Interféromètre Atomique - Gyromètre à atomes froids

Le gyromètre – accéléromètre à atomes froids développé au SYRTE a démontré la possibilité de mesurer l’ensemble des axes d’inertie (trois axes de rotation et trois axes d’accélération) avec le même appareil. Il repose sur l’utilisation de l’interférométrie atomique, dans laquelle des ondes de matière sont séparées puis recombinées grâce à des faisceaux lasers. Les ondes atomiques associées à chaque atome suivent simultanément deux chemins séparés spatialement comme les ondes lumineuses dans un interféromètre optique.


Schéma de principe du gyromètre-accéléromètre atomique. Les ondes atomiques sont séparées, défléchies puis recombinées à l’aide de trois impulsions lasers.	Image de l’interféromètre. On distingue en bas les deux pièges magnéto-optiques utilisés comme sources atomiques. L’interféromètre est réalisé au niveau du hublot supérieur.

L’interféromètre ainsi créé est sensible à l’accélération suivant la direction de séparation des paquets d’onde atomique et à la rotation autour de l’axe normal à l’aire de l’interféromètre. La sensibilité à la rotation est bien connue en optique photonique sous le nom d’effet Sagnac et est proportionnelle à l’aire physique incluse entre les deux bras. Pour séparer le signal de rotation de celui d’accélération, l’expérience utilise simultanément deux sources d’atomes lancés dans des directions opposées.

Grâce à l’utilisation d’atomes préalablement refroidis dans une mélasse optique (à environ 1 µK) et en plaçant judicieusement des faisceaux lasers dans trois directions de l’espace, il est possible d’avoir accès de façon successive aux trois composantes de rotations et d’accélérations.

Franges d'interférences atomiques des deux sources, obtenues dans une configuration verticale. Le contraste des franges est de 30% et le déphasage relatif des deux interférogrammes, induit par effet Sagnac, permet de mesurer la rotation.

Les performances actuelles se comparent à celles des technologies standards : accéléromètres à masses mécaniques et gyromètres optiques. En une seconde de mesure, la sensibilité aux accélérations est d’une partie sur vingt millions de l’accélération terrestre (5.10^-7 m.s^-2) et la sensibilité aux rotations est d’une partie sur trois cents de la rotation terrestre (2.4 10^-7 rad.s^-1). Cependant, l’intérêt des capteurs atomiques réside dans leur capacité à améliorer cette sensibilité en moyennant le signal pendant de longues durées (plusieurs jours), ce qui est nécessaire pour les applications envisagées : en navigation inertielle, en géophysique (vitesse de rotation de la terre et gravimétrie) ou en physique fondamentale (notamment des tests de la relativité). Les études en cours ont notamment pour but d'étudier les limites de ce type d’interféromètre qui sont liées à la compréhension et à la maîtrise des interactions entre les atomes et les séparatrices Raman.

L’utilisation d’une configuration à quatre impulsions a démontré la possibilité de mesurer la vitesse de rotation suivant la direction de lancement des atomes, noté ici Ω_x, ce qui est impossible dans la configuration classique à trois impulsions. Dans ce cas, l’interféromètre n’est plus sensible à l’accélération mais uniquement à la rotation. Cette méthode permet également de développer un interféromètre de très grande sensibilité.

Cette nouvelle expérience se propose de réaliser un gyromètre de très haute sensibilité fondé sur une configuration en fontaine. Elle repose sur l'utilisation d'une seule source d’atomes froids, lancés suivant la direction verticale. Les atomes subissent alors une séquence de quatre impulsions Raman pour former un interféromètre croisé sur lui-même. Il est alors possible de mesurer la rotation selon l’axe horizontal de l’appareil avec une seule source atomique sans être sensible à l’accélération continue. Cette configuration permet d'utiliser un temps de mesure plus long et ainsi d'augmenter l'aire de l'interféromètre de plus de deux ordres de grandeur pour atteindre une surface totale de 11 cm².

En s’affranchissant des limites du gyromètre actuel, ce nouvel appareil nous permettra de tester les limites intrinsèques de ce type d’interféromètre. Les études permettront également de caractériser les points essentiels à la conception d’un gyromètre atomique de grande sensibilité, ce qui est nécessaire pour les diverses applications et notamment en navigation inertielle de très haute précision. Par ailleurs, les performances de ce type d’instrument permettront de mesurer des paramètres fondamentaux en géophysique encore inaccessibles à l’expérience, comme les fluctuations de la direction de l’axe de rotation de la terre sur des échelles de temps relativement courtes (quelques heures).