Optimisation d’un capteur inertiel à atomes froids par une nouvelle techniquede mesure accélérométrique combinant interférométrie atomique etoscillations de Bloch

Renée Charrière

Published Nov 9, 2011• 1 citation

Abstract

Ce travail a permis de montrer la faisabilité d’une mesure de l’accélération de pesanteur par interférométrie atomique, en associant des oscillations de Bloch atomiques à un interféromètre de Ramsey-Bordé à transitions Raman stimulées. La sensibilité de mesure de ce type d’instrument augmentant avec le temps d’interaction, les gravimètres atomiques classiques, à trois impulsions Raman, sont limités en sensibilité par les dimensions du dispositif utilisé, les atomes étant en chute libre pendant toute la durée d’interaction. Les oscillations de Bloch permettent de limiter la chute des atomes dans l’interféromètre, et donc, d’une part, d’augmenter la durée de celui-ci sans être limité par la taille du dispositif expérimental et, d’autre part, d’effectuer une mesure locale de l’accélération de la pesanteur. Cela est notamment intéressant pour envisager une réduction de la taille de ce genre d’instrument, ou des mesures d’interactions à courtes distances.Il a été possible d’effectuer une mesure de l’accélération de pesanteur, avec une résolution de 2.10-7 g pour un temps d’intégration de 300 s, ce qui est une des mesures les plus sensibles réalisées jusqu’alors avec un gravimètre atomique à oscillations de Bloch. Le déplacement des atomes pendant la durée de l’interféromètre est d’environ 1 mm. Les limitations de la sensibilité de la mesure semblent dues à des imperfections du laser utilisé pour générer le réseau optique permettant les oscillations de Bloch. Ces imperfections sont principalement du speckle, induit par les défauts des différents éléments optiques traversés par le faisceau laser, et une réflexion parasite sur les hublots de la chambre à vide contenant les atomes.

Related papers

Interférométrie Raman avec des atomes en chute libre et piégés

Gunnar Tackmann

L'application de l'interférométrie atomique pour la mesure précise des forces d'inertie à l'aide d'atomes en chute libre a été étudiée depuis une vingtaine d'années. L'utilisation des atomes froids a conduit à une réduction en taille de ces dispositifs. Des nouvelles méthodes de refroidissement et de piégeage permettent d'augmenter la résolution spatiale en utilisant des atomes guidés. Cette thèse a exploré les deux directions en utilisant des atomes en chute libre pour la mesure des rotations et des atomes guidés pour un test de la gravitation à courte distance. Le gyromètre CASI est basé sur un double interféromètre Raman aux trajectoires atomiques contrapropageantes. Cet ouvrage présente des études sur la stabilité du capteur et une amélioration de la sensibilité aux rotations d'un ordre de grandeur par rapport à l'état précédent. Une sensibilité de 2x10-8 rad/s après 4000 s de moyennage a été démontrée en exploitant, pour le corriger, la corrélation du signal de rotation avec le temps d'arrivée des échantillons atomiques. L'expérience FORCA-G vise à réaliser des mesures de forces à faible distance à l'aide d'interféromètres Raman basés sur un effet tunnel induit par laser dans un réseau optique. Des mesures avec une sensibilité aux accélérations de 2x10-5 g/Hz1/2 sont présentées. La sensibilité obtenue après une intégration de 150 s permettra de réaliser des mesures de la force de Casimir-Polder avec une incertitude statistique de 1 % à une distance atome-surface de l'ordre de 5 m. Par ailleurs, l'implémentation d'un transport cohérent des atomes dans des réseaux optiques accélérés à été effectuée, qui sera utile dans les mesures futures.

Jan 1, 20130 citations

Réalisation d’un gradiomètre atomique basé sur des séparatrices de Bragg

Raphaël Piccon

Ce manuscrit détaille des travaux de thèse effectués au SYRTE sur l’expérience de gradiomètre à atomes froids. Le gradiomètre est un capteur quantique utilisant deux interféromètres à atomes froids afin de mesurer l’accélération de pesanteur en deux endroits distincts de l’espace et ainsi mesurer localement le gradient de gravité. Le capteur était fonctionnel à mon arrivée avec deux sources d’atomes froids et un interféromètre utilisant des impulsions Raman. Dans le but d’améliorer la sensibilité de l’instrument, nous avons implémenté et caractérisé la diffraction des atomes dans le régime quasi-Bragg et nous avons réalisé un interféromètre avec ces impulsions pour différents ordres de diffraction. Les ports de sortie étant dans le même état interne mais sur deux états d’impulsion différents, il est difficile de les mesurer indépendamment avec une méthode classique de détection par temps de vol. Nous avons donc développé puis caractérisé une nouvelle méthode permettant d’augmenter leur séparation spatiale avant leur détection à l’aide d’un ascenseur de Bloch. Nous avons également implémenté un ascenseur de Bloch en début de séquence afin d’opérer l’interféromètre en configuration fontaine et profiter d’un temps de chute libre maximal. Un miroir monté sur un tip tilt a été caractérisé afin de compenser l’accélération de Coriolis subie par les atomes pendant leur chute et un collimateur à profil d’intensité plat (‘flat top’) a été implémenté sur l’expérience afin d’éclairer les atomes de manière uniforme. Une sensibilité au gradient de gravité de 255 E à une seconde a été démontrée.

Dec 7, 20220 citations

Interféromètres atomiques piégés : du régime dilué au régime dense

Cyrille Solaro

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l'avancement de l'expérience FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance) dont le but est la mesure par interférométrie atomique de forces à courte distance entre un atome, piégé dans un réseau optique vertical, et une surface. Réalisée à l'aide de transitions Raman stimulées, la séparation spatiale et cohérente des paquets d'onde atomique sur des puits adjacents du réseau permet de mesurer, après recombinaison, la différence d'énergie entre ces puits, liée à l'incrément d'énergie potentielle de pesanteur : la fréquence de Bloch nB. Pour de faibles densités atomiques, il est démontré une sensibilité court terme à 1 s de dn/nB = 1,8.10-6 à l'état de l'art des capteurs de forces à atomes piégés. La mise en place d'un système de refroidissement évaporatif, afin d'augmenter le nombre d'atomes par puits, permet désormais d'explorer des régimes de fortes densités atomiques où les interactions ne peuvent être négligées. Pour des densités de 1011-1012 at/cm3, il est montré qu'un phénomène d'auto-synchronisation des spins entre en compétition avec le mécanisme d'écho de spin. L'impact de ce phénomène sur le contraste et la fréquence mesurée est étudié dans un interféromètre où les deux paquets d'onde occupent le même puits. Des premières mesures sont ensuite effectuées dans le régime où les paquets d'onde sont séparés. Elles montrent un comportement différent qui reste à modéliser. Enfin, il est montré que le protocole de mesure permet de s'affranchir des biais collisionnels : les interactions atomiques limitent la sensibilité du capteur de force sans limiter son exactitude.

Nov 3, 20160 citations

Interféromètres atomiques piégés : du régime dilué au régime dense

Cyrille Solaro

Nov 3, 20161 citation

Capteur inertiel compact à atomes froids piégés sur puce

Soizic Hello

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.

Sep 29, 20250 citations

Développement expérimental d’un capteur inertiel multi-axe à atomes froids hybride embarquable

Isadora Perrin

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.

Sep 23, 20190 citations