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.
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.
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.
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.
Mes travaux de thèse portent sur le développement d’un capteur inertiel à atomes froids à portée métrologique de nouvelle génération. Son architecture est basée sur deux sources atomiques indépendantes interrogées simultanément par une séquence d’interférométrie atomique commune aux deux sources. Aussi, dans l’optique d’atteindre des performances de mesure ultimes, notre instrument repose sur des fonctions optiques de manipulation d’atomes froids de dernières générations: oscillations de Bloch et séparatrices multi-photoniques. En trois ans, notre instrument a atteint un niveau de développement suffisant pour faire la démonstration de son principe de fonctionnement, permettant de mesurer simultanément l’accélération de la pesanteur g et son gradient vertical. En particulier, nous avons démontré une nouvelle méthode de mesure qui permet de s’affranchir non seulement des bruits en mode commun, mais aussi des fluctuations de la ligne de base de l’instrument, pour la détermination du gradient de gravité. Pour mener à bien ces travaux, j’ai également utilisé un prototype de banc optique industriel pour application spatiale, développé dans le cadre d’un projet financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et coordonné par la société Muquans. En parallèle des développements sur notre instrument, nous avons testé et caractérisé ce banc fibré qui réalise toutes les fonctions optiques nécessaires au fonctionnement d’un interféromètre atomique dans l’espace.
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des performances d'un gradiomètre atomique à atomes froids. L'objectif principal était d'accroître la sensibilité de l'instrument en augmentant le transfert d'impulsion via des transitions de Bragg d'ordre élevé, tout en s'affranchissant des limites imposées par les inhomogénéités du faisceau d'interrogation.Nous avons d'abord étudié les transitions de Bragg dans le régime de quasi-Bragg, nécessaire pour réaliser des séparatrices à grand transfert d'impulsion (LMT) en un temps raisonnable. L'augmentation de l'ordre de diffraction (passage de n=1 à n=3) s'accompagne d'effets délétères : une baisse significative du contraste et l'apparition d'interféromètres parasites dû au peuplement d'états de moment indésirables. La dynamique du système devient alors multimodale et ne peut plus être décrite par un simple système à deux niveaux.Pour pallier ces effets, nous avons implémenté des impulsions optimisées via l'algorithme de contrôle optimal GRAPE. En modulant la phase des lasers par un modulateur électro-optique, nous avons démontré un gain relatif de contraste d'environ qty{20}{percent} à court temps d'interrogation (T=qty{1}{milli second}) et une amélioration notable de la pureté spectrale. Cependant, nous avons observé une décroissance exponentielle du contraste avec l'allongement de la durée d'interrogation, limitant l'efficacité du contrôle optimal. Cette limitation a été identifiée comme provenant très certainement des inhomogénéités spatiales de couplage (déplacement lumineux et fréquence de Rabi) venant du profil gaussien du faisceau d'interrogation. Pour surmonter cet obstacle, nous avons conçu et caractérisé un nouveau système de collimation générant un faisceau à profil d'intensité plat (top-hat).L'intégration du collimateur top-hat sur l'expérience a permis de réduire d'un facteur 2 la dispersion des déplacements lumineux vus par les atomes.En configuration de référence (T=130,ms, 110 oscillations de Bloch), nous avons mesuré une sensibilité au gradient de gravité de sigma_{gamma_{zz}}(1text{s}) = 157 pm 18 text{ E}.Ce résultat surpasse l'état de l'art historique de l'instrument (287 E) et améliore d'un facteur approxtimes2 la performance par rapport au collimateur gaussien standard (304 E).
Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des performances d'un gradiomètre atomique à atomes froids. L'objectif principal était d'accroître la sensibilité de l'instrument en augmentant le transfert d'impulsion via des transitions de Bragg d'ordre élevé, tout en s'affranchissant des limites imposées par les inhomogénéités du faisceau d'interrogation.Nous avons d'abord étudié les transitions de Bragg dans le régime de quasi-Bragg, nécessaire pour réaliser des séparatrices à grand transfert d'impulsion (LMT) en un temps raisonnable. L'augmentation de l'ordre de diffraction (passage de n=1 à n=3) s'accompagne d'effets délétères : une baisse significative du contraste et l'apparition d'interféromètres parasites dû au peuplement d'états de moment indésirables. La dynamique du système devient alors multimodale et ne peut plus être décrite par un simple système à deux niveaux.Pour pallier ces effets, nous avons implémenté des impulsions optimisées via l'algorithme de contrôle optimal GRAPE. En modulant la phase des lasers par un modulateur électro-optique, nous avons démontré un gain relatif de contraste d'environ qty{20}{percent} à court temps d'interrogation (T=qty{1}{milli second}) et une amélioration notable de la pureté spectrale. Cependant, nous avons observé une décroissance exponentielle du contraste avec l'allongement de la durée d'interrogation, limitant l'efficacité du contrôle optimal. Cette limitation a été identifiée comme provenant très certainement des inhomogénéités spatiales de couplage (déplacement lumineux et fréquence de Rabi) venant du profil gaussien du faisceau d'interrogation. Pour surmonter cet obstacle, nous avons conçu et caractérisé un nouveau système de collimation générant un faisceau à profil d'intensité plat (top-hat).L'intégration du collimateur top-hat sur l'expérience a permis de réduire d'un facteur 2 la dispersion des déplacements lumineux vus par les atomes.En configuration de référence (T=130,ms, 110 oscillations de Bloch), nous avons mesuré une sensibilité au gradient de gravité de sigma_{gamma_{zz}}(1text{s}) = 157 pm 18 text{ E}.Ce résultat surpasse l'état de l'art historique de l'instrument (287 E) et améliore d'un facteur approxtimes2 la performance par rapport au collimateur gaussien standard (304 E).
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.