Réalisation et caractérisation d'un gyromètre à ondes de de Broglie

Realization and caracterization of a matter-wave gyrometre

• Auteur / Autrice : Jérôme Fils
• Direction : Noël Dimarcq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Interféromètre de Ramsay-Borde

Transition Raman à deux photons

Gyromètre atomique, capteur inertiel

Matrices A, B, C, D, modes d'Hermite-Gauss

Effet Sagnac, force de Coriolis

Interféromètre atomique, ondes de de Broglie

Aberrations optiques, polynômes de Zernike

Hamiltonien quadratique

Résumé

Un capteur inertiel a interférométrie atomique utilisant des atomes froids d'un atome alcalin, le césium 133, est réalise a l'observatoire de Paris. Il se compose de deux interféromètres temporels a ondes de Broglie disposes tête-bêche. Chacun d'eux permet de mesurer les accélérations et rotations du référentiel de laboratoire par rapport au référentiel inertiel des atomes. L'accélération de Coriolis est calculée par soustraction des deux signaux obtenus. On utilise comme source un nuage d'atomes captures dans un piège magnéto-optique. Lances en vol parabolique, la trajectoire classique des atomes est séparée en deux chemins interféromètriques distincts par action sur l'état interne de l'atome couplé à un changement de son impulsion. L'interféromètre est de type ramsey-borde symétrique. La séparation, la déviation et la recombinaison des fonctions d'onde cohérentes sont assurées par trois transitions Raman a deux photons, entre les niveaux hyperfins du niveau fondamental du césium, par un seul et unique faisceau module temporellement. Ce travail dresse un premier bilan métrologique de l'appareil. La mesure est intrinsèquement limitée par le bruit blanc de projection quantique. Les bruits mécaniques de rotation et de température des atomes ont un niveau plus élevé. Un terme croise entre la non-superposition des trajectoires des deux faisceaux atomiques contra-propageants et les défauts de front d'ondes des faisceaux Raman dégrade la stabilité du signal. Les bruits de phase des faisceaux Raman, même s'ils sont identiques sur les deux interféromètres et disparaissent par soustraction, doivent être minimises. Il en va de même des accélérations parasites. L'étude théorique de la diffraction suivant la loi des matrices A,B,C,D d'un paquet d'ondes de mode hérmito-gaussien, et régie par l'équation de Schrödinger a hamiltonien quadratique en positon et impulsion, affine le calcul de l'effet Sagnac et du déphasage résiduel du aux aberrations optiques.

An inertial sensor using matter-wave interferometry with cold alcalii atoms (133 cesium) is under construction at the observatoire de Paris. Two counter- propagating temporal atomic interferometers measure accelerations and rotations of the laboratory frame compared to the inertial frame of the atoms. Carioles acceleration is calculated by subtraction of both signals. The source is a cloud of atoms captured in a magnetic optical trap. The atoms are launched in parabolic flight and separated in two classical trajectories by acting on their internal state coupled to their external impulse state. A symmetric Ramsey-borde interferometer is used : separation, deviation and recombination of the coherent wave functions is made by three two-photon Raman transitions between both hyperfine levels of the cesium ground level with a single temporal modulated laser. This work draws an error budget of the apparatus. Quantum projection white noise is the intrinsic limitation of the measure. Rotation mechanical noises and temperature fluctuations of the clouds have a higher level. A cross effect between optical aberrations of the Raman lasers and non-superposition of the counter-propagating atomic streams decreases signal stability. The phase noise of the Raman lasers, so as parasite accelerations, even disappearing by subtraction because they are equal on both interferometers, must be minimized. The theoretical study was about the diffraction of an hermite-gauss wave packet subdued to Schrödinger equation with an Hamiltonian which is quadratic in position and impulse. It has sharpened the calculation of the Sagnac effect and the residual phase shift due to optical aberrations.