Syrte

Résumé des principaux résultats

Pereira Franck — 2017-05-13T11:25:11Z

Les aberrations des fronts d'onde constituent une limite importante à l'exactitude des capteurs quantiques. Ils sont aujourd'hui la contribution dominante dans le bilan d'erreur des meilleurs interféromètres à atomes froids basés sur des séparatrices laser à 2 photons, et constituent une limite importante pour leur stabilité long terme, empêchant ces instruments d'atteindre leur plein potentiel. De plus, ils resteront un obstacle majeur dans les futurs instruments basés sur l'utilisation de séparatrices multiphotoniques. Dans l'étude que nous avons menée, nous avons adressé ce problème en utilisant un miroir déformable pour contrôler de façon active les fronts d'onde des lasers en interférométrie atomique. En particulier, nous avons démontré dans une expérience de preuve de principe la correction efficace d'aberrations optiques dans un gravimètre atomique.


Propagation des fronts d'onde des lasers: Le faisceau laser entre par le haut dans l'enceinte à vide et en sort par le hublot du bas. On considère ici le front d'onde descendant (en rouge) comme parfaitement plat. Après réflexion sur un miroir standard (à gauche) ou un miroir déformable (à droite), il entre à nouveau dans l'enceinte à vide (en bleu). A gauche : le front d'onde montant est déformé par les aberrations du hublot du bas, la lame quart d'onde et le miroir. La différence de phase entre les faisceaux descendant et montant dépend alors de la position transverse. Elle est échantillonnée d'une façon différente au moment des trois impulsions de l'interféromètre à cause de l'expansion balistique des atomes, ce qui biaise la mesure. A droite : le front d'onde montant est corrigé par le miroir déformable. La différence de phase est alors uniforme et la mesure non biaisée.

La grande dynamique de ce miroir déformable et sa bande passante permettrait en même temps de supprimer l'accélération de Coriolis (en compensant la rotation de la Terre en faisant tourner le miroir de rétroréflexion des faisceaux Raman pendant la séquence de l'interféromètre) et de rejeter les vibrations du sol (en translatant la surface du miroir en temps réel, ou avant la dernière impulsion de l'interféromètre). Ces techniques de compensation peuvent être appliquées à d'autres instruments, comme des gradiomètres ou des gyromètres. En particulier, elles seraient pertinentes pour des expériences de grande envergure, comme celles basées sur des séparatrices multiphotoniques ou des durées d'interféromètres très longues. En effet, dans ces expériences, l'effet des aberrations des fronts d'onde augmente avec l'impulsion nħk communiquée aux atomes, et l'effet des aberrations optiques d'ordres élevés surla mesure inertielle augmente avec le temps d'interrogation 2T.

S. Merlet, L. Volodimer, M. Lours, F. Pereira Dos Santos, "A simple laser system for atom interferometry", Appl. Phys. B 117, 749 (2014)

A. Trimeche, M. Langlois, S. Merlet, F. Pereira Dos Santos, "Active control of laser wavefronts in atom interferometers", Phys. Rev. Applied 7, 034016 (2017)

Landragin Arnaud — 2015-04-01T21:46:07Z

Introduction

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: 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.

Configuration à 3 impulsions

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'interférence des deux sources atomiques: 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 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.

Configuration à 4 impulsions


Schéma de l'interféromètre à 4 impulsions: Schéma de principe d'un interféromètre à 4 impulsions uniquement sensible à la rotation.

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.

T. Lévèque, A. Gauguet, W. Chaibi, A. Landragin, « Low noise amplification of an optically carried microwave signal : application to atom interferometry », Appl. Phys. B, 101 (4), 723-729, (2010).
A. Gauguet, B. Canuel, T. Lévèque, W. Chaibi, and A. Landragin, « Characterization and limits of a cold atom Sagnac interferometer », Phys. Rev A 80 (2009), 063604.
T. Lévèque, A. Gauguet, F. Michaud, F. Pereira Dos Santos, and A. Landragin, « Enhancing the area of a Raman atom interferometer using a versatile double-diffraction technique », Phys. Rev. Lett. 103 (2009), 080405.
P. Cheinet, B. Canuel, F. Pereira Dos Santos, A. Gauguet, F. Leduc, A. Landragin, « Measurement of the sens
itivity function in time-domain atomic interferometer », IEEE Trans. on Instrum. Meas. 57 (2008), 1141.
B. Canuel, F. Leduc, D. Holleville, A. Gauguet, J. Fils, A. Virdis, A. Clairon, N. Dimarcq, Ch. J. Bordé, A. Landragin et P. Bouyer, « Six-axis inertial sensor using cold-atom interferometry », Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 010402.
J. Fils, F. Leduc, Ph. Bouyer, D. Holleville, N. Dimarcq, A. Clairon and A. Landragin, « Influence of optical aberrations in an atomic gyroscope », Eur. Phys. J. D. 36 (2005), 257-260.
F. Yver-Leduc, P. Cheinet, J. Fils, A. Clairon, N. Dimarcq, D. Holleville, P. Bouyer, A. Landragin, « Reaching the quantum noise limit in a high-sensitivity cold-atom inertial sensor », J. Opt.B : Quantum Semiclas. Opt. 5 (2003) S136-S142.

Résumé des principaux résultats

Landragin Arnaud — 2015-03-09T22:28:26Z

Ce projet a eu pour enjeu principal de démontrer la possibilité, pour les interféromètres atomiques, de dépasser les limites actuelles des capteurs inertiels fondés sur des technologies standard (mécaniques et optiques) tout en réduisant drastiquement la complexité expérimentale des systèmes à atomes froids. En effet, comme (et plus encore que) pour les horloges atomiques qui fournissent aujourd'hui le standard de temps et fréquence de la planète, les futurs senseurs inertiels à atomes se doivent d'être compacts, transportables, et de fonctionnement autonome. Ce projet a été réalisé dans le cadre de la collaboration Miniatom avec le laboratoire LP2N (Phillipe Bouyer) et les sociétés IXSEA, KLOE, Thales et III-V Lab.

Parmi l'ensemble des développements réalisés dans le cadre de Miniatom, le SYRTE a en particulier participé a plusieurs résultats scientifiques qui ont porté sur le développement d'un gravimètre compact. La conception de la partie physique du capteur est basée sur un concept original utilisant une pyramide creuse permettant de réaliser l'ensemble des fonctions de l'interféromètre à l'aide d'un seul faisceau laser et conduisant à une simplification drastique de l'expérience, à la fois de l'enceinte à vide et du système laser. La réduction du volume de la « tête » de l'interféromètre est de l'ordre d'un facteur 100 pour atteindre typiquement 2l. Un travail de simplification similaire a été mené sur le banc laser utilisé pour le refroidissement et la manipulation des paquets d'ondes atomiques ainsi sur la référence de fréquence utilisée pour les transitions Raman. Enfin, nous avons démontré l'intérêt d'hybridation entre un accéléromètre à onde de matière et un interféromètre mécanique permettant de s'affranchir de toute plateforme de filtrage des vibrations. Le capteur hybride bénéficie de la stabilité long terme et de l'exactitude du premier et de la large dynamique et bande passante du second. Cette méthode est très prometteuse en vue d'applications en mesures de terrain et en particulier pour la navigation inertielle.


Schéma de principe du gravimètre compact: Les atomes sont piégés dans la pyramide avant de tomber sous l'effet de la gravité. L'interféromètre est alors réalisé à l'aide des faisceaux montant et descendant, rétro-réfléchi par la pyramide.

J. Lautier, L. Volodimer, T. Hardin, S. Merlet, M. Lours, F. Pereira Dos Santos, and A. Landragin, « Hybridizing matter-wave and classical accelerometers », Applied Physics Letters 105, 144102 (2014).
J. Lautier, M. Lours, A. Landragin, « A compact micro-wave synthesizer for transportable cold-atom interferometers », Rev. Sci. Instrum. 85, 063114 (2014).
Q. Bodart, S. Merlet, N. Malossi, F. Pereira dos Santos, P. Bouyer, and A. Landragin, « A cold atom pyramidal gravimeter with a single laser beam », Applied Physics Letters 96, 134101 (2010).

Syrte

Résumé des principaux résultats

{{Principaux résultats du Gyromètre-accéléromètre}}

Introduction

Configuration à 3 impulsions

Configuration à 4 impulsions

Résumé des principaux résultats