Les corrélations entre les degrés de liberté internes et externes des atomes neutres permettent d'atteindre une précision et une sensibilité de pointe dans les capteurs inertiels. Cette thèse présente les derniers développements réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids (CAG) du LTE, basé sur l'interférométrie d’états de moment via des transitions Raman dans un nuage d'atomes de 87 Rb en chute libre. Nous identifions les inhomogénéités d'intensité comme la principale source de perte de contraste dans le CAG, et mettons en évidence le rôle des interactions non résonantes induites par la géométrie contre-propagative des faisceaux Raman. Après optimisation du dispositif optique, le contraste de l'interféromètre s'est amélioré de près de 10 %, et les structures locales liées au champ ont été éliminées. Par ailleurs, nous avons identifié des phases de biais provenant des variations d'intensité laser, principalement pendant l'impulsion miroir. Nous introduisons une méthode dynamique pour évaluer ces déphasages, qui constitue une généralisation de l'approximation adiabatique classique. Cette approche permet de distinguer les déphasages causés par des processus à deux photons de ceux ayant une autre origine. Elle relie notamment la population d'états de moment indésirables à l'accumulation de phases non linéaires aux sorties de l'interféromètre. Nous rapportons un biais systématique dans la mesure de g de l'ordre de 5 × 10−9 g, attribué aux inhomogénéités d'intensité, ainsi qu'une sensibilité de 20 × 10−9 g Hz−1/2.
Les corrélations entre les degrés de liberté internes et externes des atomes neutres permettent d'atteindre une précision et une sensibilité de pointe dans les capteurs inertiels. Cette thèse présente les derniers développements réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids (CAG) du LTE, basé sur l'interférométrie d’états de moment via des transitions Raman dans un nuage d'atomes de 87 Rb en chute libre. Nous identifions les inhomogénéités d'intensité comme la principale source de perte de contraste dans le CAG, et mettons en évidence le rôle des interactions non résonantes induites par la géométrie contre-propagative des faisceaux Raman. Après optimisation du dispositif optique, le contraste de l'interféromètre s'est amélioré de près de 10 %, et les structures locales liées au champ ont été éliminées. Par ailleurs, nous avons identifié des phases de biais provenant des variations d'intensité laser, principalement pendant l'impulsion miroir. Nous introduisons une méthode dynamique pour évaluer ces déphasages, qui constitue une généralisation de l'approximation adiabatique classique. Cette approche permet de distinguer les déphasages causés par des processus à deux photons de ceux ayant une autre origine. Elle relie notamment la population d'états de moment indésirables à l'accumulation de phases non linéaires aux sorties de l'interféromètre. Nous rapportons un biais systématique dans la mesure de g de l'ordre de 5 × 10−9 g, attribué aux inhomogénéités d'intensité, ainsi qu'une sensibilité de 20 × 10−9 g Hz−1/2.
Caractérisation des erreurs systématiques dues aux inhomogénéités d'intensité des faisceaux Raman dans un gravimètre absolu à atomes froids Les corrélations entre les degrés de liberté internes et externes des atomes neutres permettent d'atteindre une précision et une sensibilité de pointe dans les capteurs inertiels. Cette thèse présente les derniers développements réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids (CAG) du LTE, basé sur l'interférométrie d’états de moment via des transitions Raman dans un nuage d'atomes de 87 Rb en chute libre. Nous identifions les inhomogénéités d'intensité comme la principale source de perte de contraste dans le CAG, et mettons en évidence le rôle des interactions non résonantes induites par la géométrie contre-propagative des faisceaux Raman. Après optimisation du dispositif optique, le contraste de l'interféromètre s'est amélioré de près de 10 %, et les structures locales liées au champ ont été éliminées. Par ailleurs, nous avons identifié des phases de biais provenant des variations d'intensité laser, principalement pendant l'impulsion miroir. Nous introduisons une méthode dynamique pour évaluer ces déphasages, qui constitue une généralisation de l'approximation adiabatique classique. Cette approche permet de distinguer les déphasages causés par des processus à deux photons de ceux ayant une autre origine. Elle relie notamment la population d'états de moment indésirables à l'accumulation de phases non linéaires aux sorties de l'interféromètre. Nous rapportons un biais systématique dans la mesure de g de l'ordre de 5 × 10−9 g, attribué aux inhomogénéités d'intensité, ainsi qu'une sensibilité de 20 × 10−9 g Hz−1/2.
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.
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 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'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.
Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur le développement expérimental d'une centrale inertielle hybride à atomes froids. Un tel instrument permettrait d'améliorer les performances des centrales inertielles embarquées aujourd'hui, composées de capteurs inertiels classiques souffrant d'une dérive de biais induisant une erreur de positionnement après quelques heures de navigation. Les objectifs de cette thèse sont d'adresser deux points bloquants qui empêchent aujourd'hui de construire une centrale inertielle atomique embarquable : la mesure d'accélération horizontale par interférométrie atomique, et la plage de fonctionnement faible en rotation des capteurs atomiques. Pour cela, nous utilisons un dispositif expérimental de laboratoire qui génère un nuage d'atomes froids de 87Rb, afin d'effectuer des séquences d'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Les faisceaux Raman sont rétro-réfléchis par un miroir sur lequel est fixé un accéléromètre classique destiné à être hybridé avec le capteur atomique. Pour s'affranchir du problème de dégénérescence des transitions Raman +- k_eff en régime de faible vitesse, nous avons développé deux méthodes de mesure de l'accélération horizontale par interférométrie atomique. La première méthode consiste à appliquer une rampe de fréquence sur les faisceaux Raman horizontaux, pour retrouver l'analogue d'un effet Doppler dans la direction de mesure horizontale. Grâce à cette méthode, nous avons construit un capteur atomique de type Mach-Zehnder, hybridé avec un accéléromètre classique, dont la sensibilité court terme vaut 3.2 x 10^−5 m.s−2/racine{Hz}. La seconde technique repose sur une transition Raman entre les états hyperfins |F=1,m_F= -+ 1> et |F=2,m_F= +- 1> avec des faisceaux Raman polarisés sigma+ - sigma-. Grâce aux règles de sélection en polarisation, cette configuration n'autorise qu'une seule transition contra-propageante, malgré l'absence d'effet Doppler. En implémentant cette méthode, nous avons construit un capteur hybridé ayant une sensibilité court terme de 22 x10 ^-5 m.s^-2/racine{Hz}. Les effets systématiques associés à chacune des deux méthodes ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Le dernier chapitre, de nature théorique, présente une nouvelle méthode interférométrique permettant d'étendre la plage de fonctionnement en rotation des capteurs inertiels atomiques. Il est jusqu'à ce jour tenu au secret par la Direction Générale de l'Armement.