Conception er réalisation d'un gyromètre à atomes froids fondé sur l'effet Sagnac pour les ondes de matières

Design of a cold atom gyroscope based on the Sagnac effect for matter waves

• Auteur / Autrice : David Holleville
• Direction : Noël Dimarcq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Interférométrie atomique

Capteur inertiel

Transition Raman simulée

Interféromètre de Mach-Zehnder

Résumé

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondé sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage supplémentaire à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 10^11 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué à des ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température,. . . ) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations; une technique de double jet atomique contra-propageant a donc été mise en œuvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération. Tous les éléments composant le gyromètre atomique ont été réalisés durant la thèse, et les premiers signaux de l'appareil devraient être obtenus dans les prochains mois.

The purpose of my thesis was to use the recent developments of atom laser manipulation to build a device that can measure rotation rate as accurately as the best optical gyroscopes. Like optical gyroscopes, atomic gyroscopes are based on the Sagnac effect. The Sagnac effect consists in a extra phase shift at the output of a non zero area interferometer, when it is rotating. We show that the Sagnac effect for matter waves of Cesium atoms, for example, is 10^11 times more sensitive than for optical waves. The main difficulty concerning the device is to coherently separate and recombine the atomic waves. We do this in the interaction zone thanks to two-photon transitions called stimulated Raman transitions. The impulsions of the two photons, once transferred to the atom, is what provokes the angular separation for the two atomic wave packets. Building the device implied finding many new technical solutions, which proved to work well. One of the main problems was to build a device small enough, and as unchanged by outside parameters (magnetic fields, temperature, etc. ) as possible, to be transportable. Our atomic source is a laser cooled atom source, which allows a small interaction zone while maintaining a very good level of performance. The device is also sensitive to accelerations; a counter-propagating double atomic jet technique has therefore been used to discriminate between rotation and acceleration phase shift. All the parts of the atomic gyroscope were put together for the thesis. The first signals should be produced in the next few months.