L'objectif du gravimètre absolu est de déterminer la valeur de l'accélération de pesanteur g avec une incertitude relative de 10-9 pour le projet métrologique de "balance du watt". Nous avons développé pendant ma thèse une nouvelle enceinte à vide permettant l'évaluation des effets systématiques limitant. Le gravimètre a été rendu transportable et placé à côté de la balance du LNE. Le gravimètre repose sur des techniques d interférométrie atomique, où un nuage d atomes froids de 87Rb en chute libre est manipulé au moyen de transitions à deux photons. Nous avons réduit l'incertitude sur l'ensemble des biais au-dessous de l'objectif, excepté l effet des aberrations du front d'onde des faisceaux lasers. Il est actuellement l'objet de nos investigations et nous cherchons à contrôler le mieux possible la trajectoire des atomes. Au cours de l'année 2010, notre gravimètre atomique a participé à des comparaisons "clefs" internationales. Les valeurs de g obtenues sont en accord, mais nous relevons des fluctuations de l'écart avec les autres gravimètres, liées en partie aux variations de l'effet d aberration. Nous avons développé en parallèle trois nouvelles techniques de mesures d'interférométrie atomique. La première utilise un algorithme à trois coups qui rend la mesure robuste aux vibrations. La seconde consiste à diffracter les atomes simultanément au moyen des quatre champs présents dans l'enceinte à vide afin de doubler l aire de l interféromètre et donc sa sensibilité intrinsèque. Enfin nous avons conçu et caractérisé une pyramide creuse, qui permet de substituer aux différents lasers un unique large faisceau, afin de créer un gravimètre atomique transportable compact.
L'objectif du gravimètre absolu est de déterminer la valeur de l'accélération de pesanteur g avec une incertitude relative de 10-9 pour le projet métrologique de "balance du watt". Nous avons développé pendant ma thèse une nouvelle enceinte à vide permettant l'évaluation des effets systématiques limitant. Le gravimètre a été rendu transportable et placé à côté de la balance du LNE. Le gravimètre repose sur des techniques d interférométrie atomique, où un nuage d atomes froids de 87Rb en chute libre est manipulé au moyen de transitions à deux photons. Nous avons réduit l'incertitude sur l'ensemble des biais au-dessous de l'objectif, excepté l effet des aberrations du front d'onde des faisceaux lasers. Il est actuellement l'objet de nos investigations et nous cherchons à contrôler le mieux possible la trajectoire des atomes. Au cours de l'année 2010, notre gravimètre atomique a participé à des comparaisons "clefs" internationales. Les valeurs de g obtenues sont en accord, mais nous relevons des fluctuations de l'écart avec les autres gravimètres, liées en partie aux variations de l'effet d aberration. Nous avons développé en parallèle trois nouvelles techniques de mesures d'interférométrie atomique. La première utilise un algorithme à trois coups qui rend la mesure robuste aux vibrations. La seconde consiste à diffracter les atomes simultanément au moyen des quatre champs présents dans l'enceinte à vide afin de doubler l aire de l interféromètre et donc sa sensibilité intrinsèque. Enfin nous avons conçu et caractérisé une pyramide creuse, qui permet de substituer aux différents lasers un unique large faisceau, afin de créer un gravimètre atomique transportable compact.
Nous présentons la réalisation d'un interféromètre à ondes de matière mesurant l'accélération de la pesanteur. Les paquets d'ondes d'atomes de 87Rb sont manipulés à l'aide de deux lasers induisant des transitions Raman stimulées. Ces transitions servent à créer un interféromètre atomique dont le déphasage dépend de l'accélération des atomes dans le référentiel du laboratoire. Lorsque les lasers Raman sont appliqués verticalement, l'interféromètre est sensible à l'accélération de la pesanteur g. Dans le contexte de l'expérience de balance du watt, réalisée au LNE, la connaissance de la valeur de l'attraction terrestre est requise avec une incertitude de g/g = 10−9. L'objectif de notre gravimètre est d'obtenir une sensibilité de 10−9g en moins d'une minute d'intégration et une exactitude meilleure que 10−9g. Un effort particulier a été apporté pour concevoir un dispositif expérimental compact, afin de faciliter son transport. Il pourra ainsi être déplacé à proximité de la balance ou sur divers sites de mesure pour effectuer des comparaisons avec d'autres gravimètres. Nous avons obtenu une sensibilité de 7 × 10−8g.Hz−1/2 qui permet d'atteindre une incertitude statistique de 3 × 10−9g après 1000 secondes d'intégration. Une première analyse des sources de bruits expérimentaux nous a permis d'identifier les améliorations à apporter au dispositif et en particulier celles concernant les vibrations qui limitent actuellement la sensibilité court terme.
L'interférométrie atomique est appliquée à la mesure absolue de l'accélération de pesanteur g, afin de fournir une mesure exacte à l'expérience de balance du watt réalisée au LNE. La source atomique est obtenue à partir d'un nuage d'atomes froids de Rubidium 87. Deux faisceaux lasers contra-propageants verticaux sont utilisés pour réaliser des transitions Raman stimulées, qui permettent de séparer et faire interférer les paquets d'onde. Lors des transitions, la différence de phase entre les lasers est imprimée sur la phase des atomes en chute libre. Le déphasage atomique entre les deux chemins verticaux est alors sensible à l'accélération des atomes et permet d'accéder à une valeur exacte de g. Une partie du manuscrit est consacrée à l'étude des sources de bruit affectant la sensibilité de la mesure. Nous détaillons notamment la contribution des vibrations, que nous réduisons d'un facteur 3 à 10 selon les configurations, grâce à la mesure d'un sismomètre et au traitement numérique de cette mesure. La meilleure sensibilité mesurée, dans les conditions d'environnement optimales, est de 1,410−8~g/Hz1/2. Par ailleurs, l'étude de l'exactitude de la mesure occupe une part importante de ce travail. Bien que l'enceinte à vide utilisée ne soit que provisoire, nous avons entrepris le recensement des effets systématiques. D'après deux comparaisons avec des gravimètres absolus basés sur une technique éprouvée d'interférométrie optique, notre mesure présente un biais résiduel de 1610−9~g.
L’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Afin de quantifier l’impact de ces effets, nous avons développé une simulation Monte Carlo permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience j’ai mis en place un modèle numérique complet reproduisant la séquence interférométrique et les protocoles de mesure. Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplace- ment lumineux des niveaux d’énergie. J’ai par ailleurs développé un modèle reproduisant le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, j’ai adapté la simulation Monte Carlo à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. J’ai d’abord évalué la contribution de la phase de Gouy ainsi que de la courbure de phase des faisceaux. J’ai également modélisé la distribution des valeurs mesurées du recul atomique dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.
Interférométrie atomique utilisant un peigne de fréquences et progrès sur la mesure du recul atomique Ma thèse s'est concentrée sur deux sujets dans le domaine des mesures de précisions utilisant l'interférométrie atomique : le premier visait à développer un interféromètre atomique utilisant un peigne de fréquence, et le second visait à améliorer la précision de mesure du recul atomique pour déterminer la constante de structure fine, alpha. Tout d'abord, j'ai réussi à démontrer pour la première fois un interféromètre atomique basé sur des transitions Raman stimulées par un laser picoseconde, réalisant un gravimètre atomique avec une sensibilité relative de 10^{-7} en 5 minutes de temps d'intégration. Il a fallu pour cela mettre au point un système de contrôle de la ligne à retard qui a permis aux impulsions picosecondes de se superposer au nuage atomique en chute libre pendant 60 ms. Ceci a permis la réalisation d'un nouvel interféromètre basé sur des impulsions pi/2-pi-pi-pi/2 où les atomes peuvent être adressés localement dans chaque bras de l'interféromètre. Les résultats expérimentaux ont été complétés par des études théoriques et des simulations numériques. Deuxièmement, j'ai étudié les effets systématiques limitant la précision de la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d'un atome de Rubidium. Des expériences avec un condensat de Bose-Einstein (BEC) ont révélé une sensibilité aux fluctuations locales de l'intensité du laser, ce qui a conduit à une nouvelle méthode robuste pour sonder le profil d'intensité du faisceau laser à l'intérieur de la chambre à vide. J'ai conçu, fabriqué et caractérisé de nouveaux collimateurs pour les faisceaux Raman et Bloch. Une optimisation minutieuse des paramètres expérimentaux a permis de réduire l'incertitude d'une mesure de 30%. De plus, grâce au BEC, nous avons observé un effet systématique lié à une réflexion parasite. Différents schémas de verrouillage de phase pour les lasers Raman ont été mis en œuvre et comparés afin de mieux comprendre l'impact de cet asservissement sur la valeur mesurée.
Cette thèse présente les derniers travaux réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids du LNE-SYRTE. Pour mesurer g, cet instrument, le CAG, réalise un interféromètre atomique à l'aide d'impulsions Raman sur un nuage d'atomes froids de Rubidium 87 en chute libre. L'incertitude de mesure du CAG sont limitées par le faisceau Raman, son profil de phase et d'intensité. Durant ma thèse, l'instrument a été déménagé à l'Observatoire de Paris pour y apporter des améliorations afin de réduire ces effets et repousser les limites du CAG. Après une remise en route de l'instrument qui nous a permis d'atteindre des sensibilités similaires aux précédentes de 20e-9 g Hz^(-1/2), nous avons repris et poursuivi les études liées au faisceau Raman. Le manuscrit détaille ces travaux qui m'ont amené à étudier la stabilité de puissance dans chacun des deux faisceaux Raman, ainsi que l'impact des inhomogénéités du profil d'intensité. Une étude du profile d'intensité, et en particulier de ses défauts, nous a amené à une étude détaillée sur le contraste. En effet, ces défauts sont une source d'inhomogénéité de déplacement lumineux sur le nuage d'atome, causant une perte de contraste, pouvant amener à une limite de sensibilité. Ce phénomène cause également un biais sur la mesure de g, de l'ordre de 5e-9 g, qui n'est pas éliminé de l'algorithme de mesure et doit donc être pris en compte dans le bilan d'incertitude. Nous présentons également des premiers résultats du contrôle optimal de transitions Raman, une méthode expérimentale ayant pour but d'améliorer l'efficacité des transitions, et donc le contraste de l'interféromètre.
L’interférométrie atomique constitue une approche expérimentale robuste pour réaliser des mesures de haute précision, en particulier pour la détermination de l’accélération de la gravité g et de la constante de structure fine α. Malgré les performances remarquables atteintes, l’exactitude des meilleurs instruments actuellement opérationnels reste limitée par plusieurs effets systématiques, notamment les distorsions du front d’onde et les inhomogénéités spatiales de l’intensité des faisceaux lasers. Afin de quantifier l’impact de ces effets, nous avons développé une simulation Monte Carlo permettant de reproduire fidèlement deux expériences d’interférométrie atomique : le gravimètre atomique du LTE et l’expérience de mesure du rapport h/m au LKB. Ce travail de thèse s’articule autour de l’analyse et de l’interprétation des résultats obtenus sur ces deux dispositifs expérimentaux, avec pour objectif d’identifier, de modéliser les principales sources de biais systématiques affectant l’exactitude des mesures. Pour chaque expérience j’ai mis en place un modèle numérique complet reproduisant la séquence interférométrique et les protocoles de mesure. Dans le cadre du gravimètre, ce modèle permet d’évaluer l’effet systématique lié à la phase de Gouy du faisceau laser sur le gravimètre. Une attention particulière a été portée à l’étude des pertes de contraste dues à l’inhomogénéité d’intensité dans les faisceaux lasers, révélant qu’elles induisent une dispersion de phase responsable d’une diminution significative de la visibilité des franges. Ces résultats ont été comparés à des données expérimentales obtenues à l’aide de deux méthodes indépendantes, utilisant une impulsion laser sonde induisant un déplace- ment lumineux des niveaux d’énergie. J’ai par ailleurs développé un modèle reproduisant le comportement non monotone du contraste observé expérimentalement, en tenant compte d’interférences parasites avec le faisceau Raman. Dans le cadre de l’expérience de mesure du rapport h/m, j’ai adapté la simulation Monte Carlo à une configuration utilisant un condensat de Bose-Einstein (BEC), comme sonde spatiale pour cartographier la distribution des vecteurs d’onde et le profil d’intensité d’un faisceau Bloch. J’ai d’abord évalué la contribution de la phase de Gouy ainsi que de la courbure de phase des faisceaux. J’ai également modélisé la distribution des valeurs mesurées du recul atomique dans le cas où le faisceau Bloch est diffracté par un diaphragme circulaire, reproduisant l’effet d’extra-recul observé expérimentalement dans les régions de faible intensité, où le recul dépasse la valeur nominale hν/c.