Gyromètre atomique de très grande aire

Cette nouvelle expérience de gyromètre est fondée sur une configuration en fontaine avec 4 impulsions pour manipuler les paquets d’onde atomique et permet de réaliser un interféromètre de très grande aire. Elle repose sur l’utilisation d’une seule source d’atomes froids, lancés suivant la direction verticale et dont la trajectoire est recourbée sous l’effet de la gravité.

Photo du nouveau dispositif expérimental utilisant une configuration en fontaine à 4 impulsions permettant de mesurer les rotations selon l’axe horizontal.

Les paquets d’onde atomique subissent alors une séquence de quatre impulsions Raman pour former un interféromètre croisé sur lui-même, de façon à ce que les sensibilités à l’effet Sagnac des deux boucles s’ajoutent. 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. Les résultats récents nous ont déjà permis d’atteindre des stabilités long terme record pour des interféromètre à atomes froids au niveau de 1 nrad.s^-1.
Phys. Rev. Lett. 116, 183003 (2016)

Principe de fonctionnement en continue du gyromètre à atomes froids. Les mesures en continue sont réalisées à l’aide d’interrogations jointes, pour lesquelles la séparatrice atomique est partagée entre le nuage d’atome entrant dans l’interféromètre avec celui qui en sort.

Ce nouvel appareil nous permet de tester les limites intrinsèques de ce type d’interféromètre. Les études permettent 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. En particulier, nous avons démontré pour la première fois l’intérêt d’une mesure en continue avec un interféromètre à atomes froids, et qui permettra d’améliorer à terme la sensibilité du gyromètre en éliminant les effets d’échantillonnage dans ce type de capteur.
Phys. Rev. A 90, 063633 (2014)

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).

Photo du nouveau dispositif expérimental utilisant une configuration en fontaine à 4 impulsions permettant de mesurer les rotations selon l’axe horizontal.

Interférométrie atomique en cavité

Parallèlement aux activités de l’expérience gyroscope-accéléromètre, nous développons des cavités optiques adaptées à l’interférométrie atomique de précision.

L’interférométrie atomique à haute sensibilité est généralement réalisée avec de longs temps d’interrogation (800 ms dans ce projet) et des sources atomiques froides ∼ 1 µK résultant en une taille typique de l’échantillon atomique de plusieurs millimètres, nécessitant ainsi des faisceaux optiques aussi grands et homogènes que possible. Un point clé pour un interféromètre atomique à cavité basé sur les techniques LMT est donc de construire un résonateur optique avec un mode optique grand (cm), ce qui est difficile.

Considérons une cavité optique qui peut résonner pour un faisceau avec une taille de l’ordre de 1 cm. L’obtention d’un faisceau aussi important dans une cavité relativement compacte (∼ 40 cm de long) avec seulement deux miroirs est extrêmement difficile à réaliser car elle nécessiterait des miroirs de rayon de courbure de l’ordre de plusieurs centaines de km. Notre conception est plutôt basée sur une cavité avec deux miroirs plans et une lentille intra-cavité pour fournir une grande taille. Lorsqu’il est injecté avec une taille w_0 sur l’un des miroirs plats, la taille au niveau du deuxième miroir plat est donnée par w_1=lambda*f/pi*w_0. L’obtention d’un grand diamètre w_1 = 1 cm dans le résonateur avec une lentille intra-cavité de f = 200 mm de longueur focale donne un diamètre w_0 = 5 µm à la longueur d’onde λ = 852 nm.

Des détails sur la conception de notre résonateur peuvent être trouvés dans cette publication : J. Phys. B : At. Mol. Opt. Phys. 50 155002 (2017)

La réalisation et la caractérisation des limites de cette conception de cavité ont été réalisées par Nicolas Mielec (PhD) et Ranjita Sapam (postdoctorante Marie-Skłodowska-Curie de l’UE). Des détails sur la réalisation des modèles utilisés pour simuler la cavité peuvent être trouvés dans la thèse de doctorat de Nicolas Mielec.

L’image ci-dessous montre la cavité dégénérée que nous avons construite (la cavité est située dans la région violette, et le faisceau rouge montre l’injection avec un grand faisceau gaussien).

Interférométrie Atomique avec des faisceaux Top-Hat

Nous avons étudié différentes solutions de mise en forme de faisceaux afin de produire des faisceaux laser avec un profil d’intensité constant dans une région donnée, des faisceaux laser dits « top hat ». L’homogénéité de l’intensité du laser est essentielle pour améliorer l’efficacité de l’optique atomique (c’est-à-dire l’efficacité des miroirs et des séparateurs de faisceau pour les ondes de matière). Nous avons récemment implémenté un faisceau laser Top Hat de 30 mm de large sur l’expérience du gyroscope et montré comment une telle mise en forme de faisceau peut améliorer les performances de l’interféromètre atomique.

Plus de détails peuvent être trouvés dans cet article : arXiv : 1808.03355

Beam Shaper

a) Vue schématique du système optique avec le collimateur d’entrée, le beamshaper et le téléscope (dimensions en mm, φ désignant le diamètre de l’optique). b) Image du faisceau sur un écran en papier. La ligne violette en pointillés est un cercle de 28 mm de diamètre. c) Image obtenue avec un profileur de faisceau, après 40 cm de propagation. Entre les 2 traits pointillés séparés de 28 mm, l’uniformité du plateau est de 0,11 rms. d) (bleu) Profil vertical du faisceau illustrée en c) ; l’intensité a été normalisée à l’intensité moyenne du plateau. (orange) Moyenne adjacente sur 1 mm. (vert) Profil théorique d’un faisceau gaussien de 40 mm de diamètre à 1/e2 .

crédits: N. Mielec, R. Geiger

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