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.
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.
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.
Accéléromètre quantique 3-axes hybride pour la navigation inertielle L’objectif du laboratoire commun iXatom, issu de la collaboration entre le laboratoire photonique numérique et nanoscience (LP2N) et l’entreprise iXblue, est de développer des solutions pour améliorer la navigation inertielle avec des capteurs quantiques. En effet les capteurs inertiels classiques délivrent un biais non constant sur la mesure qui fausse la trajectoire calculée par une centrale inertielle. Les interféromètres atomiques à ondes de matière offrent une mesure absolue avec une précision et une stabilité sans précédent. Ces capteurs présentent un intérêt important pour la navigation inertielle.Ces capteurs quantiques atteignent une maturité dans le monde académique qui justifie un transfert vers l’industrie. Ces instruments, comprenant une enceinte à ultra-vide, une architecture de contrôle poussée, un système laser agile, multi-fréquence et cohérent en phase, demeurent complexes et imposants. Ils nécessitent un effort d’intégration pour les applications industrielles et embarquées.Ce travail de thèse s’intéresse à l’amélioration des accéléromètres pour la navigation inertielle. L’hybridation entre des accéléromètres atomiques et classiques apporte une complémentarité des performances requises dans ce contexte. En effet les mesures de l’interféromètre atomique ont une dynamique restreinte et subissent des temps morts nécessaires à la préparation des atomes froids pour l’interrogation, ce qui réduit la bande-passante. Les accéléromètres classiques apportent une mesure continue avec une grande plage dynamique, nécessaire pour la navigation. L’accéléromètre hybride fournit une mesure avec une large bande-passante, une grande dynamique et pour laquelle le biais est amorti. Certains défis, dont la mesure multi-axe et selon une orientation quelconque du capteur atomique, sont adressés. Egalement une méthode pour la calibration de l’interféromètre atomique trois-axes est proposée et mise en œuvre, comprenant l’étude des effets systématiques et la correction des désalignements entre les axes de mesure.
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.
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.