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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.