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).
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).
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.
Mon travail de thèse, mené au LCAR, porte sur le développement d'interféromètres atomiques exploitant des condensats de Bose-Einstein manipulés par des réseaux optiques. Je présente diverses méthodes pour créer des interféromètres avec une grande séparation en impulsion entre les deux bras de l'interféromètre. Une première approche repose sur la diffraction d'onde atomique à ordre élevé, dans le régime dit de quasi-Bragg. Un chapitre est consacré à cette étude, mettant en évidence l'importance des transitions multiphotoniques non résonantes sur les signaux d'interféromètres. Le chapitre suivant décrit un schéma de séparatrices atomiques, fondé sur une succession d'impulsions pi qui transfert chacune 2ℏk. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau régime d'accélération particulièrement efficace grâce à un phénomène d'interférence destructive entre les pertes. Cette méthode a permis la réalisation d'un interféromètre avec une séparation de 200 impulsions de recul. Enfin, le dernier chapitre de mon manuscrit introduit une nouvelle technique exploitant le formalisme de Floquet, qui généralise les séparatrices atomiques précédentes ainsi que celles fondées sur les oscillations de Bloch. Pour préparer de manière optimale les états de Floquet transportés par le réseau optique, nous avons mis en œuvre des techniques de contrôle optimal. Cette approche a permis de démontrer expérimentalement des interféromètres avec une séparation en impulsion de 600ℏk, avec une visibilité de 20 %. Ce résultat représente la plus grande séparation en impulsion obtenue dans un interféromètre. Les séparatrices atomiques développées dans cette thèse peuvent potentiellement améliorer les mesures de la constante de structure fine et la sensibilité des capteurs inertiels exploitant des techniques d'interférométrie atomique. Par ailleurs, ces séparatrices ouvrent la voie à des interféromètres présentant une très grande séparation spatiale. Ces interféromètres suscitent un intérêt croissant en physique fondamentale, offrant diverses possibilités pour tester la relativité générale, la neutralité de la matière, ainsi que des modèles de matière noire. L'objectif à plus long terme de l'expérience sur laquelle j'ai travaillé consistera à effectuer des tests de la neutralité de l'atome en utilisant une nouvelle méthode basée sur la phase d'Aharonov-Bohm. Nous prévoyons une amélioration de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux limites actuelles.
Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.
Les capteurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique reposent sur l’utilisation d’atomes froids refroidis à des températures proches du micro-Kelvin et des temps d’interrogation de plusieurs centaines de millisecondes. Ces conditions conduisent à une extension du nuage d’atomes de l’ordre du cm, qui rend difficile leur interrogation efficace par des lasers à profil d’intensité gaussien. Cette thèse vise à développer plusieurs moyens de palier aux contraintes posés par le profil gaussien des lasers et leur intensité limitée. Deux axes principaux sont explorés.D'une part, l'inhomogénéité d'intensité des faisceaux d'interrogation a été adressée par l'étude, la réalisation et la caractérisation de solutions de mise en forme de faisceaux. Un modulateur spatial de phase a notamment été utilisé pour réaliser un faisceau plat en intensité et en phase de 3cm de diamètre. Une solution commerciale mise en vente durant la thèse a finalement été adaptée à une expérience d’interférométrie atomique, et son impact a été caractérisé.D’autre part, l’utilisation actuelle de lasers gaussiens de diamètres centimétriques pour adresser un maximum d’atomes apporte des contraintes sur les puissances utilisées. L’idée de profiter du gain en puissance de cavités optiques émerge dans le domaine et constitue le cœur de ce travail. Plusieurs concepts de résonateurs optiques ont été étudiés pour permettre l’amplification d’un mode de grande taille dans une géométrie compacte. Nous avons réalisé un résonateur dégénéré, intégrant une lentille intra-cavité, et avons étudié l’influence de ses désalignements et des défauts des optiques sur la résonance de grands faisceaux injectés.Ces deux dispositifs et leur couplage ouvrent la voie vers des générations avancées d’interféromètres atomiques, pour des expériences de précision en physique fondamentale ou pour la mise au point de capteurs inertiels à atomes froids compacts.