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Amélioration de la sensibilité et de la stabilité d'un gyroscope à atomes froids grâce à des méthodes de contrôle en temps réel

Mohamed Guessoum

Published Oct 30, 2023• 0 citations
Publisher

Abstract

Ce manuscrit présente la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms. Dans cette thèse, nous détaillons un test de physique fondamentale avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an sont présentés, démontrant une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm. En outre, ce travail traite également de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. Nous fournissons une description détaillée des deux méthodes et nous approfondissons les détails de leur mise en œuvre physique, qui est également caractérisée en détail. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également présentée. Ce travail ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique basé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.

DOI
10.70675/c7633964zfc4dz4737z8ff4z0be888c62331

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•Oct 30, 2023•1 citation

Nouvelles techniques d'interférométrie atomique pour un gyroscope à atomes froids de grande surface de Sagnac

Matteo Altorio

Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.

•Dec 4, 2019•0 citations

Développement d'un gyromètre à atomes froids de haute sensibilité fondé sur une géométrie repliée

Thomas Lévèque

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.

•Sep 29, 2010•4 citations

Fonctionnements continu et entrelacé d'un gyromètre à atomes froids et amélioration de sa stabilité

Denis Savoie

Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.

•Nov 24, 2017•0 citations

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•Nov 24, 2017•0 citations

Mesures de précision avec un gyromètre-accéléromètre à atomes froids double axes

Romain Gautier

Ce manuscrit présente des résultats expérimentaux d'un gyromètre à atomes froids de 11 cm2 d'aire physique, réalisant l’état de l’art des gyromètres à ondes de matière. L’installation du second axe de mesure dans le plan horizontal permet la mesure de deux composantes de la rotation, de manière séquentielle ou entrelacées. Changer l’orientation de l’expérience par rapport au nord a permis d’effectuer le meilleur test à ce jour de l’effet Sagnac pour des ondes de matière, qui est trouvé en accord avec la valeur attendue au niveau de 20 ppm.Par ailleurs, nous avons proposé et étudié l’intérêt d’ajuster de façon contrôlée le transfert d’impulsion lors des transitions Raman manipulant les paquets d’ondes atomiques dans le cas des interféromètres à boucles multiples. En empêchant la recombinaison des interféromètres parasites, cette étude a donné les conditions permettant de réaliser un gyromètre pur sans aucune sensibilité à l’accélération continue. Enfin, de nouvelles méthodes expérimentales ont permis d’améliorer la réjection du bruit de vibration mais aussi du bruit de rotation permettant un nouveau record de stabilité à 2x10-10 rad.s-1 à 6000 s, et notamment de par l’utilisation d’une séquence utilisant deux interféromètres entrelacés permettant de moyenner plus rapidement les vibrations. Bien que limitée dans notre configuration expérimentale, elle ouvre la possibilité d’atteindre la limite intrinsèque des capteurs inertiels à atomes froids, le bruit de projection quantique.

•Jun 3, 2022•0 citations
Ce manuscrit présente la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms. Dans cette thèse, nous détaillons un test de physique fondamentale avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an sont présentés, démontrant une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm. En outre, ce travail traite également de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. Nous fournissons une description détaillée des deux méthodes et nous approfondissons les détails de leur mise en œuvre physique, qui est également caractérisée en détail. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également présentée. Ce travail ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique basé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.
Amélioration de la sensibilité et de la stabilité d'un gyroscope à atomes froids grâce à des méthodes de contrôle en temps réel Ce manuscrit présente la mise en œuvre et l'étude de nouvelles techniques expérimentales visant à améliorer les performances de l'expérience de gyroscope à atomes froids à deux axes du SYRTE. L'instrument représente l'état de l'art des gyroscopes à ondes de matière et utilise des transitions Raman stimulées pour réaliser un interféromètre à 4 impulsions. Cette géométrie permet d'obtenir une aire Sagnac de 11 cm² pour un temps d'interrogation de 800 ms. Dans cette thèse, nous détaillons un test de physique fondamentale avec le gyroscope à atomes froids qui consiste en un test de validité de l'effet Sagnac avec un interféromètre à ondes de matière. Les résultats d'une campagne expérimentale d'un an sont présentés, démontrant une amélioration de 20 fois la précision par rapport aux efforts précédents dans la mesure du facteur d'échelle du gyroscope, et correspondant à un niveau de précision de 23 ppm. En outre, ce travail traite également de deux nouvelles méthodes en temps réel pour contrôler la phase de l'interféromètre en utilisant les sauts de fréquence Raman et les sauts de position du miroir plutôt que d'utiliser le saut de phase relatif du laser Raman. Nous fournissons une description détaillée des deux méthodes et nous approfondissons les détails de leur mise en œuvre physique, qui est également caractérisée en détail. Une analyse comparative des performances de ces deux méthodes est également présentée. Ce travail ouvre la voie à la possibilité d'une compensation de phase atomique en temps réel pour tout interféromètre atomique basé sur des transitions à deux photons pour la diffraction d'ondes atomiques et en particulier lors de l'utilisation du régime de double diffraction Raman pour des applications spatiales.
Cette thèse décrit la mise en œuvre de nouvelles techniques d'interférométrie atomique améliorant la stabilité et l’exactitude d'un gyromètre à atomes froids situé au laboratoire SYRTE. Des transitions Raman stimulées permettent de séparer et recombiner les ondes atomiques. Une séquence de quatre impulsions lumineuses génère un interféromètre avec une aire Sagnac de 11 cm2. Je présente la mise en œuvre d'un schéma d'interrogation entrelacé dans un interféromètre dont le temps d'interrogation est de 801 ms, dans lequel trois nuages atomiques sont interrogés simultanément résultant en une cadence de mesure de 3,75 Hz. Avec ce schéma, nous démontrons une sensibilité de 30 nrad/s/sqrt(Hz). Nous présentons ensuite des mesures de rotation dynamiques dans une plage jusqu'ici inexplorée pour un capteur à atomes froids. Un biais important du capteur provient d'un couplage entre un désalignement relatif des miroirs rétroréfléchissant les faisceaux Raman et la trajectoire de l'atome. Une technique est introduite pour réduire ce biais au niveau de 3 nrad/s et atteindre une stabilité à long terme de 0,3 nrad/s qui représente l'état de l'art des gyromètres atomiques. Le manuscrit décrit ensuite la première caractérisation du facteur d'échelle du gyromètre à l'aide de différentes techniques. En particulier, la mise en place d’une plateforme de rotation sous le capteur permet de faire varier la projection du vecteur rotation de la Terre sur l'interféromètre et donc de moduler le déphasage de rotation. Les techniques présentées dans cette thèse ouvrent la voie à un test de l'effet Sagnac pour les ondes de matière avec une précision relative inférieure à 100 parties par million.
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.
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Les gyromètres Sagnac atomiques ont un grand potentiel en raison de leur sensibilité élevée à la rotation. Le gyromètre atomique du SYRTE utilise des atomes de césium refroidis par lasers. À l'aide de transitions Raman stimulées, nous formons un interféromètre de type Mach-Zehnder replié. L'instrument permet d'atteindre un temps d'interrogation maximal de 800 ms, ce qui correspond à une aire Sagnac de 11 cm², la plus grande démontrée pour un interféromètre atomique. Les objectifs de ma thèse sont de tirer au mieux parti du potentiel de l'instrument, et d'étudier des modes d'interrogations jointif et jointif entrelacé. C'est une étape importante pour l'application de tels instruments entre autres en navigation inertielle. Je décris les méthodes mises en place pour pousser la sensibilité court terme et mené une première étude détaillée des effets systématiques. Nous avons démontré une stabilité à court terme de 30nrad.s⁻¹.Hz^{-1/2} en interrogation jointive triplement entrelacée, ce qui est une amélioration d'un facteur 3 de l'état de l'art pour les gyromètres à atomes froids. L'état de l'art a également été amélioré d'un facteur 4 à long terme avec une stabilité de 0,2 nrad.s⁻¹ en 30 000 s.
Ce manuscrit présente des résultats expérimentaux d'un gyromètre à atomes froids de 11 cm2 d'aire physique, réalisant l’état de l’art des gyromètres à ondes de matière. L’installation du second axe de mesure dans le plan horizontal permet la mesure de deux composantes de la rotation, de manière séquentielle ou entrelacées. Changer l’orientation de l’expérience par rapport au nord a permis d’effectuer le meilleur test à ce jour de l’effet Sagnac pour des ondes de matière, qui est trouvé en accord avec la valeur attendue au niveau de 20 ppm.Par ailleurs, nous avons proposé et étudié l’intérêt d’ajuster de façon contrôlée le transfert d’impulsion lors des transitions Raman manipulant les paquets d’ondes atomiques dans le cas des interféromètres à boucles multiples. En empêchant la recombinaison des interféromètres parasites, cette étude a donné les conditions permettant de réaliser un gyromètre pur sans aucune sensibilité à l’accélération continue. Enfin, de nouvelles méthodes expérimentales ont permis d’améliorer la réjection du bruit de vibration mais aussi du bruit de rotation permettant un nouveau record de stabilité à 2x10-10 rad.s-1 à 6000 s, et notamment de par l’utilisation d’une séquence utilisant deux interféromètres entrelacés permettant de moyenner plus rapidement les vibrations. Bien que limitée dans notre configuration expérimentale, elle ouvre la possibilité d’atteindre la limite intrinsèque des capteurs inertiels à atomes froids, le bruit de projection quantique.