Towards a hybrid electrostatic/atomic accelerometer for future space missions : study of rotation impact on a cold atom interferometer and mitigation strategy
Le but des missions spatiales de gravimétrie est de mesurer le champ de gravité avec une grande précision. Les données récoltées sont utilisées en sciences du climat, en hydrologie, en géophysique et pour mieux comprendre le réchauffement climatique. Ces missions embarquent actuellement des accéléromètres électrostatiques avec une grande sensibilité mais dérivant à long terme. Cette dérive peut être corrigée en recalibrant l'accéléromètre électrostatique avec un accéléromètre à atomes froids ayant une plus importante stabilité. De tels accéléromètres utilisent l'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération et une des difficultés de la mesure spatiale est la chute de contraste de l'interféromètre à cause de la rotation du satellite autour de la Terre. Dans cette étude, nous avons mis en place expérimentalement une méthode pour limiter l'impact de la rotation sur l'interféromètre. Le dispositif expérimental est la combinaison d'un accéléromètre électrostatique et d'un interféromètre à atomes froids. La masse d'épreuve de l'électrostatique est employée comme miroir de rétro-réflexion pour l'interféromètre et est très bien contrôlée selon les six dégrées de liberté de l'espace. La méthode utilisée pour limiter l'impact de la rotation consiste à tourner le miroir pour garder la direction de mesure constante pendant l'interféromètre. Avec cette méthode de compensation de la rotation, 99% du contraste a été récupéré. De plus, la phase de l'interféromètre causée par la rotation a été mesuré et modélisée. Avec un modèle fiable, cette phase supplémentaire peut être corrigée de la mesure. Finalement, les performances attendues d'un accéléromètre atomique compensé de la rotation à bord d'un satellite ont été étudiées. Avec les hypothèses choisies, la rotation serait à l'origine d'une incertitude de 7 x 10⁻¹⁰ ms⁻ ² sur la mesure de l'accélération pour un temps d'interrogation de 1 s.
Le but des missions spatiales de gravimétrie est de mesurer le champ de gravité avec une grande précision. Les données récoltées sont utilisées en sciences du climat, en hydrologie, en géophysique et pour mieux comprendre le réchauffement climatique. Ces missions embarquent actuellement des accéléromètres électrostatiques avec une grande sensibilité mais dérivant à long terme. Cette dérive peut être corrigée en recalibrant l'accéléromètre électrostatique avec un accéléromètre à atomes froids ayant une plus importante stabilité. De tels accéléromètres utilisent l'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération et une des difficultés de la mesure spatiale est la chute de contraste de l'interféromètre à cause de la rotation du satellite autour de la Terre. Dans cette étude, nous avons mis en place expérimentalement une méthode pour limiter l'impact de la rotation sur l'interféromètre. Le dispositif expérimental est la combinaison d'un accéléromètre électrostatique et d'un interféromètre à atomes froids. La masse d'épreuve de l'électrostatique est employée comme miroir de rétro-réflexion pour l'interféromètre et est très bien contrôlée selon les six dégrées de liberté de l'espace. La méthode utilisée pour limiter l'impact de la rotation consiste à tourner le miroir pour garder la direction de mesure constante pendant l'interféromètre. Avec cette méthode de compensation de la rotation, 99% du contraste a été récupéré. De plus, la phase de l'interféromètre causée par la rotation a été mesuré et modélisée. Avec un modèle fiable, cette phase supplémentaire peut être corrigée de la mesure. Finalement, les performances attendues d'un accéléromètre atomique compensé de la rotation à bord d'un satellite ont été étudiées. Avec les hypothèses choisies, la rotation serait à l'origine d'une incertitude de 7 x 10⁻¹⁰ ms⁻ ² sur la mesure de l'accélération pour un temps d'interrogation de 1 s.
Vers un accéléromètre hybride électrostatique/atomique pour les futures missions spatiales : étude de l'impact de la rotation sur l'interféromètre à atomes froids et réduction de cet impact Le but des missions spatiales de gravimétrie est de mesurer le champ de gravité avec une grande précision. Les données récoltées sont utilisées en sciences du climat, en hydrologie, en géophysique et pour mieux comprendre le réchauffement climatique. Ces missions embarquent actuellement des accéléromètres électrostatiques avec une grande sensibilité mais dérivant à long terme. Cette dérive peut être corrigée en recalibrant l'accéléromètre électrostatique avec un accéléromètre à atomes froids ayant une plus importante stabilité. De tels accéléromètres utilisent l'interférométrie atomique pour mesurer l'accélération et une des difficultés de la mesure spatiale est la chute de contraste de l'interféromètre à cause de la rotation du satellite autour de la Terre. Dans cette étude, nous avons mis en place expérimentalement une méthode pour limiter l'impact de la rotation sur l'interféromètre. Le dispositif expérimental est la combinaison d'un accéléromètre électrostatique et d'un interféromètre à atomes froids. La masse d'épreuve de l'électrostatique est employée comme miroir de rétro-réflexion pour l'interféromètre et est très bien contrôlée selon les six dégrées de liberté de l'espace. La méthode utilisée pour limiter l'impact de la rotation consiste à tourner le miroir pour garder la direction de mesure constante pendant l'interféromètre. Avec cette méthode de compensation de la rotation, 99% du contraste a été récupéré. De plus, la phase de l'interféromètre causée par la rotation a été mesuré et modélisée. Avec un modèle fiable, cette phase supplémentaire peut être corrigée de la mesure. Finalement, les performances attendues d'un accéléromètre atomique compensé de la rotation à bord d'un satellite ont été étudiées. Avec les hypothèses choisies, la rotation serait à l'origine d'une incertitude de 7 x 10⁻¹⁰ ms⁻ ² sur la mesure de l'accélération pour un temps d'interrogation de 1 s.
Accéléromètre quantique hybride pour les applications embarquées Cette thèse porte sur la correction des effets de rotation et de vibration qui affectent la mesure d’accélération des interféromètres atomiques à atomes froids. Ces instruments peuvent notamment être employés pour améliorer la stabilité à long terme des centrales inertielles, utilisées pour estimer la position d’un véhicule, mais restent encombrants et sensibles à différentes perturbations, ce qui limite leur utilisation embarquée. Ce manuscrit présente d’abord les principes de notre accéléromètre quantique hybride tri-axe : transitions Raman, interféromètre Mach-Zehnder atomique et hybridation avec des accéléromètres classiques. L’hybridation fusionne les mesures des deux technologies et inclut une correction en temps réel de la phase et de la fréquence laser pour compenser l’effet Doppler et reconstruire les franges brouillées par les vibrations. Deux modes d’opération sont décrits : le mode "gravimètre", fournissant une mesure discrète de la gravité, et le mode "accéléromètre strapdown", offrant une mesure continue, large dynamique et stable à long terme de l’accélération. Dans ce mode, il est possible de réaliser des mesures quelle que soit l’orientation de l’instrument. Les aspects expérimentaux sont ensuite détaillés. Pour rendre l’expérience compatible avec une utilisation embarquée strapdown, plusieurs choix technologiques ont été réalisés : un système laser fibré compact reposant sur une technique de modulation avancée pour générer les fréquences utiles et une hybridation avec des gyroscopes pour compenser les rotations et changements d’orientation. Le mode strapdown présente par ailleurs des contraintes liées à l’inclinaison du capteur, notamment sur la détection et la géométrie des faisceaux laser. Après une validation en conditions statiques du capteur, les travaux de cette thèse portent sur son fonctionnement en environnement dynamique. En particulier, les rotations dégradent la mesure de l’accéléromètre atomique en réduisant le contraste de l’interféromètre et en créant des déphasages importants. Pour corriger ces effets, deux approches ont été envisagées : un mode rigide, limité aux faibles rotations (<4.6◦/s) par perte de contraste, et un mode pointage inertiel dans lequel le miroir de référence est stabilisé grâce à une plateforme tip-tilt pilotée par un système temps réel utilisant les mesures de gyroscopes à fibres. Cette compensation supprime la perte de contraste et permet de travailler en présence de fortes rotations. Un modèle théorique a été développé pour décrire la perte de contraste (mode rigide) et les déphasages induits par les rotations. Ces solutions ont été validées expérimentalement grâce à une plateforme de rotation manuelle, menant à la première démonstration d’un accéléromètre atomique fonctionnant jusqu’à 14◦/s avec un temps d’interrogation de 10 ms et une sensibilité de 23 μg/coup. Nous avons ensuite utilisé un hexapode permettant de générer des mouvements contrôlés pour tester le capteur en conditions dynamiques réalistes. En mouvement, les franges atomiques se brouillent en raison de fortes vibrations transmises au miroir de référence, et la correction échoue faute de corrélation suffisante avec l’accéléromètre classique. Pour limiter ce problème, des amortisseurs ont été ajoutés et différentes pistes d’amélioration de la correction temps réel ont été explorées via l’évaluation des performances d’accéléromètres classiques. Malgré des progrès, des améliorations sont encore nécessaires pour atteindre de bonnes performances dynamiques. Enfin, je présente les mesures de gravité réalisées avec l’accéléromètre sur l’hexapode. Avec un temps d’interrogation de 29 ms, le capteur atteint une sensibilité statique de 1.33 μg/ √ τ et une stabilité à 3000 s de 31 ng, permettant de détecter les marées. Les mesures dynamiques montrent une forte dégradation et révèlent les limites de notre méthode de suivi de la gravité, ainsi que les défis techniques à relever pour la gravimétrie mobile.
Cette thèse porte sur la correction des effets de rotation et de vibration qui affectent la mesure d’accélération des interféromètres atomiques à atomes froids. Ces instruments peuvent notamment être employés pour améliorer la stabilité à long terme des centrales inertielles, utilisées pour estimer la position d’un véhicule, mais restent encombrants et sensibles à différentes perturbations, ce qui limite leur utilisation embarquée. Ce manuscrit présente d’abord les principes de notre accéléromètre quantique hybride tri-axe : transitions Raman, interféromètre Mach-Zehnder atomique et hybridation avec des accéléromètres classiques. L’hybridation fusionne les mesures des deux technologies et inclut une correction en temps réel de la phase et de la fréquence laser pour compenser l’effet Doppler et reconstruire les franges brouillées par les vibrations. Deux modes d’opération sont décrits : le mode "gravimètre", fournissant une mesure discrète de la gravité, et le mode "accéléromètre strapdown", offrant une mesure continue, large dynamique et stable à long terme de l’accélération. Dans ce mode, il est possible de réaliser des mesures quelle que soit l’orientation de l’instrument. Les aspects expérimentaux sont ensuite détaillés. Pour rendre l’expérience compatible avec une utilisation embarquée strapdown, plusieurs choix technologiques ont été réalisés : un système laser fibré compact reposant sur une technique de modulation avancée pour générer les fréquences utiles et une hybridation avec des gyroscopes pour compenser les rotations et changements d’orientation. Le mode strapdown présente par ailleurs des contraintes liées à l’inclinaison du capteur, notamment sur la détection et la géométrie des faisceaux laser. Après une validation en conditions statiques du capteur, les travaux de cette thèse portent sur son fonctionnement en environnement dynamique. En particulier, les rotations dégradent la mesure de l’accéléromètre atomique en réduisant le contraste de l’interféromètre et en créant des déphasages importants. Pour corriger ces effets, deux approches ont été envisagées : un mode rigide, limité aux faibles rotations (<4.6◦/s) par perte de contraste, et un mode pointage inertiel dans lequel le miroir de référence est stabilisé grâce à une plateforme tip-tilt pilotée par un système temps réel utilisant les mesures de gyroscopes à fibres. Cette compensation supprime la perte de contraste et permet de travailler en présence de fortes rotations. Un modèle théorique a été développé pour décrire la perte de contraste (mode rigide) et les déphasages induits par les rotations. Ces solutions ont été validées expérimentalement grâce à une plateforme de rotation manuelle, menant à la première démonstration d’un accéléromètre atomique fonctionnant jusqu’à 14◦/s avec un temps d’interrogation de 10 ms et une sensibilité de 23 μg/coup. Nous avons ensuite utilisé un hexapode permettant de générer des mouvements contrôlés pour tester le capteur en conditions dynamiques réalistes. En mouvement, les franges atomiques se brouillent en raison de fortes vibrations transmises au miroir de référence, et la correction échoue faute de corrélation suffisante avec l’accéléromètre classique. Pour limiter ce problème, des amortisseurs ont été ajoutés et différentes pistes d’amélioration de la correction temps réel ont été explorées via l’évaluation des performances d’accéléromètres classiques. Malgré des progrès, des améliorations sont encore nécessaires pour atteindre de bonnes performances dynamiques. Enfin, je présente les mesures de gravité réalisées avec l’accéléromètre sur l’hexapode. Avec un temps d’interrogation de 29 ms, le capteur atteint une sensibilité statique de 1.33 μg/ √ τ et une stabilité à 3000 s de 31 ng, permettant de détecter les marées. Les mesures dynamiques montrent une forte dégradation et révèlent les limites de notre méthode de suivi de la gravité, ainsi que les défis techniques à relever pour la gravimétrie mobile.
Rotating atom interferometer for onboard quantum accelerometry Les systèmes de navigation inertielle intègrent les mesures de triades d’accéléromètres et gyromètres afin de déterminer leur position, mais la trajectoire déterminée est typiquement limitée par le biais variable dans le temps de ces capteurs inertiels. D’autre part, l’exploitation de la physique quantique a permis le développement d’interféromètres à ondes de matière, sensibles aux effets inertiels grâce à la masse des atomes. Lorsqu’ils sont en chute libre, ces atomes constituent un référentiel Galiléen idéal et délivrent une mesure absolue avec une exactitude et une stabilité remarquables. De considérables développements techniques ont permis le transfert technologique de gravimètres quantiques vers l’industrie, réalisant des mesures de longue durée en statique. Cependant, l’utilisation de capteurs à atomes froids pour la navigation et le positionnement nécessite de répondre à certains enjeux scientifiques et technologiques afin d’être compatible avec les applications embarquées tels que la compacité, la continuité de mesure et le fonctionnement dans des environnements difficiles.Le laboratoire commun iXAtom unit l’expertise du Laboratoire de Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N) en interférométrie à ondes de matière et celle de l’entreprise française Exail dans les systèmes de navigation inertielle et capteurs quantiques industriels afin de construire une nouvelle génération de capteurs inertiels de haute performance grâce à l’hybridation d’accéléromètres et de gyromètres classiques avec des capteurs quantiques basés sur l’interférométrie à ondes de matière.Après avoir réussi à construire un interféromètre multiaxe à atomes froids mesurant les trois composantes du vecteur accélération en statique, ce capteur inertiel quantique a été hybridé avec une triade d’accéléromètres classiques, augmentant la bande passante et la dynamique de mesure sans souffrir de la contrainte liée à la dérive du biais des accéléromètres classiques. Par ailleurs, cette hybridation inclut une correction de la phase laser en temps réel, permettant d’extraire la mesure d’accélération à partir de franges atomiques brouillées par les vibrations parasites. En ce qui concerne les rotations de l’instrument au cours d’un interféromètre, leur compensation demeure l’enjeu principal restant à aborder pour réaliser un capteur solidaire d’un véhicule puisqu’elles entraînent une réduction de la visibilité des franges atomiques couplée à un brouillage du déphasage interférométrique.Le travail de cette thèse porte sur la résolution de la dégradation des performances de l’accéléromètre hybride induite par les rotations. Une étude théorique a permis d’établir un modèle théorique de la chute de contraste entraînée par des vitesses angulaires ainsi que des déphasages parasites résultant de la trajectoire complexe du nuage atomique dans le référentiel tournant du faisceau laser. Finalement, un système de compensation des rotations en temps réel utilise la mesure de vitesses angulaires par des gyroscopes à fibre optique afin de piloter une plateforme rotative piézo-électrique et ainsi stabiliser l’orientation du faisceau laser dans le référentiel externe dans le but de préserver le contraste des franges interférométriques et d’accroître la plage de mesure de l’interféromètre atomique tournant. Une rectification du modèle théorique prenant en compte la rotation du laser et l’hybridation avec les accéléromètres classiques permet de reconstruire les franges atomiques et de recouvrer la mesure inertielle, ouvrant la voie à l’accélérométrie hybride embarquée non stabilisée.
Ce manuscrit présente le développement expérimental d’un capteur inertiel à atomes froids mesurant l’accélération de pesanteur, la composante verticale du gradient de gravité et l’accélération horizontale, en choisissant des technologies qui permettent d’obtenir un capteur inertiel embarquable et hybridé avec des capteurs classiques. Le dispositif expérimental permet d’effectuer des séquences d’interférométrie verticales et horizontales avec des transitions Raman stimulées rétroréfléchies contra-propageantes. La séquence d’interférométrie à quatre impulsions Raman a été utilisée pour mesurer le gradient de gravité. Les effets systématiques ont été étudiées afin d’obtenir l’exactitude de la mesure. Notre mesure extrapolée avec une chute libre de 1 mètre et limitée par le bruit de projection quantique permettrait d’atteindre des sensibilités du même ordre que l’état de l’art. Cette méthode est intéressante pour un capteur embarquable car elle est facile à mettre en place, et elle est insensible à la force de Coriolis, qui cause une grosse chute de contraste pour un interféromètre Mach-Zehnder en dynamique. Cette méthode peut être utilisée pour la mesure de rotation dans un capteur inertiel embarqué. Une mesure de l’accélération horizontale a été effectuée en simple diffraction avec des faisceaux lasers Raman horizontaux contra-propageants et rétro-réfléchis. Pour la mesure de l'accélération horizontale, un interféromètre Mach-Zehnder horizontal a été utilisé. Une rampe de fréquence est appliquée sur les faisceaux Raman pour levée la dégénérescence des deux paires Raman. La mesure effectuée a une sensibilité proche de l'état de l'art.
Interféromètre atomique à sources ultra-froides pour le test du principe d’équivalence faible depuis l’espace Les révolutions quantiques du XXe siècle ont vu l'émergence de nouveaux capteurs de haute précision, appelés senseurs inertiels à onde de matière. L'utilisation de ces senseurs pour étudier le champ gravitationnel terrestre pourrait contribuer à résoudre l'un des grands mystères de la physique fondamentale : le principe d'équivalence faible, qui postule que la masse des corps n'affecte pas leur chute. Cependant, ce postulat fondamental de la relativité générale est remis en question par certaines théories cherchant à unifier la mécanique quantique et la gravité.La réalisation d'un test expérimental pour examiner cette question est essentielle, mais elle nécessite un long temps de chute libre, qui n'est réalisable que depuis l'espace. La conception d'un démonstrateur spatial nécessite une avancée technologique significative. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ICE, qui consiste en un prototype de laboratoire pour de futures missions spatiales. Cette expérience est testée à bord de l'avion Zéro-G ainsi que sur un simulateur de microgravité au sein du laboratoire.L'objectif principal est de mesurer l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes, le rubidium 87 et le potassium 39, en utilisant une méthode interférométrique. Ces atomes sont utilisés comme masses d'épreuve. Pour réaliser la mesure avec une grande précision, il est nécessaire d'abaisser la température des nuages atomiques avec des techniques de refroidissement laser.Le présent manuscrit présente les premiers résultats obtenus concernant la production de nuages d'atomes ultra-froids à bord de l'avion Zéro-G, grâce à des techniques de refroidissement évaporatif tout-optique. De plus, notre simulateur de microgravité, doté d'un accès illimité et d'un taux de répétition élevé, nous a permis d'obtenir des résultats en interférométrie atomique avec de longs temps d'interrogation. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d'un test de haute sensibilité du principe d'équivalence sur cette plateforme.