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.
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.
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 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.