomes froids d'un atome alcalin, le cesium 133, est realise a l'observatoire de Paris. Il se compose de deux interferometres temporels a ondes de Broglie disposes tete-beche. Chacun d'eux permet de mesurer les accelerations et rotations du referentiel de laboratoire par rapport au referentiel inertiel des atomes. L'acceleration de Coriolis est calculee par soustraction des deux signaux obtenus. On utilise comme source un nuage d'atomes captures dans un piege magneto-optique. Lances en vol parabolique, la trajectoire classique des atomes est separee en deux chemins interferometriques distincts par action sur l'etat interne de l'atome couple a un changement de son impulsion. L'interferometre est de type ramsey-borde symetrique. La separation, la deviation et la recombinaison des fonctions d'onde coherentes sont assurees par trois transitions Raman a deux photons, entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental du cesium, par un seul et unique faisceau module temporellement. Ce travail dresse un premier bilan metrologique de l'appareil. La mesure est intrinsequement limitee par le bruit blanc de projection quantique. Les bruits mecaniques de rotation et de temperature des atomes ont un niveau plus eleve. Un terme croise entre la non-superposition des trajectoires des deux faisceaux atomiques contra-propageants et les defauts de front d'ondes des faisceaux Raman degrade la stabilite du signal. Les bruits de phase des faisceaux Raman, meme s'ils sont identiques sur les deux interferometres et disparaissent par soustraction, doivent etre minimises. Il en va de meme des accelerations parasites. L'etude theorique de la diffraction suivant la loi des matrices A,B,C,D d'un paquet d'ondes de mode hermito-gaussien, et regie par l'equation de Schrodinger a hamiltonien quadratique en positon et impulsion, affine le calcul de l'effet Sagnac et du dephasage residuel du aux aberrations optiques.
Depuis plus de 30 ans, de nombreux laboratoires ont développé des expériences de physique atomique permettant de mesurer des accélérations ou des rotations en utilisant des gaz d'atomes manipulés par des champs magnétiques et refroidis par laser. Toutefois, la plupart de ces expériences sont trop encombrantes et remplissent des salles entières. Il est donc nécessaire de réduire drastiquement leur taille afin de pouvoir considérer des applications industrielles aux capteurs à atomes froids en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux efforts aient étés réalisés ces dernières années notamment à l'Onera et chez Muquans, la taille du dispositif complet est encore trop imposante pour certaines applications. À la fin des années 90, il a été démontré que des atomes pouvaient être piégés et manipulés sur une puce, permettant ainsi de réduire à la fois la taille et la consommation énergétique de ces capteurs en comparaison d'expériences en laboratoire. C'est dans ce cadre que Thales a commencé à s'intéresser à la réalisation de capteurs inertiels sur puce avec des atomes froids pour la navigation autonome. La technique retenue par notre groupe permet la réalisation de chacune des fonctions nécessaires à l'obtention d'une centrale inertielle sur la même puce atomique. Elle repose notamment sur la séparation spatiale sélective de nuages atomiques dans un piège magnétique via l'habillage d'états internes dans le domaine micro-onde. L'objectif de cette thèse est de concevoir et évaluer la faisabilité de nouveaux types de capteurs inertiels reposant sur l'interférométrie, en utilisant des atomes refroidis piégés au voisinage d'une puce tout au long de la séquence de mesure. Dans le Chapitre 1, nous présentons les applications possibles des interféromètres atomiques et les défis à relever pour miniaturiser ces capteurs et les rendre embarquables, puis nous comparons les performances entre les technologies concurrentes. Le Chapitre 2 est consacré à la description théorique des différentes techniques utilisés dans l'expérience. Le refroidissement des atomes par effet Doppler et le piégeage magnétique sont notamment expliqués, puis nous décrivons une séquence d'interférométrie de Ramsey dans le cas d'une horloge, ainsi que dans le cas d'un accéléromètre, c'est à dire une séquence de Ramsey incluant une séparation spatiale sélective des deux états de l'interféromètre à l'aide d'habillages micro-ondes. Dans le Chapitre 3, nous décrivons l'ensemble du dispositif expérimental et toutes les étapes de préparations du nuage d'atomes depuis la sublimation du rubidium jusqu'au transfert dans le piège d'interférométrie. Nous y décrivons la façon dont on commande l'expérience ainsi que les différents modes de détection des atomes. Dans le Chapitre 4, nous présentons les résultats obtenus durant la thèse. Nous commençons par démontrer des déplacements sélectifs individuels de nuages polarisés dans un des deux états de l'interféromètre, puis des deux à la fois. Nous présentons une méthode originale pour calibrer la position du piège magnétique, puis nous présentons les franges d'interférences obtenus lors de séquences de Ramsey avec séparation spatiale des deux états. Enfin, nous présentons une étude du contraste des franges en fonction de la température du nuage, ainsi que des mesures de variance d'Allan.